廣東省耕地土壤有效磷時空變化特征及影響因素分析

曾招兵 ，曾思堅*，湯建東，劉一鋒，張滿紅

1. 廣東省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣東 廣州 510640；2. 廣東省耕地肥料總站，廣東 廣州 510500

磷是重要的生命元素之一，其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的地位是不可替代的。土壤中磷營養(yǎng)狀況是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素之一，也是生產(chǎn)獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)作物的重要基礎。土壤中磷素的豐缺狀況，是衡量土壤肥力水平高低的標志之一，而土壤有效磷是當季作物可從土壤中獲取的主要磷養(yǎng)分資源。第二次土壤普查（啟動于 1979年，基本完成于 1985年）結(jié)果顯示，廣東省有64.9%的水稻土和67.3%的旱地土壤全磷質(zhì)量分數(shù)低于 0.9 g·kg-1，其中有39.9%水稻土和 49.4%旱地土壤的有效磷低于 10 mg·kg-1。由此可見，第二次土壤普查前廣東省多數(shù)土壤全磷含量低，供磷能力弱(廣東土壤普查辦公室，1993)，為提高土壤生產(chǎn)力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應廣泛施用磷肥。

由于自然和人為因素的影響，農(nóng)田土壤有效磷時空變化特征明顯，若缺乏對其時空變異情況的了解，不能根據(jù)其變化確定施肥量和施用方式，則有可能導致農(nóng)田磷素虧缺或盈余。土壤磷素虧缺影響作物生長，而過量磷素的累積不僅影響到其他元素的生物有效性（劉忠珍等，2005；都韶婷，2010；劉芳等，2011），造成營養(yǎng)元素供應失衡，還將引起土壤肥力退化，帶來一系列環(huán)境問題。大量研究表明，當季磷肥的利用率很低，僅有 10%~20%，其余的則被固定在土壤磷庫，長期施用磷肥容易造成土壤磷素累積。而土壤磷素過量富集時，土壤磷容易以水溶態(tài)和顆粒態(tài)形式隨降雨徑流向水體遷移，成為水體中磷的補給源，而農(nóng)業(yè)土壤磷的大量輸出正是目前導致受納水體富營養(yǎng)化的重要原因（章明奎等，2006；張乃明等，2007）。

因此，掌握耕地土壤有效磷的演變規(guī)律，不僅能為我省耕地質(zhì)量管理和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中科學施用磷肥提供指導依據(jù)，還能為控制農(nóng)業(yè)面源污染提供宏觀的科學依據(jù)。本文利用廣東省 1984年以來建立的耕地長期定位監(jiān)測網(wǎng)獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過分類匯總和整理對全省耕地土壤有效磷時空變化特征及影響因素進行了分析。mg·kg-1、較豐富(2級)有效磷質(zhì)量分數(shù) 20~40 mg·kg-1、中等(3 級)有效磷質(zhì)量分數(shù) 10~20 mg·kg-1、較缺(4級)有效磷質(zhì)量分數(shù)5~10 mg·kg-1、缺(5級)有效磷質(zhì)量分數(shù)3~5 mg·kg-1、極缺(6級)有效磷質(zhì)量分數(shù)<3 mg·kg-1。對全省不同監(jiān)測時期的所有監(jiān)測點的土壤有效磷含量進行分級頻率統(tǒng)計，結(jié)果如圖2所示。除3級外，其他等級的有效磷含量分布頻率變化均非常顯著，其中1級頻率由1986—1990年期間的 2.4%迅速上升到 2006—2010年期間的38.8%，且上升速度越來越快，尤其是1996—2000年期間以后的上升速度明顯加快；2級頻率呈先迅速上升后下降的趨勢，在1996—2000年期間達到峰值31.0%，而后在2006—2010年期間降至27.8%；3級頻率變化趨勢與 2級相似，亦在 1996—2000年期間達到峰值，而后在2006—2010年期間下降，但整體變化幅度較??；4級、5級和6級頻率在1984—2010年期間呈不同程度的持續(xù)下降趨勢，其中4級下降25%，5級下降16.8%，6級下降7.4%。從統(tǒng)計結(jié)果來看，我省中上水平（2級以上）的有效磷含量由1986—1990年期間的10.8%上升到2006—2010年期間的 66.6%，提高幅度超過 50%；而低水平（4級以下）的有效磷含量由 1986—1990年期間的 59.6%下降到 2006—2010年期間的10.4%，下降幅度接近50%。由此說明近幾十年來全省有效磷含量整體水平得到急劇的提升，由過去的虧缺狀態(tài)已經(jīng)轉(zhuǎn)變到豐富狀態(tài)。

