三峽水庫新政小流域土壤無機磷的有效性及流失風險研究

高兆平，胡 俊，朱 磊

（1.中煤科工集團重慶設計研究院，重慶 400045；2.機械工業(yè)第三設計院，重慶 400039）

植物生長所需的礦質營養(yǎng)元素來自土壤。而磷作為作物生長的必需營養(yǎng)元素之一，在植物體內具有重要的營養(yǎng)和生理功能，在植物營養(yǎng)中占據(jù)重要地位［1］。一直以來，磷肥的利用率較低，施入土壤的磷肥至少有70%～90%以不同的磷形態(tài)積累在土壤中，難以被作物吸收利用［2］。有研究表明土壤無機磷約占全磷的60%～80%，土壤有效磷含量的高低主要取決于土壤無機磷形態(tài)的分布狀況和轉化方向［3］。土壤磷素形態(tài)作為評價土壤有效磷庫大小和土壤磷素供應狀況的重要指標［4］，常用于研究耕作條件下土壤中磷素的耗竭［5－6］，不同管理措施對土壤磷素分布的影響及微生物活動對土壤磷素的影響等方面。因此，有關土壤磷的形態(tài)及其轉化始終是土壤化學的研究熱點。本研究采用蔣－顧石灰性土壤無機磷形態(tài)分級方法，對新政小流域土壤磷素形態(tài)、空間分布特性以及無機磷形態(tài)的生物有效性進行了探索，分析了新政小流域典型土壤的磷素的分布，形態(tài)特征，并評價了土壤環(huán)境風險，以期為庫區(qū)小流域磷素施肥的科學管理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域新政村小流域位于重慶市忠縣新政村，忠縣位于重慶市中部、三峽庫區(qū)腹心地帶。小流域土地利用類型多樣，化肥農藥使用量大，人類經濟活動強度大，流域非點源污染嚴重，地表徑流沖刷使土壤中營養(yǎng)元素磷流失嚴重，大量的非點源污染磷進入長江。

1.2 樣品采集與實驗方法

結合坡度、坡位、土地利用方式、種植制度等因素，于2010年5月在研究區(qū)域內布設土壤樣品采集點10個，其中果林地2個，水稻田2個，旱地5個，消落帶1個，每個采樣點用梅花點采樣法采集表層土壤5個重復樣，在采樣點上先刮去0.5 cm左右的表層土，再用鐵鏟垂直取深度10 cm的土片，然后把各采樣點采到的土樣在地頭攤放在聚乙烯袋上，捏碎大塊，剔除礫石、動植物殘體等混合物，充分拌勻，便成為混合土樣。寫明編號、采樣地理位置、采樣日期、采樣人、農田種植基本情況等有關事項。土壤樣品經風干磨碎后分別過20、60和100目篩保存?zhèn)溆谩?/p>

土壤全磷采用酸溶－鉬銻抗比色法。土壤有效磷采用0.5 mol／L Na HCO3（p H 8.5）浸提法測定［3］。土壤無機磷及其形態(tài)采用蔣柏藩等人建立的分級體系進行測定［7］（圖1），無機磷形態(tài)分為磷酸二鈣（Ca2－P）、磷酸八鈣（Ca8－P）、磷素十鈣即磷灰石（Ca10－P），合稱鈣磷（Ca－P），以及鋁磷（Al－P）、鐵磷（Fe－P）和閉蓄態(tài)磷（O－P）。

圖1 蔣柏藩法無機磷分級體系

2 結果與討論

2.1 不同形態(tài)磷在土壤磷中的分布

（1）無機磷在全磷中的比重。由圖2可以得出，庫區(qū)小流域內典型作物的土壤的磷素以無機磷為主，占土壤全磷的37%～92%，與前人研究的結論基本吻合［8］，平均值為69.4%，其中最低的為竹林地37%，最高的為水旱輪作地的水稻田，可見，旱地和水田不同利用方式對有機磷含量的影響顯著。竹林的有機磷的含量相對較高可能是在成土過程，竹林地的葉子在原地長期積累腐爛，導致有機質的積累，從而增加有機磷含量。

圖2 典型用地土壤無機磷的含量

（2）鈣結合態(tài)無機磷（Ca－P）。Ca－P含量占無機磷含量的66.73%～94.09%，平均80.80%。Ca－P中主要的成分為Ca10－P，占無機磷總量的67%～94%，不同形態(tài)的鈣磷所占比例順序為Ca10－P＞Ca8－P＞Ca2－P。依據(jù)種植模式，Ca－P含量的順序為菜地＞果林地＞消落地＞水田。

