植物有效磷與水溶性磷對(duì)土壤磷素積累的響應(yīng)研究

童文彬 邱志騰 章明奎

摘要：以浙江省河谷平原、水網(wǎng)平原、濱海平原和丘陵山地等4類(lèi)地貌的耕地為例，探討了植物有效磷和水溶性磷隨土壤磷素積累的變化特征。結(jié)果表明：植物有效磷和水溶性磷均隨土壤磷素積累呈現(xiàn)明顯的增加，它們隨土壤磷素積累的增加量存在轉(zhuǎn)變點(diǎn)。當(dāng)土壤全磷達(dá)到0.80-0.95g/kg以上時(shí)，植物有效磷隨土壤磷素積累的增幅明顯地增強(qiáng);而當(dāng)植物有效磷分別為42-62、165-265mg/kg以上時(shí)，土壤水溶性磷水平發(fā)生了明顯的2個(gè)遞增過(guò)程。總體上，河谷平原土壤中植物有效磷和水溶性磷發(fā)生明顯變化時(shí)土壤積累磷的臨界值相對(duì)較低。由于易釋放態(tài)磷占土壤磷的比例隨磷積累的增加而增加，研究認(rèn)為控制土壤磷素的過(guò)度積累可有效降低土壤磷素的流失。

關(guān)鍵詞：土壤磷素積累;有效磷;水溶性磷;轉(zhuǎn)變點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S158

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：cjas18100017

0引言

磷是植物生長(zhǎng)必需的生命元素，同時(shí)也是水環(huán)境的重要污染元素。土壤是地球表面植物生長(zhǎng)與地表水體中磷的重要來(lái)源，土壤中磷素積累狀況不僅可影響植物的生長(zhǎng)，同時(shí)也可對(duì)地表水質(zhì)產(chǎn)生較大的作用[1-6];土壤磷素的積累滿足了植物生長(zhǎng)對(duì)磷素需求，土壤進(jìn)入地表水體中磷的數(shù)量也隨之增加[7-9]。由于大多數(shù)自然土壤中磷素偏低，施磷便成為農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要措施。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中如何合理控制磷肥施用量，使磷素既能滿足植物生長(zhǎng)的需要，又不至于過(guò)量積累，是當(dāng)前農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中磷素管理的關(guān)鍵問(wèn)題[1]。與生物有效性較高的氮素和鉀素不同，土壤對(duì)磷素有很大的固定作用，通過(guò)以施肥方式進(jìn)入土壤中的磷素有相當(dāng)一部分易被土壤固定[10-15]，因此磷肥對(duì)當(dāng)季作物的利用率常常較低，而相應(yīng)地每次施入農(nóng)田中的磷將有較大比例被殘留在土壤中[10]。近30多年來(lái)，中國(guó)農(nóng)地施用磷肥的數(shù)量和頻率都比20世紀(jì)80年代前有明顯的增加，因此，農(nóng)地土壤中磷素的積累已是較為普遍的現(xiàn)象，一些地方的耕地特別是蔬菜地等設(shè)施土壤中磷的積累已達(dá)到較高的水平[16-19]。所以，長(zhǎng)期施肥條件下土壤有效磷的演變及有效磷隨土壤磷素積累的變化規(guī)律一直是人們關(guān)心的問(wèn)題[20-25]。一些長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的研究已表明，多年長(zhǎng)期施用磷肥可顯著提高土壤有效磷水平，但土壤有效磷增加的速率各地有所差別，取決于各地土壤性狀和肥料施用水平[21]。不同地區(qū)積累在土壤中的磷素的有效性有較大差異，這種差異除與研究區(qū)土壤類(lèi)型有關(guān)外，可能還與土壤中磷素積累程度不同有關(guān)。目前，中國(guó)有關(guān)土壤有效磷隨磷素積累變化的研究多局限于田間試驗(yàn)，其土壤磷素積累幅度較小，對(duì)土壤磷素積累幅度較大情況下有效磷變化速率了解甚少。為此，筆者以浙江省四大土區(qū)（即濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地）為研究單元，在各土區(qū)內(nèi)采集土壤磷素積累差異較大的系列土壤，研討植物有效磷（代表作物能吸收利用）和水溶性磷（代表易釋放至地表水中的磷）對(duì)土壤磷素積累的響應(yīng)，目的是為了解長(zhǎng)期施肥情況下有效磷變化的規(guī)律，為合理利用積累在土壤中的磷素及預(yù)防土壤磷素對(duì)地表水體的影響提供指導(dǎo)。

