高投入菜地土壤磷素環(huán)境與農(nóng)學(xué)閾值研究進(jìn)展①

王 瑞，仲月明，李慧敏，施衛(wèi)明，李奕林*

高投入菜地土壤磷素環(huán)境與農(nóng)學(xué)閾值研究進(jìn)展①

王 瑞1,2，仲月明1，李慧敏1,2，施衛(wèi)明1，李奕林1*

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

維持適宜的土壤有效磷水平對(duì)保障蔬菜產(chǎn)量和水體安全具有十分重要的作用。而當(dāng)前蔬菜種植體系磷肥投入的顯著特征是高量、高頻次，導(dǎo)致大量磷素累積在土壤中會(huì)增加磷素移動(dòng)性從而引發(fā)高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。一般認(rèn)為菜地磷的環(huán)境閾值高于農(nóng)田，但菜地的灌水和磷肥投入均遠(yuǎn)高于農(nóng)田，因此磷流失程度仍高于農(nóng)田。綜合文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我國(guó)不同地區(qū)的菜地土壤Olsen-P的環(huán)境閾值存在較大差異，集中在P 60.0 ～ 80.0 mg/kg。菜地有效磷水平通常高于環(huán)境閾值，而農(nóng)田有效磷水平普遍低于環(huán)境閾值，表明菜地磷損失風(fēng)險(xiǎn)更大。同時(shí)蔬菜磷的農(nóng)學(xué)閾值高于糧食作物的現(xiàn)象普遍，反映蔬菜對(duì)磷的高需求，而僅通過(guò)減少磷肥施用達(dá)到降低菜地磷損失風(fēng)險(xiǎn)的目的可能會(huì)導(dǎo)致蔬菜減產(chǎn)。因此，了解磷素在菜地土壤中的累積現(xiàn)狀及特征，在明確蔬菜高產(chǎn)和環(huán)境友好的土壤有效磷農(nóng)學(xué)和環(huán)境閾值的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化施磷量將土壤有效磷維持在既能滿(mǎn)足蔬菜高產(chǎn)需求又能降低磷流失風(fēng)險(xiǎn)的合理水平，才能實(shí)現(xiàn)菜地磷養(yǎng)分的最佳管理。

菜地；磷素；環(huán)境閾值；農(nóng)學(xué)閾值；養(yǎng)分管理

與糧食作物相比，蔬菜具有更高的養(yǎng)分需求量，農(nóng)民為追求持續(xù)高產(chǎn)往往會(huì)投入大量肥料，尤其是磷肥。黃紹文等[1]在對(duì)我國(guó)蔬菜種植區(qū)進(jìn)行為期3年的大規(guī)模調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，設(shè)施菜地單季肥料磷(化肥+有機(jī)肥)平均用量為317 kg/hm2(本文涉及的磷肥用量、土壤磷含量和閾值均以純P計(jì))，是設(shè)施菜地推薦量的5.40倍；而露天菜地單季肥料磷(化肥+有機(jī)肥)平均施用量為142 kg/hm2，達(dá)到露天菜地磷肥推薦用量的5.90倍。Yan等[2]的研究表明，我國(guó)露天菜地的磷肥投入(117 kg/hm2)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作物帶走的磷(25.0 kg/hm2)，從而導(dǎo)致磷的大量盈余，年盈余量達(dá)92.0 kg/hm2，占總投入量的78.6%。因此，無(wú)論從單位面積磷養(yǎng)分投入，還是磷投入過(guò)量程度來(lái)考慮，設(shè)施及露天栽培，均屬于高投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。菜地磷肥“供遠(yuǎn)大于求”的高量投入勢(shì)必導(dǎo)致菜地磷素的大量盈余，且隨著種植年限而不斷增加；而大量磷肥在土壤中的累積會(huì)增加磷素的移動(dòng)性，從而加劇磷環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》[3]結(jié)果顯示，與第一次全國(guó)污染源普查相比，盡管農(nóng)業(yè)源總磷(TP)排放量削減了25.5%，但其依舊是我國(guó)TP污染排放的主要源頭，占TP排放量的67.2%。南京郊區(qū)菜地地下水中TP和可溶性磷(DP)的濃度分別為0.16和0.03 mg/L[4]，遠(yuǎn)超地表水富營(yíng)養(yǎng)化的磷素臨界值(TP 0.02 mg/L；DP 0.01 mg/L)[5]。劉方誼等[6]對(duì)湖北省庫(kù)區(qū)不同類(lèi)型農(nóng)田磷損失負(fù)荷的研究發(fā)現(xiàn)，露天菜地磷流失量高達(dá)5.51 kg/hm2，是稻油輪作土壤的14.0倍，占三峽庫(kù)區(qū)農(nóng)田總流失量的43.3%。筆者[7]研究發(fā)現(xiàn)，相較于糧田，菜地磷徑流單位面積損失量以及周年總排放量均高于農(nóng)田，菜地單季TP徑流損失量為3.45 kg/hm2，周年TP徑流排放量為0.33 Tg/a，分別是旱地作物的2.75倍，稻田的6.60倍。基于此，明確菜地磷素環(huán)境損失風(fēng)險(xiǎn)閾值，從而科學(xué)評(píng)估高投入體系磷素排放特征及流失風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于削減我國(guó)磷面源污染至關(guān)重要。本文針對(duì)目前菜地體系普遍存在的磷高積累、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，綜述了高投入菜地土壤磷素累積時(shí)空特征、菜地磷素環(huán)境閾值研究方法，探討了菜地磷素環(huán)境閾值特征及其與農(nóng)田土壤磷素環(huán)境閾值的差異，并基于蔬菜的農(nóng)學(xué)效率評(píng)估菜地磷的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，以期通過(guò)磷養(yǎng)分管理措施維持菜地土壤合理磷素含量，協(xié)調(diào)菜地高磷投入帶來(lái)的蔬菜高產(chǎn)和菜地土壤磷流失高風(fēng)險(xiǎn)之間的矛盾，從而保障菜地可持續(xù)發(fā)展。

