西苕溪流域主要經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)研究*

王肖君，王季豐，侯 瓊，冷明珠，倪吾鐘?

（1. 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058；2. 浙江省安吉縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江安吉313300）

水體富營養(yǎng)化是當(dāng)今世界面臨的最主要的水污染問題，嚴(yán)重影響了人們的正常生活，制約了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。西苕溪作為太湖上游的重要支流，入湖水量大，其攜入的氮磷等污染物均會(huì)對(duì)太湖水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生最直接的影響[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，西苕溪流域林地面積占了流域總面積的65%以上[2]，每年可產(chǎn)生超過650 t 的總氮流失量及270 t 的總磷流失量。其中，經(jīng)濟(jì)林面積占了林地面積的 56%，土壤侵蝕及其產(chǎn)生的養(yǎng)分流失量占比77%[3]。

大量研究表明，由于化肥及有機(jī)肥的不合理施用，土壤磷素積累現(xiàn)象明顯。以錢塘江附近農(nóng)田為例，超過土壤磷素流失閾值60 mg·kg–1的土樣占比可達(dá)11.60%[4]。當(dāng)土壤中磷素積累到一定水平時(shí)，其釋放潛力會(huì)急劇增加，土壤磷釋放能力突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的土壤有效磷含量即土壤磷素流失閾值[5]。綜合Hesketh 和Brookes[6]、Zhao[7]等的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同類型的土壤磷素流失閾值差異很大，最大值甚至可達(dá)最小值的16 倍。自從提出土壤磷素流失閾值概念后，土壤磷素流失閾值的研究引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。但是大多數(shù)研究集中在農(nóng)田土壤[8-11]上，對(duì)經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失閾值的研究相對(duì)較少。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，浙江省酸雨覆蓋面積可達(dá)90%以上，其中重酸雨區(qū)約占20%，酸雨污染嚴(yán)重[12]。西苕溪流域位于浙江省西北部的湖州市境內(nèi)，2012—2017 年年均降水pH 在4.60～4.98 之間，6年pH 中位數(shù)為4.75，酸雨率超過了90%。劉旭陽等[13]發(fā)現(xiàn)，酸雨顯著提高了土壤磷的含量。大量研究表明，長(zhǎng)期的酸雨作用會(huì)導(dǎo)致土壤磷素流失，且土壤磷流失總量與酸雨pH 存在顯著的非線性關(guān)系。隨著pH 的降低，土壤磷流失總量先增加后降低[14]。Liang 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，pH1.6～6.0 范圍內(nèi)，pH 越低，膠體態(tài)磷流失風(fēng)險(xiǎn)就越高。

綜上，土壤磷素流失閾值研究以及酸雨對(duì)土壤磷素流失的影響一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)。雖然也有少量土壤磷素流失閾值與土壤 pH 關(guān)系的研究[7]，但是關(guān)于酸雨對(duì)土壤磷素流失閾值的影響仍未見報(bào)道。因此，本文擬通過模擬酸雨浸提實(shí)驗(yàn)，根據(jù)土壤水溶性磷、模擬酸雨浸提磷與有效磷之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)西苕溪流域主要經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，旨在為酸雨頻發(fā)區(qū)土壤磷素流失閾值研究提供新思路，對(duì)流域內(nèi)磷素的管理、農(nóng)業(yè)面源污染及水體富營養(yǎng)化治理也具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 土樣的采集與預(yù)處理

浙江省安吉縣境內(nèi)西苕溪流域面積為1 806 km2，約占西苕溪流域總面積的79.42%。根據(jù)安吉縣主要經(jīng)濟(jì)林的分布情況，采集毛竹林、白茶園、板栗林土壤樣品（0～20 cm）105 個(gè)，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。采集的土樣在室溫下自然風(fēng)干后，研磨過篩（20 目、100 目），保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

水溶性磷（WEP）采用蒸餾水浸提，水土比為10∶1，振蕩時(shí)間30 min，0.45 μm 濾膜過濾后用磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定[16]；模擬酸雨浸提磷（SARP）測(cè)定方法參照水溶性磷，其中浸提液換成pH 為4.75 的模擬酸雨；土壤有效磷含量采用Bray 1 法，鹽酸-氟化銨溶液提取，鉬藍(lán)比色法測(cè)定[17]，其他土壤理化性質(zhì)如全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、速效鉀（AK）、pH、有機(jī)碳（SOC）等測(cè)定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[17]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

經(jīng)濟(jì)林土壤采樣點(diǎn)的分布采用ArcMap 10.2 作圖。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010 軟件整理、作圖，用SPSS 20.0 做相應(yīng)指標(biāo)間的相關(guān)性分析。土壤活性磷與Bray 1-P 之間的定量關(guān)系利用分段線性回歸模型擬合，擬合方程如下：

