褐土區(qū)露天菜地和糧田磷素形態(tài)及環(huán)境風(fēng)險分析

劉洋　吳田　彭正萍　王艷群　李迎春　門明新　張家銅

摘要：為明晰菜地和糧田土壤磷庫，分類合理指導(dǎo)磷肥施用，減少環(huán)境污染，以北京市、河南省、河北省的露天菜地及相鄰糧田為研究對象，采用石灰性土壤無機磷形態(tài)分級方法，研究不同褐土區(qū)菜地與糧田土壤中磷素空間分布、形態(tài)變化及其可能引起的環(huán)境風(fēng)險。結(jié)果表明，不同褐土區(qū)菜地土壤磷素含量總體大于糧田。相同地區(qū)0～20 cm土層中磷素含量均大于20～40 cm土層。Ca2-P最易被作物吸收但土壤中含量較少，占土壤無機磷積累量的3.81%～8.68%;Al-P、Fe-P和Ca8-P也是土壤中磷素的主要來源，它們基本均勻分布，分別占土壤無機磷積累量的 32.82%～37.95%、16.65%～17.14%、27.26%～29.94%;Ca10-P、O-P的含量較少，分別占土壤無機磷積累量的 4.97%～6.51%、6.45%～7.81%。長期施用磷肥的土壤會導(dǎo)致磷素在土壤中累積，多余的磷會進(jìn)入地下水或地表水體，造成水體污染。因此，建議各地區(qū)菜地和糧田分類采用測土配方施磷肥方法，以降低土壤磷素環(huán)境風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：菜地;糧田;磷素;形態(tài)分級;環(huán)境風(fēng)險

中圖分類號： S153.6;S158.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）19-0299-03

收稿日期：2018-06-18

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2016YFD0800105-4）;河北省科技計劃（編號：17226914D）;河北省教育廳百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才計劃（編號：201703020235）。

作者簡介：劉 洋（1994—），女，河北阜平人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。E-mail：1293216720@qq.com。

通信作者：門明新，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用及土壤改良技術(shù)研究。E-mail：menmingxin@sina.com。

磷是植物生長必需的營養(yǎng)元素之一，土壤中磷只有在營養(yǎng)均衡的狀態(tài)下才能保證作物正常生長，不合理施用磷肥會引起環(huán)境風(fēng)險、破壞土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致水體發(fā)生富營養(yǎng)化等。我國耕地面積占全球耕地面積的7%，自2013年起，我國1 hm2耕地上的施肥量約是世界平均施肥量的4倍，總面積施肥量約超過世界水平的35%，化學(xué)磷肥（P2O5）施用量高達(dá)2 590 kg/hm2，而磷肥的當(dāng)季利用率一般只有10%～25%。長期施用磷肥會導(dǎo)致磷素在土壤中累積，過量磷素殘存導(dǎo)致土壤長期處于富磷狀態(tài)，多余的磷會造成水體污染[1] 。

磷在土壤中的存在形態(tài)很多，無機磷形態(tài)不同其有效性存在較大差異。國內(nèi)學(xué)者采用顧益初等確定的石灰性土壤無機磷分級方法[2]在不同土壤類型的磷素組成、不同形態(tài)磷的生物有效性、磷肥在不同土壤中的化學(xué)行為等方面做了較多研究。土壤無機磷含量一般占全磷含量的50%～80%，在我國北方石灰性土壤無機磷中，Ca-P是主要成分;華北平原不同褐土區(qū)土壤中Ca-P平均含量較高，占土壤中無機磷總量的80%左右，其中以Ca10-P較多，占土壤中無機磷含量的70%左右;Ca8-P和O-P所占比例相近，大約都占無機磷總量的10%;含量最少的是Ca2-P，大約占無機磷整體含量的1%;Al-P和Fe-P所占比例接近，為4%～5%[3-5]。磷素耗竭試驗證明，生物的有效磷源是不穩(wěn)定形態(tài)磷，其中Ca2-P最容易被作物吸收，為最有效磷源，Al-P和Fe-P是不同土壤中的次要有效磷源，Ca10-P會讓O-P難以在短時間內(nèi)被植物和土壤利用[4-5]。

磷素積累是目前我國大部分糧田和菜地土壤存在的共同特征[6]，摸清菜地和糧田土壤磷庫，明確其磷素空間分布和不同形態(tài)，分析其對環(huán)境存在的風(fēng)險，對分類合理指導(dǎo)磷肥施用、減少環(huán)境污染有重要意義。因此，本研究采用實地調(diào)查取樣分析的研究方法，對不同地區(qū)褐土類型的菜地及相鄰糧田磷的空間分布特征、耕層磷的各種存在形態(tài)及其對環(huán)境可能造成的風(fēng)險等進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和研究方法