1 高投入菜地土壤磷素累積時(shí)空特征

1.1 不同種植年限菜地土壤磷素累積特征

由于目前蔬菜當(dāng)季磷攜出量顯著低于施磷量，菜地土壤全磷含量顯示明顯的累加效應(yīng)，即土壤中全磷含量隨種植年限增加而不斷增加。費(fèi)超等[8]調(diào)查山東省壽光市不同種植年限的設(shè)施菜地土壤磷素累積狀況發(fā)現(xiàn)，隨著種植年限增加，設(shè)施菜地0 ～ 30 cm耕層土壤全磷含量不斷增加，種植年限9年以上土壤全磷平均含量為2.17 g/kg，其分別是種植年限0 ～ 4年和4 ～ 9年土壤的1.95倍和1.37倍。菜地土壤有效磷含量也隨種植時(shí)間增加呈現(xiàn)累加趨勢(shì)。種植20年的設(shè)施菜地表層土壤(0 ～ 20 cm)有效磷含量達(dá)到了345 mg/kg，比種植5年的設(shè)施菜地土壤高37.0%[9]。新疆3年、10年和14年棚齡的設(shè)施菜地表層土壤有效磷含量分別為32.5、387和585 mg/kg[10]。在潮褐土上連續(xù)進(jìn)行11年21茬露地蔬菜的長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著種植年限的增加，菜地磷積累主要以鈣結(jié)合態(tài)磷(Ca-P)和鐵鋁結(jié)合態(tài)磷(Fe-P、Al-P)為主[11]。

1.2 菜地不同剖面土壤磷素空間累積特征

不同種植類(lèi)型農(nóng)田土壤剖面磷素累積量存在差異，菜地作為一種高度集約化利用條件下的種植體系，具有高磷投入和高復(fù)種指數(shù)的特征，土壤磷的累積量普遍高于糧田；而在菜地土壤中，設(shè)施菜地磷素的累積量明顯高于露天菜地。王新軍等[12]調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河北藁城日光溫室菜地土壤表層有效磷含量在124 ～ 400 mg/kg，是周邊糧田土壤的15.5倍。菜地土壤磷素在土壤剖面中并不是均質(zhì)存在的，一般隨土層深度的增加而大幅下降；但隨著種植年限的增加，磷素向下遷移距離不斷增加[2, 13]。胡明芳等[10]研究新疆大棚菜地的土壤磷素剖面分布特征的結(jié)果顯示，土壤有效磷在0 ～ 20 cm表土層大量積累，在0 ～ 180 cm土層中，菜地土壤有效磷含量呈明顯的上高下低型垂直分布。劉兆輝等[14]的研究發(fā)現(xiàn)，山東壽光的設(shè)施菜地土壤有效磷含量比露天菜地土壤有效磷含量高出4.00倍～ 20.0倍，這種差異隨土壤剖面深度的增加而變小，并且土壤有效磷存在隨種植年限的增加向下層移動(dòng)的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的主要原因是設(shè)施菜地的施肥量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于露天菜地[10, 14-15]。這也就意味著設(shè)施菜地，尤其是高棚齡菜地磷素淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)更大。菜地土壤磷素主要積累于耕作層，但耕層以下也有一定數(shù)量磷積累，無(wú)論是耕層還是耕層以下土壤均以無(wú)機(jī)磷形態(tài)為主。有研究表明，母質(zhì)為潮土的大棚菜地種植15年后60 ～ 80 cm土層中有機(jī)磷增加量占了磷素增加總量的19.7%，且隨種植年限增加，下層土壤有機(jī)磷占比不斷增加[16]。盡管有機(jī)磷在絕對(duì)數(shù)量上不占優(yōu)勢(shì)，對(duì)磷素遷移的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)不如無(wú)機(jī)磷素大，但由于其具有較強(qiáng)的移動(dòng)性，因此菜地有機(jī)磷淋溶也是不容忽視的問(wèn)題。

