海南省陵水縣蔬菜種植區(qū)土壤磷素的積累、固定特性及流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

楊 潔，鄭 龍，邵霜霜，范曼曼，成淑妍，張 歡，高 超

(南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210023)

我國(guó)蔬菜種植的經(jīng)濟(jì)收益相對(duì)較高，肥料的投入水平總體上也大大高于糧食作物的肥料需求量[1-2]，往往使得氮、磷在農(nóng)田土壤中過量積累；且蔬菜種植年限越長(zhǎng)，表層土壤對(duì)磷素的吸附能力越弱[3]，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染風(fēng)險(xiǎn)不斷增加[4-7]。如何有效控制蔬菜種植過程中農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染對(duì)水環(huán)境質(zhì)量的負(fù)面影響，是我國(guó)目前和將來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)所要面臨的挑戰(zhàn)。

海南具有優(yōu)越的氣候條件，適合蔬菜規(guī)模化生產(chǎn)。多年來(lái)，海南大力發(fā)展冬季瓜菜，供應(yīng)我國(guó)北方市場(chǎng)。全省冬季瓜菜種植面積逐年擴(kuò)大，原先的水稻種植區(qū)大多采用稻-稻-菜(瓜)或者稻-菜(瓜)的種植制度[8]。與此同時(shí)，全省化肥施用量也逐年增加，化肥施用強(qiáng)度由1985年的316.4 kg·hm-2增至2014年的1 019.5 kg·hm-2[9]。在蔬菜種植過程中，大量高濃度氮磷鉀復(fù)合肥被施用到土壤中，特別是磷素施用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出作物養(yǎng)分需求量[10]。

肥料過量施用加大農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷污染風(fēng)險(xiǎn)的問題引起了廣泛關(guān)注。海南島地處熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，土壤次生礦物中對(duì)磷的生物有效性影響較強(qiáng)的鐵、鋁氧化物含量高[11]40，土壤磷的生物地球化學(xué)行為有別于我國(guó)大陸緯度較高地區(qū)，有必要開展進(jìn)一步研究。為揭示熱帶蔬菜種植區(qū)土壤磷素的積累、固定特性及流失風(fēng)險(xiǎn)，筆者以陵水縣為典型區(qū)，采集農(nóng)田表層土壤，分析種植制度對(duì)土壤有效磷含量分布的影響，比較區(qū)內(nèi)主要類型土壤對(duì)磷的吸附特征，進(jìn)而識(shí)別磷素流失關(guān)鍵源區(qū)，為蔬菜種植區(qū)土壤磷素的科學(xué)管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陵水黎族自治縣位于海南省東南部，地處北緯 18°22′～18°47′、東經(jīng) 109°45′～110°08′之間，東瀕南海，陸地總面積為1 128 km2。由山地、丘陵和平原3個(gè)部分組成。山地主要分布在北部，丘陵在西部，平原在東南沿海。白堊紀(jì)花崗巖分布于縣境北部、中部的大部分區(qū)域，也是區(qū)內(nèi)主要成土母質(zhì)，其余主要為淺海沉積物和河流沖積物母質(zhì)。水稻土為該縣主要耕作土壤，其面積占耕地面積的72.8%，成土母質(zhì)主要為花崗巖和河流沖積物，其余主要為花崗巖母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤、赤紅壤和成土母質(zhì)主要為淺海沉積物的濱海砂土。該縣境內(nèi)屬于熱帶季風(fēng)島嶼型氣候區(qū)，全年日照充足，全縣年平均溫度為24.0～24.7 ℃，1月平均氣溫最低為19.8 ℃，年均日照時(shí)數(shù)為2 479.3 h，年平均積溫為9 025.7 ℃，年平均降水量為1 653～1 993 mm。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

2.1 土壤樣品采集與處理

此次研究使用的土壤樣品數(shù)據(jù)分兩個(gè)時(shí)段采集。樣品采集的第一個(gè)時(shí)段為2007年年末，陵水縣為進(jìn)行耕地地力評(píng)價(jià)測(cè)定了土壤有效磷含量等理化性質(zhì)。共采集不同種植制度下3 165個(gè)水稻土樣品，主要的水稻土亞類為潴育水稻土和潛育水稻土，水稻土樣品中糧食作物種植和蔬菜/糧食作物輪作樣品數(shù)分別為705和2 122個(gè)。糧食作物種植模式包括稻、稻-稻、稻-稻-薯和薯-稻，蔬菜/糧食作物輪作模式包括菜-稻-稻、稻-稻-菜、稻-菜-稻、菜-稻和稻-菜，其中，蔬菜包括豇豆、菜豆、辣椒、苦瓜、絲瓜和櫻桃番茄等。

