肖作義，馬 飛，2，柳開(kāi)樓，趙學(xué)強(qiáng)，鄭春麗，張昊青，王嘉林，沈仁芳

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所/土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；3.江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330046；4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

我國(guó)紅壤地區(qū)總面積約218萬(wàn)km2，耕地面積約2800萬(wàn)hm2，為全國(guó)供應(yīng)了一半農(nóng)業(yè)產(chǎn)值，養(yǎng)活了全國(guó)近一半人口［1］。紅壤廣泛分布于我國(guó)南方熱帶和亞熱帶地區(qū)，該地區(qū)水熱資源豐富，作物生產(chǎn)潛力巨大［2］。大多數(shù)紅壤pH較低，經(jīng)常存在鋁毒、錳毒、酸害和養(yǎng)分缺乏等限制作物生長(zhǎng)的因子，導(dǎo)致紅壤上作物生產(chǎn)潛力難以充分發(fā)揮［3-4］。受自然和人類活動(dòng)等因素影響，近年來(lái)土壤酸化面積不斷擴(kuò)大，南方紅壤地區(qū)的土壤酸化尤為嚴(yán)重［5-6］。

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一，參與植物體內(nèi)各種生理生化活動(dòng)，也是決定土壤肥力和土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)之一［7-8］。土壤磷含量直接影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)［9］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球耕地土壤大約有43%缺磷，我國(guó)耕地土壤有2/3缺磷［10］。紅壤中可溶性鋁離子含量較高，過(guò)多的鋁離子會(huì)固定紅壤中的磷酸根，降低紅壤中磷的生物有效性，導(dǎo)致植物容易缺磷［3，11］。因此，磷素短缺已成為限制南方紅壤地區(qū)作物生長(zhǎng)的重要因素之一，施用磷肥是解決紅壤區(qū)農(nóng)田土壤缺磷的主要方式。由于磷肥利用率低，長(zhǎng)期過(guò)量施用磷肥導(dǎo)致土壤中的磷不斷積累，在南方多雨條件下，土壤中積累的磷易通過(guò)淋洗和徑流等方式進(jìn)入水體，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化［12-13］，對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境和人類健康構(gòu)成威脅。

不同土地利用方式是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素。旱地和水田是我國(guó)南方紅壤地區(qū)的兩種主要耕地類型，評(píng)估紅壤地區(qū)旱地和水田土壤磷生物有效性和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。雖然已有不少關(guān)于紅壤磷生物有效性和磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的研究，但是少有研究將紅壤磷生物有效性、流失風(fēng)險(xiǎn)與水體磷含量三者進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。CaCl2溶液提取的土壤磷與徑流液中的磷含量有很好的相關(guān)性，常被用來(lái)評(píng)價(jià)土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)［14-16］。表征土壤有效磷的指標(biāo)主要有Olsen-P和Bray-P，二者對(duì)于不同土壤類型具有不同農(nóng)學(xué)意義，但是哪種有效磷指標(biāo)與磷流失風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系更為密切尚不清楚。本研究以典型紅壤區(qū)江西省余江縣作為采樣區(qū)域，采集了不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)旱地和水田土壤樣品以及水田周邊水體樣品，測(cè)定了土壤有效磷（Olsen-P和Bray-P）和CaCl2提取態(tài)磷含量及水樣總磷含量。擬通過(guò)這些研究，比較紅壤旱地和水田土壤磷素豐缺狀況及其流失的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

1 材料與方法

1.1 江西省余江縣采樣情況

采樣區(qū)域余江縣位于江西省東北部山區(qū)丘陵向鄱陽(yáng)湖平原過(guò)渡地段，處于東經(jīng)116°41′～117°09′，北緯28°04′～28°37′，總面積約為936 km2，氣候類型為亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均氣溫約17.6℃，年均降水量約1766 mm［17-18］。余江縣主要地形為低丘，主要土壤類型為低丘紅壤及其發(fā)育的紅壤性水稻土，約占全縣土壤面積的90%［19］。