2 高投入菜地土壤磷素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

2.1 測(cè)試磷法

測(cè)試磷法是通過(guò)化學(xué)方法測(cè)定研究主體的磷水平，主要分為土壤磷和水環(huán)境磷，是目前種植業(yè)磷素環(huán)境損失風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用最普遍的方法。①土壤磷水平是影響土壤磷流失的重要因素，土壤磷包括土壤有效磷(Olsen-P、Bray1-P、Mehlich3-P)、全磷、有機(jī)磷、易解吸磷(H2O-P(蒸餾水浸提的磷，表征土壤中最有效的磷源)、CaCl2-P)等。②水環(huán)境磷是指徑流或淋溶液中的TP、DP和顆粒態(tài)磷(PP)，這些指標(biāo)與水環(huán)境質(zhì)量和水體的富營(yíng)養(yǎng)化密切相關(guān)。③除了上述這些指標(biāo)，現(xiàn)在許多研究通過(guò)“突變點(diǎn)”法判斷土壤磷素流失潛能的閾值及其流失的潛力?！巴蛔凕c(diǎn)”法是Hesketh和Brookes[17]提出的，即用土壤Olsen-P含量與CaCl2-P含量分別為橫軸和縱軸作相關(guān)曲線，曲線上的轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的Olsen-P含量即為該土壤的磷素淋溶的“突變點(diǎn)”；當(dāng)土壤Olsen-P含量小于“突變點(diǎn)”時(shí)，不會(huì)發(fā)生磷素淋溶；反之，當(dāng)土壤Olsen-P含量大于“突變點(diǎn)”時(shí)，就會(huì)發(fā)生磷素淋溶。

研究表明，當(dāng)土壤中Olsen-P含量超過(guò)某一臨界值(拐點(diǎn)值)時(shí)，土壤淋出液中磷含量呈線性增長(zhǎng)[18]。目前很多研究中用0.01 mol/LCaCl2浸提土壤中的磷(CaCl2-P)，與徑流或淋溶液中生物可利用磷呈正相關(guān)關(guān)系，表征土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)[19]。還有一些研究表明，土壤有機(jī)磷含量與淋洗液DP含量的相關(guān)性?xún)H次于CaCl2-P，有機(jī)磷與土壤測(cè)試磷如Olsen-P、CaCl2-P、H2O-P、NaOH-P(用0.1 mol/L NaOH浸提，表征土壤生物有效性磷源)、Bray1-P含量均達(dá)極顯著相關(guān)關(guān)系(<0.01)，表明土壤有機(jī)磷也可以作為評(píng)價(jià)蔬菜地土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)之一[20]。土壤Fe-P與徑流中藻類(lèi)有效磷含量存在顯著的線性關(guān)系，但Fe-P對(duì)反映土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)的敏感性還有待客觀系統(tǒng)地進(jìn)行評(píng)價(jià)[21-23]。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，水環(huán)境中TP含量超過(guò)0.10 mg/L即定義為水體富營(yíng)養(yǎng)化。PP雖然不能被水體中藻類(lèi)直接利用，但在流失過(guò)程中會(huì)逐漸釋放出有效態(tài)磷而被藻類(lèi)吸收利用，是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素[24]。研究表明，土壤有效磷中58.0% ～ 98.0% 的成分可以轉(zhuǎn)化為水中的DP[22]；Olsen-P、TP等磷指標(biāo)，與徑流或淋溶液中TP、DP等水環(huán)境磷指標(biāo)呈正相關(guān)關(guān)系[17,25-26]，即土壤中磷累積量越高，磷的流失風(fēng)險(xiǎn)將越大。劉蕾等[27]利用Olsen-P和CaCl2-P，確定了北方設(shè)施菜地栗鈣土的磷素淋溶閾值為33.8 mg/kg，即當(dāng)Olsen-P含量<33.8 mg/kg時(shí)，土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)較低；當(dāng)Olsen-P 含量>33.8 mg/kg時(shí)，淋失風(fēng)險(xiǎn)急劇上升。當(dāng)前也有一些研究通過(guò)土–水磷素間的線性關(guān)系來(lái)確定土壤磷素的流失閾值。羅泉達(dá)等[20]采用連續(xù)淋洗模擬土壤磷素淋失，以DP濃度為0.05 mg/L作為引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化的臨界值，與CaCl2-P和有機(jī)磷分別建立趨勢(shì)線方程，獲得引起福州菜地土壤磷素淋失的CaCl2-P、有機(jī)磷(采用灼燒法測(cè)定)閾值分別為14.1 mg/kg和206 mg/kg。

