植物有效磷与水溶性磷对土壤磷素积累的响应研究

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　　摘要：以浙江省河谷平原、水网平原、滨海平原和丘陵山地等4类地貌的耕地为例，探讨了植物有效磷和水溶性磷随土壤磷素积累的变化特征。结果表明：植物有效磷和水溶性磷均随土壤磷素积累呈现明显的增加，它们随土壤磷素积累的增加量存在转变点。当土壤全磷达到0.80-0.95g/kg以上时，植物有效磷随土壤磷素积累的增幅明显地增强;而当植物有效磷分别为42-62、165-265mg/kg以上时，土壤水溶性磷水平发生了明显的2个递增过程。总体上，河谷平原土壤中植物有效磷和水溶性磷发生明显变化时土壤积累磷的临界值相对较低。由于易释放态磷占土壤磷的比例随磷积累的增加而增加，研究认为控制土壤磷素的过度积累可有效降低土壤磷素的流失。
　　关键词：土壤磷素积累;有效磷;水溶性磷;转变点
　　中图分类号：S158
　　文献标志码：A
　　论文编号：cjas18100017
　　0引言
　　磷是植物生长必需的生命元素，同时也是水环境的重要污染元素。土壤是地球表面植物生长与地表水体中磷的重要来源，土壤中磷素积累状况不仅可影响植物的生长，同时也可对地表水质产生较大的作用[1-6];土壤磷素的积累满足了植物生长对磷素需求，土壤进入地表水体中磷的数量也随之增加[7-9]。由于大多数自然土壤中磷素偏低，施磷便成为农业增产的重要措施。因此，在农业生产中如何合理控制磷肥施用量，使磷素既能满足植物生长的需要，又不至于过量积累，是当前农业系统中磷素管理的关键问题[1]。与生物有效性较高的氮素和钾素不同，土壤对磷素有很大的固定作用，通过以施肥方式进入土壤中的磷素有相当一部分易被土壤固定[10-15]，因此磷肥对当季作物的利用率常常较低，而相应地每次施入农田中的磷将有较大比例被残留在土壤中[10]。近30多年来，中国农地施用磷肥的数量和频率都比20世纪80年代前有明显的增加，因此，农地土壤中磷素的积累已是较为普遍的现象，一些地方的耕地特别是蔬菜地等设施土壤中磷的积累已达到较高的水平[16-19]。所以，长期施肥条件下土壤有效磷的演变及有效磷随土壤磷素积累的变化规律一直是人们关心的问题[20-25]。一些长期定位试验的研究已表明，多年长期施用磷肥可显著提高土壤有效磷水平，但土壤有效磷增加的速率各地有所差别，取决于各地土壤性状和肥料施用水平[21]。不同地区积累在土壤中的磷素的有效性有较大差异，这种差异除与研究区土壤类型有关外，可能还与土壤中磷素积累程度不同有关。目前，中国有关土壤有效磷随磷素积累变化的研究多局限于田间试验，其土壤磷素积累幅度较小，对土壤磷素积累幅度较大情况下有效磷变化速率了解甚少。为此，笔者以浙江省四大土区（即滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地）为研究单元，在各土区内采集土壤磷素积累差异较大的系列土壤，研讨植物有效磷（代表作物能吸收利用）和水溶性磷（代表易释放至地表水中的磷）对土壤磷素积累的响應，目的是为了解长期施肥情况下有效磷变化的规律，为合理利用积累在土壤中的磷素及预防土壤磷素对地表水体的影响提供指导。
　　1材料与方法
　　根据土壤分布规律，浙江省的耕地土壤分布大致可分为滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地等4个土区，同一土区内的土壤由于成土母质和土壤形成上有一定的共性，在理化性状上也有一定的相似性。滨海平原土壤的成土母质为浅海沉积物，土壤形成时间较短，它们的pH值较高;水网平原的成土母质以湖沼相和老河流相沉积物为主，其地下水位较高，土壤中无定形氧化物较高;河谷平原成土母质以河流冲积物为主，其土壤质地相对较轻;丘陵山地土壤以基岩或第四纪红土为主，土壤形成时间较长、风化强烈，土壤多呈酸性。研究在田间调查和大量采样分析的基础上，共筛选了土壤磷素差异较大的372个蔬菜地土壤，代表不同的土壤磷素积累程度。其中，滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地的样本数分别为93、105、91、83个。供试土壤样品均为耕作层土样，采样深度为0-15cm。土样采回后，在室温下风干，过2mm土筛;部分土壤过0.152mm土筛，供土壤化学性质测定。总磷用硫酸-高氯酸氧化法消化，速效磷用pH8.5的0.5mol/L碳酸氢钠溶液提取[26]，水溶性磷用0.01mol/LCaCl2溶液提取。提取液中的磷用钼兰比色法测定。分析数据采用Microsoft Excel 2003处理，差异显著性统计分析在DPS3.0软件实现。