采樣時(shí)間為2019年4月下旬，選取余江縣馬荃鎮(zhèn)、楊溪鄉(xiāng)、平定鄉(xiāng)、潢溪鎮(zhèn)、中童鎮(zhèn)、劉家站、錦江鎮(zhèn)、黃莊鄉(xiāng)、畫(huà)橋鎮(zhèn)9個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)作為采樣區(qū)域（圖1），其中旱地土采樣點(diǎn)18個(gè)，水稻土采樣點(diǎn)18個(gè)。因?yàn)橛行┧锊蓸狱c(diǎn)周?chē)潘疁蠜](méi)有排水，有些水田采樣點(diǎn)共用一個(gè)排水溝，最終只有8個(gè)水樣采樣點(diǎn)。每個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)采集來(lái)自同一田塊3個(gè)不同地方的土壤樣品，并采集相應(yīng)水田周?chē)畼?，獲得54份旱地土壤樣品，54份水田土壤樣品，24份水體樣品，共132份樣品（表1）。土壤采集深度為0～20 cm，水樣取自水田排水溝渠上清液。樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，土樣均勻混合、自然風(fēng)干、去雜、研磨，過(guò)2 mm篩后，測(cè)定磷相關(guān)指標(biāo)。水樣經(jīng)過(guò)濾后置于4℃冰箱，用于測(cè)定總磷含量。

表1 江西余江采樣情況

1.2 分析方法

土壤測(cè)定參照土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法［20］，土壤Olsen-P采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提（液土 比20∶1），土 壤Bray-P采 用NH4F-HCl 溶 液浸提（液土比10∶1），土壤CaCl2-P采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（液土比10∶1），然后都在25℃下振蕩30 min，鉬銻抗比色法測(cè)定。水樣總磷利用電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀（Avio 200，美國(guó)）進(jìn)行測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)采用WPS 2019與SPSS 25.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。土壤Bray-P、Olsen-P與CaCl2-P的定量關(guān)系利用數(shù)學(xué)方法，以不偏離突變點(diǎn)為基礎(chǔ)，分步計(jì)算關(guān)系方程，使土壤高Bray-P含量、Olsen-P含量與CaCl2-P含量之間的關(guān)系方程斜率最大，相關(guān)系數(shù)最高，而使土壤低Bray-P含量、Olsen-P含量與CaCl2-P含量之間的關(guān)系方程斜率最小，再根據(jù)兩個(gè)方程來(lái)計(jì)算土壤磷流失突變點(diǎn)［21-22］。采用皮爾遜相關(guān)性分析確定土壤有效磷、CaCl2-P之間的相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 余江縣土壤有效磷分析

以O(shè)lsen-P作為參考，一般認(rèn)為，適合作物生長(zhǎng)的水田土壤Olsen-P 為11～20 mg·kg-1，旱地土壤為21～40 mg·kg-1。當(dāng)Olsen-P大于41 mg·kg-1時(shí)相對(duì)偏高，小于10 mg·kg-1時(shí)則相對(duì)缺乏［23］。圖2結(jié)果表明，有39%的水田土壤Olsen-P小于10 mg·kg-1，有39%的水田土壤Olsen-P在11～20 mg·kg-1之間，11%的水田土壤Olsen-P大于41 mg·kg-1，表明有1/3以上的水田土壤缺磷，1/3以上的水田土壤磷含量適合作物生長(zhǎng)，1/10的水田土壤高磷。旱地土壤Olsen-P分析結(jié)果表明，有11%的旱地土壤Olsen-P小于10 mg·kg-1，11%的旱地土壤Olsen-P大于41 mg·kg-1，有61%的旱地土壤Olsen-P在21～40 mg·kg-1之間，這表明旱地土壤缺磷較少，2/3左右的旱地土壤磷濃度適合作物生長(zhǎng)。