2.2 土壤磷吸附飽和度法

土壤磷吸附飽和度(DPS)是土壤膠體上已吸附磷的數(shù)量占土壤磷總吸附容量的百分?jǐn)?shù)[28]，可以用來(lái)表征土壤磷的釋放潛力和流失風(fēng)險(xiǎn)。目前報(bào)道的估算DPS的方法中，最常見(jiàn)的方法是根據(jù)草酸銨提取的磷、鋁和鐵含量(Pox、Alox、Feox)，利用公式DPS(%)=Pox/(Feox+Alox)×100計(jì)算得到[29]。式中是通過(guò)建立土壤飽和吸磷量與影響土壤磷吸附的土壤特征值間的相關(guān)關(guān)系而計(jì)算得到的，通常取值0.5或1.0[29-30]。但不同供試土壤的理化性質(zhì)不同，統(tǒng)一取值是不科學(xué)的，可以根據(jù)公式=PSC/(Feox+ Alox)×100計(jì)算獲得，式中PSC為土壤可吸附磷的總量(mmol/kg)[30]。許杏紅等[30]通過(guò)此公式計(jì)算出長(zhǎng)期施肥的旱地紅壤α取值范圍為0.71 ～ 0.81。荷蘭將DPS為25.0% 作為非鈣質(zhì)土壤環(huán)境閾值，當(dāng)磷飽和度小于25.0% 時(shí)，地表水中磷濃度隨土壤磷飽和度增加呈緩慢增加趨勢(shì)，增加幅度較小；但當(dāng)土壤磷飽和度超過(guò)25.0% 時(shí)，地表水中磷濃度隨土壤磷飽和度增加呈顯著的指數(shù)增加[31]。但此方法不適用于高pH的土壤，尤其是石灰性土壤[32-33]。另一種方法是通過(guò)土壤對(duì)磷酸鹽的等溫吸附試驗(yàn)，利用Langmuir方程獲取的磷素最大吸附量計(jì)算DPS，其也是目前計(jì)算DPS應(yīng)用較多的方法[34-36]。黃東風(fēng)等[34]根據(jù)Langmuir方程中土壤磷最大吸附量及土壤Olsen-P含量計(jì)算DPS，發(fā)現(xiàn)福州灰黃泥菜園土(pH<7.0)的DPS平均為23.1%。DPS受菜地的種植年限和磷肥施用量影響較大。高秀美等[35]用這種方法計(jì)算南京菜地土壤(pH<7.0)的DPS，發(fā)現(xiàn)DPS隨種植年限延長(zhǎng)而升高，對(duì)0 ～ 5 cm土層，種植年限為3 ～ 5年的菜地DPS為15.2%，種植年限25 ～ 30年的菜地 DPS為30.0%。在石灰性土上，隨著磷肥和有機(jī)肥用量的增加，0 ～ 20 cm土層 DPS有增加趨勢(shì)[36]。

2.3 模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)