式中，y 為土壤活性磷，mg·kg–1；x 為Bray 1-P，mg·kg–1；a 為縱坐標(biāo)上的截距，b、c 為擬合回歸直線方程的斜率；α 為分段線性回歸方程轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Bray 1-P 含量，即閾值，mg·kg–1。

2 結(jié) 果

2.1 西苕溪流域經(jīng)濟(jì)林土壤基本理化性質(zhì)與活性磷含量

調(diào)查區(qū)域安吉縣105 個(gè)經(jīng)濟(jì)林土壤的基本理化性質(zhì)匯總情況如表1 所示，土壤SOC 含量9.00～26.35 g·kg–1，平均為16.59±3.65 g·kg–1；土壤pH3.55～5.92，平均為4.69±0.45；TN、TP、TK 含量分別在0.72～2.07、0.22～0.73、3.57～22.80 g·kg–1之間，平均值分別為1.38±0.33、0.42±0.11、9.81± 3.56 g·kg–1；土壤AN、AK 含量分別在74.10～265.7、48.00～379.5 mg·kg–1之間，平均值分別為152.2±39.90、138.5±69.02 mg·kg–1。與其他指標(biāo)相比，Bray 1-P 含量變幅較大，范圍在0.93～313.2 mg·kg–1之間，平均為30.87±63.18 mg·kg–1，變異系數(shù)可達(dá)204.7%。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，約17.14%的土壤Bray 1-P 含量超過40 mg·kg–1，但也有38.01%的土壤Bray 1-P 含量低于5 mg·kg–1。

土壤活性磷的提取分別采用蒸餾水和模擬酸雨浸提，結(jié)果如圖2 所示：土壤水溶性磷（WEP）含量0.03～38.15 mg·kg–1，平均為2.64±7.06 mg·kg–1，變異系數(shù)為267.5%；模擬酸雨浸提磷（SARP）含量0.03～42.91 mg·kg–1，平均為2.86±7.69 mg·kg–1，變異系數(shù)為268.6%。SARP 含量總體高于WEP，但未達(dá)到顯著性水平（P＞0.05）。

2.2 土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)與土壤有效磷的關(guān)系

分段線性回歸分析得出，土壤水溶性磷含量與有效磷含量的回歸方程為：

統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸方程的顯著性達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。從圖3 可以看出，擬合曲線上有一明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，相對(duì)應(yīng)的Bray 1-P 含量為93.63 mg·kg–1。當(dāng)Bray 1-P低于93.63 mg·kg–1時(shí)，WEP含量隨著Bray 1-P 變化很小，擬合線段斜率為0.056 9；當(dāng)Bray 1-P超過93.63 mg·kg–1，WEP 含量迅速增加，具體表現(xiàn)為：Bray 1-P 每增加10 mg·kg–1，WEP 增加1.48 mg·kg–1，擬合線段斜率增加了1.61 倍。因此，Bray 1-P 含量93.63 mg·kg–1可作為研究區(qū)域主要經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失閾值。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，西苕溪流域主要經(jīng)濟(jì)林土壤Bray 1-P 超過閾值的樣品占比12.38%。

表1 調(diào)查區(qū)域105 個(gè)經(jīng)濟(jì)林土壤基本理化性質(zhì)Table1 Basic soil physico-chemical properties of the 105 sampling sites in the main non-wood forests under survey

注：SOC、TN、TP、TK、Bray 1-P、AN、AK 分別表示土壤有機(jī)碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷、堿解氮和速效鉀。下同。Note：SOC，TN，TP，TK，Bray 1-P，AN and AK stands for soil organic carbon，total nitrogen，total phosphorus，total potassium，available phosphorus，alkalyzable nitrogen，readily available potassium，respectively. The same below.

圖2 土壤水溶性磷和模擬酸雨浸提磷含量Fig. 2 Water-extractable phosphorus（WEP）and simulated-acidrain-extractable phosphorus（SARP）content in the soils

圖3 土壤水溶性磷與有效磷的關(guān)系Fig. 3 Relationship between WEP and Bray 1-P

酸雨會(huì)影響土壤磷的溶出，土壤模擬酸雨浸提磷與有效磷含量的關(guān)系見圖4，分段線性回歸方程為：

顯著性檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸方程達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。SARP 含量普遍高于WEP，且其上限較WEP 上限高4.76 mg·kg–1。在模擬酸雨的作用下，擬合方程的兩個(gè)斜率均有所增加。此外，SARP 所對(duì)應(yīng)的土壤磷素流失閾值為87.68 mg·kg–1，較WEP所對(duì)應(yīng)的閾值降低了5.95 mg·kg–1。

