近40年泥河溝流域耕地土壤磷素含量的時空變化

吳 駁，吳發啟，佟小剛，宋敏敏，侯 雷

（1 西北農林科技大學水土保持研究所，陜西楊凌 712100；2 西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100）

磷是作物生長必需的營養元素，我國每年都會向農田土壤中投放大量的磷肥，由于磷肥當季利用率只有5%～25%，常常帶來農業面源污染[1-5]。一般來說，有機質含量高、pH呈中性或淹水的土壤施磷肥效果好，石灰性和酸性土壤投入磷肥極易被固定[6-8]。黃土高原地區農業生產一直受到土壤肥力的限制[9]，由于自然背景的特殊性，土壤磷的有效性極低。上世紀80年代該問題受到重視，開始大力推廣使用磷肥，糧食產量有了很大的提升[10-11]。近年來，磷肥肥效降低，糧食產量的上升遇到新的瓶頸[12-13]。泥河溝流域為典型的黃土高原溝壑區，“七五”期間“泥河溝綜合治理試驗示范區”正式設立，對流域進行了10多年的重點治理。為評價流域治理的環境效益，在1980年農業區劃調查的基礎上，又于1987、1993、1998、2004這4個年份對流域進行了調查采樣。經過10多年的社會化自由管理，流域面貌發生了很大的改變，植被得到恢復，水土流失得到控制，土地生產力有了很大的提高。然而在經過綜合治理和社會化自由管理的條件下土壤磷素含量是否得到相應的提高，仍需在前人工作的基礎上研究土壤磷素含量的演變情況。為此，本文分析了1980年以來泥河溝流域耕地土壤全磷和有效磷的時空變異特征，并對變異的原因進行了探討，以期為土壤施肥和流域評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

泥河溝流域位于陜西省淳化縣東，面積9.48 km2，北高南低，呈長條狀。該區為渭北黃土高原暖溫帶半濕潤氣候區，年平均氣溫約9.8℃，無霜期183天，年平均降雨量約600 mm，暴雨頻率高，強度大，水土流失嚴重。地貌為典型的殘塬溝壑地貌，經長期改造，塬面變平坦，便于機耕，利于農業集中經營。土壤以黃綿土為主，部分為黑壚土和紅膠土，成土母質主要是黃土，土層厚、質地良好、容易培肥、有利于旱作。農作物主要是小麥，2000年后開始大面積種植玉米。長期以來耕地重用輕養、廣種薄收，導致土壤貧瘠，生產水平較低。肥料種類變得十分豐富，并針對不同作物推廣各類專用復合肥。小麥、玉米畝產已突破500 kg，水利設施基本完善，建成水庫1座，部分農地開始實施滴灌，但配套較差，經營管理不當，導致投資效益不高[14-15]。

1.2 樣品采集與測定

1980年在省、地區劃辦公室領導下，由省農業科學院牽頭，組織各試點縣農、林、水、牧等局科技人員進行了第一次農業區劃工作，泥河溝流域作為重點治理區，在此采集了126個樣品，進行了土壤理化性狀的分析測定。試驗示范區正式成立后，劉秉正、吳發啟、李光錄等一批專家又在此進行了各類土壤養分相關的調查研究，留下了大量珍貴的研究資料[16-20]。根據前人的調查布點情況，2015年7月于泥河溝采集了耕地表層 (0—20 cm) 土壤樣品共72個 (圖1)，其中環刀采集的8個樣品用于測定容重和吸濕水含量，土鉆采集的64個樣品用于測定土壤全磷和有效磷。測定方法全磷為氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法，有效磷為碳酸氫鈉浸提—鉬銻抗比色法[21]，測定時間為2016年3月。

1.3 數據分析

土壤養分的時空變異性是指一定景觀內，不同時間、不同地點的土壤養分存在的差異性[22-24]。通過計算標準差、變異系數以及擬合變化曲線對土壤磷素含量的時空變異性進行分析。用標準差判斷同一年份或和同一類型耕地土壤磷素含量的變異性；用變異系數判斷年份段和不同耕地類型間土壤磷素含量的變異性，用擬合變化曲線描述流域耕地土壤磷素含量整體的演變情況[25]。試驗數據的統計分析與圖表的制作采用SPSS16.0、Excel2007、Origin8.0等軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤磷素時間變異分析

