潮土CaCl2-P 含量對磷肥施用的響應及其淋失風險分析

申 艷，段英華，黃紹敏，郭斗斗，張盛楠，徐明崗*

（1 中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術國家工程實驗室，北京 100081；2 河南省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南鄭州 450002；3 河北農業(yè)大學資源與環(huán)境科學學院，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，最終影響作物的產量和品質[1]。磷肥施用可在很大程度上增加土壤有效磷 (Olsen-P) 含量[2]，進而提高作物產量[3–5]。近年來，我國大部分地區(qū)土壤Olsen-P水平從20世紀80年代的10 mg/kg提高到了現在的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致土壤磷素的淋失風險增加[8–10]。

溶解性磷是土壤在蒸餾水或稀的電解質溶液作用下，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險的一個重要指標[12]。研究發(fā)現土壤溶解性磷與徑流中的磷含量相關性最好，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的快速準確測定使得人們可以根據土壤磷素狀況進行合理施肥，為保持和提高土壤生產力作出了重要貢獻，因此得到了廣泛應用[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 的關系，用土壤Olsen-P含量評估土壤磷淋失風險成為熱點[15]。CaCl2-P含量隨著土壤Olsen-P的增加，通常會出現“突變點” (changepoint)[12]，即分別用土壤Olsen-P與CaCl2-P含量為x軸和y軸作相關曲線，曲線上的轉折點對應的Olsen-P含量即為該土壤的磷素淋失臨界值。當土壤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。國內利用CaCl2-P和Olsen-P間的關系來評價土壤磷素淋失風險已有少量的文獻報道[16–17]。Bai等[16]利用此方法發(fā)現楊凌土、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。他們的研究結果表明不同土壤類型“突變點”對應的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果還不多見。

潮土區(qū)是我國重要的小麥、玉米主產區(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]。要實現這個目標，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，既可保證高產高效，又可避免土壤磷潛在淋失風險。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，結合田間微區(qū)試驗，設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險，可為該地區(qū)磷肥投入和土壤磷素的科學管理提供理論依據，對降低農田磷素的環(huán)境風險和保障生態(tài)環(huán)境安全具有重要的指導意義。

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2324.5 h。土壤母質為黃土性沉積物，土壤質地為輕壤，大于0.01 mm的物理性砂粒含量為74%。該基地建于1990年，當年土壤 (0—20 cm) 有機質含量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) 預備處理 (化肥處理，每年根據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。

經過長達26年的不同施肥措施，對照、NPK、預備處理、NPKM和1.5NPKM處理 (以下簡稱OP1、OP2、OP3、OP4、OP5) 的土壤Olsen-P含量產生了巨大差異 (表1)。2016年5月小麥收獲后，在5個處理上分別設置了5個施磷量梯度 (F0、F1、F2、F3、F4)，每個梯度3次重復，采取微區(qū)形式，隨機區(qū)組設計，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月小麥收獲后微區(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性質及各處理氮、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 數據處理

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，圖中數據為平均值 ± 標準誤。土壤Olsen-P與CaCl2-P的定量關系利用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性質 (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、小麥施磷量 (P2O5 kg/hm2)Table 2 P application rates for maize and wheat in the micro-plot experiment

2 結果與分析

2.1 土壤Olsen-P含量的變化

經過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，F1、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表現規(guī)律不同，CaCl2-P/Olsen-P比值在5個處理中呈現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，對應的CaCl2-P濃度為0.3 mg/kg。當土壤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量和強度。經過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，導致CaCl2-P/Olsen-P比值逐漸降低 (圖2)。當土壤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)轉化。當土壤溶液中磷酸鹽濃度降低時，被吸附固定的磷在形態(tài)轉化以及溶解、擴散等過程的驅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之間的轉化相對穩(wěn)定；當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。一元二次方程結果顯示出現轉折點時土壤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險[24–25]。

3.2 土壤磷素淋失臨界值

土壤CaCl2-P和Olsen-P的關系符合雙直線模型(圖3)，突變點時土壤Olsen-P含量為30.2 mg/kg，對應的CaCl2-P含量為0.3 mg/kg。鐘曉英等[17]通過室內培養(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個性質差異較大的土壤研究發(fā)現土壤磷素淋溶的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)現當耕層土壤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已經向下遷移。有研究表明，土壤磷素淋失臨界值大約是磷農學臨界值的2～10倍[26]。在本研究區(qū)，小麥和玉米的Olsen-P農學臨界值分別為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、吸附與解吸反應平衡的結果[22]。當土壤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量存在差異，并反映在Olsen-P與CaCl2-P之間的關系及臨界值上，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呈拋物線關系，在土壤pH 6左右時磷素淋失臨界值最高，當土壤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)現土壤磷素淋失臨界值與土壤有機質和活性鋁的含量有顯著的正相關。但是，有機質對土壤吸附磷的影響具有雙重性。一方面，有機質本身具有吸附磷酸鹽的能力，同時有機質螯合鐵鋁，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，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，極有可能導致水體富營養(yǎng)化。Sims等[35]也發(fā)現當土壤Olsen-P含量達到25 mg/kg時，就水質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含量已經超過磷素淋失臨界值，存在磷素淋失風險，應加強農田磷肥的科學施用和管理。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，下一步的研究應建立土體排出水總磷含量與CaCl2-P之間的關系，通過測定CaCl2-P來預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。當土壤Olsen-P低于28.0 mg/kg時，CaCl2-P變化不大，當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險。

2) 土壤CaCl2-P和Olsen-P的關系符合雙直線模型，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含量已經超過磷素淋失臨界值，存在磷素淋失風險，應加強農田磷肥的科學施用和管理。