定西土壤磷富集空間差異及其影響因素

黃 怡，趙 聰，達(dá)瓦拉姆，蔣 攀，劉 雷，胡進(jìn)耀*

(1.綿陽(yáng)師范學(xué)院創(chuàng)新學(xué)院，四川綿陽(yáng) 621006；2.西北民族大學(xué)化工學(xué)院，甘肅蘭州 730000 ；3.得榮縣林業(yè)和草原局，四川甘孜 627950)

0 引言

磷為植物必需營(yíng)養(yǎng)元素之一，磷素的不足和缺乏直接影響著作物產(chǎn)量，糧食的增產(chǎn)和磷肥的大量投入總是密切相關(guān)的[1].隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展需要和化肥工業(yè)的不斷發(fā)展，磷肥的使用水平不斷提高.據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，2011年共生產(chǎn)磷肥 1 462萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)24.6%[2].但值注意的是磷肥雖然大量使用，而我國(guó)農(nóng)業(yè)磷肥利用率僅為30%左右[3]，大量土壤磷素盈余流失，對(duì)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)都有不利影響.我國(guó)大部分土壤為石灰性土壤 ，水溶性磷大都轉(zhuǎn)化為羥基磷灰石而不能被作物直接利用[4]，導(dǎo)致植被表現(xiàn)為缺磷(速效磷)，而總磷在土壤中不斷累積，加劇淋溶流失使水土富營(yíng)養(yǎng)化，增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).土壤對(duì)磷素有強(qiáng)烈的吸持固定作用，耕層土壤呈現(xiàn)表聚作用而導(dǎo)致土壤磷素的大量積累[5].在未開(kāi)墾干擾黑土土壤剖面有效磷和其他磷素含量都有顯著的表聚作用，且有效性隨土層加深而減弱[6].然而，在這些研究中，研究對(duì)象大多在南方和東北地區(qū)，對(duì)于西北干旱區(qū)的耕層土壤磷素累積程度認(rèn)知較少.由于不同地區(qū)土壤組成理化性質(zhì)差別很大，磷素本底值也相應(yīng)的呈現(xiàn)空間的差異.比如內(nèi)蒙地區(qū)土壤基礎(chǔ)供磷能力強(qiáng)，利用率低，磷素在土壤中易富集而盈余[7].低肥力土壤則相反，根據(jù)李比希的養(yǎng)分歸還學(xué)說(shuō)[8]，磷的歸還程度較低，土壤表現(xiàn)出缺磷.施肥的最小養(yǎng)分律表明最低含量的元素是作物產(chǎn)量的限制性因素，隨著土壤磷虧缺和盈余都會(huì)引起施肥的木桶效應(yīng)，影響其他營(yíng)養(yǎng)元素的作用.因此調(diào)查研究土壤磷庫(kù)水平及分布，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)磷肥使用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要作用.

定西市位于甘肅省中部地區(qū)，位處西秦嶺末端和黃土高原西部邊緣地帶，年降雨量較少，干旱頻率高，屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，農(nóng)作物產(chǎn)量低并且不穩(wěn)定[9].該地區(qū)土壤大多產(chǎn)生于黃土母質(zhì)，灰鈣土是主要成分，第二次土壤普查表明定西土壤全磷在0.04%～0.16%之間，高于我國(guó)南方的酸性土，介于全國(guó)土壤含磷范圍內(nèi)[10].全區(qū)80%以上的土壤缺磷，土壤缺磷便成為糧油增產(chǎn)的主要限制因素之一.因而上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始在生產(chǎn)上積極探索施用磷肥，增產(chǎn)效果明顯[11].隨著大量磷肥施用，近年來(lái)該區(qū)域磷庫(kù)盈余或虧缺將影響環(huán)境保護(hù)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，調(diào)查該區(qū)域磷素富集或虧缺水平已成當(dāng)務(wù)之急.基于以上原因，我們選擇定西主要農(nóng)業(yè)區(qū)，以定西半干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)基地溫室土壤為研究對(duì)象，調(diào)查總磷和有效磷在土壤A、B、C層的分布特征，分析耕作層土壤富集或缺失情況和土壤磷素富集或缺失的主要影響因素，結(jié)果可為實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用和正確評(píng)價(jià)定西土壤磷富集對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響提供參考，為養(yǎng)分資源的持續(xù)高效利用提供理論指導(dǎo).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概述

