山西主要土壤磷淋溶臨界值與其理化性質(zhì)的關(guān)系

李麗君，霍晨，劉平*，霍曉蘭，馬琳杰，惠薇

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，太原 030031；2.山西省土壤環(huán)境與養(yǎng)分資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030031；3.山西大學(xué) 生物工程學(xué)院，太原 030006）

0 引言1

【研究意義】磷是植物生長(zhǎng)的重要元素之一。土壤中磷的過(guò)量積累會(huì)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅[1]，降低地表水和地下水質(zhì)量[2-3]。由過(guò)量施肥或施肥不當(dāng)造成的農(nóng)田磷流失不僅會(huì)導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本上升，還會(huì)污染水環(huán)境，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[4]。在以往根據(jù)土壤有效磷量來(lái)決定施肥量的研究中，考慮作物養(yǎng)分需求與土壤磷水平的研究較多，而兼顧磷淋溶閾值與土壤磷生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的研究較少[5-6]。探究土壤磷淋溶閾值及其與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，對(duì)于降低土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

【研究進(jìn)展】Hesketh 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，不同類(lèi)型土壤的CaCl2浸提磷突變點(diǎn)和在長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)中測(cè)得的Olsen-P 量變化點(diǎn)之間具有高度一致性，可見(jiàn)該方法可以提供有效的土壤磷淋溶指標(biāo)。呂家瓏等[8]基于Broadbalk 長(zhǎng)期施肥試驗(yàn)與淋溶試驗(yàn)，證實(shí)了突變點(diǎn)法預(yù)測(cè)土壤磷淋溶趨勢(shì)是可行的。張瑞龍等[9]分別測(cè)定了秦嶺北麓的獼猴桃園和小麥-玉米輪作2 類(lèi)土壤耕層和剖面的Olsen-P 量與CaCl2-P 量，發(fā)現(xiàn)前者的磷淋失突變點(diǎn)的Olsen-P 量為40.1 mg/kg，具有較大的淋溶風(fēng)險(xiǎn)；后者土壤磷積累量較低，沒(méi)有突變點(diǎn)，淋溶風(fēng)險(xiǎn)很低。劉利花等[10]對(duì)長(zhǎng)期不同施肥土壤中的磷淋溶趨勢(shì)的研究表明，土壤耕層Olsen-P 量為23.0 mg/kg，為土壤發(fā)生磷淋溶的閾值。研究表明，土壤pH 值、鹽分種類(lèi)、氧化還原電位及鐵鋁氧化物等土壤理化性質(zhì)的差異必然會(huì)導(dǎo)致土壤中磷量、可溶性和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)的不同[11]。聶敏等[12]選取了我國(guó)16種典型的可變電荷土壤，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可變電荷土壤的pH 值、黏粒量、氧化鐵鋁量、有機(jī)質(zhì)量、交換性鈣和鎂量等會(huì)對(duì)土壤臨界點(diǎn)的Olsen-P 量具有顯著影響。

【切入點(diǎn)】根據(jù)山西省第二次土壤普查的土壤分類(lèi)結(jié)果[13]，占據(jù)山西省土壤總面積百分比最大的5個(gè)土壤類(lèi)別分別為褐土、栗褐土、中性粗骨土、黃綿土、潮土，這5 種土壤共占山西總土壤面積的88.51%。目前，關(guān)于山西省土壤磷特征及變化規(guī)律的報(bào)道較多，而關(guān)于山西省不同土壤類(lèi)型磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)的研究報(bào)道較少。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】鑒于此，本研究以山西省土壤類(lèi)型占比最大的5 類(lèi)土壤為研究對(duì)象，探究土壤磷淋溶閾值及其與土壤基本理化性質(zhì)之間的關(guān)系，為土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

5 種供試土壤采集于2019年7月。其中，褐土（T1）采集于壽陽(yáng)縣，栗褐土（T2）采集于山陰縣合盛堡鄉(xiāng)西雙山村，中性粗骨土（T3）采集于陽(yáng)城縣西河鄉(xiāng)上東河山莊北部銀匠山，黃綿土（T4）采集于柳林，潮土（T5）采集于榆次市。土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm篩后測(cè)定土壤基本理化性質(zhì)，如表1所示。

表1 土壤理化性質(zhì)Table 1 Soilphysical and chemical properties

1.2 土壤培養(yǎng)試驗(yàn)

