長期施肥對紅壤旱地團聚體磷素儲存容量的影響*

許杏紅，王艷玲，姚 怡，殷 丹

（南京信息工程大學應用氣象學院，南京210044）

土壤磷素儲存容量（Soil Phosphorus Storage Capacity，SPSC）是指在土壤磷素達到環境淋失風險閾值前，土壤可繼續容納的外源磷的數量[1]。SPSC = 0 是判斷土壤是磷源或磷匯的臨界閾值，也是判斷土壤磷素是否具有淋失風險的轉折點；當SPSC ＞ 0 時，土壤是磷匯且可繼續容納外源磷；當SPSC ＜ 0 時，土壤是磷源且不能繼續容納外源磷，此時的土壤極易向周圍環境釋放磷[2]。SPSC 是基于磷飽和度（Degree of Phosphorus Saturation，DPS）概念提出并發展的指標，首次用磷飽和率（Phosphorus Saturation Ratio，PSR）代替了 DPS 對 SPSC 進行計算，使得 SPSC 的計算值可以直接評估與預測土壤磷素飽和狀態及流失風險[3]。DPS 由土壤中可提取態磷與飽和系數α及可提取態鐵鋁和的摩爾比計算得到，而PSR 是忽略了DPS 計算中較難確定的飽和系數α后的計算結果，由PSR 計算得到的SPSC 有效彌補了DPS 無法估算土壤磷素安全儲量的缺陷[3]。土壤在完全磷飽和之前，溶液中最接近環境閾值的磷水平，稱為土壤PSR 閾值[4]，即Threshold PSR，可以由土壤 PSR 與 CaCl2-P 的相關曲線的“拐點（change point）”確定。PSR 閾值的取值直接決定著SPSC 計算結果的準確性，已有研究確定的 PSR 閾值的取值范圍為0.08～0.23[5-7]，而PSR 閾值 = 0.10應用最為廣泛[8-9]。國外許多學者已經利用SPSC 來對土壤磷素環境風險進行評價，并基于 SPSC-DPS理論建立了土壤磷素的最佳管理模式[2，4，10，11]。而國內對 SPSC 的應用與發展仍顯不足，尤其是在鐵鋁氧化物含量豐富、固磷能力強、土壤結構性較差的紅壤上的研究仍顯不足。

紅壤是我國南方地區最主要的土壤類型及糧食生產基地，外源磷肥的長期施入與磷肥的當季利用率低下，導致了紅壤中磷素的過量累積；降雨和徑流的沖刷作用又極易導致紅壤中富集磷通過地表徑流和壤中流匯入水體，進而引起水體環境污染[12-13]。團聚體是土壤磷素固存與釋放、周轉與流失的重要載體而團聚體粒級的大小及分布比例又將影響著土壤磷素的儲存與供應效能[14]，進而調控著 SPSC 值的大小。因此，本研究以長期施肥（1988—）的紅壤旱地為材料，以各粒級團聚體為載體，分析長期施肥條件下紅壤旱地及各粒級團聚體的 SPSC 變化特征，探討土壤全磷（TP）及速效磷（Bray-P）與SPSC 的相關關系，基于SPSC 值估算紅壤旱地及大小團聚體磷的流失風險及其可繼續容納外源磷的“安全壽命”。研究結果可為紅壤區土壤磷素資源管理、土壤磷素儲存潛能的準確評估與農業高效、環境友好的磷素資源管理策略的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

長期試驗地于 1988 年建在江西省鷹潭農田生態系統國家野外研究站院內（28°04′—28°37′N，116°41′—117°09′E）。1995 年以前試驗地進行花生和油菜輪作，后改為一季花生，冬季休田。供試土壤為第四紀紅黏土發育的典型紅壤。試驗分無機肥區與有機無機肥配施區，其中無機肥試驗區設：NPK、NP、PK、NK、NPKCa、NPKCaS 共 6 個肥料處理（Ca 表示施用石灰，S 表示施用微量元素）；有機無機肥配施區設：對照（CK，約為 1/2NPK 肥）、1/2NPK+花生秸稈本田還田（PS）、1/2NPK+稻稈（RS）、1/2NPK+鮮蘿卜菜（FR）、1/2NPK+豬廄肥（PM）共5 個肥料處理；每個肥料處理重復3 次，每個小區的具體肥料用量參見文獻[14]。