中國(guó)氣象局蘭州干旱氣象研究所定西試驗(yàn)基地位于甘肅省中部地區(qū)，處在西秦嶺末端、黃土高原西部邊緣，屬溫帶半干旱氣候區(qū)，冬季干冷夏季暖濕年均氣溫5.7～7.7 ℃，年降水量380 mm，在7、8、9三個(gè)月降雨比較集中，且多以暴雨的形式出現(xiàn)，而蒸發(fā)量高達(dá)1 400 mm以上，水資源匱乏屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn)[12]，成為制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸[9].農(nóng)業(yè)調(diào)查顯示該區(qū)域主要種植小麥(TriticumaestivumL.)，玉米(ZeamaysL.)和土豆(SolanumtuberosumL.)[13].定西基地土壤主要是黃綿土，pH 6.7，有機(jī)質(zhì)72 mg/kg，有效磷5.54 mg/kg，總磷26.8 mg/kg[12]，而土壤在偏中性時(shí)植物對(duì)磷素利用率是最高的，這也減少了磷素流失對(duì)環(huán)境的威脅.

1.2 樣品采集與處理

試驗(yàn)樣地設(shè)置于定西半干旱氣象與生態(tài)環(huán)境試驗(yàn)基地溫棚內(nèi).在每個(gè)溫棚內(nèi)選擇近期耕作過(guò)并且施肥相同的土壤區(qū)，在小麥生長(zhǎng)期內(nèi)隨機(jī)設(shè)置3 個(gè) 10 m*10 m 的樣方進(jìn)行土壤樣品采集.為盡量減小采樣所帶來(lái)的誤差，取土方法采用空間網(wǎng)格取樣法，在垂直于小麥行的水平方向進(jìn)行取樣，每隔15 cm取樣一個(gè)，共3個(gè)取樣點(diǎn).每一個(gè)采樣點(diǎn)的土壤采集分為3層，深度依次為 0～20cm 、20～40 cm和40～60 cm.3個(gè)取樣點(diǎn)采樣同層混勻后用四分法取約1 kg 樣品，共獲得 112 個(gè)土壤樣品，把樣品貯于聚乙烯袋中.土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理.將所采集的土樣樣品均勻攤開(kāi)在搪瓷盤(pán)中，撿出其中的石礫和生物殘?bào)w及根葉碎屑等雜質(zhì)，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自然風(fēng)干.將土樣進(jìn)行搗碎和磨碎，樣品通過(guò) 2 mm 孔徑的土壤篩，需進(jìn)一步磨碎的土樣可利用四分法取已經(jīng)過(guò)上個(gè)步驟處理過(guò)的土樣再過(guò)篩.在樣品搗碎、混合等處理過(guò)程中都使用木質(zhì)、塑料和玻璃等工具， 避免直接和金屬用具相接觸，過(guò)篩后的樣品保存在塑料袋中，防止人為導(dǎo)致的土壤樣品污染.

1.3 分析方法

土壤總磷和的測(cè)定采用堿熔-鉬銻抗分光光度法[14]，土壤有效磷采用鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)量[14]，土壤水分的測(cè)量采用稱(chēng)重法[15].數(shù)據(jù)采用SPSS20.0軟件分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤總磷含量

見(jiàn)表1可以看出定西基地內(nèi)土壤總磷變化范圍在4.86%到10.57%之間，土壤總磷量在不同土壤層類(lèi)型下垂直分布有所差異.通過(guò)1、2、5、7號(hào)樣品發(fā)現(xiàn)總磷含量隨著土壤剖面的加深，土壤所含總磷呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì).其中1號(hào)樣品的A、B層增加趨勢(shì)最大，A層總磷含量為 4.86%，B層為7.046%，增加了近60%，但是B層和C層相差較小，C層總磷含量只有7.05%，和B層相比較只增加了0.14%，總磷含量增加甚微.但是對(duì)于2號(hào)樣品，A層土壤總磷含量為 7.42%，B層土壤為7.452%，二者增長(zhǎng)僅為0.4%，相比之下層土壤總磷含量為 7.91%，增長(zhǎng)6.2%.說(shuō)明雖然定西基地土壤總磷含量有隨土壤剖面加深而增加的趨勢(shì)，但是土壤磷含量在水平方向分布并不均勻.表1中也有反常數(shù)據(jù)，4、6、7組數(shù)據(jù)均表現(xiàn)為A層

