申 艷，段英華，黃紹敏，郭斗斗，張盛楠，徐明崗*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實驗室，北京 100081；2 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州 450002；3 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定 071001）

磷是作物生長發(fā)育不可缺少的大量營養(yǎng)元素之一，作物吸收的磷素主要來源于土壤，土壤缺磷不僅影響作物的營養(yǎng)生長，而且影響作物的生殖生長，最終影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[1]。磷肥施用可在很大程度上增加土壤有效磷 (Olsen-P) 含量[2]，進而提高作物產(chǎn)量[3–5]。近年來，我國大部分地區(qū)土壤Olsen-P水平從20世紀(jì)80年代的10 mg/kg提高到了現(xiàn)在的20 mg/kg以上[6]，有的甚至超過100 mg/kg[7]。但是，土壤磷水平的提高也將導(dǎo)致土壤磷素的淋失風(fēng)險增加[8–10]。

溶解性磷是土壤在蒸餾水或稀的電解質(zhì)溶液作用下，從土壤固相進入液相的磷。由于使用蒸餾水提取往往得不到清澈的提取液，在研究過程中常以0.01 mol/L CaCl2溶液代替蒸餾水進行提取 (CaCl2-P)[11]。土壤溶液中的磷是最有效的，可供作物直接吸收利用，因此，CaCl2-P的大小可以直接反映土壤磷素的肥力水平。同時，CaCl2-P也是表征土壤磷素淋失風(fēng)險的一個重要指標(biāo)[12]。研究發(fā)現(xiàn)土壤溶解性磷與徑流中的磷含量相關(guān)性最好，被用于表征可被藻類生長直接吸收利用的磷[13–14]。

土壤Olsen-P的快速準(zhǔn)確測定使得人們可以根據(jù)土壤磷素狀況進行合理施肥，為保持和提高土壤生產(chǎn)力作出了重要貢獻，因此得到了廣泛應(yīng)用[3]，而可供利用和參考的CaCl2-P資料則較少，因此研究土壤Olsen-P與CaCl2-P 的關(guān)系，用土壤Olsen-P含量評估土壤磷淋失風(fēng)險成為熱點[15]。CaCl2-P含量隨著土壤Olsen-P的增加，通常會出現(xiàn)“突變點” (changepoint)[12]，即分別用土壤Olsen-P與CaCl2-P含量為x軸和y軸作相關(guān)曲線，曲線上的轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的Olsen-P含量即為該土壤的磷素淋失臨界值。當(dāng)土壤Olsen-P含量小于“突變點”時，不會發(fā)生磷素淋失，反之就會發(fā)生磷素淋失。國內(nèi)利用CaCl2-P和Olsen-P間的關(guān)系來評價土壤磷素淋失風(fēng)險已有少量的文獻報道[16–17]。Bai等[16]利用此方法發(fā)現(xiàn)楊凌土、哈爾濱黑土、重慶紫色土以及祁陽紅壤“突變點”時的Olsen-P含量分別為39.9、51.6、40.2和90.2 mg/kg；鐘曉英等[17]研究顯示我國10種土壤類型23個土壤“突變點”時的Olsen-P含量在29.96～156.78 mg/kg之間。他們的研究結(jié)果表明不同土壤類型“突變點”對應(yīng)的Olsen-P含量差異很大，而且多通過向土壤中添加KH2PO4溶液進行室內(nèi)培養(yǎng)的方法形成土壤Olsen-P梯度，利用田間條件下形成的Olsen-P梯度土壤進行測定的結(jié)果還不多見。