（3）鋁結合態(tài)無機磷（Al－P）。Al－P質量比變化范圍為3.20～74.27 mg／kg，平均值為21.99 mg／kg。其中果林含量最高，其次是菜地01，最低為水稻田。旱地菜地土壤和果林含量高，這也反映了生物富積歸還作用和人為施肥作用對無機磷組分的影響。

（4）鐵結合態(tài)無機磷（Fe－P）。Fe－P質量比變化范圍為1.87～10.41 mg／kg，平均值為5.41 mg／kg。其中菜地01含量最高，其次是果林地，最低為消落地。消落地的Fe－P含量最低，這有可能與長期淹水有關。

（5）閉蓄態(tài)磷（O－P）。O－P是被鐵鋁水化氧化物膠膜“包蔽”的磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽，通常這部分磷酸鹽樹木無法利用，處于無效狀態(tài)，在理論上不能作為作物的有效磷源。O－P在水田質量比最高68.34 mg／kg，最低為油菜地12.93 mg／kg。水田的O－P明顯要高于旱地，這可能是由于在還原條件下，被包蔽的部分磷酸鐵鹽被還原成Fe－P，濕潤環(huán)境氧化還原電位一旦升高，二價鐵迅速氧化成氧化鐵，由于鐵和磷的化學親和性，新形成的氧化鐵極易在磷酸鹽周圍重新被包裹，再次形成閉蓄態(tài)磷［9］。

2.2 無機磷各形態(tài)的有效性分析

土壤有效磷庫的容量決定了土壤的供磷能力。土壤中的某種形態(tài)的無機磷與有效磷的相關性越顯著，該形態(tài)的無機磷對有效磷的有效性就越高，對有效磷的貢獻也越大［10］。蔣柏藩、顧益初對石灰性土壤無機磷有效性進行研究表明，Ca2－P是作物的有效磷源，Al－P、Ca8－P、Fe－P是緩效磷源，O－P在理論上不能作為作物的有效磷源。

新政小流域不同形態(tài)的無機磷與有效磷相關分析結果顯示：Ca2－P、Ca8－P 、Al－P與有效磷呈顯著正相關（詳見表1），說明 Ca2－P、Al－P和 Ca8－P有效性高，其在根際積累可能是有效磷富集的主要原因。這一結論與沈仁芳等［11］的結論基本一致。為了進一步了解各形態(tài)無機磷對有效磷的貢獻，利用SPSS軟件對流域范圍內各形態(tài)的無機磷與有效磷間進行回歸分析。

表1 土壤無機磷各形態(tài)與有效磷的相關性

無機磷各組分與有效磷（DA－P）多元回歸方程為：

DA－P＝－1.762＋2.389Ca2－P－0.483Ca8－P＋0.028Ca10－P＋0.166Al－P－0.346Fe－P＋0.020O－P

復相關系數(shù)為0.998，決定系數(shù)（即 R2）為0.996。說明無機磷各組分對有效磷的貢獻率占99.6%，這可能是由于土壤中大部分磷為無機態(tài)，有機磷含量較少，因而對有效磷的貢獻也較低。

無機磷各組分與有效磷逐步回歸方程為：

DA－P＝2.200Ca2－P＋0.022Ca10－P－2.893（p＝0.05） R2＝0.992（n＝10）

DA－P＝2.337Ca2－P＋2.657（p＝0.01） R2＝0.985（n＝10）

結果表明，在p＝0.01水平下，有效磷只與Ca2－P極顯著相關，表明Ca2－P對有效磷的貢獻最大，其在根際的積累是根際有效磷富集的根本原因；在p＝0.05 水平下，有效磷與 Ca2－P和 Ca10－P顯著正相關，表明根際土壤中Ca10－P與有效磷關系也較密切。這也證明Ca10－P是植物潛在磷源。在根際環(huán)境中，根系誘導 Ca10－P向 Ca8－P和 Ca2－P轉化，提高Ca10－P對有效磷的貢獻。由此，進一步說明小流域范圍內Ca2－P是旱地和水田有效磷的主要磷源，此外，O－P 與 Al－P（r＝0.978）、Fe－P（r＝0.867）的相關性也均達到顯著水平，可見，土壤Al－P、Fe－P對土壤O－P也有一定貢獻，而Ca10－P（r＝0.631）及O－P（r＝0.053）與有效磷無顯著相關，說明Ca10－P及O－P有效性很低。