　　2结果与分析
　　2.1植物有效磷随土壤磷素积累的变化
　　图1为4个土区的耕地土壤有效磷随全磷积累的变化。从中可知，所有土区土壤有效磷均随全磷积累的增加而增加，但有效磷随土壤全磷素变化的速率因土壤磷素积累程度的不同有所差别。当土壤全磷水平较低时，土壤有效磷随全磷积累变化的速率相对较小;但当土壤全磷增加至较高水平时，有效磷随全磷积累变化的速率增加。土壤有效磷随全磷积累变化的速率存在一个转变点，其对应的土壤全磷水平在滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地大致分别为0.85、0.95、0.80、0.91g/kg。低于此转变点时（表1），滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地区的土壤有效磷与其全磷回归方程的斜率（斜率可反映有效磷随全磷变化的速率）分别为76.36、67.13、41.15、46.01，相当于土壤每积累100mgP/kg对应的有效磷分别增加7.64、6.71、4.12、4.60mg/kg，以滨海平原为最高，丘陵山地最低，这可能与丘陵山地土壤氧化铁较高、固磷作用较强有关。高于此转变点时（表1），滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地区的土壤有效磷与其全磷回归方程的斜率分别为349.23、211.81、306.80、251.15，相当于土壤每积累100mgP/kg对应的有效磷分别增加34.92、21.18、30.68、25.12mg/kg，转变点后土壤有效磷随全磷的增加速率是转变点前的4.57、3.15、7.45、5.46倍，以河谷平原土壤的变化为最大。 　　2.2水溶性磷隨土壤中植物有效磷和全磷素积累的变化
　　土壤水溶性磷含量可反映土壤向地表水体释放磷的潜力。图2可知，土壤水溶性磷随土壤有效磷增加而增加，且变化速率随有效磷不同有明显的差别，大致可分为3个阶段。其中，滨海平原区3个阶段的变化点土壤有效磷分别为53、250mg/kg;水网平原区3个阶段的变化点土壤有效磷分别为57、235mg/kg;河谷平原区3个阶段的变化点土壤有效磷分别为42、265mg/kg;丘陵山地区3个阶段的变化点土壤有效磷分别为62、165mg/kg（表2）。当土壤有效磷较低（滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地区的土壤有效磷分别在53、57、42、62mg/kg以下）时，土壤水溶性磷水平很低，且其随有效磷的变化速率也较小，平均每增加1mg/kg有效磷，水溶性磷分别增加0.0040、0.0030、0.0060、0.0040mg/kg;当土壤有效磷达到较高水平（滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地区的土壤有效磷分别在53-250、57-235、42-265、62-165mg/kg之间）时，土壤水溶性磷水平有较高的上升，且其随有效磷的变化速率明显增加，平均每增加1mg有效磷/kg，水溶性磷分别增加0.013、0.013、0.017、0.0080mg/kg，分别是低土壤有效磷时的3.25、4.33、2.83、2.00倍;当土壤有效磷达到很高水平（滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地区的土壤有效磷分别在250、235、265、165mg/kg以上）时，土壤水溶性磷水平己达到很高的水平，且其随土壤有效磷的变化速率也达到较高的水平，平均每增加1mg/kg有效磷，水溶性磷分别增加0.027、0.052、0.042、0.016 mg/kg，分别是低土壤有效磷时的6.75、17.33、7.00、4.00倍。