用于測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)和磷吸附能力的樣品采集于2017年8月。由于研究區(qū)東部與南部地區(qū)目前主要為建設(shè)用地，北部與西北部地區(qū)主要為森林所覆蓋，因而樣點(diǎn)主要設(shè)置在種植區(qū)。在不同土壤類型分布區(qū)共采集120個(gè)樣品(圖1)，其中，濱海砂土6個(gè)，水稻土52個(gè)，磚紅壤62個(gè)，主要用于測(cè)定 pH、有機(jī)質(zhì)、有效磷、磷吸持指數(shù)(PSI，IPS)和無(wú)定形鐵含量。兩批樣品均采用多點(diǎn)混合取樣法，采集0～20 cm表層土樣。土樣風(fēng)干后過2 mm孔徑篩待用。

圖1 土壤類型及采樣點(diǎn)位Fig.1 Sampling sites in different kinds of soils

2.2 樣品分析與測(cè)定方法

土壤pH值采用電位法測(cè)定〔V(水)∶m(土)=1∶2.5〕，有效磷含量采用氟化銨-鹽酸浸提、鉬銻抗分光光度法測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測(cè)定，無(wú)定形鐵含量采用草酸-草酸銨緩沖液提取、鄰菲羅啉比色法測(cè)定。具體測(cè)定方法和步驟參見《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[12]。

IPS的測(cè)定方法[13]：準(zhǔn)確稱取2.5 g土壤樣品于50 mL離心管中，加入25 mL含磷量為150 mg·L-1的0.01 mol·L-1CaCl2溶液，同時(shí)加入2滴甲苯以抑制微生物活性。25 ℃條件下振蕩24 h后，以3 000 r·min-1轉(zhuǎn)速離心分離15 min，吸取上層清液采用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)700 nm條件下比色。測(cè)定平衡溶液中磷濃度(C，μmol·L-1)，并計(jì)算土壤吸磷量〔X，mg·(100 g-1)〕，最后計(jì)算IPS值。

IPS=X/lgC。

IPS有機(jī)質(zhì)含量、有效磷含量和無(wú)定形鐵含量測(cè)定均采用雙份重復(fù)，pH測(cè)定采用3份重復(fù)，結(jié)果均取平均值。

在實(shí)驗(yàn)過程中，平行樣的測(cè)定結(jié)果相對(duì)誤差均控制在5%以內(nèi)，對(duì)平行樣本進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，無(wú)顯著差異(P>0.05)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 22.0軟件剔除異常值，利用Shapiro-Wilk進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)與相關(guān)性分析。驗(yàn)證結(jié)果表明，無(wú)定形鐵經(jīng)對(duì)數(shù)變換、有效磷經(jīng)Box-Cox變換(參數(shù)：0.10)以及PSI經(jīng)Box-Cox變換(參數(shù)：0.28)之后所得到的數(shù)據(jù)組均服從正態(tài)分布。

選取與PSI有較高相關(guān)系數(shù)且預(yù)測(cè)效果較好的有效磷含量、pH和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)PSI進(jìn)行協(xié)同克里格插值。通過對(duì)比不同模型預(yù)測(cè)效果，選定誤差較小、精度較高的球面模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用耕作區(qū)作掩膜繪制PSI空間分布圖，平均值越接近于0，表明結(jié)果越無(wú)偏；均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差越接近于1，表明標(biāo)準(zhǔn)誤差就越精確；均方根誤差和平均標(biāo)準(zhǔn)誤差越小，表明預(yù)測(cè)值與測(cè)量值偏差就越小。

2.4 協(xié)同克里格插值法

協(xié)同克里格插值法是普通克里格法的擴(kuò)展形式，建立在協(xié)同區(qū)域化變量理論基礎(chǔ)之上，利用多個(gè)區(qū)域化變量之間的互相關(guān)性，通過建立變異函數(shù)模型和趨勢(shì)移除，將主變量的自相關(guān)性和主輔變量的交互相關(guān)性結(jié)合起來(lái)用于無(wú)偏最優(yōu)估值中，公式為

(1)

式(1)中，Z*(x0)為待估點(diǎn)x0處的估計(jì)值；Z1(xi)和Z2(xj) 分別為主變量Z1和輔助變量Z2的實(shí)測(cè)值；λi和λj分別為分配給主變量Z1和輔助變量Z2的實(shí)測(cè)值權(quán)重，且∑λi=1，∑λj=0。n和p為參與x0點(diǎn)估值的主變量Z1和輔助變量Z2的實(shí)測(cè)值數(shù)目。