圖4 土壤模擬酸雨浸提磷與有效磷的關(guān)系Fig. 4 Relationship between SARP and Bray 1-P

2.3 土壤測(cè)試磷與土壤基本理化性質(zhì)的關(guān)系

本文對(duì)土壤全磷、有效磷、活性磷與土壤基本理化性質(zhì)做了相關(guān)性分析，結(jié)果如表2 所示：土壤SOC、TN、AN、AK 與所有土壤測(cè)試磷指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；土壤pH 與所有土壤測(cè)試磷指標(biāo)呈極顯著負(fù)相關(guān)；土壤TK 與Bray 1-P、WEP、SARP 呈極顯著負(fù)相關(guān)，但決定系數(shù)R2較小。

表2 土壤全磷、有效磷、活性磷與土壤基本理化性質(zhì)的關(guān)系Table2 Relationships of total phosphorus，available phosphorus and active phosphorus with basic physico-chemical properties of the soils

3 討 論

3.1 西苕溪流域主要經(jīng)濟(jì)林土壤磷素積累狀況

土壤全磷和有效磷作為評(píng)價(jià)土壤肥力、磷素水平的指標(biāo)，常被用來反映土壤磷素水平及磷素積累情況。西苕溪流域經(jīng)濟(jì)林土壤TP 含量0.22～0.73 g·kg–1，平均為0.42 g·kg–1。Bray 1-P 含量變幅極大，范圍在0.93～313.2 mg·kg–1之間，平均為30.87 mg·kg–1，變異系數(shù)可達(dá)204.7%（表1）。其中，Bray 1-P 含量超過40 mg·kg–1、低于5 mg·kg–1的土壤樣品分別達(dá)到了17.14%、38.01%，且二者占比超過了55%?？梢姡狙芯康亟?jīng)濟(jì)林磷缺乏與磷過度積累土壤并存。這可能與山區(qū)林農(nóng)的粗放式管理有關(guān)。通常認(rèn)為，Bray 1-P 含量在20～40 mg·kg–1之間即可基本滿足作物的需求，過多土壤磷的積累將導(dǎo)致土壤中磷素吸附位點(diǎn)減少，無法繼續(xù)容納外源磷素，大大增加土壤磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)[19]，而Bray 1-P低于5 mg·kg–1又將影響作物的正常生長(zhǎng)[17]。因此，有必要對(duì)該地經(jīng)濟(jì)林土壤磷素水平及其分布進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)相應(yīng)的土壤有效磷含量確定適宜的施肥量，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)土壤磷關(guān)鍵源區(qū)的識(shí)別[20]，嚴(yán)格控制磷肥施用。

3.2 土壤基本理化性質(zhì)與土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系

水溶性磷（包括文中的模擬酸雨浸提磷）與徑流水中磷的濃度密切相關(guān)，因此可用來分析土壤磷素隨徑流及酸雨徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)。大量研究表明，土壤磷素的流失受土壤有效磷、全磷、pH、有機(jī)質(zhì)等諸多因素的影響。其中，土壤有效磷對(duì)土壤磷素流失影響最大，可作為土壤磷的環(huán)境指標(biāo)[21]。這也解釋了本文中Bray 1-P 的決定系數(shù)R2遠(yuǎn)高于TP、pH、SOC 等因素的結(jié)果（表2）。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨著土壤pH 下降，土壤Bray 1-P、WEP、SARP 在統(tǒng)計(jì)學(xué)水平上有顯著的增加（表2），與黃敏等[22]的研究結(jié)果一致。土壤TN、AN、AK 與WEP、SARP均呈極顯著正相關(guān)（表2），這可能與農(nóng)戶普遍施用NPK 復(fù)合肥有關(guān)。土壤SOC 與WEP、SARP 以及Bray 1-P 的相關(guān)關(guān)系均可達(dá)到極顯著水平（表2），與 Huang 等[23]的研究結(jié)果相一致。Heredia 和Cirelli[24]及Meng 等[25]認(rèn)為，土壤有機(jī)質(zhì)易與磷酸根離子競(jìng)爭(zhēng)土壤固相表面的專性吸附點(diǎn)位，從而減少了土壤對(duì)磷的吸附，且土壤有機(jī)質(zhì)的存在有助于土壤磷向土壤溶液中釋放。夏文建等[26]和Yan 等[27]的研究發(fā)現(xiàn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量高的土壤磷吸持飽和度（DPS）較大，土壤吸附磷的能力較弱。因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量的增加將導(dǎo)致土壤吸附磷的能力下降，土壤磷更容易向液相中轉(zhuǎn)移，從而使土壤磷素流失閾值降低。Fortune 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷素流失閾值與土壤有機(jī)碳呈顯著負(fù)相關(guān)，與本文推斷結(jié)果一致。但是也有學(xué)者認(rèn)為，有機(jī)質(zhì)的存在可以增加土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[29]。團(tuán)聚體作為土壤磷素釋放與流失的重要載體，對(duì)土壤磷素流失具有重大影響，且土壤磷素流失閾值隨著土壤有機(jī)碳的增加而增大[7]。關(guān)于有機(jī)質(zhì)與土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)系有待于進(jìn)一步的研究。