　　水溶性磷随土壤全磷积累存在抛物线关系，随全磷的积累水溶性磷呈现加速的增加（图3）。滨海平原、水网平原、河谷平原和丘陵山地区的土壤水溶性磷（Y）与全磷（X）的关系分别为：Y=2.00-6.55X+5.23X2（R2=0.961，n=93）、Y=1.58-4.16X+2.74X2（R2=0.972，n=105）、Y=0.64-3.5IX+4.01X2（R2=0.969，n=911、Y=0.48-1.70X+1.50X2（R2=0.996，n=83）。
　　3结论
　　研究结果表明，土壤磷素积累存在明显的环境风险，植物有效态磷和水溶性磷随土壤磷素的积累并非呈直线关系，而是指数关系。植物当土壤全磷达到一定水平时，植物有效磷随磷素积累的增幅明显地增强;同时，土壤水溶性磷水平随植物有效磷增加存在2个明显的增加过程。这一结果表明，在高磷素积累的土壤中，土壤磷素的积累可引起磷流失风险成倍地增加。因此，严格限制土壤磷素的过度积累在控制农田磷素流失中非常重要。
　　4讨论
　　进入土壤中磷素的生物有效性高低与土壤对磷的吸附确-解吸、沉淀-溶解、生物固定-矿化等过程有关，这些过程作用的强弱取决于气候条件、土壤理化性质（pH值、有机质、碳酸盐含量、铁铝化合物含量、交换性离子种类和盐基饱和度、土壤干湿交替情况和微生物活性等）[16]。一些定位试验的研究己表明，多年长期施用磷肥可显著提高土壤有效磷水平，土壤有效磷的变化与磷积累呈显著的直线正相关关系[23，28]，但有效磷增加的速率各地有所差别，取决于各地土壤性状和肥料施用水平。鲁如坤等在浙江水稻土上的3年期试验中发现，土壤有效磷（Olsen-P）水平可因磷素平衡的亏缺或盈余而显著消长，土壤中积累的磷中有7.4%以有效磷形态存在[11];在华北平原石灰性旱地潮土（封丘）上的5年试验也表明，土壤积累磷中有6.3%成为有效磷[24]。赖庆旺等[21]在江西红壤性水稻土上12年的实验研究表明，因长期施肥积累在土壤中的磷有5.2%成为有效磷。而英国洛桑试验场的试验中积累在土壤中磷以有效态存在的比例高达15%[21]。Deved[21]在印度的试验表明，每增加1个单位的土壤有效磷，大约需要20-235个单位的磷肥投入。由此可见，不同地区积累在土壤中的磷素有效性有较大的差异，这种差异除与研究区土壤类型有关外，可能还与土壤中磷素积累程度不同有关。本研究的结果表明，土壤中积累的磷成为有效磷的比例并非一成不变，而是随土壤磷积累水平而发生变化。当土壤磷素积累水平较低时，土壤积累磷中约有4.12%-7.64%成为有效磷，这一比例与以上文献报道非常接近。但当土壤磷素积累水平达到较高值时，土壤积累磷成为有效磷的比例明显提高，达到21.18%-34.92%。这显然与土壤磷素的积累增加了土壤磷的饱和度，土壤对磷的固定作用逐渐减弱有关。而有关磷与水溶性磷的关系一般认为只存在一个转折点，但本研究发现存在多个转折点，表明土壤对磷的吸附固定存在多种机理，随着土壤磷素的积累，土壤对磷的固定能力逐渐减弱，相应地释放潜力逐渐增强。
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　　基金项目：国家自然科學基金面上项目“水耕人为土诊断层/诊断特性的空间分布规律与田间识别模式研究”（41571207）。
　　第一作者简介：童文彬，男，1966年出生，浙江龙游人，高级农艺师，本科，主要从事农技推广方面的研究。通信地址：324022浙江省衢州市衢江区茶苑路15号农业大楼衢江区土壤肥料技术推广站，E-mail：zjqztwb@163.com。
　　通讯作者：章明奎，男，1964年出生，浙江绍兴人，教授，博士，主要从事土壤资源调查和土壤管理方而的研究。通信地址：310058杭州市西湖区余杭塘路866号浙江大学紫金港校区环境与资源学院，E-mail：mkzhang@zju.edu.cn。
　　收稿日期：2018-10-27，修回日期：2019-01-07。
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