廣東省耕地土壤有效磷時空變化特征及影響因素分析

曾招兵 ，曾思堅*，湯建東，劉一鋒，張滿紅

1. 廣東省農業科學院農業資源與環境研究所，廣東 廣州 510640；2. 廣東省耕地肥料總站，廣東 廣州 510500

磷是重要的生命元素之一，其在農業生產中的地位是不可替代的。土壤中磷營養狀況是影響作物產量和品質的重要因素之一，也是生產獲得高產優質作物的重要基礎。土壤中磷素的豐缺狀況，是衡量土壤肥力水平高低的標志之一，而土壤有效磷是當季作物可從土壤中獲取的主要磷養分資源。第二次土壤普查（啟動于 1979年，基本完成于 1985年）結果顯示，廣東省有64.9%的水稻土和67.3%的旱地土壤全磷質量分數低于 0.9 g·kg-1，其中有39.9%水稻土和 49.4%旱地土壤的有效磷低于 10 mg·kg-1。由此可見，第二次土壤普查前廣東省多數土壤全磷含量低，供磷能力弱(廣東土壤普查辦公室，1993)，為提高土壤生產力，農業生產中應廣泛施用磷肥。

由于自然和人為因素的影響，農田土壤有效磷時空變化特征明顯，若缺乏對其時空變異情況的了解，不能根據其變化確定施肥量和施用方式，則有可能導致農田磷素虧缺或盈余。土壤磷素虧缺影響作物生長，而過量磷素的累積不僅影響到其他元素的生物有效性（劉忠珍等，2005；都韶婷，2010；劉芳等，2011），造成營養元素供應失衡，還將引起土壤肥力退化，帶來一系列環境問題。大量研究表明，當季磷肥的利用率很低，僅有 10%~20%，其余的則被固定在土壤磷庫，長期施用磷肥容易造成土壤磷素累積。而土壤磷素過量富集時，土壤磷容易以水溶態和顆粒態形式隨降雨徑流向水體遷移，成為水體中磷的補給源，而農業土壤磷的大量輸出正是目前導致受納水體富營養化的重要原因（章明奎等，2006；張乃明等，2007）。

因此，掌握耕地土壤有效磷的演變規律，不僅能為我省耕地質量管理和農業生產中科學施用磷肥提供指導依據，還能為控制農業面源污染提供宏觀的科學依據。本文利用廣東省 1984年以來建立的耕地長期定位監測網獲得的監測數據，通過分類匯總和整理對全省耕地土壤有效磷時空變化特征及影響因素進行了分析。mg·kg-1、較豐富(2級)有效磷質量分數 20~40 mg·kg-1、中等(3 級)有效磷質量分數 10~20 mg·kg-1、較缺(4級)有效磷質量分數5~10 mg·kg-1、缺(5級)有效磷質量分數3~5 mg·kg-1、極缺(6級)有效磷質量分數<3 mg·kg-1。對全省不同監測時期的所有監測點的土壤有效磷含量進行分級頻率統計，結果如圖2所示。除3級外，其他等級的有效磷含量分布頻率變化均非常顯著，其中1級頻率由1986—1990年期間的 2.4%迅速上升到 2006—2010年期間的38.8%，且上升速度越來越快，尤其是1996—2000年期間以后的上升速度明顯加快；2級頻率呈先迅速上升后下降的趨勢，在1996—2000年期間達到峰值31.0%，而后在2006—2010年期間降至27.8%；3級頻率變化趨勢與 2級相似，亦在 1996—2000年期間達到峰值，而后在2006—2010年期間下降，但整體變化幅度較小；4級、5級和6級頻率在1984—2010年期間呈不同程度的持續下降趨勢，其中4級下降25%，5級下降16.8%，6級下降7.4%。從統計結果來看，我省中上水平（2級以上）的有效磷含量由1986—1990年期間的10.8%上升到2006—2010年期間的 66.6%，提高幅度超過 50%；而低水平（4級以下）的有效磷含量由 1986—1990年期間的 59.6%下降到 2006—2010年期間的10.4%，下降幅度接近50%。由此說明近幾十年來全省有效磷含量整體水平得到急劇的提升，由過去的虧缺狀態已經轉變到豐富狀態。