2.1.1 不同年份與不同年份段的變異性 將近40年流域耕地表層土壤全磷和有效磷含量數據進行計算整理匯總 (表1)，比較各年份土壤全磷含量的變異性。可以將土壤全磷含量的時間變異分為兩個階段，1980—1998年全磷含量比較穩定，變異系數為0.01；1998—2015年呈下降趨勢，變異系數為0.13。比較各年份土壤有效磷含量的變異性，可以將土壤有效磷含量的變異分為三個階段：1980—1993年的含量比較穩定，變異系數為0.13；1993—2004年呈上升趨勢，變異系數為0.48；2004—2015年呈下降趨勢，變異系數為0.15。有效磷含量的時間變異性遠高于全磷。

圖 1 流域樣點分布圖Fig. 1 Position of the sampling point

表 1 泥河溝流域耕地表層土壤磷素含量的變化Table 1 Changes of phosphorus contents in cultivated top soil in Nihegou watershed

2.1.2 近40年土壤全磷含量的演變 利用二次拋物線對土壤全磷含量隨年份的變化進行擬合的效果較好，表明近40年土壤全磷含量呈現出加速下降的變化規律 (圖2)。1980—1998年土壤全磷含量穩定在1.31～1.34 g/kg；1998—2015年土壤全磷含量從1.33 g/kg降至0.97 g/kg，下降了27.1%。1980—2015年土壤全磷含量平均每年下降約0.008 g/kg。

2.1.3 近40年土壤有效磷含量的演變 利用三次曲線對土壤有效磷含量隨年份的變化進行擬合的效果較好，表明近40年呈現出先上升后下降的波動變化 (圖2)。1980—1993年土壤有效磷含量穩定在4.23～5.85 mg/kg；1993—2004年土壤有效磷含量從4.23 mg/kg上升至16.26 mg/kg，提高了近3倍；2004—2015年土壤有效磷含量從16.26 mg/kg下降至12.25 mg/kg，下降了24.7%。總的來說，1980—2015年平均每年上升約0.3 mg/kg。

2.1.4 土壤全磷含量降低的原因分析 土壤全磷含量的變化受控于磷的“輸入”與“輸出”。1980年以前土壤施肥以農家肥和化學氮肥為主，之后流域土地氮磷比例一直處于失調狀態，施磷的增產效果遠大于施氮[26]，于是開始推廣施用磷肥。近年來施磷的效益下降，各類復合肥料得到推廣，糧食單產迅速提高，土壤養分的輸出很高，秸稈卻未還田，單靠化肥的投入使土壤磷素無法得到補充 (表2)，引起了土壤全磷含量的降低。

2.1.5 土壤有效磷含量變化原因分析 土壤有效磷含量的上升和土壤全磷含量的下降并不矛盾，土壤全磷含量的下降主要因土壤磷素“輸入少”而“輸出多”，由于土壤磷素的生物有效性很低，所以土壤有效磷含量的變化主要受速效磷肥投入量的影響(表3)。1993年以前流域處在治理初期，土壤施肥以碳酸氫銨為主；1993—2004年流域處在治理末期和治理完成階段，側重于施用過磷酸鈣；2004年以后流域處在社會化自由經營管理階段，復合肥得到推廣。肥料中速效磷含量的變化與土壤有效磷含量的變化規律相似。

近10年來陜北許多地區土壤pH值呈現緩慢的升高，土壤pH從第二次全國土壤普查的7.5～8.5上升到現在的8.0～9.0[27-28]，對土壤磷的生物有效性造成了很大的影響。對不同pH條件下土壤有效磷含量的分布情況進行分析，得出土壤pH ＜ 8.5的耕地 (平均土壤有效磷含量為18.0 mg/kg) 與pH ＞ 8.5的耕地(平均土壤有效磷含量為9.02 mg/kg) 呈現顯著差異。2015年流域大部分耕地土壤pH值處于8.4～8.5之間，此pH范圍內土壤有效磷含量較低 (圖3)。石灰性土壤由于積鈣作用的影響常易變堿。各類糞肥作為黃土高原地區主要的酸性肥料，對堿性土壤的調節起著重要的作用。隨著農家肥施入的減少，中性肥料施入的增加，土壤pH值便逐漸升高，進而引起土壤有效磷含量的降低。

