定西土壤磷富集空間差異及其影響因素

黃 怡，趙 聰，達瓦拉姆，蔣 攀，劉 雷，胡進耀*

(1.綿陽師范學院創新學院，四川綿陽 621006；2.西北民族大學化工學院，甘肅蘭州 730000 ；3.得榮縣林業和草原局，四川甘孜 627950)

0 引言

磷為植物必需營養元素之一，磷素的不足和缺乏直接影響著作物產量，糧食的增產和磷肥的大量投入總是密切相關的[1].隨著農業發展需要和化肥工業的不斷發展，磷肥的使用水平不斷提高.據國家統計局公布的數據顯示，2011年共生產磷肥 1 462萬t，同比增長24.6%[2].但值注意的是磷肥雖然大量使用，而我國農業磷肥利用率僅為30%左右[3]，大量土壤磷素盈余流失，對農業經濟發展和環境保護都有不利影響.我國大部分土壤為石灰性土壤 ，水溶性磷大都轉化為羥基磷灰石而不能被作物直接利用[4]，導致植被表現為缺磷(速效磷)，而總磷在土壤中不斷累積，加劇淋溶流失使水土富營養化，增加環境風險.土壤對磷素有強烈的吸持固定作用，耕層土壤呈現表聚作用而導致土壤磷素的大量積累[5].在未開墾干擾黑土土壤剖面有效磷和其他磷素含量都有顯著的表聚作用，且有效性隨土層加深而減弱[6].然而，在這些研究中，研究對象大多在南方和東北地區，對于西北干旱區的耕層土壤磷素累積程度認知較少.由于不同地區土壤組成理化性質差別很大，磷素本底值也相應的呈現空間的差異.比如內蒙地區土壤基礎供磷能力強，利用率低，磷素在土壤中易富集而盈余[7].低肥力土壤則相反，根據李比希的養分歸還學說[8]，磷的歸還程度較低，土壤表現出缺磷.施肥的最小養分律表明最低含量的元素是作物產量的限制性因素，隨著土壤磷虧缺和盈余都會引起施肥的木桶效應，影響其他營養元素的作用.因此調查研究土壤磷庫水平及分布，對于科學指導磷肥使用，促進農業發展具有重要作用.

定西市位于甘肅省中部地區，位處西秦嶺末端和黃土高原西部邊緣地帶，年降雨量較少，干旱頻率高，屬于雨養農業區，農作物產量低并且不穩定[9].該地區土壤大多產生于黃土母質，灰鈣土是主要成分，第二次土壤普查表明定西土壤全磷在0.04%～0.16%之間，高于我國南方的酸性土，介于全國土壤含磷范圍內[10].全區80%以上的土壤缺磷，土壤缺磷便成為糧油增產的主要限制因素之一.因而上個世紀開始在生產上積極探索施用磷肥，增產效果明顯[11].隨著大量磷肥施用，近年來該區域磷庫盈余或虧缺將影響環境保護和農業經濟的發展，調查該區域磷素富集或虧缺水平已成當務之急.基于以上原因，我們選擇定西主要農業區，以定西半干旱氣象與生態環境試驗基地溫室土壤為研究對象，調查總磷和有效磷在土壤A、B、C層的分布特征，分析耕作層土壤富集或缺失情況和土壤磷素富集或缺失的主要影響因素，結果可為實現土壤的可持續利用和正確評價定西土壤磷富集對農業生產的影響提供參考，為養分資源的持續高效利用提供理論指導.

1 材料與方法

1.1 試驗區概述

中國氣象局蘭州干旱氣象研究所定西試驗基地位于甘肅省中部地區，處在西秦嶺末端、黃土高原西部邊緣，屬溫帶半干旱氣候區，冬季干冷夏季暖濕年均氣溫5.7～7.7 ℃，年降水量380 mm，在7、8、9三個月降雨比較集中，且多以暴雨的形式出現，而蒸發量高達1 400 mm以上，水資源匱乏屬雨養農業區，糧食產量低而不穩[12]，成為制約區域經濟社會持續發展的主要瓶頸[9].農業調查顯示該區域主要種植小麥(TriticumaestivumL.)，玉米(ZeamaysL.)和土豆(SolanumtuberosumL.)[13].定西基地土壤主要是黃綿土，pH 6.7，有機質72 mg/kg，有效磷5.54 mg/kg，總磷26.8 mg/kg[12]，而土壤在偏中性時植物對磷素利用率是最高的，這也減少了磷素流失對環境的威脅.