1材料與方法

根據(jù)土壤分布規(guī)律，浙江省的耕地土壤分布大致可分為濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地等4個(gè)土區(qū)，同一土區(qū)內(nèi)的土壤由于成土母質(zhì)和土壤形成上有一定的共性，在理化性狀上也有一定的相似性。濱海平原土壤的成土母質(zhì)為淺海沉積物，土壤形成時(shí)間較短，它們的pH值較高;水網(wǎng)平原的成土母質(zhì)以湖沼相和老河流相沉積物為主，其地下水位較高，土壤中無(wú)定形氧化物較高;河谷平原成土母質(zhì)以河流沖積物為主，其土壤質(zhì)地相對(duì)較輕;丘陵山地土壤以基巖或第四紀(jì)紅土為主，土壤形成時(shí)間較長(zhǎng)、風(fēng)化強(qiáng)烈，土壤多呈酸性。研究在田間調(diào)查和大量采樣分析的基礎(chǔ)上，共篩選了土壤磷素差異較大的372個(gè)蔬菜地土壤，代表不同的土壤磷素積累程度。其中，濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地的樣本數(shù)分別為93、105、91、83個(gè)。供試土壤樣品均為耕作層土樣，采樣深度為0-15cm。土樣采回后，在室溫下風(fēng)干，過(guò)2mm土篩;部分土壤過(guò)0.152mm土篩，供土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定。總磷用硫酸-高氯酸氧化法消化，速效磷用pH8.5的0.5mol/L碳酸氫鈉溶液提取[26]，水溶性磷用0.01mol/LCaCl2溶液提取。提取液中的磷用鉬蘭比色法測(cè)定。分析數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003處理，差異顯著性統(tǒng)計(jì)分析在DPS3.0軟件實(shí)現(xiàn)。

2結(jié)果與分析

2.1植物有效磷隨土壤磷素積累的變化

圖1為4個(gè)土區(qū)的耕地土壤有效磷隨全磷積累的變化。從中可知，所有土區(qū)土壤有效磷均隨全磷積累的增加而增加，但有效磷隨土壤全磷素變化的速率因土壤磷素積累程度的不同有所差別。當(dāng)土壤全磷水平較低時(shí)，土壤有效磷隨全磷積累變化的速率相對(duì)較小;但當(dāng)土壤全磷增加至較高水平時(shí)，有效磷隨全磷積累變化的速率增加。土壤有效磷隨全磷積累變化的速率存在一個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的土壤全磷水平在濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地大致分別為0.85、0.95、0.80、0.91g/kg。低于此轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)（表1），濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地區(qū)的土壤有效磷與其全磷回歸方程的斜率（斜率可反映有效磷隨全磷變化的速率）分別為76.36、67.13、41.15、46.01，相當(dāng)于土壤每積累100mgP/kg對(duì)應(yīng)的有效磷分別增加7.64、6.71、4.12、4.60mg/kg，以濱海平原為最高，丘陵山地最低，這可能與丘陵山地土壤氧化鐵較高、固磷作用較強(qiáng)有關(guān)。高于此轉(zhuǎn)變點(diǎn)時(shí)（表1），濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地區(qū)的土壤有效磷與其全磷回歸方程的斜率分別為349.23、211.81、306.80、251.15，相當(dāng)于土壤每積累100mgP/kg對(duì)應(yīng)的有效磷分別增加34.92、21.18、30.68、25.12mg/kg，轉(zhuǎn)變點(diǎn)后土壤有效磷隨全磷的增加速率是轉(zhuǎn)變點(diǎn)前的4.57、3.15、7.45、5.46倍，以河谷平原土壤的變化為最大。

