坡位與利用方式對紅壤磷素儲存容量的影響差異

關鍵詞：紅壤坡耕地；土壤磷儲存容量；利用方式；磷流失風險；孫家小流域

《第一次全國污染源普查公報（2010）》顯示我國農(nóng)業(yè)源磷的流失量占全國磷排放總量的67.4%，而土壤磷向環(huán)境大量釋放是導致農(nóng)業(yè)源磷流失量日益增加的主要原因。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，外源磷肥被長期大量地施入農(nóng)田以確保作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，但磷肥的當季利用率一般僅有10%～25%，大部分外源磷被殘留在土壤中而成為遺存磷；隨著土壤遺存磷累積量的增加，土壤磷向周圍環(huán)境釋放潛能與流失風險也隨之增大。因此，如何快速有效地評估與判斷土壤遺存磷的流失風險、合理估算土壤可繼續(xù)容納外源磷的“安全容量”是農(nóng)業(yè)源磷釋放與流失管控的重要方面。

土壤磷飽和度（DPS）是指土壤中可提取態(tài)磷占土壤磷吸附容量的百分比，被廣泛用來評價土壤磷的流失風險，當土壤DPS超過DPS的臨界閾值（Threshold DPS）時，土壤磷極易流失進入水體環(huán)境。DPS計算公式中的飽和系數(shù)a是受土壤因子影響且通過試驗得到的經(jīng)驗值，其取值的大小將直接影響土壤DPS的準確計算與土壤磷流失風險的精準判斷；雖然a=0.5被廣泛采用，但統(tǒng)一取值的a則意味著供試土壤具有相同或近似的理化性質(zhì)，這是不科學的。為了克服DPS計算中a取值的波動性及土壤磷素流失風險評估的精準度，Nair等基于DPS理論提出并建立了土壤磷素儲存容量（Soil phosphorus stor-age capacity，SPSC）的概念及計算方法，首次忽略了飽和系數(shù)。直接采用磷飽和率（PSR）對SPSC進行計算，使得SPSC的計算值可以直接評估與預測土壤磷飽和狀態(tài)及流失風險。SPSC是指在土壤磷達到環(huán)境淋失風險前土壤可繼續(xù)容納外源磷的數(shù)量，SPSC=0是判斷土壤磷是否具有淋失風險的轉折點，也是判斷土壤是磷的“源”或“匯”的拐點。SPSCgt;0時，土壤為磷的匯、可以繼續(xù)容納外源磷；SPSClt;0時，土壤為磷的源、不能繼續(xù)容納外源磷。SPSC計算公式中的土壤磷飽和率（PSR）的臨界閾值（Threshold PSR）是由土壤PSR與水溶性磷（CaCl2-P）含量擬合曲線的“拐點”坐標值確定的，即當土壤PSR超過ThresholdPSR時，CaCl2-P的濃度急劇增加，土壤磷的流失風險也隨之增大。與DPS計算結果相比，SPSC的計算結果相對更加準確且受土壤因子影響相對較小，通過SPSC值不僅能識別土壤低磷吸附能力引起的流失風險，避免因土壤磷含量高而固持能力低導致對磷流失風險的錯誤估計，還可以準確預測土壤磷達到流失風險閾值前土壤具有繼續(xù)容納外源磷的容量，彌補了DPS不能估算土壤磷“安全容量”的不足。隨著SP-SC概念的提出，國外學者們基于SPSC理論在土壤磷的固持容量及流失風險的探索與研究中發(fā)現(xiàn)，SPSC具有廣泛的適用性與磷素流失風險判斷的準確性，但國內(nèi)應用SPSC理論開展的相關研究仍顯不足。