1.2 樣品采集與處理

試驗樣地設置于定西半干旱氣象與生態環境試驗基地溫棚內.在每個溫棚內選擇近期耕作過并且施肥相同的土壤區，在小麥生長期內隨機設置3 個 10 m*10 m 的樣方進行土壤樣品采集.為盡量減小采樣所帶來的誤差，取土方法采用空間網格取樣法，在垂直于小麥行的水平方向進行取樣，每隔15 cm取樣一個，共3個取樣點.每一個采樣點的土壤采集分為3層，深度依次為 0～20cm 、20～40 cm和40～60 cm.3個取樣點采樣同層混勻后用四分法取約1 kg 樣品，共獲得 112 個土壤樣品，把樣品貯于聚乙烯袋中.土壤樣品帶回實驗室進行預處理.將所采集的土樣樣品均勻攤開在搪瓷盤中，撿出其中的石礫和生物殘體及根葉碎屑等雜質，在實驗室內自然風干.將土樣進行搗碎和磨碎，樣品通過 2 mm 孔徑的土壤篩，需進一步磨碎的土樣可利用四分法取已經過上個步驟處理過的土樣再過篩.在樣品搗碎、混合等處理過程中都使用木質、塑料和玻璃等工具， 避免直接和金屬用具相接觸，過篩后的樣品保存在塑料袋中，防止人為導致的土壤樣品污染.

1.3 分析方法

土壤總磷和的測定采用堿熔-鉬銻抗分光光度法[14]，土壤有效磷采用鉬銻抗比色法進行測量[14]，土壤水分的測量采用稱重法[15].數據采用SPSS20.0軟件分析.

2 結果與分析

2.1 土壤總磷含量

見表1可以看出定西基地內土壤總磷變化范圍在4.86%到10.57%之間，土壤總磷量在不同土壤層類型下垂直分布有所差異.通過1、2、5、7號樣品發現總磷含量隨著土壤剖面的加深，土壤所含總磷呈現不斷增加的趨勢.其中1號樣品的A、B層增加趨勢最大，A層總磷含量為 4.86%，B層為7.046%，增加了近60%，但是B層和C層相差較小，C層總磷含量只有7.05%，和B層相比較只增加了0.14%，總磷含量增加甚微.但是對于2號樣品，A層土壤總磷含量為 7.42%，B層土壤為7.452%，二者增長僅為0.4%，相比之下層土壤總磷含量為 7.91%，增長6.2%.說明雖然定西基地土壤總磷含量有隨土壤剖面加深而增加的趨勢，但是土壤磷含量在水平方向分布并不均勻.表1中也有反常數據，4、6、7組數據均表現為A層

為進一步了解同層土壤中總磷分布情況，對同一層土壤總磷含量作方差分析(表2).通過分析結果，可知F統計量為0.797 56，在給定α=5的顯著性水平下臨界值Fcrit=3.135 918，表明實際的均值之間存在著顯著差異，即A、B、C層土壤磷含量存在垂直分布特征，土壤磷含量隨著土壤深度的增加而呈現出逐漸增加，且與其他土層之間差異顯著(P<0.05).

表2 定西基地各層土壤總磷含量方差分析Tab.2 Variance Analysis of Total Phosphorus Content in Each Soil Layer in Dingxi

此外，從表3中發現垂直空間上相同數量樣本情況下，A層總磷質量分數求和為1.76、B層1.86、C層1.91，A層

2.2 土壤有效磷含量

觀察所有樣本有效磷含量，由圖1土壤速效磷含量可知，在0～60 cm土壤剖面中，不同采樣點土壤速效磷含量波動較大，范圍在7.3～55.3 ppm，平均含量在20.8 ppm.由此可見定西基地土壤中有效磷分布不均，差異較大.