2.2水溶性磷隨土壤中植物有效磷和全磷素積累的變化

土壤水溶性磷含量可反映土壤向地表水體釋放磷的潛力。圖2可知，土壤水溶性磷隨土壤有效磷增加而增加，且變化速率隨有效磷不同有明顯的差別，大致可分為3個(gè)階段。其中，濱海平原區(qū)3個(gè)階段的變化點(diǎn)土壤有效磷分別為53、250mg/kg;水網(wǎng)平原區(qū)3個(gè)階段的變化點(diǎn)土壤有效磷分別為57、235mg/kg;河谷平原區(qū)3個(gè)階段的變化點(diǎn)土壤有效磷分別為42、265mg/kg;丘陵山地區(qū)3個(gè)階段的變化點(diǎn)土壤有效磷分別為62、165mg/kg（表2）。當(dāng)土壤有效磷較低（濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地區(qū)的土壤有效磷分別在53、57、42、62mg/kg以下）時(shí)，土壤水溶性磷水平很低，且其隨有效磷的變化速率也較小，平均每增加1mg/kg有效磷，水溶性磷分別增加0.0040、0.0030、0.0060、0.0040mg/kg;當(dāng)土壤有效磷達(dá)到較高水平（濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地區(qū)的土壤有效磷分別在53-250、57-235、42-265、62-165mg/kg之間）時(shí)，土壤水溶性磷水平有較高的上升，且其隨有效磷的變化速率明顯增加，平均每增加1mg有效磷/kg，水溶性磷分別增加0.013、0.013、0.017、0.0080mg/kg，分別是低土壤有效磷時(shí)的3.25、4.33、2.83、2.00倍;當(dāng)土壤有效磷達(dá)到很高水平（濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地區(qū)的土壤有效磷分別在250、235、265、165mg/kg以上）時(shí)，土壤水溶性磷水平己達(dá)到很高的水平，且其隨土壤有效磷的變化速率也達(dá)到較高的水平，平均每增加1mg/kg有效磷，水溶性磷分別增加0.027、0.052、0.042、0.016 mg/kg，分別是低土壤有效磷時(shí)的6.75、17.33、7.00、4.00倍。

水溶性磷隨土壤全磷積累存在拋物線關(guān)系，隨全磷的積累水溶性磷呈現(xiàn)加速的增加（圖3）。濱海平原、水網(wǎng)平原、河谷平原和丘陵山地區(qū)的土壤水溶性磷（Y）與全磷（X）的關(guān)系分別為：Y=2.00-6.55X+5.23X2（R2=0.961，n=93）、Y=1.58-4.16X+2.74X2（R2=0.972，n=105）、Y=0.64-3.5IX+4.01X2（R2=0.969，n=911、Y=0.48-1.70X+1.50X2（R2=0.996，n=83）。

3結(jié)論

研究結(jié)果表明，土壤磷素積累存在明顯的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，植物有效態(tài)磷和水溶性磷隨土壤磷素的積累并非呈直線關(guān)系，而是指數(shù)關(guān)系。植物當(dāng)土壤全磷達(dá)到一定水平時(shí)，植物有效磷隨磷素積累的增幅明顯地增強(qiáng);同時(shí)，土壤水溶性磷水平隨植物有效磷增加存在2個(gè)明顯的增加過(guò)程。這一結(jié)果表明，在高磷素積累的土壤中，土壤磷素的積累可引起磷流失風(fēng)險(xiǎn)成倍地增加。因此，嚴(yán)格限制土壤磷素的過(guò)度積累在控制農(nóng)田磷素流失中非常重要。

