水稻土?xí)r間序列磷素吸持特性研究

鄒 平，符建榮，曹志洪，葉 靜，俞巧鋼，馬軍偉，姜麗娜，王 強，孫萬春

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江杭州 310021；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇南京 210008）

水稻土?xí)r間序列磷素吸持特性研究

鄒 平1，符建榮1，曹志洪2，葉 靜1，俞巧鋼1，馬軍偉1，姜麗娜1，王 強1，孫萬春1

（1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江杭州 310021；2.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇南京 210008）

以浙江慈溪已鑒定的水稻土?xí)r間序列為研究對象，研究水稻土序列磷素吸持特性，結(jié)果表明，慈溪水稻土序列中磷素大部分被固定在剖面上部-耕層；速效磷一般在剖面上部含量較高，隨著土壤深度的增加，其含量急劇降低；慈溪水稻土?xí)r間序列土壤磷素吸持百分數(shù)主要分布10%～30%，屬于中等強度的吸持，水稻土序列剖面表層土壤磷素的吸持能力較強，一般都在20%以上，植稻1 000年和2 000年水稻土中剖面土壤磷的吸持百分數(shù)與剖面土壤游離鐵分布極其相關(guān)。

水稻土；時間序列；磷素；吸持

磷是作物生長最為重要的必需營養(yǎng)元素之一，據(jù)估計，我國約有1/3～1/2的耕地土壤缺磷［1］。磷肥施入土壤后，經(jīng)過一系列的化學(xué)、物理化學(xué)或生物化學(xué)過程，形成難溶性的磷酸鹽并迅速為土壤礦物吸附固定或為微生物固持，其在當(dāng)季作物的利用率僅為10%～25%［2］。自20世紀60年代以來，磷肥在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，在促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)上發(fā)揮了極為重要的作用，但長期施用磷肥也導(dǎo)致了磷素在土壤中的大量累積。據(jù)估算，1949-1992年，我國累計施入農(nóng)田的磷肥達3.4× 107t，其中約有2.6.107t累積在土壤中［3］。磷素在土壤中的累積，既造成了磷肥資源的浪費，也必然導(dǎo)致農(nóng)田徑流中磷濃度的提高，加速了水體富營養(yǎng)化過程。因此，土壤中磷的化學(xué)行為不僅直接影響著磷素的生物有效性，而且其生物地球化學(xué)循環(huán)過程與環(huán)境效應(yīng)密切相關(guān)，采取有效措施降低土壤對磷肥的固定、提高植物對磷素的利用率，是長期以來土壤學(xué)和生態(tài)學(xué)工作者所共同關(guān)注的重要課題。

水稻土作為一類間歇淹水的土壤類型，與旱地土壤相比，這類土壤中磷素隨水流失的風(fēng)險更大［4］。稻田施用的磷肥絕大部分被固定在耕層土壤中。國內(nèi)外的大量研究表明，水稻土中磷素在土壤剖面上縱向遷移的距離很短，對其橫向遷移需引起足夠重視。魯如坤等［5］研究了連續(xù)施肥7年和17年紅壤旱地和紅壤性水稻土磷素的下移特征，結(jié)果顯示紅壤性水稻土化肥磷可下移至25 cm，而紅壤旱地化肥磷最多可下移到30 cm，而廄肥磷則至少下移到40 cm。Katoh等［6］研究了日本中部灌溉稻田中耕作層磷素淋失狀況，發(fā)現(xiàn)從耕層淋失的磷素絕大部分被固定在表下層（13～40 cm）土壤中。曹志洪等［7-8］系統(tǒng)研究了太湖流域稻田土壤磷素隨徑流遷移的特征，結(jié)果顯示，水稻-小麥輪作條件下稻田每年向水體排放的磷量為0.84 kg· hm-2，僅占當(dāng)年磷肥用量的2.5%，稻田發(fā)生的徑流是“機會徑流”，發(fā)生次數(shù)少，強度小，徑流攜帶可溶性磷和顆粒磷的數(shù)量也少；Xie等［9］開展的32P同位素標(biāo)記磷肥的田間試驗表明，施入土壤1個月后50%的磷素仍然固定在3～5 cm的表土層，當(dāng)表土隨徑流遷移時吸附固定在顆粒表面的磷素也隨之流失。