土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩，稱(chēng)取100g 土壤置于容量為250mL 的小燒杯中，加入KH2PO4溶液（濃度梯度分別為0、30、40、60、100、160、200、240、300、400 mg/kg），并調(diào)節(jié)土壤含水率至50%田間持水率，在25℃室溫下培養(yǎng)4d 后風(fēng)干，再次加入去離子水以調(diào)節(jié)土壤含水率，培養(yǎng)風(fēng)干，同樣操作進(jìn)行3 次干濕交替后，使土壤中磷達(dá)到平衡狀態(tài)[14]，土壤培養(yǎng)試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3 次。用NaHCO3溶液和CaCl2溶液分別浸提測(cè)定土壤磷量，參照的田間持水率為20%（質(zhì)量含水率）。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

利用重鉻酸鉀-硫酸外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)量；利用吸管法測(cè)定土壤機(jī)械組成。

土壤Olsen-P 的測(cè)定：取土樣2.5 g，用pH 值為8.5 的50 mL 0.5mol/L 的NaHCO3溶液震蕩30min 浸提，利用紫外分光光度計(jì)和鉬銻抗比色法測(cè)定。

土壤CaCl2-P 的測(cè)定：取土樣2 g，用20 mL 的0.01 mol/L 的CaCl2溶液震蕩1h 浸提（1∶5 土水比），利用紫外分光光度計(jì)和鉬銻抗比色法測(cè)定。

活性鐵鋁的測(cè)定：用pH 值為3.0～3.2 的0.2 mol/L酸性草酸銨緩沖溶液浸提，利用試鐵靈比色方法測(cè)定[15]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用Excel 2007 軟件進(jìn)行，方差分析采用SPSS24.0 進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤Olsen-P 量與CaCl2-P 量的關(guān)系分析

5 種供試土壤CaCl2-P 量都隨Olsen-P 量的增加而提高，以O(shè)lsen-P 量為橫坐標(biāo)，CaCl2-P 量為縱坐標(biāo)繪制相關(guān)曲線，得出土壤Olsen-P 與CaCl2-P 的分段關(guān)系方程。高于拐點(diǎn)的Olsen-P 量與CaCl2-P 量之間的關(guān)系方程斜率最大，而低于拐點(diǎn)的Olsen-P 量與CaCl2-P 量之間的關(guān)系方程斜率最小，并且2 段方程的相關(guān)系數(shù)均最高。2 條斜率不同的直線之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該轉(zhuǎn)折點(diǎn)的土壤Olsen-P 量就是此類(lèi)土壤磷素淋失的臨界值。供試土壤的磷素淋溶臨界值分布在23.3～73.5 mg/kg 之間。

如圖1所示，當(dāng)Olsen-P 量高于73.5 mg/kg 時(shí)，T1土壤的CaCl2-P量隨Olsen-P量的增加而快速增加，其擬合方程為 CaCl2-P=0.185 Olsen-P-6.013（R2=0.876），此時(shí)CaCl2-P 量約為10.3 mg/kg；當(dāng)土壤Olsen-P 量小于73.5 mg/kg 時(shí)，隨著Olsen-P 量的增加，CaCl2-P 量的增加趨于緩慢，Olsen-P 與CaCl2-P 之間的擬合方程為 CaCl2-P=0.056 Olsen-P+1.795（R2=0.673）。

圖1 不同類(lèi)型土壤Olsen-P 量與CaCl2-P 量的回歸關(guān)系Fig.1 The relationship between different soil Olsen-Pand CaCl2-P

當(dāng)土壤Olsen-P 量小于70.0 mg/kg 時(shí)，T2 土壤CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而緩慢增加，二者擬合方程為CaCl2-P=0.158 Olsen-P+0.087（R2=0.798）；當(dāng)Olsen-P 量大于70.0 mg/kg 時(shí)，CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而迅速增加，此時(shí)擬合方程為CaCl2-P=0.201Olsen-P-3.798（R2=0.915），CaCl2-P量約為14.4 mg/kg。

當(dāng)土壤Olsen-P 量小于23.3 mg/kg 時(shí)，T3 土壤CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而緩慢增加，二者擬合方程為CaCl2-P=0.161 Olsen-P-0.994（R2=0.852）；當(dāng)Olsen-P 量大于23.3 mg/kg 時(shí)，CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而迅速增加，此時(shí)擬合方程為CaCl2-P=0.198 Olsen-P-1.350（R2=0.741），CaCl2-P量約為4.3 mg/kg。

