我國主要農(nóng)田土壤磷淋溶閾值及其與土壤性質(zhì)的關(guān)系

于艷梅 柴澤宇 孫本華

摘要：農(nóng)田土壤磷素（P）累積使得農(nóng)田土壤P淋溶風(fēng)險增加，了解農(nóng)田土壤P淋溶閾值并解析其主控因素對于合理控制農(nóng)田土壤P保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)同時減輕水體環(huán)境風(fēng)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(nóng)田土壤，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)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(zhì)的關(guān)系，明確了影響P淋溶閾值的主控因素。結(jié)果表明：我國農(nóng)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(nóng)田土壤P淋溶閾值隨土壤pH值、交換性鈣含量、無機(jī)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(jī)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(zhì)參數(shù)能較好地預(yù)測不同類型農(nóng)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(nóng)田土壤P淋溶風(fēng)險大小的有效指標(biāo)?？紤]到我國農(nóng)田土壤pH值的分布狀況，結(jié)合土壤背景值，北方農(nóng)田土壤P淋溶風(fēng)險大于南方農(nóng)田土壤，更應(yīng)加強(qiáng)土壤磷的管理。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤;磷;淋溶閾值;土壤性質(zhì);淋溶風(fēng)險

中圖分類號： S153.6+1 ?文獻(xiàn)標(biāo)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(chǎn)量和品質(zhì)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(guān)鍵因子[2-3]。目前的問題是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)投入-支出不平衡，使得農(nóng)田中磷大量累積[4]，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染等嚴(yán)重后果[5-6]。對于農(nóng)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(diǎn)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(zhì)有關(guān)。我國農(nóng)田土壤類型多，不同土類的基本理化性質(zhì)差異顯著[15-16]，這為研究土壤P淋溶閾值和土壤性質(zhì)之間的關(guān)系提供了便利。本試驗(yàn)選取我國18種典型農(nóng)田土壤，采用突變點(diǎn)法確定P淋溶閾值并探討了其與土壤特性的關(guān)系，以明確我國主要農(nóng)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(fēng)險和保護(hù)環(huán)境提供科學(xué)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(fēng)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(fēng)干，再加純水調(diào)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(fēng)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(fēng)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(dāng) Olsen-P 含量低時與CaCl2-P含量的線性方程斜率最小，當(dāng)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(diǎn)即為P淋溶閾值，通常以橫坐標(biāo)的Olsen-P含量表示[13，17]。

1.3 土壤理化性質(zhì)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(jī)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(jī)碳含量用氣量法測定。具體方法請參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析》[18]，供試土壤的基本理化性質(zhì)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(jìn)行相關(guān)性和多元線性回歸分析，利用結(jié)構(gòu)方程模型AMOS 24.0進(jìn)行土壤特性與P淋溶閾值關(guān)系的模擬。

2 結(jié)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(dāng) Olsen-P含量較低時，CaCl2-P含量與Olsen-P含量呈正相關(guān)且擬合方程的斜率較小，當(dāng)Olsen-P含量高于某值后擬合方程的斜率明顯增大，這一轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(jìn)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(shí)測值最高，為 106.2 mg/kg;堿性土壤河北潮土P淋溶閾值實(shí)測值最低，為 14.9 mg/kg;中性土壤水稻土P淋溶閾值實(shí)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(qiáng)的吸附、固定P的能力。總體而言，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?yàn)槌跏加行Я缀枯^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(dá)到平衡。

2.2 土壤P淋溶閾值與土壤性質(zhì)的關(guān)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(jī)碳含量、沙粒含量呈顯著負(fù)相關(guān);與CEC、有機(jī)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(guān)，而與粉粒含量和初始CaCl2-P含量的相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。

將P淋溶閾值（y）與土壤理化性質(zhì)（x1～13）進(jìn)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(yù)測，P淋溶閾值的預(yù)測結(jié)果如表2所示。通過對比預(yù)測值和實(shí)測值可知，除灰漠土、灌淤土、潮土（河南和河北）、濱海鹽土的預(yù)測值與實(shí)測值之間存在較大差異外，其他土壤預(yù)測值與實(shí)測值的相對偏差均在13.5%以內(nèi)。

預(yù)測值和實(shí)測值二者之間的均方根誤差（RMSE）為7.73、標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)參數(shù)較好地預(yù)測不同類型農(nóng)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(guān)系，利用結(jié)構(gòu)方程模型AMOS 24.0對基本理化性質(zhì)作進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)，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(nóng)田土壤P淋溶閾值

