于艷梅 柴澤宇 孫本華

摘要：農田土壤磷素（P）累積使得農田土壤P淋溶風險增加，了解農田土壤P淋溶閾值并解析其主控因素對于合理控制農田土壤P保證農業(yè)生產同時減輕水體環(huán)境風險具有重要作用。選取我國分布較廣的18個省共14種典型農田土壤，通過室內模擬試驗測定了P淋溶閾值并探討了土壤P淋溶閾值與土壤理化性質的關系，明確了影響P淋溶閾值的主控因素。結果表明：我國農田土壤P淋溶閾值差異很大，土壤有效磷（Olsen-P）含量為14.9～106.2 mg/kg。農田土壤P淋溶閾值隨土壤pH值、交換性鈣含量、無機碳含量、沙粒含量的增加而減小，隨土壤陽離子交換量（CEC）、有機碳、活性鐵鋁含量、交換性鎂含量、黏粒含量、土壤有效磷含量的增加而增大。利用土壤pH值、CEC、交換性鎂含量、初始土壤有效磷含量等土壤性質參數(shù)能較好地預測不同類型農田土壤的P淋溶閾值。在一定程度上，土壤pH值可作為評估農田土壤P淋溶風險大小的有效指標。考慮到我國農田土壤pH值的分布狀況，結合土壤背景值，北方農田土壤P淋溶風險大于南方農田土壤，更應加強土壤磷的管理。

關鍵詞：農田土壤;磷;淋溶閾值;土壤性質;淋溶風險

中圖分類號： S153.6+1 ?文獻標志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）15-0281-06

磷（P）是作物發(fā)育所必需的大量元素，在作物產量和品質形成中具有極其重要的作用[1]，同時磷也是造成水體富營養(yǎng)化的關鍵因子[2-3]。目前的問題是農業(yè)生產投入-支出不平衡，使得農田中磷大量累積[4]，造成資源浪費和環(huán)境污染等嚴重后果[5-6]。對于農田來說，控制土壤中磷的含量在合理的區(qū)間具有重要意義。前人多依據(jù)作物磷含量臨界值給出了推薦磷肥施用量的建議[7-9]，Heckrath等發(fā)現(xiàn)隨著土壤有效磷（Olsen-P）含量的增加，土壤排水中磷的濃度具有突變點即淋溶閾值[10]，可將其作為土壤磷含量的上限用于推薦磷肥施用量[11]。

許多研究表明，不同土壤的P淋溶閾值存在巨大差異[12-14]，這些差異可能與土壤類型及其土壤理化性質有關。我國農田土壤類型多，不同土類的基本理化性質差異顯著[15-16]，這為研究土壤P淋溶閾值和土壤性質之間的關系提供了便利。本試驗選取我國18種典型農田土壤，采用突變點法確定P淋溶閾值并探討了其與土壤特性的關系，以明確我國主要農田土壤P淋溶閾值及其主控因素，以期為合理施用磷肥、節(jié)約磷礦資源、降低P淋溶風險和保護環(huán)境提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品

樣品采自全國18個省的耕層土（土壤表層向下深度為0～20 cm的土壤），包括pH值<6.5的酸性土壤（紅壤、赤紅壤、紫色土、黃棕壤、黑土）、6.5≤pH值≤7.5的中性土壤（棕壤、水稻土）、pH值>7.5的堿性土壤（灰漠土、褐土、栗鈣土、灌淤土、土、潮土、濱海鹽）土，共14種主要土壤類型。