目前應(yīng)用于農(nóng)業(yè)面源污染研究領(lǐng)域的模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法主要有野外實(shí)測(cè)法、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皺C(jī)理模型等(圖1)。野外實(shí)測(cè)法因其能夠計(jì)算磷污染輸出負(fù)荷、直觀反映污染輸出規(guī)律、結(jié)果可信度高等優(yōu)點(diǎn)，是面源污染研究中最常用且應(yīng)用最為廣泛的一種方法，但該方法投入成本大，運(yùn)行周期長(zhǎng)[37-38]。輸出系數(shù)法、污染指數(shù)法及通用土壤流失方程都屬于簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。輸出系?shù)法可以估算污染輸出負(fù)荷，需要一定的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[39-41]。污染指數(shù)法可以評(píng)價(jià)流域內(nèi)不同地區(qū)發(fā)生磷流失危險(xiǎn)性高低，但指數(shù)體系的確定缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，主觀性較強(qiáng)。磷指數(shù)評(píng)價(jià)法是較為常用的評(píng)估土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的方法[42-43]。通用土壤流失方程則主要針對(duì)坡地土壤侵蝕預(yù)測(cè)[44-45]。除上述經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯?，以面源污染形成機(jī)理為研究基礎(chǔ)的面源污染物理模型則屬于機(jī)理模型，在了解污染產(chǎn)生、遷移及轉(zhuǎn)化的同時(shí)還可以預(yù)測(cè)污染變化，但模型復(fù)雜、數(shù)據(jù)需求量大、計(jì)算效率低。目前應(yīng)用較多的物理模型包括SWAT、AGNPS、HSPF及ANSWERS等[46]，這些模型多用于流域尺度上的面源污染排放評(píng)價(jià)。劉欽普[47]優(yōu)化了瑞典科學(xué)家Lars Hakanson提出的重金屬污染環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法，設(shè)計(jì)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，評(píng)價(jià)農(nóng)田的氮磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。李玲等[48]運(yùn)用環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)模型，評(píng)估了河北省不同利用方式農(nóng)田土壤磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)特征，結(jié)果表明，菜地磷的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)為0.83，較糧田和果園磷損失更為嚴(yán)重。由于包括磷在內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染物傳輸存在較強(qiáng)的空間異質(zhì)性，目前基于田塊或小流域?qū)崪y(cè)結(jié)果或經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷饶M預(yù)測(cè)向全國(guó)范圍推廣運(yùn)用還存在較大難度。

3 高投入菜地土壤磷素環(huán)境閾值特征

由于土壤中磷的數(shù)量、種類(lèi)及形態(tài)存在較大差異，同時(shí)磷素吸附、固定及解吸的機(jī)制也具有差異，這些差異必將導(dǎo)致磷從固相進(jìn)入液相的數(shù)量不同，并影響Olsen-P與CaCl2-P之間的關(guān)系，也就是說(shuō)不同的土壤具有不同的磷損失臨界值。因此，菜地土壤磷素環(huán)境閾值因磷源種類(lèi)及投入量、種植模式、土壤性質(zhì)、土壤類(lèi)型等的變化而不同。

土壤有效磷水平是決定農(nóng)田磷素流失的首要因素，磷的淋失量隨磷肥和有機(jī)肥投入量的增加而增加，但不同磷肥種類(lèi)淋失程度存在差異。研究表明，在青紫泥田菜地土壤中，當(dāng)磷肥用量低于150 kg/hm2時(shí)，施用有機(jī)肥處理的磷淋失量大于施用化肥處理；當(dāng)磷肥用量超過(guò)200 kg/hm2時(shí)，施用化肥處理的磷流失量比施用有機(jī)肥處理大[49]。牛君仿等[50]研究顯示，河北省石灰性設(shè)施菜地土壤以無(wú)機(jī)磷肥作為磷源的磷素環(huán)境閾值為199 mg/kg，高于有機(jī)肥源(風(fēng)干腐熟豬糞)磷素環(huán)境閾值(87.8 mg/kg)。植酸作為有機(jī)磷的主要組分容易與土壤的鐵鋁氧化物結(jié)合，不易發(fā)生遷移。而糞肥施入土壤后，一方面有機(jī)物料釋放的有機(jī)酸會(huì)和正磷酸鹽競(jìng)爭(zhēng)土壤鐵、鋁化合物的位點(diǎn)，導(dǎo)致土壤降低對(duì)磷的吸附強(qiáng)度[51]，提高土壤Olsen-P含量，或者有機(jī)酸會(huì)通過(guò)促進(jìn)磷素礦化進(jìn)而導(dǎo)致磷酸鹽的遷移[52]；另一方面，糞肥中含有的部分活性有機(jī)磷遷移速率較快等原因均會(huì)導(dǎo)致較高的磷流失風(fēng)險(xiǎn)。但在磷高飽和土壤中，投入相同量磷肥的條件下，施用無(wú)機(jī)磷肥對(duì)土壤CaCl2-P的提升速率高于有機(jī)磷肥，即使無(wú)機(jī)肥源磷淋溶閾值大大高于有機(jī)肥源磷處理，但無(wú)機(jī)肥源磷帶來(lái)的淋溶風(fēng)險(xiǎn)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有機(jī)肥[50]。