表1 各時期全省耕地土壤統(tǒng)計的平均有效磷Table 1 The average AP of farmland soil in different stages of Guangdong province

圖2 全省耕層土壤不同等級有效磷質(zhì)量分數(shù)的頻率變化趨勢Fig. 2 Frequency change trend of different grades of farmland soil AP

2.1.2 不同區(qū)域的演變特征

如圖3所示，不同監(jiān)測階段，全省耕地土壤有效磷含量的空間分布格局呈明顯差異。1986—1990年時期，珠三角和粵東地區(qū)土壤有效磷總體水平相當（<10 mg·kg-1），且低于粵北和粵東地區(qū)的總體水平（10~20 mg·kg-1）；1991—1995 年時期，粵西地區(qū)土壤有效磷率先進入20~30 mg·kg-1水平，而珠三角和粵東地區(qū)上升到與粵北同一水平（10~20 mg·kg-1）；1996—2000年時期，粵東、珠三角和粵北地區(qū)土壤有效磷總體水平均趕上粵西地區(qū)，全省四大區(qū)域有效磷質(zhì)量分數(shù)同處20~30 mg·kg-1水平；2001—2005年時期，珠三角和粵東地區(qū)有效磷總體水平后來居上，其中珠三角領先突破到 40~60 mg·kg-1水平，粵東地區(qū)進入到 30~40 mg·kg-1，而粵西和粵北仍停留在 20~30 mg·kg-1水平；2006—2010年時期，粵西地區(qū)土壤有效磷總體水平急劇提高，突破到60 mg·kg-1以上水平，躍升到四大區(qū)域之首，珠三角和粵東地區(qū)保持上一階段水平，而粵北地區(qū)上升一個水平，趕上粵東，進入 30~40 mg·kg-1水平。縱觀各個監(jiān)測階段，全省耕地土壤有效磷含量空間分布格局可概況為差異縮小再到差異擴大的演變趨勢，而人為因素很可能在這一過程中起主導作用。

圖4進一步反映了不同監(jiān)測時期，全省四大區(qū)域耕地土壤有效磷含量總體水平隨時間推移呈快速上升趨勢。2006—2010年時期，粵北、粵東、粵西和珠三角地區(qū)的有效磷質(zhì)量分數(shù)平均分別為30.7 mg·kg-1、36.8 mg·kg-1、<60 mg·kg-1和 55.7 mg·kg-1，與1986—1990年時期相比，分別增加20.0 mg·kg-1、29.1 mg·kg-1、<45.6 mg·kg-1和 46.4 mg·kg-1，年平均分別增加 0.74 mg·kg-1、1.08 mg·kg-1、<1.69 mg·kg-1和 1.72 mg·kg-1。其中，珠三角和粵西地區(qū)耕地土壤有效磷含量總體水平增加速度最快，其次粵東，粵北最慢。

2.2 土壤有效磷演變的影響因素

2.2.1 土壤自身性質(zhì)的影響

受成土因素的綜合影響，不同地區(qū)的土壤性狀存在較大差異。土壤質(zhì)地是反映土壤理化性質(zhì)差異的一個重要指標，土壤質(zhì)地相近的土壤一般理化性質(zhì)差異較小。因此，以質(zhì)地差異較大的相鄰監(jiān)測點分析土壤理化性質(zhì)對土壤有效磷演變的影響具有有效磷含量演變有重要影響。

表2 臺山市白石村和大巷村監(jiān)測點基本情況Table 2 The basic information of the monitoring poins in Baishi and Daxiang village

圖5 白石村和大巷村監(jiān)測點土壤有效磷變化趨勢Fig.5 Change tendency of farmland soil AP for the monitoring points in Baishi and Daxiang village