1.2 土壤P淋溶閾值測定

土樣自然風干，通過2 mm篩后稱取150 g于塑料袋中，加入指定濃度的KH2PO4溶液（0、10、20、40、60、80、100、120、150、180、210、240、270、300、350、400 mg/kg）并控制土壤濕度為田間持水量的50%，于25 ℃恒溫培養(yǎng)4 d后自然風干，再加純水調節(jié)土壤濕度為田間持水量的50%，25 ℃恒溫培養(yǎng)4 d后自然風干;如此干濕培養(yǎng)4次，使土壤對P的吸附解析趨于平衡。土壤自然風干后過2 mm篩，分別用0.5 mol/L NaHCO3-鉬銻抗比色法及 0.01 mol/L CaCl2-鉬銻抗比色法測定有效磷（Olsen-P）和CoCl2浸提磷（CaCl2-P）的含量;利用分段線性模型擬合，當 Olsen-P 含量低時與CaCl2-P含量的線性方程斜率最小，當Olsen-P含量高時與CaCl2含量的線性方程斜率最大，同時保證兩方程的線性最優(yōu)，交點即為P淋溶閾值，通常以橫坐標的Olsen-P含量表示[13，17]。

1.3 土壤理化性質測定

pH值用玻璃電極法（土 ∶ 水=1 g∶ 1 mL）測定;陽離子交換量（CEC）用乙酸銨法（1 mol/L CH3COONH4，pH值=7.0）測定;有機碳含量用外加熱法測定;活性Fe（Al）含量用鄰菲羅啉比色法（鋁試劑比色法）測定;交換性鈣鎂含量用原子吸收法測定;黏粒（<2 μm）、粉粒（2～20 μm）和沙粒（>20 μm）含量用吸管法測定;無機碳含量用氣量法測定。具體方法請參考《土壤農業(yè)化學分析》[18]，供試土壤的基本理化性質見表1。

1.4 數(shù)據(jù)計算和處理方法

數(shù)據(jù)由Excel 2010處理后，利用IBM SPSS Statistics 24進行相關性和多元線性回歸分析，利用結構方程模型AMOS 24.0進行土壤特性與P淋溶閾值關系的模擬。

2 結果與分析

2.1 P淋溶閾值

隨加磷（KH1PO4）量的提高，Olsen-P含量均有增加趨勢，而CaCl2-P則不同。當 Olsen-P含量較低時，CaCl2-P含量與Olsen-P含量呈正相關且擬合方程的斜率較小，當Olsen-P含量高于某值后擬合方程的斜率明顯增大，這一轉折點即為P淋溶閾值[12]。根據(jù)分段線性模型，將所測得的供試土壤Olsen-P和CaCl2-P含量進行擬合，得到供試土壤（棕壤和栗鈣土除外）P淋溶閾值為14.9～106.2 mg/kg（圖1、表2）。

由表2可知，酸性（土壤pH值<6.5的紅壤、赤紅壤、紫色土、黃棕壤、黑土）和中性（6.5≤pH值≤7.5的棕壤、水稻土）土壤的P淋溶閾值明顯高于堿性土壤（pH值>7.5的灰漠土、褐土、栗鈣土、灌淤土、土、潮土、濱海鹽土）。其中，酸性土壤江西紅壤的P淋溶閾值實測值最高，為 106.2 mg/kg;堿性土壤河北潮土P淋溶閾值實測值最低，為 14.9 mg/kg;中性土壤水稻土P淋溶閾值實測值為81.6 mg/kg。這表明酸性和中性土（6.5≤pH值≤7.5）比堿性土（pH值>7.5）具有更強的吸附、固定P的能力?？傮w而言，不同土壤P淋溶閾值有所差異。棕壤和栗鈣土未獲得淋溶閾值，可能是因為初始有效磷含量較高，已超過了淋溶閾值，或是干濕交替次數(shù)較少，土壤吸附解吸未達到平衡。

2.2 土壤P淋溶閾值與土壤性質的關系

從圖2可以看出，土壤磷淋溶閾值與pH值、交換性鈣含量、無機碳含量、沙粒含量呈顯著負相關;與CEC、有機碳含量、活性Fe含量、活性Al含量、交換性鎂含量、黏粒含量、初始Olsen-P含量呈顯著正相關，而與粉粒含量和初始CaCl2-P含量的相關性未達到顯著水平。