圖 2 土壤全磷、有效磷含量的變化Fig. 2 Changes of soil total-P and Olsen-P contents

表 2 小麥田土壤磷素年度輸入與輸出 (kg/hm2)Table 2 Annual input and output of phosphorus in wheat land

年份段Period酸性肥料Acidic fertilizer 中性肥料Neutral fertilizer 速效磷總投入量Total Olsen-P input種類Type 施入量Input 種類Type 施入量Input 1980年以前Before 1980 農家肥Manure 45000 碳酸氫銨NH4HCO3 1120 0 1981—1993 農家肥Manure、過磷酸鈣Superphosphate 45000、600 碳酸氫銨NH4HCO3 900 96 1994—2004 農家肥Manure、過磷酸鈣Superphosphate 30000、750 尿素Urea 600 120 2004年以后After 2004 無No復合肥Compound fertilizer尿素Urea 750 300 112

圖 3 土壤有效磷隨pH的變化Fig. 3 Changes of soil Olsen-P with pH

2.2 土壤磷素空間變異分析

2.2.1 均整坡耕地磷素含量的分布特征 在流域選取了6處均整坡耕地，為直線形坡，坡長為50～100 m之間，順坡耕作小麥，坡度為5°左右，分別從坡耕地上坡和下坡部位取樣。對比分析不同部位土壤磷素含量狀況 (表4)，表明在均整坡耕地上，上坡磷素含量低，平均全磷含量為0.86 g/kg，有效磷含量為8.30 mg/kg。下坡全磷含量的變化較小，平均為1.05 g/kg，有效磷含量的變化較大，平均為17.9 mg/kg。受到徑流挾帶作用，坡耕地侵蝕泥沙一般會搬運到下坡，磷素也會隨土粒順坡遷移。由于有效磷移動性較強，坡耕地上、下坡部位間表現出的差異更明顯。

2.2.2 全坡面土壤磷素含量的分布特征 自流域分水嶺向下游溝谷選取4個完整的橫斷面，自分水嶺到溝底根據地勢高低分為塬平地、塬畔地、溝坡地和溝底地。塬平地和塬畔地都處于耕種狀態，而溝坡地和溝底地都已經休耕5年以上，生長的雜草多作為牧草。分析4個橫斷面的各地段土壤磷素含量(表5)，得出小流域自分水嶺到溝谷土壤磷素含量呈先下降后上升的趨勢，從塬面到溝坡土壤磷素含量下降幅度很大，從溝坡到溝底土壤磷素含量稍有上升。全坡面土壤磷素含量的變化反映了土壤侵蝕的影響，在塬面靠近分水嶺的塬地，坡度小、產流少、侵蝕弱；向下坡度增大，流失加??；開墾后的溝坡地，由于施肥少、流失重，土壤磷素顯著降低；溝底地地勢變緩，多為淤積土，肥力較高。

注（Note）：樣地為均勻直線形坡耕地，坡長為 50～100 m 之間，順坡耕作小麥，坡度為 5° 左右 The six sample plots were even slope land of 50-100 m long and 5° in slope gradient, and wheat was cultivated along the slope.