以Bray-P作為參考，參照土壤農(nóng)化常規(guī)分析方法［20］和沈建國(guó)等［24］Bray-P分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)田土壤Bray-P含量小于7 mg·kg-1為缺磷狀態(tài)，水田土壤Bray-P為7～20 mg·kg-1適合作物生長(zhǎng)，旱地土壤在21～50 mg·kg-1適合作物生長(zhǎng)，當(dāng)大于51 mg·kg-1為高磷狀態(tài)。由圖3可知，有33%的水田土壤Bray-P小于7 mg·kg-1，有33%的水田土壤Bray-P在8～20 mg·kg-1之間，6%的水田土壤Bray-P大于51 mg·kg-1，表明1/3以上的水田土壤處于缺磷狀態(tài)，1/3以上的水田土壤磷濃度適合作物生長(zhǎng)，極少有水田處于高磷狀態(tài)。旱地土壤Bray-P分析結(jié)果表明，有11%的旱地土壤Bray-P小于7 mg·kg-1，6%的旱地土壤Bray-P在21～50 mg·kg-1之間，77%的旱地土壤Bray-P大于51 mg·kg-1，表明旱地土壤很少出現(xiàn)低磷狀態(tài)，3/4以上的旱地土壤高磷。

2.2 余江縣土壤有效磷與水溶性磷之間的關(guān)系

土壤各種磷含量之間的皮爾遜相關(guān)性分析表明，Olsen-P與Bray-P、Olsen-P與CaCl2-P、Bray-P與CaCl2-P都呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（表2）。

表2 土壤各種磷含量之間的皮爾遜相關(guān)性分析（n=36）

土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的定量關(guān)系分析表明，兩條相關(guān)直線存在一個(gè)明顯的“突變點(diǎn)”（圖4）。“突變點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的Olsen-P濃度為56.31 mg·kg-1，相應(yīng)的CaCl2-P濃度為2.49 mg·kg-1。當(dāng)土壤Olsen-P低于56.31 mg·kg-1時(shí)，土壤CaCl2-P濃度很低，變化幅度也很小。在“突變點(diǎn)”之后，CaCl2-P快速增加，最大Olsen-P濃度（232.09 mg·kg-1）的測(cè)試土壤對(duì)應(yīng)的CaCl2-P濃度已達(dá)到52.28 mg·kg-1。

土壤Bray-P和CaCl2-P的關(guān)系與土壤Olsen-P和CaCl2-P的關(guān)系有同樣的趨勢(shì)（圖5），但其“突變點(diǎn)”不同，“突變點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的Bray-P濃度為118.4 mg·kg-1，相 應(yīng) 的CaCl2-P濃 度 為2.69 mg·kg-1。土壤Bray-P濃度低于“突變點(diǎn)”值時(shí)，其對(duì)應(yīng)的土壤CaCl2-P濃度變化不顯著，當(dāng)土壤Bray-P濃度超過(guò)“突變點(diǎn)”值后，其對(duì)應(yīng)的土壤CaCl2-P濃度快速增加，最大Bray-P濃度（353.13 mg·kg-1）的測(cè)試土壤對(duì)應(yīng)的CaCl2-P濃度也已達(dá)到52.28 mg·kg-1。

2.3 余江縣土壤磷的流失風(fēng)險(xiǎn)分析

土壤磷的“突變點(diǎn)”是土壤磷流失臨界值，低于這個(gè)“突變點(diǎn)”，土壤中磷流失風(fēng)險(xiǎn)較小，高于“突變點(diǎn)”，土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)較高［25］。圖6計(jì)算了采樣點(diǎn)水田和旱地土壤Olsen-P、Bray-P超過(guò)磷“突變點(diǎn)”的土壤樣品占比，以評(píng)價(jià)余江縣土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)。水田所有土壤樣品Olsen-P、Bray-P均未超過(guò)“突變點(diǎn)”，旱地土壤樣品Olsen-P、Bray-P超過(guò)“突變點(diǎn)”的土樣占比分別為50%和33%。

為了進(jìn)一步確定余江縣磷流失情況，對(duì)水田采樣點(diǎn)周邊排水溝渠水總磷含量進(jìn)行了測(cè)定。結(jié)果表明，水田周邊溝渠水總磷含量偏低，所有水樣總磷含量均低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）II類水的總磷標(biāo)準(zhǔn)限值（≤0.1 mg·kg-1）（表3）。