將P淋溶閾值（y）與土壤理化性質（x1～13）進行逐步多元線性回歸分析，可得P淋溶閾值（y）與pH值（x1）、CEC（x2）、交換性鎂含量（x7）、初始Olsen-P含量（x12）符合方程：

y=143.684-18.391x1+0.927x2+155.13x7+0.788x12（決定系數(shù)r2=0.931，n=16，P<0.001）。（1）

P淋溶閾值可根據(jù)式（1）預測，P淋溶閾值的預測結果如表2所示。通過對比預測值和實測值可知，除灰漠土、灌淤土、潮土（河南和河北）、濱海鹽土的預測值與實測值之間存在較大差異外，其他土壤預測值與實測值的相對偏差均在13.5%以內。

預測值和實測值二者之間的均方根誤差（RMSE）為7.73、標準均方根誤差（NRMSE）為13.04%、平均相對誤差（MRE）為10.99%，表明該方程能夠利用較少的土壤性質參數(shù)較好地預測不同類型農田土壤的P淋溶閾值。

為明確各土壤特性與P淋溶閾值的關系，利用結構方程模型AMOS 24.0對基本理化性質作進一步分析。圖3表明，pH值（x1）、陽離子交換量（CEC，x2）、黏粒含量（x4）、活性鋁含量（x5）、交換性Mg含量（x7）和初始Olsen-P（x12）含量對P淋溶閾值有極顯著影響，且直接標準化路徑系數(shù)的絕對值從大到小依次是-0.66（x1）、0.35（x12）、0.32（x2）、0.29（x7）和0.2（x5和x4）。pH值（x1）對土壤磷淋溶閾值的直接影響為負，CEC（x2）、交換性Mg含量（x7）以及初始Olsen-P含量（x12）對P淋溶閾值的直接影響為正。

3 討論

3.1 農田土壤P淋溶閾值

我國由地表徑流、土壤侵蝕和農田土壤淋溶的P損失量約為29.9萬～49.0萬t/年，占總磷投入的10%[19-20]。前人普遍認為，地表徑流和土壤侵蝕是P流失的主要方式[21]。最近研究表明，持續(xù)不合理的施用磷肥，急劇增加了P的積累、滲漏和淋溶。Maguire等研究表明，耕層中P以淋溶（包括亞表層徑流）方式的損失量高于地表徑流，可見P的淋溶不可忽視[22]。本試驗測得P淋溶閾值為 14.9～106.2 mg/kg。總體來講，酸性土壤的P淋溶閾值為（60.9～106.2 mg/kg）明顯高于堿性土（14.9～42.8 mg/kg）。酸性和中性土壤（紅壤、水稻土等）P淋溶閾值要明顯高于堿性土壤（潮土、土等），這與前人的研究結果[7，13-14，23]一致。然而，P淋溶閾值高僅表明其淋溶的環(huán)境風險高，實際的P淋溶量還受溫度、降雨等條件的影響，須要全面衡量所在區(qū)域的氣候和降雨等。