當(dāng)土壤Olsen-P 量小于39.3 mg/kg 時(shí)，T4 土壤CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而緩慢增加，二者擬合方程為CaCl2-P=0.162 Olsen-P-1.377（R2=0.828）；當(dāng)Olsen-P 量大于39.3 mg/kg 時(shí)，CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而迅速增加，擬合方程為CaCl2-P=0.166 Olsen-P-1.023（R2=0.614），此時(shí)CaCl2-P 量約為5.3 mg/kg。

當(dāng)土壤Olsen-P 量小于61.4 mg/kg 時(shí)，T5 土壤CaCl2-P 量隨Olsen-P 量的增加而緩慢增加，二者擬合方程為CaCl2-P=0.139 Olsen-P+3.322（R2=0.754）；當(dāng)Olsen-P 量大于61.4 mg/kg 時(shí)，CaCl2-P 隨Olsen-P量的增加而迅速增加，擬合方程為CaCl2-P=0.423 Olsen-P-14.764（R2=0.920），此時(shí)CaCl2-P 量約為12.9 mg/kg。

5 種供試土壤磷淋失臨界值差異較大。褐土和栗褐土的Olsen-P 突變點(diǎn)十分接近，明顯高于粗骨土、黃綿土和潮土。其中褐土淋失臨界值最高，為73.5 mg/kg；中性粗骨土淋失臨界值最低，為23.3 mg/kg。

2.2 土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系

由表2可知，土壤有機(jī)質(zhì)量與土壤粉粒量、Olsen-P量和CaCl2-P 量之間具有正相關(guān)關(guān)系，與黏粒和活性鐵量之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性不顯著。Olsen-P量與CaCl2-P 量具有顯著的正相關(guān)（P＜0.05），與粉粒量和黏粒量具有負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。CaCl2-P量與黏粒、粉粒量具有負(fù)相關(guān)，但相關(guān)性不顯著。土壤活性鐵量和黏粒量呈正相關(guān)，與粉粒、Olsen-P 量和CaCl2-P 量呈負(fù)相關(guān)。基礎(chǔ)土樣活性鋁量低于檢出下限，因此不參與相關(guān)性分析。

表2 土壤理化性質(zhì)之間的相關(guān)性分析Table 2 The correlative coefficient matrix of soil properties

2.3 土壤磷淋失臨界值與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系分析

磷淋溶臨界值的Olsen-P 量與土壤黏粒、粉粒、有機(jī)質(zhì)、活性鐵量的相關(guān)性如圖2所示。土壤磷淋失臨界值Olsen-P 量與有機(jī)質(zhì)量呈對(duì)數(shù)關(guān)系。土壤磷淋溶臨界值的Olsen-P 量與黏粒量存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，黏粒量越大的土壤淋溶臨界值的Olsen-P 量則越小。淋溶臨界值的Olsen-P 量與粉粒量呈不顯著的線性關(guān)系。土壤活性鐵量與土壤磷淋失臨界值之間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。土壤磷淋失臨界值與黏粒量和活性鐵量的負(fù)相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了顯著水平，說(shuō)明它們之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系是可靠的。綜上所述，影響土壤磷淋失臨界值的主要因素是黏粒量與活性鐵量。

圖2 土壤磷淋失臨界值與土壤理化性質(zhì)的回歸關(guān)系Fig.2 The relationship between soil phosphorus leaching thresholdand soil properties

3 討論

研究表明，由于土壤固定磷酸鹽的能力非常強(qiáng)，通過(guò)土體淋失的磷量是有限的[16]。而英國(guó)洛桑試驗(yàn)站Broadbalk 長(zhǎng)期定位試驗(yàn)的結(jié)果表明，當(dāng)土壤Olsen-P量低于60 mg/kg 時(shí)，從60cm 土層排出水中的總磷量低于0.15 mg/L；但當(dāng)Olsen-P 量超過(guò)60 mg/kg 時(shí)，排出水中的總磷量則呈直線增加[7]。此外，當(dāng)土壤Olsen-P 量超過(guò)60 mg/kg 時(shí)，土壤在0.01 mol/L CaCl2浸提條件下的磷量也急劇增加，存在著一個(gè)明顯的突變點(diǎn)，稱(chēng)為土壤磷酸鹽淋失臨界值。因此，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，向土壤加入一系列濃度的無(wú)機(jī)磷酸鹽以探求土壤磷酸鹽淋失的突變點(diǎn)，從而對(duì)土壤磷酸鹽淋失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估是可行的。