紅壤是我國南方地區(qū)最主要的土壤類型，所分布區(qū)域是糧食生產(chǎn)基地，且多分布于丘陵崗地，區(qū)域降雨強度大、分布集中、水土流失與土壤侵蝕頻發(fā)，因土壤磷釋放導致的水體污染現(xiàn)象日益嚴重。紅壤小流域是構成南方紅壤丘陵山地最基本的地形地貌單元，復雜的水文過程及時空分異特征顯著的土壤水是土壤磷遷移淋失的重要驅動力；土地利用方式多樣及土壤水環(huán)境多變也為土壤磷分布、轉化與流失創(chuàng)造了條件。為了更好地開展小流域多尺度上水文過程中土壤養(yǎng)分循環(huán)與遷移研究，中國科學院南京土壤研究所建立了江西鷹潭孫家典型紅壤小流域觀測站。因此，本研究以孫家小流域觀測站為平臺，以位于坡頂、坡上、坡中及坡底的花生旱地、稻田及橘園表層土壤為研究對象，對比分析了土壤磷儲存容量（SPSC）的變化差異及影響因素，探討了坡位與利用方式變化下坡耕地紅壤磷素的流失潛能與環(huán)境風險，旨在為坡耕地紅壤磷素的高效管理與流失風險管控提供理論依據(jù)與合理化建議。

1材料與方法

1.1研究區(qū)域概況

孫家典型紅壤小流域觀測站（28°15' 20\"N，116°55' 30\"E）位于江西省鷹潭市當?shù)貏⒓艺緣ㄖ橙謭?，流域面積為50.5hm2，海拔34～55m，坡度小于8°。流域內(nèi)土壤類型為第四紀紅黏土發(fā)育形成的紅壤，主要利用方式有花生旱地、稻田、橘同及林地等。本研究選擇了分別位于坡頂、坡上、坡中及坡底的花生旱地、稻田及橘園為研究樣地。旱地花生種植時間為每年的4月上旬至8月下旬；水稻種植以雙季稻為主，早稻與晚稻分別在每年4月上旬與7月下旬種植；橘園分布面積占小流域總面積的5.7%，橘樹為當?shù)氐湫推贩N，株高約3～4m，行距為4mx4m，枝葉繁茂期為5～8月。花生旱地、稻田、橘園的常規(guī)施肥種類及數(shù)量見表1。

1.2土壤樣品的采集及制備

2020年12月，按小流域坡度變化方向（坡度小于8°），自上而下地選擇了坡頂、坡上、坡中、坡底的花生旱地（UP，種植年限20～30a）、稻田（PF，種植年限50～60a）、橘園（0，種植年限20～30a）各3處樣地，各坡位樣地間距約30～40m，在每個樣地點地勢平坦的中心位置劃分出20mx20m的樣方，在每個樣方內(nèi)按“S”形采集表層土壤（0～15cm）8～10點、混合均勻后采用四分法保留約1kg土樣帶回室內(nèi)風干、磨細、過篩、備用。

1.3土壤磷儲存容量（SPSC）測定

稱取1.00g過2mm篩的風干土壤樣品置于50mL離心管中，加入50mL0.2mol·L-1的草酸銨提取液（pH=3.0），用橡皮塞將瓶口塞緊后，將瓶裝入里紅外黑的雙層布袋以防止光化學反應，置于25℃的室溫下振蕩2h后，離心、過0.45um濾膜，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測定提取液中的鐵、鋁及磷含量，并依據(jù)以下公式計算得到土壤磷飽和率（Soil PSR）及土壤磷素儲存容量（SPSC）：

1.4土壤磷及基本理化性質(zhì)分析

土壤全磷（TP）采用高氯酸一硫酸外加熱法消解，有效磷（Bray-P）采用鹽酸一氟化銨（0.03mol·L-1NH4F+0.025mol·L-1HCI，pH=2.7）法提取，消解液與提取液中的磷濃度用鉬銻抗比色法測定。土壤水溶性磷（CaC12-P）采用0.01mol·L-1 CaC12溶液浸提（液土比為20：1），提取液中的磷濃度用孔雀石綠法測定。土壤pH采用電位法測定，浸提液為KCI溶液，液土比為2.5：1；土壤全碳（TC）、土壤全氮（TN）及碳氮比（C/N）使用碳氮元素分析儀（Vario EL cube，Elementar，德國）測定。游離態(tài)鐵鋁氧化物（Fed，Ald）采用DCB（連二亞硫酸鈉一檸檬酸銨一重碳酸氫鈉）法提取，非品質(zhì)鐵鋁氧化物采用酸性草酸銨溶液（pH=3.0）提取，提取液中的鐵鋁含量使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP）測定。以上測試指標的具體實驗操作步驟參照魯如坤主編的《土壤農(nóng)業(yè)化學分析方法》。