2.3 小流域磷素環(huán)境風險分析

供試土壤的理化性質見表2。

表2 供試土壤的基理化性質

（1）全流域土壤全磷含量變化。小流域5月份全磷平均質量比為0.711 g／kg，最大值在果林下，可能是由于該段時間該果林地施撒大量的肥料，果林下明顯比果林上的全磷含量高，果林上和果林下磷的含量及各組分都有明顯的差異，表現(xiàn)出果林下明顯高于果林上，在一定程度說明了從流域上到流域下，肥料在徑流的過程中有一定的富集作用，也可能是由于施肥的差異，導致了果林下全磷及有效磷明顯高于果林上的全磷及有效磷。最小值為水稻田0.36 g／kg，這可能與當?shù)厮咎镌谘退畻l件下土壤呈弱酸性，土壤磷素處于活化狀態(tài)，易溶解于徑流并隨之流失有關［12］。

（2）土壤磷素流失風險評價。在該小流域范圍內，植被、氣候、土壤構成的大環(huán)境中，土壤磷素流失的風險在一定程度上與土壤的有效磷有關。許多學者將徑流所攜帶磷量增幅變化的突變點所對應的有效磷含量作為土壤磷素的環(huán)境臨界值［12］。該臨界值可以通過水溶磷與有效磷進行線性獲得，如圖3所示，聯(lián)立水溶磷與有效磷含量相關方程如下：

圖3 土壤磷素流失有效磷臨界點

拐帶前：y＝0.035x＋0.909（R2＝0.691 4）

拐點后：y＝0.108x－3.534（R2＝0.883 6）

其中，y為水溶磷（mg／kg），x為有效磷（mg／kg）。聯(lián)立拐點前后的兩個方程求解，兩直線的交點所對應的土壤有效磷含量為60.87 mg／kg，對應的土壤水溶磷含量臨界值為3.04 mg／kg。

以土壤有效磷臨界值（60.87 mg／kg）為界，可以看出，類型土壤磷素流失風險高低排序為果林地＞ 旱田＞消落帶＞水田。果林地流失風險最高，旱田部分樣品超過臨界值，而水稻田流失風險最小。研究區(qū)域20%的土壤樣品有效磷超過臨界值，樣點分別來自果林下和一號菜地。一號菜地主要種植紅薯和玉米，二號菜地種植茄子，其土壤有效磷含量在臨界值以下，在一定程度上說明不同的作物類型對土壤磷素流失風險有很大影響；水稻田及消落地土壤有效磷含量全部在臨界值以下。由此可見，目標小流域果林下及部分菜地土壤磷素流失風險最大，主要原因是因為大量的肥料投入，超過了果樹生長需要的磷肥量，造成土壤磷肥盈余，加上小流域坡上因土壤侵蝕、風化明顯，逐漸演變?yōu)樯迟|土壤，其有效磷與易溶性磷較易提取，在雨水的沖擊下，磷素進入附近水體，加大面源污染。因此在農田管理上，應慎重投加磷肥，以防磷肥過量達不到最佳經濟與環(huán)境效益。水稻田土壤磷素流失風險最低，全部樣品有效磷含量均在流失臨界值以下，為提高水稻田產量，可以加大磷肥的投加量。

3 結 語

土壤磷素以無機磷為主，占小流域土壤全磷的37%～92%，平均值為69.4%，Ca－P含量占無機磷含量的66.73%～94.09%，平均80.80%。Ca－P中最主要的成分是Ca10－P，所占的比重最大，占無機磷總量的67%～94%，并呈Ca10－P＞Ca8－P＞Ca2－P的順序。其次是O－P，水田含量最高68.34 mg／kg，最低為 YC地12.93 mg／kg，平均值為53.16 mg／kg；另外，Al－P質量比的變化范圍為3.20～74.27 mg／kg，平均值為21.99 mg／kg，最低的無機磷形態(tài)是Fe－P，其變化范圍為1.87～10.41 mg／kg，平均值為5.41 mg／kg。

利用相關系數(shù)及回歸分析表明：O－P與Ca2－P（r＝0.992）、Al－P（r＝0.978）Ca8－P（r＝0.952）、Fe－P（r＝0.867）相關性極顯著，因此，只有Ca2－P、Ca8－P、Al－P和Fe－P對有效磷含量影響較大，而 Ca10－P（r＝0.631）及O－P（r＝0.053）與有效磷無顯著相關，說明Ca10－P及O－P有效性很低。

小流域范圍內，典型種植模式下有效磷的含量：旱地＞果林地＞消落地＞水田。以土壤有效磷臨界值（60.87 mg／kg）為界，可以看出，類型土壤磷素流失風險高低排序為果林地＞ 旱田＞消落帶＞水田。果林地流失風險最高，旱田部分樣品超過臨界值，而水稻田流失風險最小。

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