本研究主要就慈溪水稻土?xí)r間序列剖面土壤磷素現(xiàn)狀，以及水稻土序列對磷的吸持特性進行研究，以期闡明水稻土?xí)r間序列對磷的吸持能力及其影響因素，為水稻土的磷素科學(xué)調(diào)控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

所選研究區(qū)域浙江省慈溪市位于東海之濱，杭州灣南岸（圖1），地理坐標(biāo)30°02′-30°24′N，121°02′-121°42′E，地處北亞熱帶南緣，屬季風(fēng)型氣候，四季分明，日照充足，年平均日照為1 933.5 h，全年無霜期達244 d，氣候溫和，年平均氣溫16.3℃；全境氣候受冷暖氣團交替控制和杭州灣海水的調(diào)節(jié)，回溫和降溫過程稍緩慢，氣溫年、日變幅小。多年平均降水量1 388 mm，雨水分布不均，有明顯的雨季和旱季，一般汛期（4-10月）降水量占全年降水量的73.3%，平均風(fēng)速為2.7 m·s-1。全境地勢南高北低，呈丘陵、平原、灘涂三級臺階狀朝杭州灣方向展開；東西走向上，地勢自西向東緩緩傾斜。

該區(qū)域在6 000年前尚為淺海，距今5 000年前開始逐漸海退，南境山麓裸露為沼澤地帶，北部仍為海洋，陸地均由海涂在自然條件下沉積堆高形成。距今約2 500年（全新世晚期）以來，由于喇叭形杭州灣涌潮動力的作用，陸域不斷供沙，南岸逐漸向外淤積成陸，以大古塘河為界分南北兩個部分，南部近山平原成陸于900～2 500年前，由全新世晚期湖海相沉積物淤積而成，北部濱海平原，系900年以來新成陸地。到公元5世紀，民間隨海涂地形不同開始壘土筑塘，隨著海涂淤積的北移，不斷增筑海塘，至今大部分地段已筑至十塘；每筑一塘，當(dāng)?shù)厝嗣癖汩_始開墾，使其變?yōu)楦兀?0］（圖1），各海塘修筑時間均有記載［11］。水稻是當(dāng)?shù)亻L期種植的糧食作物?！洞认h志》記載在東漢光武帝時（公元25—57年）慈溪東部已廣栽水稻［12］。因此，根據(jù)《慈溪水利志》和《慈溪海堤集》中慈溪市歷代海塘圖記載的不同地段海塘修筑年代，可以大致推算稻田耕作的歷史年限，為水稻土?xí)r間序列的建立提供了可能與依據(jù)［13-15］。

圖1 研究區(qū)域及浙江慈溪不同年代海塘分布

1.2 樣品采集與理化性狀分析

本研究大部分的土壤樣品是在2008年6月中旬，與德國同行共同采集的，采樣區(qū)域地形為沉積平原，母質(zhì)為濱海沉積物。采樣時，首先根據(jù)浙江慈溪各海塘修筑的時間及位置，尋找各個海塘附近的水稻土，選取有代表性的水稻田采集50，100， 300，500、700，1 000和2 000年等7個不同耕種年限的水稻土。樣品采集時各稻田樣點均處于落干狀態(tài)，各樣點均挖掘一個深為100 cm的剖面（實際操作中以挖掘到地下水滲出為止）。完成土壤剖面挖掘后，依照土壤學(xué)理論，劃分各發(fā)生層次，然后按照土壤層次采集土壤樣品。在選取有代表性年代序列水稻田時，在與稻田樣點地理位置鄰近的區(qū)域?qū)ふ矣写硇缘膶?yīng)的旱地土壤，并按照水稻土剖面樣品采集的方法采集各旱地土壤樣品，旱地土壤序列包括50，100，300，500和700年等5個年代序列。采集的樣品用采樣袋裝好，編號，在空閑的實驗室內(nèi)分別攤開，分揀出作物根系、小石塊等雜物，進一步破碎土壤樣品，然后進行風(fēng)干，2個月后收集風(fēng)干樣品，將樣品研磨，過2 mm篩后用塑料袋裝好備用。相關(guān)樣品分析方法見參考文獻［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 磷素分布規(guī)律