圖1 定西基地土壤速效磷分布特征Fig.1 Distribution Characteristics of Rapidly Soil Available Phosphorus in Dingxi

對樣本土壤磷進行分級討論，將63個樣品測得的速效磷含量列于表4，有效磷小于10 mg/kg的有10個，占試驗點點數的15.87%；有效磷10～20 mg/Kg的有26個，占41.27%；有效磷大于20 mg/kg的27個，占42.86%.結果發現定西基地土壤有效磷在30.21定西基地土壤有效磷在含量最多 ，這也反映了試驗地的基礎肥力狀況.根據調查，顯示全國速效磷含量為0.1～228 g/kg，平均值為12.8 g/kg[4]，本次試驗有65.73%的樣品測得值高于全國平均水平，但是英國有學者研究發現土壤速效磷約為25 g/kg時作物產量最高[16].所以整體上定西基地基礎肥力偏高，并且不同區域差異比較大.土壤的基礎肥力被認為是作物在不施肥的條件下所表現的基礎生產力，這也反映了土壤一定程度的增產能力.

2.3 土壤總磷與速效磷的關系

土壤中總磷包括機磷和無機磷，在農業土壤中一般無機磷占大部分，正磷酸鹽形式是主要成分.無機磷又可分為礦物態、吸附態和可溶解態，只有可溶解態磷易被作物吸收表現為有效態磷.另外有機磷在活化后也能被植物吸收，但是磷素有效性因素非常復雜，表現為有效磷很少.通過對比定西基地a、b、c、d、e、f，6組樣品土壤全磷和有效磷含量(圖2)，發現有效磷的變化和全磷接近同步，二者同時增加同時減少，說明二者存在一定的相關性.為進一步驗證二者之間的關系，對二者進行回歸分析.由表5發現各試驗組所得回歸方程擬合度較好，都在0.7以上，回歸效果顯著，說明基地內土壤總磷和速效磷存在一定的線性關系，總磷對有效磷的含量有著顯著影響.

圖2 定西基地土壤全磷和速效磷的關系Fig.2 Relationship Between Total Soil Phosphorus and Rapidly Available Soil Phosphorus in Dingxi

3 討論

3.1 土壤全磷分布規律

土壤全磷包括土壤中各形態磷素，包括有機磷和無機磷.土壤中的磷素大多和金屬元素結合在一起，溶解性低，因而土壤全磷含量并不能評判可直接被植物利用磷素水平.全磷含量高時并不代表著可供利用磷素充足，但全磷含量低于某一值時卻可能代表著磷素供應不足，這將直接影響土壤有效磷的含量，對作物生產造成不利影響.土壤全磷含量與垂直分布的研究目的在于了解該生態系統土壤磷庫的大小.有關土壤磷素不同深度的垂直分布差異方面的研究較多，嚴加亮等[17]對武夷山地區不同土壤剖面磷素的含量進行調查，發現不同層次土壤剖面磷素含量存在著明顯地垂直分布規律.土壤全磷、有效磷、鈣磷、鋁磷、鐵磷、有機磷含量整體表現為表層高、底層少.趙曉蕊[18]等對武功山山地草甸系統的調查發現，土壤磷素隨海拔高度的升高呈現顯著垂直分布特征，土壤有效磷、全磷的含量與分布表現為隨海拔高度的升高而顯著增加；同一海拔高度不同土層土壤磷素呈現表聚性，表現為隨土壤剖面的加深磷素含量顯著減少.楊小燕等[19]對黑土土壤磷素形態垂直分布特征的調查發現土壤剖面有效磷和土壤總磷含量都具有顯著的表聚作用，并且有效性均隨著土層剖面的加深有一定程度的降低.

本文通過測量不同深度土壤剖面磷素含量，探討土壤磷素不同深度的垂直分布規律，研究結果表明：定西實驗基地土壤總磷隨著土壤剖面深度的加深而升高，呈現明顯的上升趨勢；在對不同土壤分層總磷含量的方差分析中表明土壤剖面各層總磷并未表現出顯著性差異，各層土壤磷含量比較穩定.本次實驗結果與嚴加亮[17]、趙曉蕊[18]、楊小燕[19]的研究結果相反.這主要由于植被類型因不同地區而異，土壤微生物環境、微生物群落和根系的組成和分布也會產生差異，造成土壤中的磷素轉化產生差異，從而在土壤的垂直剖面上造成了不同的分布特征[20]；另外其成土母質的不同也會形成不同土壤種類，而具有各自的理化性質，土壤表現具有明顯的垂直分布規律性，土壤養分略有差異[21].由于研究區定西試驗基地位于中國西北干旱和半干旱區域，而上述研究大多位于南方地區，植被覆蓋、降水量、成土母質均有較大差異，且引起土壤磷素含量不同深度變化的因素有很多，這可能是造成定西基地土壤磷素垂直分布有異與其他地方的原因.