1.2 土壤樣品采集與制備

2014 年秋季（花生收獲 2 個月后），在每個實驗小區用硬質飯盒采集原狀土5 點，密封好后，帶回室內。同時，在每個試驗小區內按“S”形，采集耕層（0～15 cm）土壤樣品10～15 點，去除小石塊、植物殘體以及動物遺體，混合均勻后、采用四分法保留1 kg 左右，放于硬質密封盒中，帶回室內自然風干，保存備用。

1.3 土壤團聚體篩分

在原狀土壤樣品風干的過程中，用手沿著土壤的自然結構面輕輕將土壤樣品剝成直徑約 10～12 mm大小的樣塊。風干后，稱取20 g 土壤樣品放入套篩中（從上到下篩孔的直徑依次為2 mm、1 mm、0.25 mm和0.053 mm），將套篩放入DX-100 團聚體分析儀中，加水至淹沒上層篩子土壤2 cm，浸泡10 min 后，上下篩分30 min（頻率為60 次·min-1），然后取出套篩，自上而下的將各個篩子中的土壤顆粒轉移至已知重量的鋁盒中，放入 40℃的烘箱中烘干、稱重，即分別獲得粒級為＞ 2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm 與 0.25～0.053 mm 的團聚體樣本。

1.4 土壤磷素儲存容量（SPSC）的測定

稱取1.00 g 過2 mm 篩的風干土，置于100 mL的三角瓶中，加入50 mL 0.2 mol·L-1的草酸銨提取液（pH = 3.0），用橡皮塞將瓶口塞緊后裝入里紅外黑布袋以防止光化學反應，在室溫（25 ℃±2℃）條件下震蕩2 h 后，離心、過0.45 μm 濾膜。使用電感耦合等離子光譜儀（ICP）測定提取液中的鐵（Feox）、鋁（Alox）及磷（Pox）含量。分別按式（1）和式（2）計算得到磷飽和率（PSR）與SPSC：

式中，Pox、Feox、Alox為草酸銨提取態磷、鐵、鋁的量（mmol·kg-1）。Threshold PSR 為 PSR 的臨界閾值，本研究中取值為0.10；Soil PSR 為使用草酸銨溶液作為提取劑所測定的土壤的PSR 值。

同時，根據式（3）計算各粒級團聚體對全土SPSC 值的貢獻率（Cr）：

式中，SPSCaggregate為某粒級團聚體 SPSC（mg·kg-1）；Paggregate為該粒級團聚體的所占比例（%）；SPSCsum為各粒級團聚體 SPSC 的加和（mg·kg-1）。

1.5 土壤基本理化性質分析

土壤有機質（OM）采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；pH 采用電位法測定，液土比為2.5︰1。土壤全磷（TP）采用硫酸-高氯酸（H2SO4-HClO4）消煮，土壤速效磷（Bray-P）采用鹽酸-氟化銨法浸提，水溶性磷（ CaCl2-P）采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提，液土比為 10︰1，用鉬藍比色法測定上述浸提溶液中的磷濃度。上述指標測定的具體操作方法參見文獻[15]。供試土壤基本理化性質見表1。

表1 供試土壤基本理化性質Table 1 Basic physical and chemical properties of the red soil in the experiment

1.6 數據處理

數據統計分析采用Excel 與SPSS 20.0 軟件；繪圖采用Origin 2017 軟件。

2 結 果

2.1 長期施肥對紅壤旱地SPSC 的影響

長期施肥可以顯著影響紅壤旱地SPSC 的大小，無機肥區，長期不施磷肥的 NK 處理 SPSC 高達265 mg·kg-1，顯著高于其他處理，分別是NPK、NP、PK、NPKCa 和 NPKCaS 處理的 1.9 倍、1.6 倍、1.9倍、2.0 倍和2.4 倍（圖1）。有機無機肥配施區，與CK 處理相比，只有配施豬廄肥的 PM 處理可以顯著降低紅壤旱地 SPSC，且 SPSC 為負值（-333 mg·kg-1），而PS、RS 及FR 處理的SPSC 均為正值，且影響差異不顯著（圖1）。