水稻土?xí)r間序列剖面的土壤速效磷用經(jīng)典的Olsen法浸提，分別用ⅠCP和鉬銻抗比色法測定，將ⅠCP測得的磷素當(dāng)作速效總磷，而將比色法得到的磷素作為速效無機磷酸鹽。慈溪水稻土序列速效總磷的平均值為7.60 mg·kg-1，標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.64 mg·kg-1，說明水稻土序列中速效總磷的變異系數(shù)很大。圖2系按照水稻土?xí)r間序列50，100，300，700，1 000和2 000年的順序排列，繪制的土壤速效磷的分布圖。從圖2中可以看出，速效磷的分布一般在剖面上部含量較高，隨著土壤深度的增加，其含量急劇降低；植稻100，300和1 000年的水稻土表層土壤速效磷含量相對于植稻50，700和2 000年的低很多。一般在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中，表層土壤速效磷高于20 mg·kg-1，說明該土壤磷素養(yǎng)分足以供應(yīng)作物生長需要，顯而易見，植稻50，700和2 000年的水稻土土壤磷素均已超過上述臨界值，在水稻的田間管理中要加以重視，避免磷素向水體淋失，增加水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險。

磷素在水稻土?xí)r間序列剖面土壤中的分布還表明，水稻土中磷素大部分被固定在剖面上部-耕層，因為緊實的犁底層的存在，磷素隨水垂直下滲進入地下水的量很小，基本可以忽略不計，當(dāng)然如果有大孔隙優(yōu)勢流的條件時除外。水稻土犁底層的存在，起到了很好的保水保肥的作用。因為施肥具有差異性，且土壤磷素是狀態(tài)變量，故土壤速效磷含量與水稻植稻年限之間并沒有發(fā)現(xiàn)明確的相關(guān)關(guān)系。

圖2 慈溪水稻土?xí)r間序列土壤速效磷分布

土壤中的磷素形態(tài)大體上可分為無機磷和有機磷兩類，兩者的組分比例在不同的土壤中差別很大，即使是同一類土壤，由于人為投入和田間管理的差異，差別亦很大。由表1可以看出，植稻50，700，1 000和2 000年的表層水稻土以無機磷酸鹽為主，而植稻100和300年的水稻土中，有機磷占主導(dǎo)。相應(yīng)的旱地土壤序列中，無機磷酸鹽形態(tài)的磷僅在開墾50年的旱地中占主導(dǎo)，且其速效總磷含量很高，達35.84 mg kg-1，而有機磷在開墾100，300和700年的旱地中起支配作用。在旱地序列中，有機磷隨著開墾利用的時間延長，其含量逐漸升高，這可能與旱地中有機質(zhì)含量的提升有關(guān)。在水稻土序列中，50～300年土壤有機磷隨著植稻年限的增加，其含量穩(wěn)步提高。當(dāng)植稻年限達到700年時，可能由于表層土壤有機碳已達生態(tài)容量的極限，其含量穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，有機磷的含量也維持在一定的范圍。從旱地與水稻土的比較來看，旱作50年的土壤磷素含量較高，這可能是由于該年代的土壤采樣時系正收獲一季蔬菜，而蔬菜地施肥較一般的農(nóng)用地量大所致，其余年代的水稻土中速效總磷含量均高于對應(yīng)的旱地。植稻1 000年的水稻土耕層土壤速效總磷含量偏低，可能與采樣時該年代土壤處于休閑狀態(tài)有關(guān)。