表3 水田周邊排水溝渠水總磷情況

3 討論

3.1 紅壤區(qū)旱地和水田土壤磷豐缺情況

本研究調(diào)查的紅壤區(qū)水田土壤Olsen-P和Bray-P均表明，1/3以上的土壤缺磷，1/3以上的土壤磷適合作物生長(zhǎng)，較少土壤出現(xiàn)高磷狀況。旱地土壤Olsen-P和Bray-P結(jié)果均表明，大部分旱地土壤有效磷含量偏高，僅有約1/10土壤缺磷。童文彬等［26］的研究結(jié)果表明，浙江省紅壤區(qū)旱地土壤有效磷（Olsen-P）平均含量遠(yuǎn)高于水田，44.84%的水田土壤處于低磷（＜10 mg·kg-1），僅17.04%的水田土壤有效磷超過(guò)40 mg·kg-1，旱地土壤有效磷在21～40 mg·kg-1和大于40 mg·kg-1的占比較大，說(shuō)明有較高比例的水田土壤缺磷，旱地土壤有效磷含量較高。黃慶海［10］的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)研究表明，長(zhǎng)期施磷的旱地紅壤有效磷含量持續(xù)上升，長(zhǎng)期施磷的水田土壤有效磷含量上升幅度很小，含量在15 mg·kg-1左右，說(shuō)明施磷更易提高旱地土壤有效磷含量，而對(duì)水田土壤有效磷含量影響較小。魯艷紅等［27］和呂真真等［28］研究表明，磷肥投入是影響土壤磷有效性的重要因素，長(zhǎng)期不施磷或磷投入不足會(huì)導(dǎo)致土壤磷短缺，降低土壤磷有效性，而化肥磷及有機(jī)無(wú)機(jī)磷配施提高了土壤有效磷含量。本研究結(jié)果表明，余江縣1/3的水田土壤表現(xiàn)為缺磷狀態(tài)，這可能是由于稻田磷肥投入不足，需要提高磷肥的施用量，而旱地由于土壤有效磷含量較高，可以適當(dāng)降低磷肥的施用量。