3.2 土壤性質對P淋溶閾值的影響

Zhao等研究表明，P淋溶閾值與土壤的吸附特性有關[13]，因此與土壤吸附特性相關的因素均可影響P淋溶閾值。本試驗結果也表明，土壤理化性質對土壤淋溶閾值起著決定性的作用（圖3，總標準化效應系數(shù)為0.99），其中P淋溶閾值隨著pH值升高下降，兩者呈極顯著負相關關系（圖2、圖3）。pH值對淋溶閾值的影響較復雜，可通過影響?zhàn)ち?、活性Fe、活性Al、交換性Ca含量間接影響淋溶閾值，其總標準化效應系數(shù)（總標準化效應系數(shù)=直接標準化系數(shù)+間接標準化系數(shù);直接標準化系數(shù)=路徑系數(shù);間接標準化系數(shù)=各路徑系數(shù)的乘積）為 -0.82 （圖3），可見pH值對淋溶閾值起著決定性作用，是P淋溶閾值的主控因子之一，這與多元線性回歸結果一致。隨pH值增大，活性Fe、活性Al、黏粒含量減少，P淋溶閾值降低。從結構方程模型的結果也可看出，pH值與活性Fe、活性Al、黏粒含量的直接標準化效應系數(shù)為-0.64（x4）、-0.84（x5）、-0.64（x9），而活性Fe、活性Al、黏粒含量與磷淋溶閾值的總標準化效應分別為 -0.06（x4）、0.2（x5）、0.2（x9），所以pH值通過活性Fe、活性Al、黏粒對淋溶閾值的總標準化效應系數(shù)分別為0.04（x4）、-0.17（x5）、-0.13（x9），這與前人的研究結果[13，24-27]基本一致。相關研究表明，P淋溶閾值與pH值呈一元二次方程關系，當pH值為6.0時，P淋溶閾值最大[13，24]，產生差異的原因可能是其供試土壤pH值為3.1～9.2，而本試驗采用的是農田土壤，土壤pH值為4.72～8.80。如果去掉其pH值為3.1、3.7的結果，本研究與之基本一致。本試驗中P淋溶閾值與活性Al含量呈極顯著正相關關系（圖2、圖3），這與活性Al對磷的吸附作用有關。普遍認為，土壤對P的吸附能力主要受制于活性Fe、活性Al[25-26]，Maguire等的研究結果表明草酸浸提Fe和Al可衡量土壤磷吸附能力[27]。當pH值提高時，土壤對P的吸附能力降低，可能是因為土壤可交換Al和羥基鋁減少[25]。

在堿性土壤中，磷和碳酸鈣容易生成磷灰石，且碳酸鈣影響土壤對磷的吸附;而在酸性土壤中，磷主要與Fe、Al形成沉淀，黏粒、鋁和鐵也控制土壤對磷的吸附[28]。呂家瓏等研究表明，黏粒是堿性土壤吸附P的主控因子[29-30]。本試驗中P淋溶閾值與黏粒、活性鋁含量極顯著相關（圖3），說明活性Al、黏粒含量是制約P吸附的主控因子。CEC可通過影響交換性Ca含量、交換性Mg含量、pH值間接對淋溶閾值產生影響，且間接效應為負（-0.32），所以其總效應為0，其中通過路徑“CEC→交換性鎂→交換性鈣→pH值→…P淋溶閾值”的間接影響高達-0.17，占間接效應的53%;交換性Mg與CEC同理，其總效應為0.91，其中通過路徑“CEC→交換性鎂→交換性鈣→pH值→…P淋溶閾值”的間接影響高達0.35，高于其直接效應（0.29）;交換性Ca含量主要通過影響土壤pH值對土壤P淋溶閾值產生影響（圖3），這些均說明了土壤pH值對土壤磷的淋溶十分重要。Devau等的研究結果表明，土壤P吸附的能力與黏粒含量呈正相關關系[26，31]，這與本試驗結果相同。

本試驗中土壤初始Olsen-P含量對P淋溶閾值的影響相對較大（直接標準化路徑系數(shù)為0.35，圖3），這可能是因為P以吸附、沉淀的方式被土壤固定，故初始Olsen-P可以用來估量土壤中已經被P占據(jù)的點位。Zhao等研究結果表明，可以利用土壤有機質含量來衡量P淋溶的風險[13]，但也有研究表明有機質含量與土壤固磷能力僅存在微弱的關系[32]。在本試驗中，土壤有機碳含量與P淋溶閾值存在顯著正相關關系，但其相關性均遠低于pH值、活性Fe含量、活性Al含量、無機碳含量以及黏粒含量等，但在多元回歸分析[式（1）]及結構方程模型（圖3）中，有機碳含量與P淋溶閾值并沒有相關性，可能的原因是有機碳含量可改善土壤性質，提高黏粒含量，增強土壤的吸附能力，又可與活性Fe、活性Al螯合形成絡合物降低土壤固磷能力[33]，正負效應相互抵消。