3 結(jié)果與討論

3.1 土壤理化性質(zhì)

2017年采集的土壤樣品基本性質(zhì)見表1。調(diào)查區(qū)供試土壤pH均值為5.96，整體偏酸性，但對(duì)于發(fā)育于淺海沉積物母質(zhì)的濱海砂土，個(gè)別土壤樣品pH可達(dá)8以上。土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值為15.0 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)含量總體上偏低。土壤無(wú)定形鐵含量介于0.09～6.42 g·kg-1之間，平均值為1.33 g·kg-1。濱海砂土無(wú)定形鐵含量平均值最低，為0.72 g·kg-1；磚紅壤和水稻土無(wú)定形鐵平均含量分別為1.11和1.66 g·kg-1。

表1 供試土壤的基本性質(zhì)Table 1 Selected chemical properties of the tested soils

由圖2可知，水稻土有效磷平均含量為28.9 mg·kg-1，大于40 mg·kg-1(根據(jù)土壤養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[14]，屬于一級(jí)養(yǎng)分等級(jí)，為極豐富水平)的樣品數(shù)占總樣品數(shù)的30.2%，而小于10 mg·kg-1的樣品數(shù)占31.5%，其中，小于3 mg·kg-1(屬于極缺乏水平)的樣品數(shù)占13.9%，有效磷含量嚴(yán)重分布不均。

圖2 2007年水稻土樣有效磷含量分布Fig.2 Distribution of available P in paddy soil in 2007

3.2 磷的分布特征

水稻土不同種植模式下土壤有效磷含量及各養(yǎng)分等級(jí)樣點(diǎn)所占比例見圖3～4。有效磷含量及養(yǎng)分等級(jí)分布在不同種植制度間差異顯著。單一糧食作物種植制度下土壤有效磷含量較低，其平均值通常在22 mg·kg-1以下。而蔬菜/糧食作物輪作制度下，土壤有效磷平均含量多在30 mg·kg-1以上，樣點(diǎn)的主要養(yǎng)分等級(jí)為一級(jí)，在有效磷含量較高的東部及東南部地區(qū)呈集中分布。

英文小寫字母不同表示不同種植制度和不同土壤類型間有效磷平均含量差異顯著(P<0.05)。圖3 不同種植制度下土壤有效磷平均含量Fig.3 The average content of available P under different cropping systems

據(jù)陵水縣農(nóng)業(yè)部門提供的調(diào)查資料，通常情況下，研究區(qū)內(nèi)冬季瓜菜的磷肥平均施用量(以P2O5計(jì))為225～337.5 kg·hm-2，另施各種有機(jī)肥(以干重計(jì))1 700～3 400 kg·hm-2。稻季磷肥用量(以P2O5計(jì))通常不超過56 kg·hm-2。這說(shuō)明種植瓜菜時(shí)由于施肥量較多，磷在土壤中的積累往往在較短時(shí)間內(nèi)就能顯現(xiàn)。另一方面，單一糧食作物種植制定下，農(nóng)田磷的虧缺可以導(dǎo)致土壤有效磷含量迅速降低，25.39%的樣品有效磷含量低于3 mg·kg-1，屬于極缺乏水平。

A為糧食作物種植，B為蔬菜/糧食作物輪作。圖4 不同種植制度下不同類型土壤各養(yǎng)分等級(jí)樣點(diǎn)所占比例Fig.4 Percentage of nutrient levels in different soils under different cropping systems

相同種植制度下，潴育水稻土有效磷含量通常高于潛育水稻土(圖3)。究其原因，一方面，潴育水稻土多分布于排灌條件較好的地帶，更多地被用于種植經(jīng)濟(jì)作物，接受更多的肥料投入。另一方面，潛育水稻土長(zhǎng)期漬水環(huán)境有利于無(wú)定形氧化鐵的形成，同時(shí)土溫低，養(yǎng)分分解轉(zhuǎn)化緩慢，增強(qiáng)了土壤對(duì)磷素的吸附固定以及鐵磷、鈣磷和鋁磷的淋失可能是導(dǎo)致其有效磷含量降低的主要原因[11]221,[15-16]。