為進(jìn)一步了解同層土壤中總磷分布情況，對(duì)同一層土壤總磷含量作方差分析(表2).通過(guò)分析結(jié)果，可知F統(tǒng)計(jì)量為0.797 56，在給定α=5的顯著性水平下臨界值Fcrit=3.135 918，表明實(shí)際的均值之間存在著顯著差異，即A、B、C層土壤磷含量存在垂直分布特征，土壤磷含量隨著土壤深度的增加而呈現(xiàn)出逐漸增加，且與其他土層之間差異顯著(P<0.05).

表2 定西基地各層土壤總磷含量方差分析Tab.2 Variance Analysis of Total Phosphorus Content in Each Soil Layer in Dingxi

此外，從表3中發(fā)現(xiàn)垂直空間上相同數(shù)量樣本情況下，A層總磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)求和為1.76、B層1.86、C層1.91，A層

2.2 土壤有效磷含量

觀察所有樣本有效磷含量，由圖1土壤速效磷含量可知，在0～60 cm土壤剖面中，不同采樣點(diǎn)土壤速效磷含量波動(dòng)較大，范圍在7.3～55.3 ppm，平均含量在20.8 ppm.由此可見(jiàn)定西基地土壤中有效磷分布不均，差異較大.

圖1 定西基地土壤速效磷分布特征Fig.1 Distribution Characteristics of Rapidly Soil Available Phosphorus in Dingxi

對(duì)樣本土壤磷進(jìn)行分級(jí)討論，將63個(gè)樣品測(cè)得的速效磷含量列于表4，有效磷小于10 mg/kg的有10個(gè)，占試驗(yàn)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)的15.87%；有效磷10～20 mg/Kg的有26個(gè)，占41.27%；有效磷大于20 mg/kg的27個(gè)，占42.86%.結(jié)果發(fā)現(xiàn)定西基地土壤有效磷在30.21定西基地土壤有效磷在含量最多 ，這也反映了試驗(yàn)地的基礎(chǔ)肥力狀況.根據(jù)調(diào)查，顯示全國(guó)速效磷含量為0.1～228 g/kg，平均值為12.8 g/kg[4]，本次試驗(yàn)有65.73%的樣品測(cè)得值高于全國(guó)平均水平，但是英國(guó)有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)土壤速效磷約為25 g/kg時(shí)作物產(chǎn)量最高[16].所以整體上定西基地基礎(chǔ)肥力偏高，并且不同區(qū)域差異比較大.土壤的基礎(chǔ)肥力被認(rèn)為是作物在不施肥的條件下所表現(xiàn)的基礎(chǔ)生產(chǎn)力，這也反映了土壤一定程度的增產(chǎn)能力.

2.3 土壤總磷與速效磷的關(guān)系

土壤中總磷包括機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷，在農(nóng)業(yè)土壤中一般無(wú)機(jī)磷占大部分，正磷酸鹽形式是主要成分.無(wú)機(jī)磷又可分為礦物態(tài)、吸附態(tài)和可溶解態(tài)，只有可溶解態(tài)磷易被作物吸收表現(xiàn)為有效態(tài)磷.另外有機(jī)磷在活化后也能被植物吸收，但是磷素有效性因素非常復(fù)雜，表現(xiàn)為有效磷很少.通過(guò)對(duì)比定西基地a、b、c、d、e、f，6組樣品土壤全磷和有效磷含量(圖2)，發(fā)現(xiàn)有效磷的變化和全磷接近同步，二者同時(shí)增加同時(shí)減少，說(shuō)明二者存在一定的相關(guān)性.為進(jìn)一步驗(yàn)證二者之間的關(guān)系，對(duì)二者進(jìn)行回歸分析.由表5發(fā)現(xiàn)各試驗(yàn)組所得回歸方程擬合度較好，都在0.7以上，回歸效果顯著，說(shuō)明基地內(nèi)土壤總磷和速效磷存在一定的線性關(guān)系，總磷對(duì)有效磷的含量有著顯著影響.