我國由地表徑流、土壤侵蝕和農(nóng)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(rèn)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(yàn)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(jié)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(fēng)險高，實(shí)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(zhì)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(guān)[13]，因此與土壤吸附特性相關(guān)的因素均可影響P淋溶閾值。本試驗(yàn)結(jié)果也表明，土壤理化性質(zhì)對土壤淋溶閾值起著決定性的作用（圖3，總標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)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(fù)相關(guān)關(guān)系（圖2、圖3）。pH值對淋溶閾值的影響較復(fù)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(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)系數(shù)（總標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)系數(shù)=直接標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)+間接標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù);直接標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)=路徑系數(shù);間接標(biāo)準(zhǔn)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(jié)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(jié)構(gòu)方程模型的結(jié)果也可看出，pH值與活性Fe、活性Al、黏粒含量的直接標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)系數(shù)分別為0.04（x4）、-0.17（x5）、-0.13（x9），這與前人的研究結(jié)果[13，24-27]基本一致。相關(guān)研究表明，P淋溶閾值與pH值呈一元二次方程關(guān)系，當(dāng)pH值為6.0時，P淋溶閾值最大[13，24]，產(chǎn)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(yàn)采用的是農(nóng)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(jié)果，本研究與之基本一致。本試驗(yàn)中P淋溶閾值與活性Al含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（圖2、圖3），這與活性Al對磷的吸附作用有關(guān)。普遍認(rèn)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(jié)果表明草酸浸提Fe和Al可衡量土壤磷吸附能力[27]。當(dāng)pH值提高時，土壤對P的吸附能力降低，可能是因?yàn)橥寥揽山粨QAl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(yàn)中P淋溶閾值與黏粒、活性鋁含量極顯著相關(guān)（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(chǎn)生影響，且間接效應(yīng)為負(fù)（-0.32），所以其總效應(yīng)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(dá)-0.17，占間接效應(yīng)的53%;交換性Mg與CEC同理，其總效應(yīng)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(dá)0.35，高于其直接效應(yīng)（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(chǎn)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(jié)果表明，土壤P吸附的能力與黏粒含量呈正相關(guān)關(guān)系[26，31]，這與本試驗(yàn)結(jié)果相同。

本試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)化路徑系數(shù)為0.35，圖3），這可能是因?yàn)镻以吸附、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(jīng)被P占據(jù)的點(diǎn)位。Zhao等研究結(jié)果表明，可以利用土壤有機(jī)質(zhì)含量來衡量P淋溶的風(fēng)險[13]，但也有研究表明有機(jī)質(zhì)含量與土壤固磷能力僅存在微弱的關(guān)系[32]。在本試驗(yàn)中，土壤有機(jī)碳含量與P淋溶閾值存在顯著正相關(guān)關(guān)系，但其相關(guān)性均遠(yuǎn)低于pH值、活性Fe含量、活性Al含量、無機(jī)碳含量以及黏粒含量等，但在多元回歸分析[式（1）]及結(jié)構(gòu)方程模型（圖3）中，有機(jī)碳含量與P淋溶閾值并沒有相關(guān)性，可能的原因是有機(jī)碳含量可改善土壤性質(zhì)，提高黏粒含量，增強(qiáng)土壤的吸附能力，又可與活性Fe、活性Al螯合形成絡(luò)合物降低土壤固磷能力[33]，正負(fù)效應(yīng)相互抵消。

對于我國主要農(nóng)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(yù)測我國主要農(nóng)田土壤P淋溶閾值，這為初步評估我國農(nóng)田土壤磷淋溶風(fēng)險大小提供了便利，但其準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

確保農(nóng)田P含量既能滿足作物高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的需要，且低于P淋溶閾值來減輕對水體環(huán)境的負(fù)影響，是發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和保護(hù)水體環(huán)境的關(guān)鍵。我國主要農(nóng)田土壤P淋溶閾值差異很大，通過農(nóng)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(yù)測主要農(nóng)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(jī)碳含量、沙粒含量呈負(fù)相關(guān)，而與土壤有機(jī)碳含量、活性鐵鋁含量、黏粒含量、土壤有效磷含量呈正相關(guān)關(guān)系。一定程度上，pH值可作為評估農(nóng)田土壤P淋溶風(fēng)險的有效指標(biāo)。考慮我國農(nóng)田土壤pH值的分布狀況，結(jié)合土壤Olsen-P背景值以及北方農(nóng)田P淋溶風(fēng)險大于南方農(nóng)田，更應(yīng)加強(qiáng)土壤磷管理。

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