3.3 模擬酸雨對(duì)經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的影響

西苕溪流域年均降水pH 在4.60～4.98 之間，酸雨率超過 90%，處于較重酸雨區(qū)與重酸雨區(qū)之間[30]，酸雨污染嚴(yán)重。袁宇志等[31]研究表明，相對(duì)于其他類型耕地土壤而言，紅壤旱地更易受到酸雨的影響，導(dǎo)致土壤酸化。同時(shí)磷素作為水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵限制性因子，酸雨對(duì)土壤磷素流失的影響不容忽視。土壤磷素流失閾值的研究一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。閾值所對(duì)應(yīng)的有效磷Olsen-P、Mehlich-3 P 含量得到了廣泛研究，相比之下，Bray-P在土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)研究中的應(yīng)用較少。僅有零星報(bào)道顯示，美國俄亥俄州農(nóng)業(yè)土壤磷素淋失閾值為Bray 1-P 122 mg·kg–1[32]。本研究中，WEP、SARP與Bray 1-P 的相關(guān)分析結(jié)果顯示，西苕溪流域經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失閾值分別為93.63、87.68 mg·kg–1（圖3，圖4）。當(dāng)土壤Bray 1-P 含量超過土壤磷素流失閾值時(shí)，WEP 及SARP 急劇增加，土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)加大。關(guān)于酸雨對(duì)土壤磷素流失的影響主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。一方面，一定強(qiáng)度的酸雨有助于土壤無機(jī)磷組分的溶解，可以促進(jìn)土壤微生物生物量磷和酸性磷酸酶活性提高，從而提高土壤磷的有效性[33-34]。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤SARP 含量普遍高于WEP，且分段線性擬合曲線的兩段斜率均有了一定程度的提高（圖3，圖4）?？梢妏H4.75 的模擬酸雨有助于土壤磷向土壤溶液中釋放。另一方面，酸雨的長(zhǎng)期作用將導(dǎo)致土壤磷素流失閾值降低。土壤磷素流失閾值越低，土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)就越大。Zhao 等[7]的研究結(jié)果顯示，當(dāng)土壤pH＜6.0 時(shí)，土壤磷素流失閾值隨著 pH 的升高而升高；而當(dāng)土壤pH＞6.0 時(shí)，隨著pH 的升高土壤磷素流失閾值將降低。本研究發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨作用下土壤磷素流失閾值下降了5.95 mg·kg–1。這表明，相同背景下將會(huì)有更多經(jīng)濟(jì)林土壤處于土壤磷高流失風(fēng)險(xiǎn)范疇，土壤磷素的潛在流失風(fēng)險(xiǎn)將進(jìn)一步加大。而常規(guī)的根據(jù)水溶性磷與土壤有效磷的相關(guān)關(guān)系得出的磷素流失閾值可能會(huì)低估酸雨頻發(fā)區(qū)土壤磷素流失的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

西苕溪流域安吉段經(jīng)濟(jì)林土壤磷素狀況變異較大，Bray 1-P 含量超過40 mg·kg–1、低于5 mg·kg–1的土壤樣品占比分別可達(dá)17.14%、38.01%，缺磷和磷過度積累現(xiàn)象并存。土壤磷素積累導(dǎo)致水溶性磷、模擬酸雨浸提磷大幅度升高，存在較大的磷素流失潛在風(fēng)險(xiǎn)。影響土壤磷素流失的因子主要有土壤有效磷、全磷、pH、有機(jī)質(zhì)等，其中有效磷是最重要的影響因子。水溶性磷、模擬酸雨浸提磷與土壤Bray 1-P 的分段線性回歸分析得出，西苕溪流域經(jīng)濟(jì)林土壤磷素流失閾值分別為93.63 mg·kg–1（水溶性磷）、87.68 mg·kg–1（模擬酸雨浸提磷），酸雨會(huì)進(jìn)一步增大磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)。鑒于西苕溪流域?yàn)樗嵊觐l發(fā)區(qū)，在土壤有效磷水平的實(shí)際限控中應(yīng)充分考慮酸雨增大磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的作用。