1.5數(shù)據(jù)統(tǒng)計與計算

采用Excel 2019軟件進行數(shù)據(jù)整理與計算，采用SPSS軟件進行相關性分析及顯著性差異分析，采用Origin 2021軟件繪圖。

2結果與分析

2.1坡位與利用方式對土壤基本理化性質(zhì)的影響

不同坡位稻田、花生旱地及橘園土壤基本理化性質(zhì)變化差異顯著（表2）。坡頂、坡上、坡中及坡底稻田土壤pH、總碳（TC）、總氮（TN）及非品質(zhì)鐵鋁氧化物含量均顯著高于相同坡位的花生旱地與橘園土壤；而隨著坡位的降低，稻田土壤中非品質(zhì)氧化鋁和游離態(tài)氧化鐵鋁、花生旱地土壤中游離態(tài)氧化鋁及橘園土壤中非品質(zhì)鐵鋁氧化物含量均呈顯著降低趨勢（表2）。

2.2坡位與利用方式對土壤全磷（TP）及有效磷（Bray-P）的影響

不同坡位稻田、花生旱地與橘同土壤全磷（TP）含量變化范圍分別為557～818、398～607mg·kg-1及282～519mg·kg-1。與坡頂?shù)咎锵啾?，只有坡底稻田土壤TP顯著降低了31.7%，而坡上及坡中稻田土壤TP則無顯著變化；與坡頂旱地相比，坡上、坡中及坡底旱地土壤TP含量分別顯著降低了19.7%、34.4%及32.8%；而與坡頂橘同相比，坡中橘園土壤TP顯著降低了33.3%，而坡底橘園土壤TP顯著增加了23.8%，坡上橘園土壤TP則無顯著變化（圖1）。與不同坡位稻田土壤相比，旱地及橘園土壤TP均顯著降低了21.9%～51.4%及41.5%～65.5%（除坡底橘園）（圖1）。

不同坡位稻田、花生旱地與橘園紅壤BraV-P變化范圍分別為13.4～26.6、12.2～21.3mg·kg-1及9.5～25.6mg·kg-1。與坡頂?shù)咎锵啾?，坡上及坡底稻田土壤Bray-P顯著降低了19.7%及47.3%，坡中稻田土壤Bray-P則顯著增加了4.3%；與坡頂旱地相比，坡上、坡中及坡底旱地Bray-P分別顯著降低了42.9%、24.2%及33.5%；而與坡頂橘同相比，坡上及坡中橘園土壤Bray-P分別顯著降低了26.1%及56.0%，坡底橘同土壤Bray-P則顯著增加了18.3%（圖1）。與不同坡位稻田土壤相比，旱地及橘同土壤Bray-P均顯著降低了16.3%～40.5%（除坡底旱地）及15.0%～64.2%（除坡底橘園）（圖1）。

2.3坡位及利用方式對土壤磷素儲存容量的影響

2.3.1土壤磷飽和率（PSR）

不同坡位稻田、花生旱地與橘同土壤磷飽和率（PSR）變化范圍分別為0.14～0.22、0.15～0.18及0.14～0.32。與坡頂?shù)咎锵啾?，坡上、坡中及坡底稻田土壤PSR分別顯著增加了11.4%、50.0%及27.1%；與坡頂旱地相比，坡上及坡中旱地土壤PSR分別顯著降低了22.2%及21.1%，而坡底旱地土壤PSR則無顯著變化；而與坡頂橘園相比，坡中及坡底橘園土壤PSR分別顯著增加了11.7%及126.3%，而坡上橘同土壤PSR則無顯著變化（圖2）。與不同坡位稻田土壤相比，旱地及橘園土壤PSR均顯著降低了10.3%～32.4%及11.8%～74.2%（除坡底旱地）（圖2）。

2.3.2磷飽和率閾值（Threshold PSR）

將土壤PSR與CaCl2-P進行分段線性擬合后獲得的“拐點”坐標值，即為土壤磷飽和率閾值（ThresholdPSR）。不同坡位稻田、花生旱地與橘園土壤的Threshold PSR分別為0.11、0.09、0.12，相對應的CaC12-P含量分別為0.45、0.37．0.80mg·kg-1（圖3）。