2.2 長期施肥對紅壤旱地各粒級團聚體 SPSC 的影響

長期施用無機肥的紅壤旱地中各粒級團聚體SPSC 由 高 到 低 依 次 為 1 ～0.25 mm、0.25 ～0.053 mm、＞2 mm、2～1 mm。與NK 處理相比，NPK、NP、PK、NPKCa 和 NPKCaS 處理中 0.25～0.053 mm 粒級團聚體SPSC 分別顯著降低了51%、37%、46%、58%及63%，1～0.25 mm 粒級團聚體SPSC 分別顯著降低了51%、40%、56%、55%及64%；其中，NPKCaS 處理中2～1 mm 粒級團聚體與NP處理中＞ 2 mm 粒級團聚體的SPSC 分別顯著降低了62%及32%（圖2）。

長期施用有機無機配施肥的紅壤旱地中（PM 處理除外）各粒級團聚體 SPSC 由高到低依次為 1～0.25 mm、＞ 2 mm、0.25～0.053 mm、2～1 mm。與CK 處理相比，僅PM 處理可以顯著降低各粒級團聚體的SPSC，且均呈現負值，而PS、RS 及FR 三個處理無顯著影響（圖2）。

圖1 長期施肥對紅壤旱地SPSC 的影響Fig. 1 Effect of long-term fertilizers on the SPSC in the upland red soil

圖2 長期施肥對紅壤旱地各粒級團聚體SPSC 的影響Fig. 2 Effect of long-term fertilization on SPSC in aggregates in the upland red soil relative to particle size

2.3 長期施肥條件下各粒級團聚體對紅壤旱地SPSC 的影響

長期施用無機肥的紅壤旱地中，各粒級團聚體對紅壤旱地 SPSC 的貢獻率由高到低依次為 1～0.25 mm（55.3%～65.9%）、0.25～0.053 mm（16.9%～20.6%）、＞ 2 mm（7.2%～18.3%）、2～1 mm（7.3%～9.0%）（圖 3）。與 NK 處理相比，NPK、NP、PK、NPKCa 和 NPKCaS 處理的 0.25～0.053 mm 及 2～1 mm 粒級團聚體對土壤SPSC 的貢獻率無顯著變化；PK 處理中1～0.25 mm粒級團聚體對紅壤旱地SPSC貢獻率顯著降低了16%；而PK、NPKCa 和NPKCaS 處理中＞ 2 mm 粒級團聚體對紅壤旱地SPSC 貢獻率顯著增加了1.3 倍、1.4 倍和1.6 倍（圖3）。

長期有機無機肥配施的紅壤旱地中，各粒級團聚體對紅壤旱地 SPSC 的貢獻率由高到低依次為1～0.25 mm（47.3%～63.9）、＞ 2 mm（17.4%～27.0%）、0.25～0.053 mm（10.9%～16.1%）、2～1 mm（7.2%～11.4%）（圖3）。與CK 處理相比，PS、RS、FR、PM 處理的 0.25～0.053 mm 及＞ 2 mm 粒級團聚體對SPSC 的貢獻率無顯著變化；FR 和PM 處理中1～0.25 mm 粒級團聚體對紅壤旱地SPSC 的貢獻率顯著降低了22%及21%；而PM 處理中2～1 mm 粒級團聚體對紅壤旱地 SPSC 貢獻率顯著增加了 0.6倍（圖3）。

圖3 長期施肥對紅壤旱地各粒級團聚體SPSC 的貢獻率Fig. 3 Effect of long-term fertilization on SPSC contribution rate of aggregates in the upland red soil relative to particle size