3.3 土壤對(duì)磷的吸持能力及其主要影響因素

BACHE等[13]提出利用PSI評(píng)價(jià)水土界面磷的遷移能力，較低的PSI值指示土壤磷流失存在高風(fēng)險(xiǎn)。這一方法在農(nóng)田土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中得到進(jìn)一步驗(yàn)證和應(yīng)用[17]。研究區(qū)內(nèi)土壤PSI值在2.6～91.6之間，濱海砂土、水稻土和磚紅壤PSI均值分別為10.2、18.4和22.0(表2[18-23])。熱帶、亞熱帶地區(qū)由于強(qiáng)烈的風(fēng)化作用和脫硅富鋁化過程，土壤中含有較多的無(wú)定形鐵鋁氧化物，通常含磷量較低且具有較強(qiáng)的固磷能力[11]40,[24]。然而，與國(guó)內(nèi)其他區(qū)域土壤相比，研究區(qū)土壤固磷能力處于較低水平。濱海砂土PSI值最低，水稻土PSI值僅略高于三峽庫(kù)區(qū)水稻土，磚紅壤PSI值低于福建紅壤、秦嶺塿土和太湖流域土壤(表2)。這一現(xiàn)象應(yīng)該主要是由區(qū)內(nèi)土壤無(wú)定形鐵含量較低所決定的。陵水縣內(nèi)土壤母質(zhì)主要為花崗巖及其風(fēng)化侵蝕形成的河流沖積物，沿海地區(qū)為淺海沉積物母質(zhì)。土壤母質(zhì)決定了縣境內(nèi)形成的土壤具有較低的黏土含量[25]，土壤質(zhì)地普遍偏粗，物理性砂粒含量往往達(dá)到90%，所以無(wú)定形鐵含量較低。與前人研究結(jié)果[23,26-28]相比，該區(qū)無(wú)定形鐵平均含量為1.33 g·kg-1，僅明顯高于陜西延安的黃綿土和四川丘陵區(qū)的紫色土。

表2 不同地區(qū)土壤對(duì)磷的吸持能力Table 2 Phosphorus sorption capacity of soil in different regions

除無(wú)定形鐵含量以外，決定PSI值的還有pH和有機(jī)質(zhì)含量等[21,28]。相關(guān)性分析結(jié)果表明，該區(qū)土壤PSI分別與無(wú)定形鐵含量和有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，與pH呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)。

表3 PSI與土壤其他理化性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation coefficients among PSI and chemical properties

研究發(fā)現(xiàn)，土壤中增施有機(jī)肥可以促進(jìn)磷的釋放[29]，有機(jī)質(zhì)分解時(shí)形成的膠質(zhì)層覆蓋了黏粒礦物、氧化鐵和氧化鋁等無(wú)機(jī)物，減少了無(wú)機(jī)物與PO43-的接觸。同時(shí)，有機(jī)物質(zhì)所含的富里酸聚陰離子通過與PO43-產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附來(lái)促進(jìn)磷的釋放[30]。也有研究者發(fā)現(xiàn)有機(jī)分子易于與鐵鋁等金屬離子發(fā)生絡(luò)合，與其他陰離子形成競(jìng)爭(zhēng)吸附或產(chǎn)生新的磷吸附點(diǎn)位來(lái)增強(qiáng)磷素吸附能力[31]。筆者研究中PSI與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，可能是因?yàn)閰^(qū)內(nèi)土壤有機(jī)質(zhì)含量偏低，有機(jī)分子促進(jìn)磷的吸持占據(jù)主導(dǎo)地位。

土壤pH也是表征土壤發(fā)育程度的指標(biāo)之一。pH越低，土壤發(fā)育程度就越高，這在一定程度上解釋了PSI與pH之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系。PSI與有效磷含量之間呈負(fù)相關(guān)，則是因?yàn)橥寥拦塘啄芰﹄SPSI增加而增加，而磷的生物有效性卻隨之下降。

3.4 土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)防范

土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)在很大程度上取決于土壤磷素積累狀況和土壤固磷能力。由于經(jīng)濟(jì)作物的普遍種植，肥料施用量大，磷素盈余導(dǎo)致其在陵水縣農(nóng)田土壤中的積累現(xiàn)象十分普遍，有效磷含量超過一級(jí)養(yǎng)分水平的樣點(diǎn)數(shù)超過30%，遠(yuǎn)超作物正常生長(zhǎng)需求量。陵水縣地處熱帶季風(fēng)區(qū)，降雨十分充沛，積累于土壤中的磷極易以各種途徑進(jìn)入地表水體，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量的惡化。

以花崗巖、河流沖積物和淺海沉積物母質(zhì)為主的土壤母質(zhì)決定了區(qū)內(nèi)土壤固磷能力較弱，土壤PSI偏低。高超等[32]通過模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，PSI大于30的土壤對(duì)磷有較強(qiáng)的固定和緩沖能力，磷流失量隨施磷量增加的趨勢(shì)較緩慢。而當(dāng)PSI小于30時(shí)，土壤吸附磷素潛力小，隨施磷量增加，大量盈余磷素難以被土壤吸附，土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)快速增加。如前所述，陵水境內(nèi)土壤PSI值總體偏低，只有不足20%的樣品PSI值超過30，39%的樣品PSI值低于15。