2.2.2 人為施肥的影響

為分析施肥對土壤磷含量的影響，本文采用廣州增城市農(nóng)科所內(nèi)的長期定位重點監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，該監(jiān)測點基本情況如下：始建于1987年，種植模式為稻-稻，土壤類型為寬谷砂泥田。2002年的土壤基本性質(zhì)為：有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)18.6 g·kg-1，全氮質(zhì)量分數(shù) 1.12 g·kg-1，堿解氮質(zhì)量分數(shù) 85.6 mg·kg-1，速效磷質(zhì)量分數(shù) 19.2 mg·kg-1，速效鉀質(zhì)量分數(shù)13.8 mg·kg-1，pH值5.9。試驗共設置6個處理。即：（1）不施肥處理（CK）；（2）氮磷鉀施肥處理（NPK）；（3）氮磷施肥處理（NP）；（4）氮鉀施肥處理（NK）；(5)磷鉀施肥處理（PK）；（6）氮磷鉀配施有機肥處理（OM)。其中處理6（OM）化肥氮磷鉀投入量分別為 150 kg·hm-2（N）、30 kg·hm-2（P2O5）、75 kg·hm-2（K2O），豬糞用量為7500 kg·hm-2，其余處理化肥氮磷鉀投入量分別為150 kg·hm-2（N）、49 kg·hm-2（P2O5）、90 kg·hm-2（K2O）。氮肥施用品種為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。各處理小區(qū)面積66.7 m2，三面光水泥磚基分隔，獨立排灌。

如表3所示，不同施肥處理對土壤有效磷的影響存在顯著差異。監(jiān)測點不同處理土壤多年（2002—2011年）有效磷質(zhì)量分數(shù)的平均大小順序是：NK

因采樣等誤差因素的影響，各處理年際間的土壤有效磷波動較大。為更直觀的反映出各處理的差異情況，將 2002—2011年的監(jiān)測期劃分為兩個階段，前階段為2002—2006年，后階段為2007—2011年。由圖6可見，從兩個監(jiān)測階段比較可知，后階段的各處理土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)均比前階段提高。各處理有效磷增加量的高低順序為：CK（1.6 mg·kg-1）

表3 不同施肥處理多年的平均有效磷質(zhì)量分數(shù)Table 3 The average AP of different fertilization treatments for many years

圖6 不同處理的土壤有效磷值比較Fig.6 The soil AP value compareson of different treatment

圖7（a）反映了1984年以來全省耕地磷肥投入量的變化趨勢。由圖可知，雖然單位面積以有機肥形式投入的磷肥呈不斷下降趨勢，但單位面積以化肥形式投入的磷肥呈大幅增加趨勢，因此單位面積的磷養(yǎng)分年投入總量仍呈顯著增加趨勢。與1986—1990年期間的單位面積磷肥投入總量相比，2006—2010年期間增加103 kg·hm-2，增幅97%。單位面積不斷增加的磷肥投入是導致我省耕地土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)提高的最主要原因。對土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)與累積投入磷養(yǎng)分量進行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示兩者表現(xiàn)為極顯著線性正相關(guān)關(guān)系（p<0.01），回歸方程為y =0.008x+7.36，如圖7（b）所示。據(jù)此估算近25年來，我省耕地每投入100 kg·hm-2磷肥，土壤平均累積有效磷0.8 mg·kg-1。為進一步揭示磷肥投入對土壤養(yǎng)分的影響，對1984以來的全省稻田監(jiān)測點平均磷盈余量與相應年份的土壤有效磷含量進行線性回歸模擬，結(jié)果表明，磷累積盈余量與有效磷質(zhì)量分數(shù)表現(xiàn)為顯著相關(guān)關(guān)系（p<0.05），回歸方程為y=0.053x+12.37，說明每盈余100 kg·hm-2磷養(yǎng)分土壤平均累積有效磷5.3 mg·kg-1。

2.2.3 種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的影響

改革開放以來，隨著經(jīng)濟發(fā)展，廣東種植業(yè)由過去以單一的糧食作物種植為主發(fā)展到糧食、蔬菜、水果等多樣化的種植格局，其中相當一部分由水田改種形成。水田改變種植模式后，農(nóng)田的耕作、水分與施肥管理方式隨之發(fā)生較大變化，由此對土壤養(yǎng)分狀況產(chǎn)生重要影響。甄蘭等系統(tǒng)分析了過去25年來山東省惠民縣的種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對該縣土壤養(yǎng)分平衡和養(yǎng)分特征的影響（甄蘭等，2007），結(jié)果表明種植業(yè)結(jié)構(gòu)的改變大幅提高了磷養(yǎng)分盈余，導致土壤有效磷增加303%。而本研究對2006—2010年期間全省監(jiān)測點的常年菜地和雙季水田的土壤有效磷和磷肥投入量的統(tǒng)計結(jié)果顯示（如表4所示），常年菜地單位面積以有機肥形式和化肥形式投入的磷分別是水田的10倍和3.4倍，磷肥總投入量是水田的3.7倍；常年菜地土壤有效磷含量是水田的3.6倍。與水田相比，常年菜地土壤有效磷含量的增長倍數(shù)與其磷肥投入量增加倍數(shù)基本一致。據(jù)廣東省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，全省蔬菜地的種植面積規(guī)模在1992—2011年期間從63.1×104hm2增加到121×104hm2，增加了近一倍，其中絕大部分是由水田改種而來。由此可知，種植業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整是提高我省土壤有效磷整體水平的重要原因，特別是種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整劇烈的珠三角發(fā)達地區(qū)。