表1 各時期全省耕地土壤統計的平均有效磷Table 1 The average AP of farmland soil in different stages of Guangdong province

圖2 全省耕層土壤不同等級有效磷質量分數的頻率變化趨勢Fig. 2 Frequency change trend of different grades of farmland soil AP

2.1.2 不同區域的演變特征

如圖3所示，不同監測階段，全省耕地土壤有效磷含量的空間分布格局呈明顯差異。1986—1990年時期，珠三角和粵東地區土壤有效磷總體水平相當（<10 mg·kg-1），且低于粵北和粵東地區的總體水平（10~20 mg·kg-1）；1991—1995 年時期，粵西地區土壤有效磷率先進入20~30 mg·kg-1水平，而珠三角和粵東地區上升到與粵北同一水平（10~20 mg·kg-1）；1996—2000年時期，粵東、珠三角和粵北地區土壤有效磷總體水平均趕上粵西地區，全省四大區域有效磷質量分數同處20~30 mg·kg-1水平；2001—2005年時期，珠三角和粵東地區有效磷總體水平后來居上，其中珠三角領先突破到 40~60 mg·kg-1水平，粵東地區進入到 30~40 mg·kg-1，而粵西和粵北仍停留在 20~30 mg·kg-1水平；2006—2010年時期，粵西地區土壤有效磷總體水平急劇提高，突破到60 mg·kg-1以上水平，躍升到四大區域之首，珠三角和粵東地區保持上一階段水平，而粵北地區上升一個水平，趕上粵東，進入 30~40 mg·kg-1水平。縱觀各個監測階段，全省耕地土壤有效磷含量空間分布格局可概況為差異縮小再到差異擴大的演變趨勢，而人為因素很可能在這一過程中起主導作用。

圖4進一步反映了不同監測時期，全省四大區域耕地土壤有效磷含量總體水平隨時間推移呈快速上升趨勢。2006—2010年時期，粵北、粵東、粵西和珠三角地區的有效磷質量分數平均分別為30.7 mg·kg-1、36.8 mg·kg-1、<60 mg·kg-1和 55.7 mg·kg-1，與1986—1990年時期相比，分別增加20.0 mg·kg-1、29.1 mg·kg-1、<45.6 mg·kg-1和 46.4 mg·kg-1，年平均分別增加 0.74 mg·kg-1、1.08 mg·kg-1、<1.69 mg·kg-1和 1.72 mg·kg-1。其中，珠三角和粵西地區耕地土壤有效磷含量總體水平增加速度最快，其次粵東，粵北最慢。

2.2 土壤有效磷演變的影響因素

2.2.1 土壤自身性質的影響

受成土因素的綜合影響，不同地區的土壤性狀存在較大差異。土壤質地是反映土壤理化性質差異的一個重要指標，土壤質地相近的土壤一般理化性質差異較小。因此，以質地差異較大的相鄰監測點分析土壤理化性質對土壤有效磷演變的影響具有有效磷含量演變有重要影響。

表2 臺山市白石村和大巷村監測點基本情況Table 2 The basic information of the monitoring poins in Baishi and Daxiang village

圖5 白石村和大巷村監測點土壤有效磷變化趨勢Fig.5 Change tendency of farmland soil AP for the monitoring points in Baishi and Daxiang village