另外，對同一層土壤中總磷含量，發現在A層總磷最高和最低分別是9.29%和4.86%，相差4.43%，在B、C層也同樣差距較大.說明在同一層土壤中也會出現磷素盈余和虧缺的情況，這將會影響農作物耕作的深度、施肥用量以及作物最大產量，這是以后值得關注的地方.

對于定西其他區域垂直分布規律是否具有相應的規律，此方面還有待于在今后加強研究.

3.2 土壤有效磷分布特征

土壤有效磷是植物可直接吸收與利用的磷素.土壤有效磷并不是指土壤中某一特定形態的磷，而只是一個相對指標，它的含量可以相對地說明土壤的供磷水平，可作為一個指標來判斷土壤肥力狀況和指導科學施肥.一般來說土壤有效磷在25 ppm時便可滿足大多數室外農作物生長發育的需要，在溫室內種植需要磷素則更多[22]，但也有學者認為從環境保護的角度土壤有效磷含量范圍在30～50 ppm為宜[23].根據李強等對土壤有效磷的劃分[24]：5～10 ppm為低、10～20 ppm為適宜、大于20 ppm為高.試驗結果是：在分級討論情況下有效磷小于10 mg/kg的占試驗點點數的15.87%;有效磷10～20mg/Kg的占41.27%;有效磷大于20 mg/kg占42.86%.結果發現土壤有效磷含量為高的占比最大，說明定西基地內土壤有效磷表現為盈余，土地的基礎肥力較好，這在一定程度上反映了當地土壤的增產能力.

另一方面查閱定西基地土壤有效磷本底值為5.54 ppm，而本次試驗結果所測平均值為20.8 ppm，富集倍數(EFs)為3.8.說明人為的對土壤投放了過量的磷素，導致作物吸收的磷素小于投放量，使土壤有效磷有一定程度的富集.且由上述討論可知磷素存在不同程度的累積個向下遷移，這可能會增加環境風險.

3.3 土壤磷素有效性影響因素

土壤磷有效性的影響因素十分復雜，只要能影響磷素形態轉化的各種因素都會改變磷素的有效性.一般來說影響因素可分為土壤性質、氣候條件和施肥方式等.對于定西基地，土壤以黃綿土為主，土壤 pH 6.7，有機質質量分數72 mg/kg，這些土壤理化性質比較穩定，變化較小.氣候方面，根據研究發現雖然全市氣溫有上升趨勢并且降水在慢慢減少，但都是相當緩慢的過程[23]，對于近期土壤磷素含量影響不大.有研究發現影響最大的是磷肥的施加量，由于磷素在土壤中幾乎沒有揮發，在干旱區淋溶也較小，在土壤中移動性很差，因此只有磷肥的施加量和植物的吸收會影響磷庫[25].通過對比定西基地a、b、c、d、e、f，6組樣品土壤全磷和有效磷含量(圖2)，發現有效磷的變化和全磷接近同步，二者相關性顯著，總磷對有效磷的含量有著顯著影響，這和上述研究相一致.

4 結論

模擬試驗發現定西實驗基地土壤磷素隨著土壤剖面深度的加深而升高，呈現明顯的上升趨勢，這與大多數研究結果相悖，但是這可能與定西試驗基地特定的自然條件有關.在對同一深度磷素的含量的方差分析中表明同一層土壤磷素并未表現出顯著性差異，同一海拔高度同一土層土壤磷素呈現穩定性.基地內土壤有效磷存在不同程度的富集，表現為盈余，土地的基礎肥力較好，施肥方式極大地影響土壤磷素有效性.基于以上討論，在以后的農業生產中，根據有效磷含量適當減少磷肥施用和進行深耕是十分必要的.