潮土區(qū)是我國重要的小麥、玉米主產(chǎn)區(qū)，分布在黃河、淮河、海河流域，這幾個水系是黃淮海地區(qū)主要的飲用水和灌溉水來源。約75%的潮土質(zhì)地較輕且分布區(qū)域每年7—9月雨季集中，因此潮土磷肥安全施用問題不容忽視[18]。2015年2月，農(nóng)業(yè)部印發(fā)了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》[19]。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，在不同Olsen-P含量土壤上實行不同的磷肥施用策略是個行之有效的方法，既可保證高產(chǎn)高效，又可避免土壤磷潛在淋失風(fēng)險。目前，不同Olsen-P含量潮土上磷肥施用對土壤CaCl2-P的影響以及土壤磷的潛在淋失風(fēng)險研究還較少。因此，本試驗依托持續(xù)26年長期定位試驗形成的不同Olsen-P含量的土壤，結(jié)合田間微區(qū)試驗，設(shè)置不同的磷肥施入量，分析磷肥施用對不同Olsen-P含量潮土CaCl2-P含量的影響，評價土壤磷素的淋失風(fēng)險，可為該地區(qū)磷肥投入和土壤磷素的科學(xué)管理提供理論依據(jù)，對降低農(nóng)田磷素的環(huán)境風(fēng)險和保障生態(tài)環(huán)境安全具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗在“國家潮土土壤肥力和肥料效益長期監(jiān)測基地” (113°41.5′25.5″E、35°00′31.9″N) 進行。該基地位于河南省鄭州市，海拔59.0 m，屬于溫帶濕潤?半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.4℃，年降水量700 mm，年蒸發(fā)量2300 mm，年日照時數(shù)2324.5 h。土壤母質(zhì)為黃土性沉積物，土壤質(zhì)地為輕壤，大于0.01 mm的物理性砂粒含量為74%。該基地建于1990年，當(dāng)年土壤 (0—20 cm) 有機質(zhì)含量10.1 g/kg、全氮0.65 g/kg、全磷0.64 g/kg、全鉀16.9 g/kg、堿解氮76.6 mg/kg、有效磷6.5 mg/kg、速效鉀74 mg/kg、pH 8.3[20]。

1.2 試驗設(shè)計

試驗區(qū)種植作物為夏玉米–冬小麥雙季輪作，夏玉米為6月上旬播種，9月中旬收獲，冬小麥為10月上旬播種，次年6月上旬收獲。生長季期間，人工除草。本研究主要選擇5個施肥處理：1) 對照 (不施肥)；2) NPK (施氮磷鉀肥)；3) 預(yù)備處理 (化肥處理，每年根據(jù)需要施用氮磷或磷鉀肥)；4) NPKM (化肥 + 有機肥處理)；5) 1.5NPKM (1.5倍化肥 + 1.5倍有機肥)。NPK和NPKM為等氮處理，無機氮與有機氮之比為7∶3，N∶P2O5∶K2O = 1∶0.5∶0.5。小麥每季施N 165.0 kg/hm2、P2O582.5 kg/hm2、K2O 82.5 kg/hm2；玉米每季施N 187.5 kg/hm2、P2O593.8 kg/hm2、K2O 93.8 kg/hm2。

經(jīng)過長達26年的不同施肥措施，對照、NPK、預(yù)備處理、NPKM和1.5NPKM處理 (以下簡稱OP1、OP2、OP3、OP4、OP5) 的土壤Olsen-P含量產(chǎn)生了巨大差異 (表1)。2016年5月小麥?zhǔn)斋@后，在5個處理上分別設(shè)置了5個施磷量梯度 (F0、F1、F2、F3、F4)，每個梯度3次重復(fù)，采取微區(qū)形式，隨機區(qū)組設(shè)計，每個微區(qū)面積為0.72 m2(1.2 m × 0.6 m)，微區(qū)之間用石板隔開，石板深度為60 cm。種植作物與長期定位試驗一致，氮、磷、鉀肥均是在播種前作底肥一次性施入，人工撒施，然后利用鐵鍬均勻翻入0—20 cm深度土壤。在2016年5月小麥?zhǔn)斋@后微區(qū)試驗開始前，每個處理用土鉆進行多點采樣并混合成一個土樣作為微區(qū)試驗的初始土樣，采樣深度0—20 cm。5個Olsen-P含量土壤初始土樣的化學(xué)性質(zhì)及各處理氮、磷、鉀投入量分別見表1和表2。

1.3 土壤樣品采集及測定

于2017年10月采集土壤樣品，即微區(qū)試驗第3季作物玉米收獲后，利用取土鉆在每個小區(qū)內(nèi)隨機選取3點進行取土，采樣深度為0—20 cm，然后混合成1個土壤樣品。土壤樣品風(fēng)干后，去除肉眼可見的有機殘體，過2 mm篩備用。

土樣測定參照土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法[21]，土壤Olsen-P采用NaHCO3提取 (pH 8.5，液土比20∶1)，CaCl2-P 用 0.01 mol/L CaCl2溶液提取 (液土比 5∶1)，25℃恒溫震蕩30 min，用鉬銻抗比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 10.0進行方差分析，多重比較采用Duncan法。采用Origin 8.0作圖，圖中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤。土壤Olsen-P與CaCl2-P的定量關(guān)系利用Sigmaplot 10.0的雙直線模型進行擬合，擬合方程如下：式中：y是土壤CaCl2-P含量 (mg/kg)；x是土壤Olsen-P含量 (mg/kg)；a1和a2是擬合直線的截距；b1和b2是斜率；T是突變點的Olsen-P含量 (mg/kg)[15]。