研究發(fā)現(xiàn)，磷的環(huán)境閾值和土壤pH密切相關(guān)。當(dāng)土壤pH<6.0時(shí)，磷的損失閾值隨土壤pH的增加而增加，而在pH>6.0的土壤中，磷的損失閾值隨pH的增加而減小[53]，這是因?yàn)閜H介導(dǎo)的土壤鐵鋁氧化物對(duì)磷的吸附解吸差異造成的。當(dāng)土壤pH<6.0時(shí)，土壤對(duì)磷的吸附能力隨pH增加而降低；而在pH>6.0的土壤中，土壤對(duì)磷的吸附能力則是隨pH增加而增強(qiáng)[53]。換言之，土壤對(duì)磷的吸附解吸可能在一定程度上決定磷的環(huán)境閾值大小。受土壤性質(zhì)的影響，不同土壤類(lèi)型磷的環(huán)境閾值差異也很大。王榮萍等[54]研究了廣東省不同質(zhì)地土壤磷素環(huán)境閾值，結(jié)果表明，壤質(zhì)黏土磷的淋失風(fēng)險(xiǎn)最小，砂質(zhì)壤土磷的淋失風(fēng)險(xiǎn)最大。因此，針對(duì)不同土壤類(lèi)型的菜地需要進(jìn)行不同的施肥管理，從而降低土壤磷的損失風(fēng)險(xiǎn)。

由于土壤磷素環(huán)境閾值受到多種因素影響，因此，我國(guó)不同地區(qū)的菜地土壤Olsen-P的環(huán)境閾值存在較大差異，范圍在8.63 ～ 96.6 mg/kg(表1)。與集約化糧田系統(tǒng)相比，菜地土壤是高磷肥、高有機(jī)肥投入的高磷累積土壤，并且具有灌溉強(qiáng)度大、復(fù)種指數(shù)高等特點(diǎn)。目前糧田土壤有效磷含量基本低于磷環(huán)境閾值，而菜地土壤有效磷含量通常是遠(yuǎn)大于環(huán)境閾值(表1)，因此相較于糧田，菜地具有更高的磷損失風(fēng)險(xiǎn)。

表1 不同種植類(lèi)型土壤磷環(huán)境閾值及土壤Olsen-P含量文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)

4 基于菜地磷農(nóng)學(xué)效率的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 高投入菜地有效磷農(nóng)學(xué)閾值及其研究方法

有效磷農(nóng)學(xué)閾值反映了土壤有效磷含量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系，當(dāng)土壤有效磷含量低于某一臨界值時(shí)，作物產(chǎn)量隨磷肥施用量提高而顯著提高；相反，當(dāng)土壤有效磷含量高于這個(gè)臨界值時(shí)，作物產(chǎn)量則隨磷肥施用量的提高而維持不變甚至降低[61-62]，這一臨界值就定義為有效磷農(nóng)學(xué)閾值。研究菜地土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值對(duì)菜地養(yǎng)分管理具有重要意義，但由于蔬菜種類(lèi)多，又有露天和設(shè)施之分，加之有機(jī)肥投入比重相對(duì)大等特點(diǎn)均增加了菜地有效磷農(nóng)學(xué)閾值研究的復(fù)雜性[63]。目前，確定土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值的方法主要有：模型法和Cate-Nelson十字交叉法[64]。

模型法包括線性–線性模型、線性–平臺(tái)模型、擬合米切里西方程(指數(shù)方程)和二元多項(xiàng)式等，根據(jù)土壤有效磷含量及蔬菜產(chǎn)量擬合模型確定農(nóng)學(xué)閾值。李冬初等[65]利用3種模型擬合小麥和玉米產(chǎn)量與紅壤Olsen-P含量的響應(yīng)關(guān)系，其農(nóng)學(xué)閾值范圍分別為13.5 ～ 28.8 mg/kg和23.4 ～ 46.0 mg/kg。李宇虹等[63]用線性–平臺(tái)模型，基于文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)蔬菜類(lèi)型、種植模式及磷肥種類(lèi)均對(duì)菜地土壤Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值有較大影響：果菜農(nóng)學(xué)閾值(56.7 mg/kg)高于葉菜(39.1 mg/kg)，設(shè)施菜地農(nóng)學(xué)閾值(25.7 mg/kg)高于露天菜地(19.8 mg/kg)，不施有機(jī)肥的露天菜地土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值(27.0 mg /kg)顯著高于施用有機(jī)肥的露天菜地(19.8 mg/kg)。張永起等[66]通過(guò)不同方法浸提土壤有效磷，從而建立有效磷含量與蔬菜相對(duì)產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型，研究發(fā)現(xiàn)，廣東省蔬菜達(dá)到95% 相對(duì)產(chǎn)量時(shí)，Olsen-P>81.0 mg/kg，Mehlich1-P>179 mg/kg，Mehlich3-P>165 mg/kg，ASI>98.0 mg/kg。Liang等[67]通過(guò)擬合莧菜產(chǎn)量與土壤Olsen-P含量的二次多項(xiàng)式方程，確定達(dá)到莧菜田間最大產(chǎn)量95% 的Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值為101 mg/kg。