2.4 土壤供磷水平對紅壤旱地SPSC 的影響

土壤磷素供應狀況是影響紅壤旱地 SPSC 的重要因素，由圖 4 可以看出，隨著土壤 TP 和 Bray-P含量的增加，紅壤旱地 SPSC 呈現出顯著降低趨勢（P＜ 0.01）。由 SPSC 與 TP、Bray-P 的相關方程可以分別推算出，當 SPSC = 0 時，TP = 0.76 g·kg-1，Bray-P = 105 mg·kg-1；由 TP 與 Bray-P 的相關關系可知，當 TP = 0.76 g·kg-1時，Bray-P = 99 mg·kg-1（圖5），此時的SPSC = 10 mg·kg-1（圖4）；當Bray-P=105 mg·kg-1時，TP = 0.77 g·kg-1（圖 5），而此時的SPSC =-10 mg·kg-1（圖 4）。由此可以初步判斷，當SPSC＞10 mg·kg-1時，紅壤旱地仍具有繼續容納外源磷的“安全容量”；當-10 mg·kg-1≤SPSC≤10 mg·kg-1時，土壤磷處于極度不穩定的狀態，需要引起注意；當SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，土壤磷已經開始向周圍水體或地下水釋放，應立即采取環境保護措施。

圖4 長期施肥的紅壤旱地Bray-P、TP 與SPSC 之間的相關關系Fig. 4 Correlations of SPSC with Bray-P and TP in the red soils under long-term fertilization

3 討 論

圖5 長期施肥的紅壤旱地Bray-P 與TP 之間的相關關系Fig. 5 Correlations between Bray-P and TP in the red soils under long-term fertilization

SPSC 是一個數量值，可以直接計算出在磷濃度超過環境風險閾值前，土壤可繼續容納與存儲外源磷的容量[1]。SPSC = 0 是判斷土壤是磷的源或匯的轉折點，當SPSC ＞ 0 時，土壤是磷的匯，即土壤不會向周圍環境釋放磷且可繼續容納外源磷；當SPSC ＜0 時，土壤是磷的源，即土壤磷流失或浸出的風險將急劇增大[16]。本研究中發現，長期施用磷肥或配施作物秸稈雖顯著降低了紅壤旱地SPSC，但還未使土壤SPSC ＜ 0，土壤仍是磷匯，土壤磷素是相對安全的；而長期配施豬廄肥不僅顯著降低了紅壤旱地SPSC，且使 SPSC 呈現負值（-333 mg·kg-1），此時土壤磷極易向周圍環境釋放并污染水環境（圖1），這主要是由于豬糞的施用主要是以滿足作物的氮素需求為標準進行的，由此就導致了外源磷的過量施入與大量累積，使得土壤中磷的吸附點位被迅速占據且在短時間內達到飽和或過飽和狀態[17]。雖然，SPSC ＜ 0 時，土壤磷極易向環境釋放，但也意味著土壤磷極易向作物根系移動并被吸收利用[18]。本研究中，長期配施豬廄肥的紅壤旱地 Bray-P 高達483 mg·kg-1（表1），遠遠高于作物利用最適的有效磷濃度 20～40 mg·kg-1[19]，可見，提高作物對土壤磷素的利用率也是有效降低紅壤旱地磷素流失風險的重要方面。

各粒級團聚體是土壤磷素儲存、轉運及流失的重要載體，其磷素儲存容量的大小直接影響著土壤磷素的環境安全[20]。長期施肥或配施有機肥可以顯著降低紅壤旱地中各粒級團聚體的SPSC，尤其是配施豬廄肥使各粒級團聚體的 SPSC 均呈現負值，由低到高依次為 1～0.25 mm（-155.2 mg·kg-1）、＞2 mm（-86.0 mg·kg-1）、2～1 mm（-35.3 mg·kg-1）、 0.053～0.25 mm（-33.1·mg kg-1）（圖 2），這就意味著廄肥處理中土壤各粒級團聚體磷對環境均是不安全的，且極易向環境中釋放。本研究還發現，長期施用無機肥與配施有機肥的紅壤旱地中，對紅壤旱地SPSC貢獻率最高與最低的團聚體粒級均為 1～0.25 mm與 2～1 mm，而 0.25～0.053 mm 與＞2 mm 粒級團聚體的貢獻率則相反（圖3）；由此可見，土壤團聚體的分布比例也是影響紅壤旱地 SPSC 的重要因子，而長期施用無機肥或配施有機肥是調控紅壤旱地團聚體組成的重要措施，尤其是長期配施有機肥可以顯著提高＞2 mm 粒級團聚體分布比例，直接影響著土壤磷素的儲存與供應效率[21]。