2.2.2 人為施肥的影響

為分析施肥對土壤磷含量的影響，本文采用廣州增城市農科所內的長期定位重點監測點的監測數據進行分析，該監測點基本情況如下：始建于1987年，種植模式為稻-稻，土壤類型為寬谷砂泥田。2002年的土壤基本性質為：有機質質量分數18.6 g·kg-1，全氮質量分數 1.12 g·kg-1，堿解氮質量分數 85.6 mg·kg-1，速效磷質量分數 19.2 mg·kg-1，速效鉀質量分數13.8 mg·kg-1，pH值5.9。試驗共設置6個處理。即：（1）不施肥處理（CK）；（2）氮磷鉀施肥處理（NPK）；（3）氮磷施肥處理（NP）；（4）氮鉀施肥處理（NK）；(5)磷鉀施肥處理（PK）；（6）氮磷鉀配施有機肥處理（OM)。其中處理6（OM）化肥氮磷鉀投入量分別為 150 kg·hm-2（N）、30 kg·hm-2（P2O5）、75 kg·hm-2（K2O），豬糞用量為7500 kg·hm-2，其余處理化肥氮磷鉀投入量分別為150 kg·hm-2（N）、49 kg·hm-2（P2O5）、90 kg·hm-2（K2O）。氮肥施用品種為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。各處理小區面積66.7 m2，三面光水泥磚基分隔，獨立排灌。

如表3所示，不同施肥處理對土壤有效磷的影響存在顯著差異。監測點不同處理土壤多年（2002—2011年）有效磷質量分數的平均大小順序是：NK

因采樣等誤差因素的影響，各處理年際間的土壤有效磷波動較大。為更直觀的反映出各處理的差異情況，將 2002—2011年的監測期劃分為兩個階段，前階段為2002—2006年，后階段為2007—2011年。由圖6可見，從兩個監測階段比較可知，后階段的各處理土壤有效磷質量分數均比前階段提高。各處理有效磷增加量的高低順序為：CK（1.6 mg·kg-1）

表3 不同施肥處理多年的平均有效磷質量分數Table 3 The average AP of different fertilization treatments for many years

圖6 不同處理的土壤有效磷值比較Fig.6 The soil AP value compareson of different treatment

圖7（a）反映了1984年以來全省耕地磷肥投入量的變化趨勢。由圖可知，雖然單位面積以有機肥形式投入的磷肥呈不斷下降趨勢，但單位面積以化肥形式投入的磷肥呈大幅增加趨勢，因此單位面積的磷養分年投入總量仍呈顯著增加趨勢。與1986—1990年期間的單位面積磷肥投入總量相比，2006—2010年期間增加103 kg·hm-2，增幅97%。單位面積不斷增加的磷肥投入是導致我省耕地土壤有效磷質量分數提高的最主要原因。對土壤有效磷質量分數與累積投入磷養分量進行相關性分析，結果顯示兩者表現為極顯著線性正相關關系（p<0.01），回歸方程為y =0.008x+7.36，如圖7（b）所示。據此估算近25年來，我省耕地每投入100 kg·hm-2磷肥，土壤平均累積有效磷0.8 mg·kg-1。為進一步揭示磷肥投入對土壤養分的影響，對1984以來的全省稻田監測點平均磷盈余量與相應年份的土壤有效磷含量進行線性回歸模擬，結果表明，磷累積盈余量與有效磷質量分數表現為顯著相關關系（p<0.05），回歸方程為y=0.053x+12.37，說明每盈余100 kg·hm-2磷養分土壤平均累積有效磷5.3 mg·kg-1。

2.2.3 種植業結構調整的影響

改革開放以來，隨著經濟發展，廣東種植業由過去以單一的糧食作物種植為主發展到糧食、蔬菜、水果等多樣化的種植格局，其中相當一部分由水田改種形成。水田改變種植模式后，農田的耕作、水分與施肥管理方式隨之發生較大變化，由此對土壤養分狀況產生重要影響。甄蘭等系統分析了過去25年來山東省惠民縣的種植業結構調整對該縣土壤養分平衡和養分特征的影響（甄蘭等，2007），結果表明種植業結構的改變大幅提高了磷養分盈余，導致土壤有效磷增加303%。而本研究對2006—2010年期間全省監測點的常年菜地和雙季水田的土壤有效磷和磷肥投入量的統計結果顯示（如表4所示），常年菜地單位面積以有機肥形式和化肥形式投入的磷分別是水田的10倍和3.4倍，磷肥總投入量是水田的3.7倍；常年菜地土壤有效磷含量是水田的3.6倍。與水田相比，常年菜地土壤有效磷含量的增長倍數與其磷肥投入量增加倍數基本一致。據廣東省農村統計年鑒數據顯示，全省蔬菜地的種植面積規模在1992—2011年期間從63.1×104hm2增加到121×104hm2，增加了近一倍，其中絕大部分是由水田改種而來。由此可知，種植業結構的調整是提高我省土壤有效磷整體水平的重要原因，特別是種植業結構調整劇烈的珠三角發達地區。