表1 慈溪水稻土?xí)r間序列表層土壤的速效磷素形態(tài)分布

2.2 磷素吸持能力

從圖3可以看出，慈溪水稻土?xí)r間序列土壤磷素吸持率為10%～30%，屬中等強度的吸持，不同年代土壤對磷的吸持百分數(shù)不同。影響磷素吸持百分數(shù)的因素很多，土壤中幾乎所有固體物質(zhì)均能吸附磷，但不同物質(zhì)吸附固定磷的能力有較大差異。水稻土序列剖面表層土壤磷素的吸持能力較強，一般都在20%以上；表下層土壤磷素吸持能力存在較大差異，植稻300年土壤在該層次磷素吸持能力有一定提高，而其他年代序列土壤則均出現(xiàn)降低的現(xiàn)象，這可能與植稻300年水稻土序列已改變土地利用方式，土壤結(jié)構(gòu)被破壞有關(guān)。

圖3 慈溪水稻土?xí)r間序列土壤磷素固持能力分布

從圖4可以看出，植稻1 000年和2 000年水稻土中剖面土壤磷的吸持百分數(shù)與剖面土壤游離鐵分布極其相關(guān)，氧化淀積層高含量的游離鐵極大地提高了土壤吸持磷的能力，使得該層次土壤磷素吸持百分數(shù)分別達到28%和26%左右。水稻土剖面土壤磷素吸持能力與游離鐵含量的這種密切聯(lián)系，進一步證實了磷素在水稻土剖面中移動性極小，幾乎全被土體固相所吸附，水稻土剖面中深層次土壤是吸納磷素的一個巨大的匯。這也從一個側(cè)面說明，水稻土剖面土壤磷的吸持遠未達到飽和，磷素從土體中淋失的風(fēng)險極小。

與植稻1 000年和2 000年的水稻土剖面相比，其他年代序列的水稻土磷素吸持百分數(shù)并沒有與土壤相關(guān)要素表現(xiàn)出上述良好的相關(guān)關(guān)系。這可能與水稻土序列中影響磷素吸持的因素眾多有關(guān)，而氧化淀積層除了含有大量的游離鐵外，粘粒淀積，也能促進土壤對磷素的吸持。耕層土壤由于有機質(zhì)含量高，而有機質(zhì)與磷同帶負電荷，在土壤固相的吸附中，會形成競爭關(guān)系，使得其對土壤磷的吸附降低，因為耕層土壤磷素吸附百分數(shù)與土壤有機碳含量之間并沒有明顯的正相關(guān)關(guān)系。

圖4 植稻1 000年（A）和2 000年（B）水稻土序列剖面土壤磷的吸持與游離鐵的關(guān)系

3 小結(jié)

與旱地土壤類似，慈溪水稻土序列中磷素大部分被固定在剖面上部-耕層，速效磷的分布一般在剖面上部含量較高，隨著土壤深度的增加，其含量急劇降低。在水稻土序列中，50～300年土壤有機磷隨著植稻年限的增加，其含量穩(wěn)步提高。當(dāng)植稻年限達到700年時，可能由于表層土壤有機碳已達生態(tài)容量的極限，其含量穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，有機磷的含量也維持在一定的范圍。慈溪水稻土?xí)r間序列土壤磷素吸持百分數(shù)主要分布10%～30%，屬于中等強度的吸持，水稻土序列剖面表層土壤磷素的吸持能力較強，一般都在20%以上。植稻1 000年和2 000年水稻土中剖面土壤磷的吸持百分數(shù)與剖面土壤游離鐵分布極其相關(guān)，氧化淀積層高含量的游離鐵極大地提高了土壤吸持磷的能力，使得該層次土壤磷素吸持百分數(shù)分別達到28%和26%左右。

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（責(zé)任編輯：高 峻）

S 15

A

0528-9017（2014）06-0919-04

文獻著錄格式：鄒平，符建榮，曹志洪，等.水稻土?xí)r間序列磷素吸持特性研究［J］.浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（6）：919-923.

2014-03-13

國家自然科學(xué)基金項目（41201233）；國際科技合作項目（2011DFA91190）；浙江省自然科學(xué)基金項目（LQ12D01003）

鄒 平（1979-），男，湖北荊州人，助理研究員，從事水稻土碳氮磷素循環(huán)研究工作。E-mail：pzou@mail.zaas.ac.cn。