施肥是改善土壤團聚體結構，調控土壤磷肥力供應能力的重要措施[22]，也是提高土壤DPS、降低SPSC、增加磷素流失風險的主要因素[23]。長期不施磷肥的NK 處理，土壤磷素長期處于自然耗竭狀態，SPSC 高達 265 mg·kg-1，土壤磷素儲存容量較大；長期施用無機磷或配施作物秸稈的紅壤旱地 SPSC均為正值且土壤仍具有容納外源磷的空間；而長期配施豬廄肥的紅壤旱地 SPSC 呈現負值，土壤已無再容納外源磷的空間、土壤磷極為不安全（圖1）。由總施磷量（TPFA）、土壤殘留磷量（RP）與SPSC的相關方程可以推算出，當SPSC = 0 時，TPFA=2 419 kg·hm-2，RP = 1 388 kg·hm-2（圖 6）；那么，按照現有的年施磷量[14]計算，長期施用無機肥（NK 處理除外）的紅壤旱地仍可以繼續安全施用磷肥30 年；而配施作物秸稈的PS、RS、FR 處理仍可安全施磷41、30、14 年，而低量施磷的CK 處理則可安全施磷51 年；配施豬廄肥的PM 處理應立即停止施磷或調整施磷量，不宜按現有施磷量繼續施用。

圖6 長期定位試驗地各施肥小區總施磷量（1988—2014）、TP 與SPSC 之間的相關關系（總施磷量引自文獻[14]）Fig. 6 Correlation between total phosphorus applied，TP and SPSC in the long-term field experiment from 1988 to 2014，relative to treatment

圖7 SPSC 在紅壤旱地磷素管理中的應用框架Fig. 7 Framework illustrating the use of SPSC in P management in upland red soil

SPSC 的變化可以直接反映出土壤磷素的供應狀態及其流失風險[3]，因此，基于SPSC 理論建立土壤磷素管控模式也是十分必要的。因此，與Nair 等[16]的研究相結合，本研究構建了基于 SPSC 理論的紅壤旱地磷素管理框架（圖 7）：即當 SPSC ＞ 10 mg·kg-1時，可以認為此時的土壤磷是土壤磷素是絕對“安全”的，土壤仍有儲存外源磷的安全容量，若能提高土壤磷素的生物有效性或提高肥料的利用率，則可以有效提高作物的經濟效益；當-10 mg·kg-1≤SPSC≤10 mg·kg-1時，可以認為此時的土壤磷處于極度不穩定的狀態，極易或已經開始向周圍環境或水體釋放，需要引起注意、定期監測，并及時調整施肥方案；當SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，可以認為土壤磷已經向周圍水體或地下水釋放（具體遷移方向需要綜合深層土壤進行討論），應立即停止或減少施磷量，重新調整施肥方案，以降低環境風險，減少磷素資源的無效使用及浪費。

4 結 論

長期施用磷肥或配施作物秸稈可顯著降低紅壤旱地及各粒級團聚體SPSC，但土壤仍具有容納外源磷的容量（SPSC ＞ 0），且按現有施磷量仍可安全施磷14～51 年；而配施豬廄肥的紅壤旱地及大小團聚體SPSC 均呈現負值，土壤磷極易向周圍環境釋放，應立即停止施肥或調整施肥量，不宜按現有施肥量繼續施用。當SPSC ＞ 10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷是絕對“安全”的；當-10 mg·kg-1≤SPSC≤10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷處于極度不穩定狀態，極易向或已經向周圍環境或水體釋放，需隨時監測或停止施磷；當 SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷已經開始向周圍環境或水體釋放，應立刻停止施磷，并調整施肥方案。