對于我國主要農田土壤來說，可以通過土壤pH值、陽離子交換量（CEC）、交換性Mg含量和 Olsen-P含量來預測我國主要農田土壤P淋溶閾值，這為初步評估我國農田土壤磷淋溶風險大小提供了便利，但其準確性有待進一步驗證。

4 結論

確保農田P含量既能滿足作物高產優(yōu)質的需要，且低于P淋溶閾值來減輕對水體環(huán)境的負影響，是發(fā)展農業(yè)生產和保護水體環(huán)境的關鍵。我國主要農田土壤P淋溶閾值差異很大，通過農田土壤的pH值、陽離子交換量、交換性Mg、土壤有效磷含量可以預測主要農田土壤P淋溶閾值。P淋溶閾值與土壤pH值、交換性鈣含量、無機碳含量、沙粒含量呈負相關，而與土壤有機碳含量、活性鐵鋁含量、黏粒含量、土壤有效磷含量呈正相關關系。一定程度上，pH值可作為評估農田土壤P淋溶風險的有效指標。考慮我國農田土壤pH值的分布狀況，結合土壤Olsen-P背景值以及北方農田P淋溶風險大于南方農田，更應加強土壤磷管理。

參考文獻：

[1]朱從樺，張嘉莉，王興龍，等. 硅磷配施對低磷土壤春玉米干物質積累、分配及產量的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報，2016，24（6）：725-735.

[2]Yan K，Yuan Z W，Goldberg S，et al. Phosphorus mitigation remains critical in water protection：a review and meta-analysis from one of Chinas most eutrophicated lakes[J]. Science of the Total Environment，2019，689：1336-1347.

[3]Correll D L. The role of phosphorus in the eutrophication of receiving waters：a review[J]. Journal of Environmental Quality，1998，27（2）：261-266.

[4]李書田，金繼運. 中國不同區(qū)域農田養(yǎng)分輸入、輸出與平衡[J]. 中國農業(yè)科學，2011，44（20）：4207-4229.

[5]魯如坤. 土壤磷素水平和水體環(huán)境保護[J]. 磷肥與復肥，2003，18（1）：4-8.

[6]曲均峰. 化肥施用與土壤環(huán)境安全效應的研究[J]. 磷肥與復肥，2010，25（1）：10-12.

[7]Bai Z H，Li H G，Yang X Y，et al. The critical soil P levels for crop yield，soil fertility and environmental safety in different soil types[J]. Plant and Soil，2013，372（1/2）：27-37.

[8]Tang X，Ma Y，Hao X，et al. Determining critical values of soil Olsen-P for maize and winter wheat from long-term experiments in China[J]. Plant and Soil，2009，323（1/2）：143-151.

[9]郭斗斗，黃紹敏，張水清，等. 潮土小麥和玉米Olsen-P農學閾值及其差異分析[J]. 植物營養(yǎng)與肥料學報，2017，23（5）：1184-1190.

[10]Heckrath G，Brookes P C，Poulton P R，et al. Phosphorus leaching from soils containing different phosphorus concentrations in the Broadbalk experiment[J]. Journal of Environmental Quality，1995，24（5）：904-910.

[11]席雪琴，孫本華，陳 勇，等. 土區(qū)作物和土壤淋溶磷臨界值研究及推薦施磷建議[J]. 中國土壤與肥料，2015（6）：34-40.

[12]Hesketh N，Brookes P C. Development of an indicator for risk of phosphorus leaching[J]. Journal of Environmental Quality，2000：29（1）：105-110.

[13]Zhao X R，Zhong X Y，Bao H J，et al. Relating soil P concentrations at which P movement occurs to soil properties in Chinese agricultural soils[J]. Geoderma，2007，142（3/4）：237-244.