2.2.3 坡改梯所引起的土壤磷素含量的變化 在小尺度范圍內坡耕地水土流失主要與地形因子有關，坡度越大流失越劇烈，帶走的泥沙中磷素含量越多。按地形條件可以將流域耕地分為平耕地和坡耕地，對兩類土壤磷素含量進行分析 (表6)，得出不同年份兩類地間土壤磷素含量的變異性，1998年和2004年土壤磷素含量平耕地 ＞ 坡耕地，而2015年土壤磷素含量平耕地 ＜ 坡耕地。2015年塬平地土壤全磷含量大幅度降低，與2000年以來實施的坡改梯和土地復墾政策有關[29-30]，自1980—2015年流域有150 hm2坡耕地改為平耕地，平耕地面積增到250 hm2，坡耕地面積降為50 hm2。坡改梯需要挖掘大量土壤，使土層紊亂，導致表層熟土被移走或掩埋，底層生土會成為新的表土層，從而引起土壤全磷含量的降低。

表 5 全坡面土壤全磷和有效磷含量Table 5 Contents of soil total phosphorus and Olsen-P in full slope

3 討論

3.1 土壤施肥結構變化的原因

1980—2015年流域有機肥的施用量持續降低，磷肥的施用量經歷先升高后降低的過程。流域經過長期治理，雖然土地生產力得到了很大的提升，并不代表高產的“輸出”能等價或超過高額的“投入”[31]。流域1 hm2單施化肥收入為5325元，配施農家肥收入為5925元 (表7)。通過實地問卷調查得出一畝地單施化肥工費約600元，配施農家肥用工費約700元，無論選擇哪種方式小規模種植都處于虧損的狀態。流域79.4%的勞動力屬于半工半農，在有選擇的情況下他們更傾向于選擇單施化肥的方式，以便節省更多的時間外出打工。

3.2 土壤磷素時空變異的一致性

空間上的分布是時間的映像，時間上的演變是空間的延伸。要判斷磷肥施用量引起土壤全磷和有效磷空間變異和時間變異是否一致，需要將不同年份不同磷肥投入的耕地土壤全磷、有效磷含量數據進行雙因素重復性方差分析 (表8)，分離磷肥和交互作用對總變異的影響。不同磷肥投入引起的均方所占的比例越高代表磷肥引起土壤全磷和有效磷空間變異和時間變異的一致性越強；交互作用引起的均方所占的比例越高代表磷肥引起土壤全磷和有效磷空間變異和時間變異間的一致性越弱。從表8可以看出交互作用引起的均方所占的比例都很小，證明不同磷肥所引起的土壤磷素含量的空間變異和時間變異具有一致性，土壤有效磷不同磷肥投入量引起的均方占的比例大于全磷，即磷肥投入所引起土壤磷素含量時空變異的一致性以有效磷 ＞ 全磷，在一定程度上說明農家肥投入的減少對磷肥的固定有促進作用，雖然這勢必影響到土壤有效磷的含量，但同時又減少了微生物對有效磷的消耗，兩者之間存在抵消。因此，農家肥投入的減少對土壤全磷變異的影響較大，對有效磷變異的影響較小。

表 6 不同地形耕地土壤磷素含量變化Table 6 Changes of soil phosphorus content in different terrain

表 7 小麥投入產出情況 (yuan/hm2)Table 7 Input and output of wheat land

表 8 不同年份不同磷肥投入引起的變異分析Table 8 Variation caused by different phosphate fertilizer input in different years

4 結論

泥河溝流域在經歷近20年的集中重點治理和10多年的社會化自由經營管理后，土壤全磷含量由1980年的1.34 g/kg降至2015年的0.97 g/kg，有效磷含量從1980年的4.58 mg/kg升至2015年的12.25 mg/kg。由于農家肥和磷肥投入的減少，作物產量的提高，打破了土壤磷素“輸入”與“輸出”的平衡，引起了土壤全磷含量的降低；又由于施肥結構和速效磷肥的投入量的改變，引起了土壤有效磷含量的波動變化；流域由于長期遭受土壤侵蝕，土壤全磷和有效磷含量會在溝底和均整坡耕地的下部積累。一般而言，侵蝕程度較輕的區域耕地的精細管理化程度也越高，所以分水嶺一帶土壤有效磷含量遠高于塬畔、溝坡等侵蝕嚴重的區域；坡改梯和土地復墾的實施，土層受到擾動，對土壤磷素含量的降低也有一定的影響；農村勞動力的季節性流動，農戶在選擇施肥方式上更注重省工省時，往往忽視了耕地土壤磷素的補充。因此，經營模式的優化和施肥結構的調整將是該流域今后耕地利用管理的重點。