本研究選取褐土土類中的主要亞類潮褐土、石灰性褐土、淋溶褐土、褐土性土為研究對象，根據(jù)主要褐土亞類在各區(qū)域中分布面積較大且具有代表性，同一區(qū)域有多個褐土亞類的原則進(jìn)行分別選點。2016年10月在北京、河南、河北地區(qū)進(jìn)行選點調(diào)查和取樣，3個省（市）共設(shè)27個樣區(qū)，其中北京市設(shè)5個樣區(qū)，包括延慶縣2個、豐臺區(qū)1個、大興區(qū)1個、房山區(qū)1個;河南省設(shè)9個樣區(qū)，包括伊川縣2個、嵩縣1個、欒川縣2個、盧氏縣1個、陜州區(qū)1個、洛寧縣1個、輝縣1個;河北省設(shè)13個樣區(qū)，包括高陽縣1個、易縣7個、順平縣1個、曲陽縣3個、清苑縣1個。每個樣區(qū)中均包括1個露天菜地區(qū)和1個相鄰糧田區(qū)（小麥/玉米輪作或者大田作物單作），按照“S”形路線在每個地塊均勻隨機確定5個采樣點，每個采樣點采集0～20、20～40 cm 土層土壤，將取好的樣品裝入塑料袋帶回實驗室，自然風(fēng)干后磨細(xì)過0.25 mm篩，待測定。各樣區(qū)在取土的同時，調(diào)查農(nóng)民傳統(tǒng)施用磷肥狀況，包括磷肥品種和施肥量。

1.2 測定項目及方法

0～20 cm土層土壤樣品采用顧益初等提出來的石灰性土壤無機磷形態(tài)分級的方法[2，7-8]進(jìn)行磷形態(tài)分級，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P分別采用0.25 mol/L Na2CO3、0.50 mol/L CH3COONH4、0.50 mol/L NH4F、0.10 mol/L NaOH、0.05 mol/L（Na2CO3）、0.30 mol/L檸檬酸鈉溶液浸提。同時，在0～20、20～40 cm土層土壤樣品風(fēng)干后，采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法[9]測定全磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同褐土區(qū)土壤中全磷含量的空間分布特征

由表1可知，0～20 cm土層，露天菜地及其相鄰糧田土壤全磷含量分別為1.89～2.87、1.52～2.56 g/kg，平均值分別為2.37、1.90 g/kg，變異系數(shù)分別為20.7%、30.3%;露天菜地的平均全磷含量較相鄰糧田高24.74%。20～40 cm土層，菜地及其相鄰糧田土壤全磷含量分別1.28～2.29、1.03～1.93 g/kg，平均值分別為1.63、1.36 g/kg，變異系數(shù)分別為34.9%、36.4%;露天菜地的平均全磷含量較相鄰糧田高19.85%。0～40 cm土層土壤露天菜地變異系數(shù)較小。

所有區(qū)域0～20 cm與20～40 cm土層全磷平均含量相比，菜地提高幅度25.3%～76.7%，平均增加45.4%;糧田增加 32.6%～47.6%，平均提升39.71%;菜地提升幅度大于糧田。0～20、20～40 cm土層的菜地全磷含量較糧田分別增加 12.1%～46.0%、18.7%～24.3%。

2.2 不同褐土區(qū)土壤磷素形態(tài)分布

由表2可知，不同形態(tài)磷素在0～20 cm土層中平均含量從大到小的順序為Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca2-P>O-P>Ca10-P。據(jù)研究，Ca2-P和Al-P是最易被土壤轉(zhuǎn)化供給植物生長的，當(dāng)取樣點土壤中Al-P與Ca2-P含量較高時，對作物的生長有促進(jìn)作用，可以有效提高菜地與糧田作物產(chǎn)量。

北京地區(qū)的菜地與相鄰糧田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分別增加445.72%、88.48%，Al-P、Fe-P含量分別提高32.27%、64.66%，O-P、Ca10-P含量分別提升30.55%、13.24%，這與菜地土壤全磷含量高于糧田有關(guān)。土壤中不同形態(tài)磷含量大小順序分別為菜地：Ca8-P>Al-P>Ca2-P>Fe-P>O-P>Ca10-P;相鄰糧田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P>Ca2-P。北京市菜地中Ca8-P與Al-P含量較高，作物生長狀況良好，糧田中Ca2-P含量非常低，建議適量施用磷肥、有機肥等來調(diào)節(jié)該類土壤有效含磷狀況，確保作物產(chǎn)量正常。

