許杏紅，王艷玲，姚 怡，殷 丹

（南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)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(huán)境淋失風(fēng)險閾值前，土壤可繼續(xù)容納的外源磷的數(shù)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(fēng)險的轉(zhuǎn)折點；當SPSC ＞ 0 時，土壤是磷匯且可繼續(xù)容納外源磷；當SPSC ＜ 0 時，土壤是磷源且不能繼續(xù)容納外源磷，此時的土壤極易向周圍環(huán)境釋放磷[2]。SPSC 是基于磷飽和度（Degree of Phosphorus Saturation，DPS）概念提出并發(fā)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(yù)測土壤磷素飽和狀態(tài)及流失風(fēng)險[3]。DPS 由土壤中可提取態(tài)磷與飽和系數(shù)α及可提取態(tài)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(shù)α后的計算結(jié)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(huán)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(guān)曲線的“拐點（change point）”確定。PSR 閾值的取值直接決定著SPSC 計算結(jié)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(yīng)用最為廣泛[8-9]。國外許多學(xué)者已經(jīng)利用SPSC 來對土壤磷素環(huán)境風(fēng)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(nèi)對 SPSC 的應(yīng)用與發(fā)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(jié)構(gòu)性較差的紅壤上的研究仍顯不足。

紅壤是我國南方地區(qū)最主要的土壤類型及糧食生產(chǎn)基地，外源磷肥的長期施入與磷肥的當季利用率低下，導(dǎo)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(dǎo)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(huán)境污染[12-13]。團聚體是土壤磷素固存與釋放、周轉(zhuǎn)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(yīng)效能[14]，進而調(diào)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(guān)關(guān)系，基于SPSC 值估算紅壤旱地及大小團聚體磷的流失風(fēng)險及其可繼續(xù)容納外源磷的“安全壽命”。研究結(jié)果可為紅壤區(qū)土壤磷素資源管理、土壤磷素儲存潛能的準確評估與農(nóng)業(yè)高效、環(huán)境友好的磷素資源管理策略的制定提供理論依據(jù)。

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(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外研究站院內(nèi)（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(fā)育的典型紅壤。試驗分無機肥區(qū)與有機無機肥配施區(qū)，其中無機肥試驗區(qū)設(shè)：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(qū)設(shè)：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(fù)3 次，每個小區(qū)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(qū)用硬質(zhì)飯盒采集原狀土5 點，密封好后，帶回室內(nèi)。同時，在每個試驗小區(qū)內(nèi)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(zhì)密封盒中，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 土壤團聚體篩分

在原狀土壤樣品風(fēng)干的過程中，用手沿著土壤的自然結(jié)構(gòu)面輕輕將土壤樣品剝成直徑約 10～12 mm大小的樣塊。風(fēng)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(zhuǎn)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(fēng)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(xué)反應(yīng)，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(tài)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(jù)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(zhì)分析

土壤有機質(zhì)（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(zhì)見表1。

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

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 與SPSS 20.0 軟件；繪圖采用Origin 2017 軟件。

2 結(jié) 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(qū)，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(qū)，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(xiàn)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(yīng)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(xiàn)出顯著降低趨勢（P＜ 0.01）。由 SPSC 與 TP、Bray-P 的相關(guān)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(guān)關(guān)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(xù)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(wěn)定的狀態(tài)，需要引起注意；當SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，土壤磷已經(jīng)開始向周圍水體或地下水釋放，應(yīng)立即采取環(huán)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(guān)關(guān)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(guān)關(guān)系Fig. 5 Correlations between Bray-P and TP in the red soils under long-term fertilization

SPSC 是一個數(shù)量值，可以直接計算出在磷濃度超過環(huán)境風(fēng)險閾值前，土壤可繼續(xù)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(zhuǎn)折點，當SPSC ＞ 0 時，土壤是磷的匯，即土壤不會向周圍環(huán)境釋放磷且可繼續(xù)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(fēng)險將急劇增大[16]。本研究中發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)負值（-333 mg·kg-1），此時土壤磷極易向周圍環(huán)境釋放并污染水環(huán)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(dǎo)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(jù)且在短時間內(nèi)達到飽和或過飽和狀態(tài)[17]。雖然，SPSC ＜ 0 時，土壤磷極易向環(huán)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(fēng)險的重要方面。

各粒級團聚體是土壤磷素儲存、轉(zhuǎn)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(huán)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(xiàn)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(huán)境均是不安全的，且極易向環(huán)境中釋放。本研究還發(fā)現(xiàn)，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(diào)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(yīng)效率[21]。

施肥是改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)，調(diào)控土壤磷肥力供應(yīng)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(fēng)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(tài)，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(xiàn)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(guān)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(xiàn)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(xù)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(yīng)立即停止施磷或調(diào)整施磷量，不宜按現(xiàn)有施磷量繼續(xù)施用。

圖6 長期定位試驗地各施肥小區(qū)總施磷量（1988—2014）、TP 與SPSC 之間的相關(guān)關(guān)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(yīng)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(yīng)狀態(tài)及其流失風(fēng)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(jié)合，本研究構(gòu)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(jīng)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(wěn)定的狀態(tài)，極易或已經(jīng)開始向周圍環(huán)境或水體釋放，需要引起注意、定期監(jiān)測，并及時調(diào)整施肥方案；當SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，可以認為土壤磷已經(jīng)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(yīng)立即停止或減少施磷量，重新調(diào)整施肥方案，以降低環(huán)境風(fēng)險，減少磷素資源的無效使用及浪費。

4 結(jié) 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(xiàn)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(xiàn)負值，土壤磷極易向周圍環(huán)境釋放，應(yīng)立即停止施肥或調(diào)整施肥量，不宜按現(xiàn)有施肥量繼續(xù)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(wěn)定狀態(tài)，極易向或已經(jīng)向周圍環(huán)境或水體釋放，需隨時監(jiān)測或停止施磷；當 SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷已經(jīng)開始向周圍環(huán)境或水體釋放，應(yīng)立刻停止施磷，并調(diào)整施肥方案。