4討論

進(jìn)入土壤中磷素的生物有效性高低與土壤對(duì)磷的吸附確-解吸、沉淀-溶解、生物固定-礦化等過(guò)程有關(guān)，這些過(guò)程作用的強(qiáng)弱取決于氣候條件、土壤理化性質(zhì)（pH值、有機(jī)質(zhì)、碳酸鹽含量、鐵鋁化合物含量、交換性離子種類(lèi)和鹽基飽和度、土壤干濕交替情況和微生物活性等）[16]。一些定位試驗(yàn)的研究己表明，多年長(zhǎng)期施用磷肥可顯著提高土壤有效磷水平，土壤有效磷的變化與磷積累呈顯著的直線正相關(guān)關(guān)系[23，28]，但有效磷增加的速率各地有所差別，取決于各地土壤性狀和肥料施用水平。魯如坤等在浙江水稻土上的3年期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，土壤有效磷（Olsen-P）水平可因磷素平衡的虧缺或盈余而顯著消長(zhǎng)，土壤中積累的磷中有7.4%以有效磷形態(tài)存在[11];在華北平原石灰性旱地潮土（封丘）上的5年試驗(yàn)也表明，土壤積累磷中有6.3%成為有效磷[24]。賴慶旺等[21]在江西紅壤性水稻土上12年的實(shí)驗(yàn)研究表明，因長(zhǎng)期施肥積累在土壤中的磷有5.2%成為有效磷。而英國(guó)洛桑試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)中積累在土壤中磷以有效態(tài)存在的比例高達(dá)15%[21]。Deved[21]在印度的試驗(yàn)表明，每增加1個(gè)單位的土壤有效磷，大約需要20-235個(gè)單位的磷肥投入。由此可見(jiàn)，不同地區(qū)積累在土壤中的磷素有效性有較大的差異，這種差異除與研究區(qū)土壤類(lèi)型有關(guān)外，可能還與土壤中磷素積累程度不同有關(guān)。本研究的結(jié)果表明，土壤中積累的磷成為有效磷的比例并非一成不變，而是隨土壤磷積累水平而發(fā)生變化。當(dāng)土壤磷素積累水平較低時(shí)，土壤積累磷中約有4.12%-7.64%成為有效磷，這一比例與以上文獻(xiàn)報(bào)道非常接近。但當(dāng)土壤磷素積累水平達(dá)到較高值時(shí)，土壤積累磷成為有效磷的比例明顯提高，達(dá)到21.18%-34.92%。這顯然與土壤磷素的積累增加了土壤磷的飽和度，土壤對(duì)磷的固定作用逐漸減弱有關(guān)。而有關(guān)磷與水溶性磷的關(guān)系一般認(rèn)為只存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，但本研究發(fā)現(xiàn)存在多個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，表明土壤對(duì)磷的吸附固定存在多種機(jī)理，隨著土壤磷素的積累，土壤對(duì)磷的固定能力逐漸減弱，相應(yīng)地釋放潛力逐漸增強(qiáng)。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“水耕人為土診斷層/診斷特性的空間分布規(guī)律與田間識(shí)別模式研究”（41571207）。

第一作者簡(jiǎn)介：童文彬，男，1966年出生，浙江龍游人，高級(jí)農(nóng)藝師，本科，主要從事農(nóng)技推廣方面的研究。通信地址：324022浙江省衢州市衢江區(qū)茶苑路15號(hào)農(nóng)業(yè)大樓衢江區(qū)土壤肥料技術(shù)推廣站，E-mail：zjqztwb@163.com。

通訊作者：章明奎，男，1964年出生，浙江紹興人，教授，博士，主要從事土壤資源調(diào)查和土壤管理方而的研究。通信地址：310058杭州市西湖區(qū)余杭塘路866號(hào)浙江大學(xué)紫金港校區(qū)環(huán)境與資源學(xué)院，E-mail：mkzhang@zju.edu.cn。

收稿日期：2018-10-27，修回日期：2019-01-07。