研究區(qū)PSI空間分布見圖5，高值區(qū)主要分布在耕作區(qū)西北部，土壤類型主要為磚紅壤，耕作面積小且人口稀疏，土壤有效磷含量處于全區(qū)最低水平。而在南部人口稠密、種植業(yè)尤其是冬季瓜菜種植密集的地區(qū)，土壤有效磷含量較高，而PSI多在20以下，尤其在東南部地區(qū)，PSI值最低(<15)區(qū)和有效磷含量最高(>40 mg·kg-1)區(qū)在空間分布上高度一致，說(shuō)明土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)在空間分布上差異十分顯著，東南部風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于其他地區(qū)，是非點(diǎn)源磷污染的關(guān)鍵源區(qū)。

圖5 研究區(qū)磷吸持指數(shù)(PSI)空間分布Fig.5 Spatial distribution of PSI in the studied area

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的發(fā)生具有廣域性、間歇性等特點(diǎn)，污染源及污染途徑也具有不確定性，不同景觀單位面積污染負(fù)荷的空間差異十分顯著，流域內(nèi)少部分地區(qū)在降雨事件中輸出的污染物往往占據(jù)整個(gè)流域輸出的大部分。識(shí)別流域景觀中污染物流失風(fēng)險(xiǎn)最大的關(guān)鍵源區(qū)，將有限的資源投入到那些對(duì)水體危害可能性最大而范圍相對(duì)較小的敏感地區(qū)和地段進(jìn)行重點(diǎn)治理，可大大降低治理難度并提高治理成效[20]。在陵水縣域南部，尤其是東南部的瓜菜種植區(qū)是非點(diǎn)源磷污染的關(guān)鍵源區(qū)，應(yīng)當(dāng)作為控制重點(diǎn)。

根據(jù)區(qū)內(nèi)土壤有效磷水平、固磷能力空間差異和種植制度特點(diǎn)，為減輕農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷對(duì)地表水體的污染，除大力實(shí)行肥料減量化技術(shù)外，針對(duì)性地加強(qiáng)關(guān)鍵源區(qū)的防控并縮短種植輪轉(zhuǎn)周期可在一定程度上緩解有效磷含量分布不均的問題。

此次調(diào)查結(jié)果顯示，由于瓜菜等經(jīng)濟(jì)作物和糧食作物種植在肥料施用量上的巨大差異，種植制度對(duì)土壤有效磷含量的影響在較短時(shí)間內(nèi)就可以顯現(xiàn)。為避免同一田塊長(zhǎng)期處于磷素過分盈余或虧缺狀態(tài)，可適當(dāng)縮短種植輪轉(zhuǎn)周期。在瓜菜種植區(qū)，每隔一定時(shí)間可進(jìn)行糧食作物種植，通過減少肥料投入以降低土壤磷素的積累。對(duì)于長(zhǎng)期實(shí)行糧食作物種植的田塊，應(yīng)適當(dāng)間以瓜菜種植，適當(dāng)增加肥料投入，以避免土壤磷素的過分耗竭。

4 結(jié)論

(1)海南長(zhǎng)期種植蔬菜的農(nóng)田土壤肥料投入量較大，部分地區(qū)土壤磷積累明顯，有效磷平均含量多在30 mg·kg-1以上。而在單一糧食作物種植制定下，土壤表現(xiàn)出缺磷特征，有效磷含量平均值通常在22 mg·kg-1以下，25.39%的土壤樣品有效磷含量在3 mg·kg-1以下。

(2)受土壤母質(zhì)控制，區(qū)內(nèi)土壤質(zhì)地較粗，無(wú)定形鐵含量較低，對(duì)磷的固持能力較弱，39%的樣品PSI值低于15，農(nóng)田土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)較高。

(3)縣域東南部地區(qū)低固磷能力土壤和磷的高強(qiáng)度積累區(qū)在空間上相重合，是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷污染的關(guān)鍵源區(qū)。為控制磷從農(nóng)田土壤的流失，除大力實(shí)行肥料減量化技術(shù)外，應(yīng)針對(duì)性地加強(qiáng)關(guān)鍵源區(qū)的磷素流失控制，并避免在同一田塊長(zhǎng)期固化種植制度以減輕農(nóng)田磷素的盈余或虧缺狀況。