2.3.3土壤磷儲存容量（SPSC）

不同坡位稻田、花生旱地與橘同SPSC變化范圍分別為-410.9～-137.8、-283.8～-128.0mg·kg-1及-280.6～-36.3mg·kg-1，均為負值。稻田SPSC隨著坡位降低呈顯著降低趨勢（坡底除外），與坡頂?shù)咎锵啾?，坡上、坡中及坡底稻田SPSC顯著降低了32.8%、198.1%及54.8%（圖4）。花生旱地SPSC隨坡位的下移呈顯著增大趨勢，與坡頂旱地相比，坡上、坡中及坡底旱地SPSC顯著增加了41.6%、54.9%及35.6%。橘園SPSC隨著坡位的下移呈顯著降低趨勢，與坡頂橘園相比，坡中及坡底橘園SPSC顯著降低了83.5%及618.6%。與不同坡位稻田土壤相比，旱地及橘園SPSC均顯著增大了9.5%～68.8%（除坡頂旱地）及73.7%～83.8%（除坡底橘園）。

2.4影響因子分析

熱圖分析發(fā)現(xiàn)，不同坡位稻田、花生旱地及橘園SPSC與Fe、Al、Fed、Ald呈極顯著正相關關系（Plt;0.01），與BraV-P、PSR、TC、TN、TP呈極顯著負相關關系（Plt;0.01）。說明隨著土壤Fe、Al、Fed及Ald的增加，土壤Bray-P、PSR、TC、TN、TP的降低，SPSC顯著增加（圖5）。

3討論

3.1坡位與利用方式對土壤全磷及有效磷的影響

江西鷹潭孫家典型紅壤小流域觀測站內(nèi)稻田及橘園土壤全磷（TP）含量均隨著坡位下移而增加，而花生旱地土壤TP則隨著坡位下移而降低（圖1）。可見，坡位變化對土壤TP含量影響較為顯著，有研究證實在固定坡度的地形條件下，隨著坡位下移，土壤磷會在地表徑流作用下沿坡地向下遷移并在坡底堆積，從而使低坡位處土壤TP含量增加顯著。不同坡位稻田土壤TP及Bray-P含量顯著高于花生旱地及橘園土壤（圖1），這可能是因為稻田土壤長期處于水耕狀態(tài)且頻繁受人為活動影響，大量肥料的不斷施人及作物根系還田使得土壤有機質(zhì)不斷增多，土壤磷含量也隨著土壤有機質(zhì)累積量的增加而增大。另外，長期淹水下稻田土壤Eh降低引起的鐵還原溶解或厭氧微生物介導鐵氧化物還原溶解，會促使沉淀鐵磷酸鹽向可溶性鐵磷酸鹽轉化，從而提高土壤中Bray-P的累積量；而淹水后稻田土壤pH升高會加強酸性土壤中磷酸鹽的水解作用，有機質(zhì)在土壤磷酸酶的催化下礦化分解釋放大量的磷酸鹽，進而提高土壤中有效磷的累積量。

3.2坡位及利用方式對土壤磷素儲存容量的影響分析

土壤TP與Bray-P雖然也可以用于預測與判斷土壤磷素的流失潛能，但TP對人為活動和環(huán)境因子的響應相對較慢，而Bray-P又受環(huán)境因子擾動影響較大、且不能準確判斷土壤磷素的流失風險。而SPSC值可以有效估測出土壤磷達到環(huán)境流失風險前土壤可繼續(xù)容納外源磷的“安全容量”；SPSClt;0時，土壤為磷源，土壤磷具有流失風險；反之，土壤為磷匯，土壤可繼續(xù)容納外源磷。孫家小流域內(nèi)稻田及橘園土壤磷素儲存容量（SPSC）均隨著坡位的下移而降低（圖4），這與李歡等園的研究結果一致。稻田土壤容重大且在長期耕作下受機械壓實形成質(zhì)地緊實的犁底層，在坡地地形條件下，雨水受犁底層阻擋導致垂直滲漏量較少，會更快地流過土壤表面，產(chǎn)生沿斜坡向下的側向流，將土壤中的磷素等營養(yǎng)物質(zhì)沖刷走，使磷素沿坡面向下轉移并最終在坡底聚集，從而使低坡位處稻田SPSC顯著降低，磷流失風險顯著增大；而橘同雖通過植被根系減少侵蝕泥沙量，截留部分徑流，但在大雨強的沖刷作用下，土壤表層容易形成溝蝕，土壤磷素以物理沖刷的形式被帶走，沿坡面向下轉移并最終在坡底聚集，從而使低坡位處橘園SPSC顯著降低。因此，在管理稻田和橘園時，需及時采取措施以減小土壤在降雨等水分過程中沿坡地方向的磷素流失。