河南地區(qū)的菜地與相鄰糧田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分別增加198.45%、92.11%，Al-P、Fe-P含量分別提升55.10%、27.96%，O-P、Ca10-P含量分別提高23.10%、32.96%。土壤中的磷元素含量大小依次為菜地：Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca2-P>Ca10-P>O-P;相鄰糧田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca10-P>O-P>Ca2-P。糧田土壤中的Ca2-P含量很低。河南省糧田中Ca2-P含量與北京市糧田含量都很低，需要施用磷肥或者有機肥進(jìn)行土壤磷素含量調(diào)節(jié)。

河北地區(qū)的菜地與相鄰糧田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分別增加221.88%、81.49%，Al-P、Fe-P含量分別提升58.65%、181.14%，O-P、Ca10-P含量分別提高79.76%、48.41%。土壤中的磷元素含量大小依次為菜地：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca2-P>Ca10-P;相鄰糧田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P>Ca2-P。Al-P與Ca8-P含量均大于其他磷素含量，Ca2-P作為最易被吸收的磷素形態(tài)，應(yīng)根據(jù)實際情況作出適當(dāng)調(diào)整，以保持作物產(chǎn)量的穩(wěn)定。

2.3 褐土區(qū)露天菜地和糧田土壤的磷素狀況比對

由表3可知，褐土區(qū)菜地與糧田相比，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量分別增加289.62%、87.87%、47.94%、76.01%、41.31%、30.53%。菜地Ca2-P、Ca8-P含量分別占土壤無機磷積累量的8.68%、29.94%，Al-P、Fe-P含量分別占土壤無機磷積累量的32.82%、17.14%，O-P、Ca10-P含量分別占土壤無機磷積累量的6.45%、4.97%; Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量占土壤全磷的 2.13%～14.08%。糧田Ca2-P、Ca8-P含量分別占土壤無機磷積累量的3.81%、27.26%，Al-P、Fe-P含量分別占土壤無機磷積累量的37.95%、16.65%，O-P、Ca10-P含量分別占土壤無機磷積累量的7.81%、6.51%;Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量占土壤全磷含量的1.21%～12.03%，說明菜地的各種形態(tài)磷含量均高于糧田。

2.4 不同褐土區(qū)的磷肥施用及其環(huán)境風(fēng)險分析

據(jù)實地調(diào)查，98%的菜地在施用化肥的同時配施有機肥，所有糧田只施用化肥。將各區(qū)域菜地和糧田上一季的有機肥和無機肥施用量按照養(yǎng)分含量轉(zhuǎn)化為純P2O5的用量（表4）。同一地區(qū)露天菜地施肥量遠(yuǎn)多于相鄰糧田，與糧田相比，菜地P2O5施用量北京市增加152.94%、河南省增加 302.22%、河北省增加15.20%。菜地磷肥用量明顯高于糧田這是造成菜地?zé)o機磷含量遠(yuǎn)高于糧田的主要原因，造成淋溶程度更大，環(huán)境風(fēng)險更嚴(yán)重[10]。各區(qū)域由于種植的目標(biāo)作物類型、施肥種類和習(xí)慣不同，造成采樣區(qū)土壤磷素含量存在差異[11]。

近些年來，磷肥對水體環(huán)境的影響備受關(guān)注。磷含量超過0.02 mg/kg時，水體就會發(fā)生富營養(yǎng)化[12]。過量、長時期施用有機肥和不正確存放肥料都會引起地表土壤和地下水的嚴(yán)重污染[13-15]。土壤中的磷素有2個轉(zhuǎn)化的過程，即沉淀-溶解和吸附-解吸，土壤含磷量低時，以第2種過程為主，土壤含磷量高時，以第1個過程為主。磷肥的當(dāng)季利用率一般是10%～25%，農(nóng)民為了提高產(chǎn)量，大面積、長時間、高頻率地施用磷肥，導(dǎo)致磷素會以不同形態(tài)在土壤中累積[16]，這是表層土壤磷素富集的主要原因之一。表層土壤中的磷素含量長時間較高時，會加快向深層土壤轉(zhuǎn)移速度，同時提升水體磷素含量增加的風(fēng)險。