表1 微區(qū)試驗前5個處理土壤基本化學(xué)性質(zhì) (0—20 cm)Table 1 Basic soil chemical properties of five treatments before implementing micro-plots experiments

表2 微區(qū)試驗玉米、小麥?zhǔn)┝琢?(P2O5 kg/hm2)Table 2 P application rates for maize and wheat in the micro-plot experiment

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Olsen-P含量的變化

經(jīng)過3季不同施肥措施后，在OP1～OP5 五個處理土壤Olsen-P含量分別為2.3～5.7、7.5～18.2、7.6～26.3、29.1～50.9 和 34.1～59.7 mg/kg (表 3)，與初始Olsen-P含量規(guī)律基本一致，但OP1和OP2、OP2和OP3之間差異不顯著。相對不施磷處理，施磷處理下土壤Olsen-P有不同程度的提高，F(xiàn)1、F2、F3、F4處理下土壤Olsen-P含量相比F0分別提高了33.3%、51.5%、67.0%和96.3% (OP1～OP5的平均值)。施磷量越高，土壤Olsen-P增長幅度越大，其中F4處理土壤Olsen-P顯著大于F0 (表3)。不同處理土壤Olsen-P的提升幅度也不一樣，OP1至OP5土壤上，施磷導(dǎo)致的土壤Olsen-P含量分別提高了65.0%、57.3%、115.0%、36.2% 和36.5% (F1～F4的平均值)，初始Olsen-P含量越高，提升幅度越低(OP3 除外)。

2.2 不同處理土壤CaCl2-P含量的變化

土壤CaCl2-P含量在0.07～2.68 mg/kg之間 (圖1)。同土壤Olsen-P變化規(guī)律一致，CaCl2-P在OP1、OP2和OP3之間沒有顯著差異，且含量均很低，小于0.34 mg/kg。OP4和OP5兩個處理土壤CaCl2-P含量顯著提高 (0.32～1.68 mg/kg)，但是除F0和F2兩個施磷量水平外，OP4和OP5之間CaCl2-P含量沒有顯著差異。在同一Olsen-P含量的土壤中，相對不施磷處理，施磷處理下土壤CaCl2-P有不同程度的提高，隨著施磷量的增加，CaCl2-P有增加的趨勢，施磷量越高，土壤CaCl2-P增長幅度越大，其中F4處理土壤CaCl2-P顯著大于F0 (OP5除外，圖1)。

CaCl2-P/Olsen-P比值在0.5%～5.6%之間，與土壤CaCl2-P表現(xiàn)規(guī)律不同，CaCl2-P/Olsen-P比值在5個處理中呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢 (圖2)。在OP1、OP2、OP3三個低Olsen-P含量土壤上，施磷對CaCl2-P/Olsen-P比值的影響不顯著，在OP4和OP5兩個高Olsen-P含量土壤上，施磷明顯提高了CaCl2-P/Olsen-P比值 (圖2)。CaCl2-P/Olsen-P比值與Olsen-P的關(guān)系符合一元二次方程 (R2= 0.464，P ＜ 0.0001)，在Olsen-P含量為28.0 mg/kg時CaCl2-P/Olsen-P比值最小，最小值為1.4%。

表3 不同處理磷肥施用引起的土壤Olsen-P含量差異 (mg/kg)Table 3 Difference in soil Olsen-P caused by P fertilization in different treatments

圖1 不同處理下磷肥施用引起的土壤CaCl2-P的差異Fig. 1 Difference in soil CaCl2-P caused by phosphorus fertilization in different treatments

圖2 土壤CaCl2-P/Olsen-P比值的變化及其與Olsen-P的關(guān)系Fig. 2 Variance in the ratio of CaCl2-P/Olsen-P and its relation with Olsen-P

2.3 土壤磷素淋失臨界值

土壤CaCl2-P和Olsen-P的關(guān)系符合雙直線模型(圖3)，兩條直線之間有一個明顯的突變點，即土壤磷素淋失臨界值。本研究中土壤磷素淋失臨界值為30.2 mg/kg，對應(yīng)的CaCl2-P濃度為0.3 mg/kg。當(dāng)土壤Olsen-P含量小于30.2 mg/kg時，CaCl2-P隨Olsen-P增加而增加的幅度較小，Olsen-P每增加1 mg/kg，CaCl2-P僅增加0.007 mg/kg。當(dāng)土壤Olsen-P含量大于30.2 mg/kg時，CaCl2-P隨Olsen-P增加而增加的幅度提高9倍，即Olsen-P每增加1 mg/kg，CaCl2-P增加0.063 mg/kg。