圖2 定西基地土壤全磷和速效磷的關(guān)系Fig.2 Relationship Between Total Soil Phosphorus and Rapidly Available Soil Phosphorus in Dingxi

3 討論

3.1 土壤全磷分布規(guī)律

土壤全磷包括土壤中各形態(tài)磷素，包括有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷.土壤中的磷素大多和金屬元素結(jié)合在一起，溶解性低，因而土壤全磷含量并不能評(píng)判可直接被植物利用磷素水平.全磷含量高時(shí)并不代表著可供利用磷素充足，但全磷含量低于某一值時(shí)卻可能代表著磷素供應(yīng)不足，這將直接影響土壤有效磷的含量，對(duì)作物生產(chǎn)造成不利影響.土壤全磷含量與垂直分布的研究目的在于了解該生態(tài)系統(tǒng)土壤磷庫(kù)的大小.有關(guān)土壤磷素不同深度的垂直分布差異方面的研究較多，嚴(yán)加亮等[17]對(duì)武夷山地區(qū)不同土壤剖面磷素的含量進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)不同層次土壤剖面磷素含量存在著明顯地垂直分布規(guī)律.土壤全磷、有效磷、鈣磷、鋁磷、鐵磷、有機(jī)磷含量整體表現(xiàn)為表層高、底層少.趙曉蕊[18]等對(duì)武功山山地草甸系統(tǒng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，土壤磷素隨海拔高度的升高呈現(xiàn)顯著垂直分布特征，土壤有效磷、全磷的含量與分布表現(xiàn)為隨海拔高度的升高而顯著增加；同一海拔高度不同土層土壤磷素呈現(xiàn)表聚性，表現(xiàn)為隨土壤剖面的加深磷素含量顯著減少.楊小燕等[19]對(duì)黑土土壤磷素形態(tài)垂直分布特征的調(diào)查發(fā)現(xiàn)土壤剖面有效磷和土壤總磷含量都具有顯著的表聚作用，并且有效性均隨著土層剖面的加深有一定程度的降低.

本文通過(guò)測(cè)量不同深度土壤剖面磷素含量，探討土壤磷素不同深度的垂直分布規(guī)律，研究結(jié)果表明：定西實(shí)驗(yàn)基地土壤總磷隨著土壤剖面深度的加深而升高，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)；在對(duì)不同土壤分層總磷含量的方差分析中表明土壤剖面各層總磷并未表現(xiàn)出顯著性差異，各層土壤磷含量比較穩(wěn)定.本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果與嚴(yán)加亮[17]、趙曉蕊[18]、楊小燕[19]的研究結(jié)果相反.這主要由于植被類(lèi)型因不同地區(qū)而異，土壤微生物環(huán)境、微生物群落和根系的組成和分布也會(huì)產(chǎn)生差異，造成土壤中的磷素轉(zhuǎn)化產(chǎn)生差異，從而在土壤的垂直剖面上造成了不同的分布特征[20]；另外其成土母質(zhì)的不同也會(huì)形成不同土壤種類(lèi)，而具有各自的理化性質(zhì)，土壤表現(xiàn)具有明顯的垂直分布規(guī)律性，土壤養(yǎng)分略有差異[21].由于研究區(qū)定西試驗(yàn)基地位于中國(guó)西北干旱和半干旱區(qū)域，而上述研究大多位于南方地區(qū)，植被覆蓋、降水量、成土母質(zhì)均有較大差異，且引起土壤磷素含量不同深度變化的因素有很多，這可能是造成定西基地土壤磷素垂直分布有異與其他地方的原因.

另外，對(duì)同一層土壤中總磷含量，發(fā)現(xiàn)在A層總磷最高和最低分別是9.29%和4.86%，相差4.43%，在B、C層也同樣差距較大.說(shuō)明在同一層土壤中也會(huì)出現(xiàn)磷素盈余和虧缺的情況，這將會(huì)影響農(nóng)作物耕作的深度、施肥用量以及作物最大產(chǎn)量，這是以后值得關(guān)注的地方.

對(duì)于定西其他區(qū)域垂直分布規(guī)律是否具有相應(yīng)的規(guī)律，此方面還有待于在今后加強(qiáng)研究.