[14]張慧敏，章明奎. 稻田土壤磷淋失潛力與磷積累的關系[J]. 生態(tài)與農村環(huán)境學報，2008，24（1）：59-62.

[15]龔子同，張甘霖，陳志誠，等. 以中國土壤系統(tǒng)分類為基礎的土壤參比[J]. 土壤通報，2002，33（1）：1-5.

[16]全國土壤普查辦公室. 中國土壤[M]. 北京：中國農業(yè)出版社，1998：95-839.

[17]聶 敏，肖和艾，廖敦秀，等. 亞熱帶可變電荷土壤磷素淋失臨界點及其與土壤特性的關系[J]. 環(huán)境科學學報，2013，33（2）：579-586.

[18]鮑士旦. 土壤農化分析[M]. 3版. 北京：中國農業(yè)出版社，2000，25-239.

[19]Ma L，Ma W Q，Velthof G L，et al. Modeling nutrient flows in the food chain China[J]. Journal of Environmental Quality，2010，39（4）：1279-1289.

[20]Wang F，Sims J T，Ma L，et al. The phosphorus footprint of Chinas food chain：implications for food security，natural resource management，and environmental quality[J].Journal of Environmental Quality，2011，40（4）：1081-1089.

[21]Brock E H，Ketterings Q M，Kleinman P J A. Phosphorus leaching through intact soil cores as influenced by type and duration of manure application[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems，2007，77（3）：269-281.

[22]Maguire R O，Sims J T. Measuring agronomic and environmental soil phosphorus saturation and predicting phosphorus leaching with Mehlich 3[J]. Soil Science Society of America Journal，2002，66（6）：2033-2039.

[23]黃紹敏，郭斗斗，張水清. 長期施用有機肥和過磷酸鈣對潮土有效磷積累與淋溶的影響[J]. 應用生態(tài)學報，2011，22（1）：93-98.

[24]白秀玲，馬建華，孫艷麗，等. 開封城市土壤磷素組成特征及流失風險[J]. 環(huán)境科學，2018，39（2）：909-915.

[25]王光火，朱祖祥. pH對土壤吸持磷酸根的影響及其原因[J]. 土壤學報，1991，28（1）：1-6.

[26]Devau N，Cadre E L，Hinsinger P. Soil pH controls the environmental availability of phosphorus：experimental and mechanistic modelling approaches[J]. Applied Geochemistry，2009，24（11）：2163-2174.

[27]Maguire R O，Sims J T，F(xiàn)oy R H. Long-term kinetics for phosphorus sorption-desorption by high phosphorus soils from Ireland and the Delmarva peninsula，USA[J]. Soil Science，2001，166（8）：557-565.

[28]周慧平，高 超，王登峰，等. 巢湖流域農田土壤磷吸持指數(shù)及吸持飽和度特征[J]. 農業(yè)環(huán)境科學學報，2007，26（增刊）：386-389.

[29]呂家瓏，李祖蔭. 石灰性土壤中固磷基質的探討[J]. 土壤通報，1991，22（5）：204-206.

[30]李祖蔭，劉 軍，孔曉玲. 石灰性土壤中粘粒與碳酸鈣的固磷作用[J]. 土壤肥料，1983（2）：13-16.

[31]Richard L，Katleen J，Roel M，et al. Relationship between soil properties and phosphate saturation parameters a transect study in northern Belgium[J]. Geoderma，1996，69（3/4）：265-274.

[32]Subramariam V，Singh B R. Phosphorus supplying capacity of heavily fertilized soils.1.Phosphorus adsorption characteristics and phosphorus fractionation[J]. Nutrient Cycling in Ageroecosystems，1997，47（2）：115-122.

[33]Zhou M，Rhue R D，Harris W G. Phosphorus sorption characteristics of Bh and Bt horizon from sandy coastal plain soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1997，61（5）：1364-1369.