圖7 全省監測點磷肥投入變化趨勢及磷肥累積投入量與土壤有效磷的相關關系Fig.7 Phosphate fertilizer inputs change trends of monitoring points in Guangdong province,and relationship between accumulated amount of phosphate fertilizer and soil AP

表4 2006—2010年期間菜地和水田土壤有效磷質量分數及磷肥投入量Table 4 Vegetable fields and paddy soil AP and phosphate fertilizer inputs in 2006—2010 period

2.3 全省耕地土壤有效磷演變對環境的影響

隨著土壤磷素的累積，作物不再缺磷，人們關注的重點從作物磷養分需求轉移到過量磷養分對外輸出造成的環境影響，并逐漸形成近年來的研究熱點問題。土壤有效磷在什么范圍內既能滿足作物需求又不會對環境造成污染風險呢？目前，國內外有關磷養分的研究結果因所研究土壤類型不同而存在較大差異，范圍多在 20~100 mg·kg-1之間（Hesketh和Brookes, 2000；曹志洪等，2005；張煥朝等，2004；周全來等，2006；章明奎等，2007；李學平，2008）。本文以50 mg·kg-1為臨界值來估算全省耕地土壤磷水平的環境風險指數，并以 2010年的全省監測數據（N=262）進行統計分析，結果顯示了我省34.4%（高于三分之一）的耕地土壤磷水平對周圍環境構成了污染風險。為保護生態環境，建議對超過有效磷臨界值的土壤采取少施或不施磷肥措施。國外有研究推算在未施磷肥的條件下，土壤磷素水平從100 mg·kg-1降至20 mg·kg-1的過程需要16~18年的時間（Mehlich, 1984）。可見，富磷土壤對環境產生的影響是長期性的，由土壤磷素的過量累積所導致的環境污染風險應引起相關部門的高度重視。

3 結論

（1）1984來以來全省耕地土壤有效磷含量總體水平急劇提升，已由過去的虧缺狀態轉變到盈余狀態。全省耕地有效磷時空變化特征表現為差異縮小再到差異擴大的演變趨勢，珠三角和粵西地區耕地土壤有效磷含量總體水平增加速度最快，其次粵東，粵北最慢。

（2）第二次土壤普查后農業生產廣泛施用磷肥是造成全省耕地土壤有效磷整體水平大幅提高的主要原因。種植業結構調整和土壤理化性質對土壤有效磷的演變特征亦有重要影響。

（3）由于土壤磷累積，全省高于三分之一的耕地對周圍環境構成了污染風險，應引起足夠的重視。

4 研究展望

鑒于全省耕地土壤有效磷含量總體水平已由過去的虧缺狀態轉為盈余狀態，對農業生產和環境造成了不利影響。筆者認為，今后可從以下幾個方面著手研究，以尋求應策。首先，由于耕地監測點數量有限，分析結果雖能宏觀反映全省有效磷的整體狀況，但不能描述到具體農田的實際狀況，建議結合當前的測土配方和耕地地力評價工作，進一步全面摸清全省各縣（市、區）主要農田土壤磷養分狀況，鼓勵有機肥與無機肥配施，少施化肥磷。其次，建議通過研究全省主要土壤類型磷肥在土壤中的固定與解析特征，深入分析磷素對作物生長和周邊環境的影響。最后，全省廣泛施用磷肥歷史至少30年，其中絕大部分磷素被固定于土壤中，固定磷量之大不可小覷。因此，研究開發活化被固定的磷素資源，對我省農業生產及改善生態環境均有重要意義。

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