3.2 土壤有效磷分布特征

土壤有效磷是植物可直接吸收與利用的磷素.土壤有效磷并不是指土壤中某一特定形態(tài)的磷，而只是一個(gè)相對(duì)指標(biāo)，它的含量可以相對(duì)地說(shuō)明土壤的供磷水平，可作為一個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷土壤肥力狀況和指導(dǎo)科學(xué)施肥.一般來(lái)說(shuō)土壤有效磷在25 ppm時(shí)便可滿(mǎn)足大多數(shù)室外農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的需要，在溫室內(nèi)種植需要磷素則更多[22]，但也有學(xué)者認(rèn)為從環(huán)境保護(hù)的角度土壤有效磷含量范圍在30～50 ppm為宜[23].根據(jù)李強(qiáng)等對(duì)土壤有效磷的劃分[24]：5～10 ppm為低、10～20 ppm為適宜、大于20 ppm為高.試驗(yàn)結(jié)果是：在分級(jí)討論情況下有效磷小于10 mg/kg的占試驗(yàn)點(diǎn)點(diǎn)數(shù)的15.87%;有效磷10～20mg/Kg的占41.27%;有效磷大于20 mg/kg占42.86%.結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤有效磷含量為高的占比最大，說(shuō)明定西基地內(nèi)土壤有效磷表現(xiàn)為盈余，土地的基礎(chǔ)肥力較好，這在一定程度上反映了當(dāng)?shù)赝寥赖脑霎a(chǎn)能力.

另一方面查閱定西基地土壤有效磷本底值為5.54 ppm，而本次試驗(yàn)結(jié)果所測(cè)平均值為20.8 ppm，富集倍數(shù)(EFs)為3.8.說(shuō)明人為的對(duì)土壤投放了過(guò)量的磷素，導(dǎo)致作物吸收的磷素小于投放量，使土壤有效磷有一定程度的富集.且由上述討論可知磷素存在不同程度的累積個(gè)向下遷移，這可能會(huì)增加環(huán)境風(fēng)險(xiǎn).

3.3 土壤磷素有效性影響因素

土壤磷有效性的影響因素十分復(fù)雜，只要能影響磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化的各種因素都會(huì)改變磷素的有效性.一般來(lái)說(shuō)影響因素可分為土壤性質(zhì)、氣候條件和施肥方式等.對(duì)于定西基地，土壤以黃綿土為主，土壤 pH 6.7，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)72 mg/kg，這些土壤理化性質(zhì)比較穩(wěn)定，變化較小.氣候方面，根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)雖然全市氣溫有上升趨勢(shì)并且降水在慢慢減少，但都是相當(dāng)緩慢的過(guò)程[23]，對(duì)于近期土壤磷素含量影響不大.有研究發(fā)現(xiàn)影響最大的是磷肥的施加量，由于磷素在土壤中幾乎沒(méi)有揮發(fā)，在干旱區(qū)淋溶也較小，在土壤中移動(dòng)性很差，因此只有磷肥的施加量和植物的吸收會(huì)影響磷庫(kù)[25].通過(guò)對(duì)比定西基地a、b、c、d、e、f，6組樣品土壤全磷和有效磷含量(圖2)，發(fā)現(xiàn)有效磷的變化和全磷接近同步，二者相關(guān)性顯著，總磷對(duì)有效磷的含量有著顯著影響，這和上述研究相一致.

4 結(jié)論

模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)定西實(shí)驗(yàn)基地土壤磷素隨著土壤剖面深度的加深而升高，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，這與大多數(shù)研究結(jié)果相悖，但是這可能與定西試驗(yàn)基地特定的自然條件有關(guān).在對(duì)同一深度磷素的含量的方差分析中表明同一層土壤磷素并未表現(xiàn)出顯著性差異，同一海拔高度同一土層土壤磷素呈現(xiàn)穩(wěn)定性.基地內(nèi)土壤有效磷存在不同程度的富集，表現(xiàn)為盈余，土地的基礎(chǔ)肥力較好，施肥方式極大地影響土壤磷素有效性.基于以上討論，在以后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)有效磷含量適當(dāng)減少磷肥施用和進(jìn)行深耕是十分必要的.