Cate-Nelson十字交叉法：畫(huà)兩條分別平行于X軸和Y軸的直線，兩直線組成一個(gè)十字架；確定Y軸位置，移動(dòng)十字架，使分布在左上象限和右下象限的點(diǎn)盡量少，所得垂線與X軸的交點(diǎn)即為有效磷農(nóng)學(xué)閾值[68]。魯明星等[69]利用該方法研究得到達(dá)到油菜90% 相對(duì)產(chǎn)量的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值為20.2 mg/kg。章明奎等[70]采用同樣的方法得出，在浙北平原地區(qū)，蔬菜正常生長(zhǎng)對(duì)土壤有效磷的要求比水稻更高，水稻相對(duì)產(chǎn)量在95% 以上時(shí)土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值為20.0 mg/kg，土壤有效磷含量高于這一閥值，磷肥施用的增產(chǎn)效果明顯降低；而蔬菜相對(duì)產(chǎn)量在95% 以上的有效磷水平約為40.0 mg/kg。模型法是目前農(nóng)學(xué)閾值計(jì)算最常用的方法，但模型法劃分閾值等級(jí)具有一定的主觀性，而Cate-Nelson十字交叉法建立的分級(jí)較為簡(jiǎn)單且統(tǒng)計(jì)相對(duì)合理[68]。

4.2 基于菜地磷農(nóng)學(xué)效率的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前菜地土壤的環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值已有不少研究，但大部分研究未綜合考慮菜地土壤的環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值。姜波等[56]研究結(jié)果表明，杭州市郊菜地土壤磷素淋溶閾值為76.2 mg/kg，60% 的菜地土壤存在磷素流失風(fēng)險(xiǎn)，且環(huán)境閾值大于農(nóng)學(xué)閾值(60.0 mg/kg)。從目前已有的研究結(jié)果看，菜地土壤磷的農(nóng)學(xué)閾值通常低于環(huán)境閾值(表1，表2)。我國(guó)不同地區(qū)的菜地土壤Olsen-P的環(huán)境閾值集中在60.0 ～ 80.0 mg/kg(表1)，而菜地土壤Olsen-P的農(nóng)學(xué)閾值集中在40.0 ～ 60.0 mg/kg(表2)，但無(wú)論是環(huán)境閾值還是農(nóng)學(xué)閾值，菜地通常高于糧田。章明奎等[70]綜合考慮浙北平原菜地有效磷的環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值，提出菜地土壤有效磷應(yīng)控制在40.0 ～ 50.0 mg/kg，既可以確保作物正常生長(zhǎng)的需要，又不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的負(fù)面影響。但是由于農(nóng)學(xué)閾值和環(huán)境閾值因土壤類(lèi)型、種植類(lèi)型、菜地種植年限等因素影響而差異較大，不同區(qū)域應(yīng)制定明確的土壤有效磷控制范圍。因此，了解磷素在菜地土壤中的累積現(xiàn)狀及特征，確定蔬菜高產(chǎn)和環(huán)境友好的土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值和環(huán)境閾值，將土壤有效磷水平維持在既能滿(mǎn)足蔬菜高產(chǎn)需求又能降低磷流失風(fēng)險(xiǎn)的最佳范圍，以實(shí)現(xiàn)菜地磷養(yǎng)分的最佳管理，是今后蔬菜種植體系綠色可持續(xù)發(fā)展的方向。

表2 不同種植類(lèi)型土壤磷農(nóng)學(xué)閾值文獻(xiàn)調(diào)研數(shù)據(jù)