3.2 紅壤區(qū)旱地和水田磷流失風(fēng)險(xiǎn)分析

土壤有效磷含量與CaCl2-P提取的磷一般具有很好的相關(guān)性，且存在“突變點(diǎn)”［16］，該“突變點(diǎn)”可作為土壤磷流失臨界值來(lái)預(yù)測(cè)土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)。土壤磷流失的有效磷含量臨界值是指當(dāng)土壤有效磷含量到達(dá)某一水平時(shí)，如果土壤有效磷含量繼續(xù)升高，就會(huì)對(duì)水環(huán)境造成一定風(fēng)險(xiǎn)［29］。雖然土壤磷流失受土壤類型、降雨量、灌溉方式、施肥量等多種因素影響，但是在相同條件下以土壤磷流失的有效磷含量臨界值來(lái)預(yù)測(cè)土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)仍有一定意義。姜波等［30］研究結(jié)果表明，土壤磷流失臨界值比滿足作物磷素營(yíng)養(yǎng)需要的臨界值高，按照土壤磷淋失臨界值來(lái)進(jìn)行磷素管理不僅可以滿足作物對(duì)磷的需要，而且可以指導(dǎo)磷肥的合理施用，對(duì)提高磷肥利用率和降低土壤磷對(duì)水體的污染均具有重要意義。Hesketh等［31］研究表明CaCl2-P與土壤Olsen-P有著很好的相關(guān)性，且可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Olsen-P的濃度就是土壤磷流失的臨界值，當(dāng)超過(guò)該點(diǎn)時(shí)就可能發(fā)生磷流失。鐘曉英等［21］利用CaCl2-P和Olsen-P對(duì)我國(guó)23個(gè)土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示不同土壤的磷流失臨界值不同，臨界值所對(duì)應(yīng)的Olsen-P在29.96～156.78 mg·kg-1之 間。Liang等［16］研究了大田菜地土壤和盆栽菜地土壤的磷流失風(fēng)險(xiǎn)，Olsen-P突變點(diǎn)分別為55.9和53.8 mg·kg-1，對(duì)應(yīng)的CaCl2-P含量分別為0.69和0.42 mg·kg-1。柏兆海等［32］研究了縣域農(nóng)田土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)，砂壤、輕壤和重壤分別對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)Olsen-P含量為23.1、40.1和51.5 mg·kg-1。申艷等［33］研究了磷肥施用量對(duì)潮土CaCl2-P和Olsen-P比值的影響，以此來(lái)評(píng)價(jià)土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明30.2 mg·kg-1是Olsen-P流失臨界值，高量磷肥的施用提高土壤CaCl2-P含量的同時(shí)也會(huì)加大磷流失風(fēng)險(xiǎn)。王榮萍等［34］研究了不同質(zhì)地土壤磷的流失風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)果表明，壤質(zhì)粘土、粘壤土、砂質(zhì)粘壤土的CaCl2-P和Olsen-P線性相關(guān)且有明顯突變點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)分別為79.74、51.08、43.99 mg·kg-1，而CaCl2-P與Bray-P沒(méi)有顯著的相關(guān)性，也沒(méi)有明顯突變點(diǎn)。本研究利用CaCl2提取的磷作為土壤溶液磷含量指標(biāo)，與土壤Olsen-P、Bray-P進(jìn)行擬合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CaCl2-P與Olsen-P、Bray-P均線性相關(guān)且有明顯突變點(diǎn)，土壤磷流失突變點(diǎn)Olsen-P、Bray-P含量分別為56.31和118.4 mg·kg-1，對(duì)應(yīng)的CaCl2-P濃度分別為2.49和2.69 mg·kg-1。由于紅壤區(qū)水田和旱地土壤pH都較低，Bray-P主要用來(lái)評(píng)價(jià)酸性土壤磷的生物有效性，所以采用土壤磷流失突變點(diǎn)Bray-P的含量來(lái)評(píng)價(jià)紅壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)更為合理。

依據(jù)本研究得出的土壤磷流失突變點(diǎn)，余江縣水田土壤磷含量均未超過(guò)磷突變點(diǎn)，表明水田土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)較低，旱地Olsen-P、Bray-P超過(guò)磷突變點(diǎn)分別占50%和33%，旱地Olsen-P含量最高為232.09 mg·kg-1，Bray-P含量最高為353.13 mg·kg-1，是土壤磷流失突變點(diǎn)的數(shù)倍，表明旱地土壤磷具有一定流失風(fēng)險(xiǎn)。本研究對(duì)采樣點(diǎn)水田周邊排水溝渠水總磷含量的測(cè)定結(jié)果也表明，所有水田周邊的水樣總磷含量都低于地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB 3838-2002）II類水的總磷標(biāo)準(zhǔn)限值，表明水田磷流失風(fēng)險(xiǎn)確實(shí)較小。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)考慮土壤磷的農(nóng)學(xué)意義和環(huán)境意義兩個(gè)方面，對(duì)南方紅壤區(qū)水田、旱地的土壤磷素豐缺情況進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)土壤有效磷含量、CaCl2-P含量和周邊水樣磷濃度進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，探討了紅壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)，為南方紅壤磷素管理提供了理論依據(jù)。主要結(jié)論和建議如下：（1）余江縣水田土壤的缺磷點(diǎn)位比例較高，高磷點(diǎn)位較少，旱地土壤則與之相反；（2）余江縣水田土壤中，所有調(diào)查點(diǎn)位的土壤有效磷未超過(guò)磷流失突變點(diǎn)，磷流失風(fēng)險(xiǎn)低，而旱地土壤中有效磷超過(guò)磷流失突變點(diǎn)的點(diǎn)位較多，磷流失風(fēng)險(xiǎn)高；（3）建議余江縣適當(dāng)增加水田中磷肥的施用量，降低高磷旱地的磷肥施用量。