圖7 全省監(jiān)測點磷肥投入變化趨勢及磷肥累積投入量與土壤有效磷的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Phosphate fertilizer inputs change trends of monitoring points in Guangdong province,and relationship between accumulated amount of phosphate fertilizer and soil AP

表4 2006—2010年期間菜地和水田土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)及磷肥投入量Table 4 Vegetable fields and paddy soil AP and phosphate fertilizer inputs in 2006—2010 period

2.3 全省耕地土壤有效磷演變對環(huán)境的影響

隨著土壤磷素的累積，作物不再缺磷，人們關(guān)注的重點從作物磷養(yǎng)分需求轉(zhuǎn)移到過量磷養(yǎng)分對外輸出造成的環(huán)境影響，并逐漸形成近年來的研究熱點問題。土壤有效磷在什么范圍內(nèi)既能滿足作物需求又不會對環(huán)境造成污染風險呢？目前，國內(nèi)外有關(guān)磷養(yǎng)分的研究結(jié)果因所研究土壤類型不同而存在較大差異，范圍多在 20~100 mg·kg-1之間（Hesketh和Brookes, 2000；曹志洪等，2005；張煥朝等，2004；周全來等，2006；章明奎等，2007；李學平，2008）。本文以50 mg·kg-1為臨界值來估算全省耕地土壤磷水平的環(huán)境風險指數(shù)，并以 2010年的全省監(jiān)測數(shù)據(jù)（N=262）進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示了我省34.4%（高于三分之一）的耕地土壤磷水平對周圍環(huán)境構(gòu)成了污染風險。為保護生態(tài)環(huán)境，建議對超過有效磷臨界值的土壤采取少施或不施磷肥措施。國外有研究推算在未施磷肥的條件下，土壤磷素水平從100 mg·kg-1降至20 mg·kg-1的過程需要16~18年的時間（Mehlich, 1984）。可見，富磷土壤對環(huán)境產(chǎn)生的影響是長期性的，由土壤磷素的過量累積所導致的環(huán)境污染風險應引起相關(guān)部門的高度重視。

3 結(jié)論

（1）1984來以來全省耕地土壤有效磷含量總體水平急劇提升，已由過去的虧缺狀態(tài)轉(zhuǎn)變到盈余狀態(tài)。全省耕地有效磷時空變化特征表現(xiàn)為差異縮小再到差異擴大的演變趨勢，珠三角和粵西地區(qū)耕地土壤有效磷含量總體水平增加速度最快，其次粵東，粵北最慢。

（2）第二次土壤普查后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廣泛施用磷肥是造成全省耕地土壤有效磷整體水平大幅提高的主要原因。種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和土壤理化性質(zhì)對土壤有效磷的演變特征亦有重要影響。

（3）由于土壤磷累積，全省高于三分之一的耕地對周圍環(huán)境構(gòu)成了污染風險，應引起足夠的重視。

4 研究展望

鑒于全省耕地土壤有效磷含量總體水平已由過去的虧缺狀態(tài)轉(zhuǎn)為盈余狀態(tài)，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境造成了不利影響。筆者認為，今后可從以下幾個方面著手研究，以尋求應策。首先，由于耕地監(jiān)測點數(shù)量有限，分析結(jié)果雖能宏觀反映全省有效磷的整體狀況，但不能描述到具體農(nóng)田的實際狀況，建議結(jié)合當前的測土配方和耕地地力評價工作，進一步全面摸清全省各縣（市、區(qū)）主要農(nóng)田土壤磷養(yǎng)分狀況，鼓勵有機肥與無機肥配施，少施化肥磷。其次，建議通過研究全省主要土壤類型磷肥在土壤中的固定與解析特征，深入分析磷素對作物生長和周邊環(huán)境的影響。最后，全省廣泛施用磷肥歷史至少30年，其中絕大部分磷素被固定于土壤中，固定磷量之大不可小覷。因此，研究開發(fā)活化被固定的磷素資源，對我省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及改善生態(tài)環(huán)境均有重要意義。

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