圖3 土壤CaCl2-P與Olsen-P含量的定量關(guān)系Fig. 3 Quantitative relationship between CaCl2-P and Olsen-P contents

3 討論

3.1 土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的變化

本研究中，土壤CaCl2-P含量為0.07～2.68 mg/kg，約為Olsen-P含量的0.5%～5.6%。土壤Olsen-P和CaCl2-P的大小在某種程度上可以反映土壤向作物提供磷素的數(shù)量和強度。經(jīng)過26年長期不同施肥措施，土壤Olsen-P含量發(fā)生了很大變化，這為本研究提供了良好的研究平臺。從短期來看，經(jīng)過3季施肥處理，相對不施磷處理，磷肥施用在不同初始Olsen-P含量土壤上使Olsen-P和CaCl2-P均有不同程度的提高，但只有P2O5120 kg/hm2的高量磷肥達到了顯著水平 (OP5除外，表3和圖1)。

磷肥施用對Olsen-P和CaCl2-P的提高作用并不同步。在土壤Olsen-P較低時，施入的磷肥以提高土壤Olsen-P為主，CaCl2-P變化不大，導(dǎo)致CaCl2-P/Olsen-P比值逐漸降低 (圖2)。當(dāng)土壤Olsen-P增加到一定程度后，CaCl2-P迅速增加，其增長速度超過了Olsen-P的增長速度，CaCl2-P/Olsen-P比值隨著Olsen-P的增加而增加。土壤粘粒和其他組分如CaCO3(石灰性土壤) 通過吸附或化學(xué)沉淀等過程對外源磷有強烈的固定，施入土壤中的水溶性磷很快向其他形態(tài)轉(zhuǎn)化。當(dāng)土壤溶液中磷酸鹽濃度降低時，被吸附固定的磷在形態(tài)轉(zhuǎn)化以及溶解、擴散等過程的驅(qū)動下亦可被釋放進入土壤溶液中進而被植物吸收。因此，土壤固-液相間的磷處在一種動態(tài)平衡中[22]。當(dāng)Olsen-P處于初始積累階段時，隨著磷肥的施入，Olsen-P增加，但是Olsen-P與CaCl2-P之間的轉(zhuǎn)化相對穩(wěn)定；當(dāng)Olsen-P積累到一定程度，土壤對外源磷的吸附強度減弱，土壤新吸附的磷更容易解吸[23]，隨著磷肥的施入，CaCl2-P增加的速度更快，Olsen-P與CaCl2-P之間達到一種新的平衡。一元二次方程結(jié)果顯示出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點時土壤Olsen-P含量為28.0 mg/kg，這與土壤磷素淋失臨界值很接近，說明CaCl2-P增加雖然有利于作物對磷的吸收，但是極大地增加了土壤磷素淋失的風(fēng)險[24–25]。

3.2 土壤磷素淋失臨界值

土壤CaCl2-P和Olsen-P的關(guān)系符合雙直線模型(圖3)，突變點時土壤Olsen-P含量為30.2 mg/kg，對應(yīng)的CaCl2-P含量為0.3 mg/kg。鐘曉英等[17]通過室內(nèi)培養(yǎng)的方法對我國10種土壤類型23個土壤進行了研究，發(fā)現(xiàn)突變點時的Olsen-P含量在29.96～156.78 mg/kg之間，CaCl2-P含量為0.14～3.87 mg/kg。Hesketh等[12]對英國不同地區(qū)8個性質(zhì)差異較大的土壤研究發(fā)現(xiàn)土壤磷素淋溶的Olsen-P臨界值為13～119 mg/kg，不同土壤之間相去甚遠，很難用來判斷一個具體土壤的磷淋失風(fēng)險。黃紹敏等[18]研究了本研究區(qū)土壤Olsen-P在土壤剖面的垂直移動，發(fā)現(xiàn)當(dāng)耕層土壤Olsen-P 小于20 mg/kg時，40—60 cm土層Olsen-P 含量15年基本維持在5 mg/kg，向下遷移趨勢不明顯；而當(dāng)耕層土壤Olsen-P含量高于40 mg/kg，同期40—60 cm土層Olsen-P含量接近10 mg/kg，表明Olsen-P已經(jīng)向下遷移。有研究表明，土壤磷素淋失臨界值大約是磷農(nóng)學(xué)臨界值的2～10倍[26]。在本研究區(qū)，小麥和玉米的Olsen-P農(nóng)學(xué)臨界值分別為13.1和7.5 mg/kg[27]，本研究得出的磷素淋失臨界值分別為其的2.3倍和4倍，也說明本研究得出的磷素淋失臨界值是合理的。