另外，不同坡位稻田、花生旱地與橘同SPSC均為負值（圖4），表明土壤均為磷源、土壤磷均存在不同程度的流失風險。與花生旱地及橘園土壤相比，稻田SPSC顯著降低（圖4），這可能是因為稻田土壤長期大量施肥（表1），磷累積量相對高于旱地及橘同土壤，土壤磷吸持能力降低，土壤磷飽和率逐漸增大，進而降低稻田SPSC。同時有研究表明，隨著植稻年限的增長，稻田土壤磷釋放潛力增加、磷肥的固持能力下降，稻田需要更多的磷肥投入來維持其生產(chǎn)力，過量地施用磷肥又會導致更高的磷流失風險，因此稻田土壤磷素流失風險較大，應對其表層徑流磷濃度進行監(jiān)測，及時調(diào)整施肥策略以降低土壤的磷流失風險，保證稻田的可持續(xù)利用。

3.3不同坡位與利用方式下土壤磷素儲存容量的影響因素分析

熱圖分析表明稻田、花生旱地及橘同土壤SPSC均與土壤中非品質(zhì)氧化鐵鋁（Fe，Al）及游離氧化鐵鋁（Fed，Ald）呈極顯著正相關關系（Plt;0.01）（圖5），可見鐵鋁氧化物是紅壤固存磷的重要載體；鐵鋁氧化物具有很強的吸附能力，能夠吸附土壤中的磷并與之形成穩(wěn)定的復合物，從而使土壤中的磷元素不易溶解和流失。而土壤中游離態(tài)氧化鋁對磷流失風險的影響最為顯著，這與顏曉等的研究結果一致，酸性土壤中的鐵鋁氧化物含量是影響土壤固磷能力的關鍵因素，進而影響土壤磷流失風險，其中又以游離態(tài)氧化鋁的影響最顯著。不同坡位稻田、花生旱地及橘園土壤TP、Bray-P、TC、TN均與SPSC呈極顯著負相關關系（Plt;0.01）（圖5），表明高含量的全磷、有效磷及有機質(zhì)均會增大坡耕地紅壤磷的流失風險，而有機質(zhì)的增加會競爭磷的吸附位點，同時有機質(zhì)同金屬離子的絡合也會降低其對磷的吸附固定能力。此外，有研究發(fā)現(xiàn)Mehlich 3提取液中的鈣鎂濃度與SPSC顯著負相關，可能是因為土壤中鈣鎂結合態(tài)磷酸鹽會在與水接觸時釋放土壤中的磷，從而降低SPSC、增大土壤磷素流失風險，而土壤中較低的鹽度也會促進磷結合離子的活化，增大SPSC。

4結論

江西鷹潭孫家小流域內(nèi)稻田及橘同土壤全磷含量均隨著坡位下移而增加，而花生旱地土壤全磷則隨著坡位下移而降低。土壤磷素儲存容量均為負值、即稻田、花生旱地及橘同土壤均為磷源，土壤磷均具有不同程度的流失風險；而坡底的稻田與橘園、坡頂?shù)幕ㄉ档赝寥懒琢魇эL險相對較高。孫家小流域內(nèi)坡耕地紅壤磷的流失風險受土壤中游離態(tài)氧化鋁與有機質(zhì)含量的影響最為顯著。應根據(jù)坡位及利用方式的不同及時調(diào)整相應田塊的施磷策略（如停施或減施等）并采取有效措施阻控或降低土壤磷素的流失風險。