5 展望

適宜的土壤有效磷水平對(duì)保證蔬菜產(chǎn)量和水體安全具有十分重要的作用。如何解決當(dāng)前以犧牲環(huán)境為代價(jià)的蔬菜高產(chǎn)生產(chǎn)模式弊端，這需要將現(xiàn)有的農(nóng)藝、評(píng)價(jià)手段以及環(huán)境因素進(jìn)行綜合考量，從而指導(dǎo)菜地磷養(yǎng)分科學(xué)管理。但目前大部分的研究通常割裂了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)，未將菜地磷的環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值進(jìn)行綜合考慮。在確定菜地農(nóng)學(xué)閾值基礎(chǔ)上，一方面保證蔬菜產(chǎn)量，另一方面維持良好的水體環(huán)境，指導(dǎo)菜農(nóng)科學(xué)施肥是我國(guó)菜地磷養(yǎng)分資源管理的主要目標(biāo)之一。但目前存在的問(wèn)題是沒(méi)有統(tǒng)一的指標(biāo)表征環(huán)境閾值和農(nóng)學(xué)閾值，土壤有效磷是用Olsen-P還是Mehlich 1-P來(lái)表征？同樣也沒(méi)有統(tǒng)一的方法確定環(huán)境閾值，環(huán)境閾值是用測(cè)試磷法還是模型預(yù)測(cè)法來(lái)確定？測(cè)試磷法是Olsen-P和CaCl2-P的拐點(diǎn)，還是TP和CaCl2-P的拐點(diǎn)？因此，結(jié)合我國(guó)菜地施磷現(xiàn)狀以及菜地土壤磷素累積特征，通過(guò)土壤磷測(cè)試方法結(jié)合模型擬合，對(duì)以往經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行優(yōu)化，建立更適合高投入蔬菜種植體系土壤磷素豐缺評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于菜地磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)十分必要。針對(duì)高投入體系亟待制定適合各蔬菜主產(chǎn)區(qū)的磷肥投入限量標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)降低該生產(chǎn)體系帶來(lái)的環(huán)境壓力。大部分大田作物的農(nóng)學(xué)閾值低于環(huán)境閾值，但是菜地因?yàn)橥寥雷陨砹桌鄯e量高，可能會(huì)是農(nóng)學(xué)閾值低于環(huán)境閾值，也可能是環(huán)境閾值低于農(nóng)學(xué)閾值，甚至二者重合。在農(nóng)學(xué)閾值低于環(huán)境閾值的蔬菜種植區(qū)，應(yīng)減少磷肥的施用，也包括減少有機(jī)磷肥的施用，同時(shí)以蔬菜與其他糧食作物輪作的種植模式替代菜–菜輪作，如稻–菜輪作。制訂基于同時(shí)考慮農(nóng)學(xué)和環(huán)境效應(yīng)的菜地磷肥限量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于緩解我國(guó)高投入種植體系中磷肥投入過(guò)量與生態(tài)環(huán)境代價(jià)高的矛盾，在促進(jìn)農(nóng)民節(jié)本增收的同時(shí)保障農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。目前隨著有機(jī)肥替代化肥技術(shù)在我國(guó)蔬菜減磷增效生產(chǎn)中推廣應(yīng)用范圍擴(kuò)大，對(duì)于今后菜地磷污染排放特征及其影響也值得進(jìn)一步深入研究。

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Research Progresses on Environmental and Agriculture Thresholds of Soil Phosphorus in High-input Vegetable Fields

WANG Rui1,2, ZHONG Yueming1, LI Huimin1,2, SHI Weiming1, LI Yilin1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Maintaining an appropriate soil available phosphorus (P) level is vital to ensure vegetable production and water safety. The significant feature of the current vegetable production system’s phosphate fertilizer input is massive and frequency, which causes a large amount of P accumulated in the soil, further, increasing the movement of P and causing environmental risks. It is generally believed that soil P environmental threshold of vegetable fields is higher than that of farmland, however, the irrigation and phosphate fertilizer application of vegetable fields were much higher than those of farmland. Therefore, P is still easier to loss from vegetable fields than farmland. Results of literature investigation showed that, environmental thresholds of vegetable fields varied among different regions in our country, mainly within P 60.0 – 80.0 mg/kg. The available P contents in vegetable fields were usually higher than their environmental thresholds, while the available P contents in croplands were usually lower than their environmental thresholds, which meant the vegetable fields had higher environmental risks than croplands. Furthermore, we found that there was a common phenomenon that the agriculture threshold of vegetable P is higher than that of cereal crops, reflecting high P requirement of vegetables. Therefore, only reducing the amount of phosphate fertilizer to mitigate the risk of P loss in vegetable fields might lead to vegetable production decline. Accordingly, on the basis of understanding the current status and characteristics of P accumulation in vegetable fields, and clarifying the agriculture and environmental threshold of soil available P for high vegetable yield and sustainable development of vegetable production, soil available P can be maintained at a level that meet the high-yield demand of vegetable plants and low P loss by optimizing the amount of P, thus achieving the best P management in vegetable fields.

Vegetable production system; Phosphorus; Environmental threshold; Agriculture threshold; Phosphorus management

王瑞, 仲月明, 李慧敏, 等. 高投入菜地土壤磷素環(huán)境與農(nóng)學(xué)閾值研究進(jìn)展. 土壤, 2022, 54(1): 1–8.

X820.4；S19

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.01.001

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31872957)資助。

(ylli@issas.ac.cn)

王瑞(1993—)，女，山東棗莊人，博士研究生，主要從事蔬菜磷素高效利用生理機(jī)制及菜地磷面源污染研究。E-mail: rwang@issas.ac.cn