CaCl2-P含量主要表征土壤溶液中磷含量的大小，其為土壤磷酸鹽沉淀與溶解、吸附與解吸反應(yīng)平衡的結(jié)果[22]。當(dāng)土壤Olsen-P含量超過磷素淋失臨界值時，土壤固相上的磷更容易進入液相。不同類型土壤的磷酸鹽數(shù)量、種類及形態(tài)存在很大差異，磷素吸附?解吸的機制可能也不同[27–28]。因此，土壤固相上的磷進入液相的數(shù)量存在差異，并反映在Olsen-P與CaCl2-P之間的關(guān)系及臨界值上，使得不同土壤的磷素淋失臨界值不同[17]。研究表明，土壤磷素臨界值與pH呈拋物線關(guān)系，在土壤pH 6左右時磷素淋失臨界值最高，當(dāng)土壤pH ＞ 6.0時，隨土壤pH提高臨界值減小[29]。本研究土壤為石灰性土壤，pH 8.3，所以土壤磷素淋失臨界值偏小，位于其范圍值的低值端。Fortune等[30]發(fā)現(xiàn)土壤磷素淋失臨界值與土壤有機質(zhì)和活性鋁的含量有顯著的正相關(guān)。但是，有機質(zhì)對土壤吸附磷的影響具有雙重性。一方面，有機質(zhì)本身具有吸附磷酸鹽的能力，同時有機質(zhì)螯合鐵鋁，提高其活性，也能增強土壤對磷的吸附固定[31]；另一方面，有機陰離子與磷酸根競爭固相專性吸附點位，有機質(zhì)中的有機酸還能夠與顆粒表面的磷酸根離子發(fā)生置換反應(yīng)，從而減少土壤對磷的吸附[32]。土壤粘粒含量可以促進土壤對磷的吸附[33]，但是，土壤磷素淋失臨界值與土壤粘粒 (＜ 0.002 mm) 含量之間并沒有顯著的相關(guān)性[29]。因此，不同土壤之間磷素淋失臨界值的差異機制還有待進一步深入研究。

一般認為如果水體含磷量超過P 0.02～0.035 mg/L就極有可能導(dǎo)致藻類大量繁殖[34]。假定CaCl2-P為土壤溶液中的磷，土壤含水量為10%，Olsen-P為30.2 mg/kg時，土壤溶液磷的濃度為0.03 mg/L。因此在研究區(qū)，如果土壤Olsen-P超過臨界值30.2 mg/kg，從土體排出的水進入河流或湖泊，極有可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。Sims等[35]也發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤Olsen-P含量達到25 mg/kg時，就水質(zhì)保護來說已處于過高水平。微區(qū)試驗超過50%的小區(qū)土壤Olsen-P含量已經(jīng)超過磷素淋失臨界值，存在磷素淋失風(fēng)險，應(yīng)加強農(nóng)田磷肥的科學(xué)施用和管理。但需要指出的是，從土體排出水中磷的組成和形態(tài)與CaCl2溶液所浸提出來的磷可能不同，只有溶解態(tài)磷才能被水體生物吸收利用，而顆粒狀磷對藻類的有效性只有30%左右[36]。因此，下一步的研究應(yīng)建立土體排出水總磷含量與CaCl2-P之間的關(guān)系，通過測定CaCl2-P來預(yù)測從土體排出水的磷濃度，從而評估土壤磷素淋失對水體的污染。

4 結(jié)論

1) 土壤CaCl2-P含量為0.07～2.68 mg/kg，約為Olsen-P含量的0.5%～5.6%。短期施高量磷肥可以顯著提高土壤Olsen-P和CaCl2-P含量，但土壤Olsen-P和CaCl2-P的增加不同步。當(dāng)土壤Olsen-P低于28.0 mg/kg時，CaCl2-P變化不大，當(dāng)Olsen-P增加至28.0 mg/kg后，CaCl2-P迅速增加，這一方面有利于作物對磷的吸收，另一方面也極大地增加了土壤磷素淋失的風(fēng)險。

2) 土壤CaCl2-P和Olsen-P的關(guān)系符合雙直線模型，突變點時土壤Olsen-P含量為30.2 mg/kg，對應(yīng)的CaCl2-P含量為0.3 mg/kg。微區(qū)試驗中超過50%的小區(qū)土壤Olsen-P含量已經(jīng)超過磷素淋失臨界值，存在磷素淋失風(fēng)險，應(yīng)加強農(nóng)田磷肥的科學(xué)施用和管理。