本研究得到山西省5 個(gè)供試土壤磷淋失臨界值分布在23.3～73.5 mg/kg 之間，褐土、栗褐土、中性粗骨土、黃綿土和潮土的淋失臨界值分別為73.5、70.0、23.3、39.3、61.4 mg/kg，褐土和栗褐土的土壤Olsen-P突變點(diǎn)十分接近，并且明顯高于粗骨土、黃綿土和潮土。一般耕地土壤有效磷量均低于此值[17]，因此以上5 種農(nóng)田土壤較一般耕地不易發(fā)生磷淋失。長(zhǎng)期施肥的農(nóng)田尤其是蔬菜保護(hù)地的土壤中容易累積較多的有效磷，當(dāng)Olsen-P 量超過(guò)該臨界值時(shí)就會(huì)發(fā)生磷淋失。褐土臨界值最高，在5 種主要土壤中最不易發(fā)生磷淋失。根據(jù)土壤磷淋失臨界值和土壤有效磷量，可以同時(shí)兼顧環(huán)境淋溶閾值和土壤有效磷農(nóng)學(xué)閾值，從而得出較為合理的施肥量。

土壤磷存在的動(dòng)態(tài)平衡實(shí)際上為土壤磷吸附解吸與沉淀溶解等反應(yīng)的平衡過(guò)程，與土壤有機(jī)質(zhì)量、機(jī)械組成和酸堿反應(yīng)等存在密切的相關(guān)性[18]。于艷梅等[19]對(duì)我國(guó)18 個(gè)省份的14 種典型農(nóng)田土壤進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)田土壤的磷淋溶臨界點(diǎn)差異很大，臨界點(diǎn)隨土壤pH 值、交換性鈣、無(wú)機(jī)碳、沙粒量的增加而減小，隨土壤黏粒、有效磷、有機(jī)碳、活性鐵鋁、交換性鎂量的增加而增大。王靜等[20]研究發(fā)現(xiàn)，磷的淋溶損失受土壤黏粒量的影響較大，尤其當(dāng)土壤的黏粒量很高時(shí)，它的影響程度表現(xiàn)更明顯。鐘曉英等[14]研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷淋失臨界值主要受制于土壤有機(jī)質(zhì)和活性鐵鋁量。

本試驗(yàn)結(jié)果表明，供試土壤磷淋失臨界值與黏粒量和活性鐵量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)和粉粒量相關(guān)關(guān)系不顯著。可能是黏粒量影響了磷的解吸量和解吸率，從而間接影響到土壤對(duì)磷的吸附量和淋失臨界值。黃全能等[21]研究發(fā)現(xiàn)磷吸附最大值與土壤有機(jī)質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與本文結(jié)論相符合，推測(cè)其原因是土壤有機(jī)質(zhì)降低鐵鋁的活性，導(dǎo)致土壤吸附固定磷能力減小。而鐘曉英等[14]研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷淋失臨界值主要受制于土壤有機(jī)質(zhì)和活性鐵鋁量，其與土壤活性鐵量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，并且隨土壤酸堿度而變化，與本文結(jié)論相反。原因可能是土壤類(lèi)型不同導(dǎo)致相異的試驗(yàn)結(jié)果，具體原因還有待進(jìn)一步研究。這也反映了土壤吸附磷的復(fù)雜性和不同土壤吸附磷機(jī)制的差異。

對(duì)于山西主要耕地土壤來(lái)說(shuō)，土壤磷淋失臨界值受制于黏粒和活性鐵量。因此，可以通過(guò)黏粒和活性鐵量初步評(píng)估預(yù)測(cè)土壤磷淋失臨界值，推測(cè)土壤磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)大小，但其機(jī)理需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

山西省5 種主要土壤的磷淋溶閾值有差異，褐土和栗褐土的淋失環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)明顯高于粗骨土、黃綿土和潮土。

供試土壤磷淋失臨界值與黏粒量和活性鐵量存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與有機(jī)質(zhì)和粉粒量相關(guān)關(guān)系不顯著。生產(chǎn)實(shí)踐中，可以通過(guò)土壤黏粒量和活性鐵量評(píng)估不同土壤磷淋失風(fēng)險(xiǎn)。

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