長期施肥對紅壤旱地團(tuán)聚體磷素儲存容量的影響*

許杏紅，王艷玲，姚 怡，殷 丹

（南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，南京210044）

土壤磷素儲存容量（Soil Phosphorus Storage Capacity，SPSC）是指在土壤磷素達(dá)到環(huán)境淋失風(fēng)險閾值前，土壤可繼續(xù)容納的外源磷的數(shù)量[1]。SPSC = 0 是判斷土壤是磷源或磷匯的臨界閾值，也是判斷土壤磷素是否具有淋失風(fēng)險的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；當(dāng)SPSC ＞ 0 時，土壤是磷匯且可繼續(xù)容納外源磷；當(dāng)SPSC ＜ 0 時，土壤是磷源且不能繼續(xù)容納外源磷，此時的土壤極易向周圍環(huán)境釋放磷[2]。SPSC 是基于磷飽和度（Degree of Phosphorus Saturation，DPS）概念提出并發(fā)展的指標(biāo)，首次用磷飽和率（Phosphorus Saturation Ratio，PSR）代替了 DPS 對 SPSC 進(jìn)行計算，使得 SPSC 的計算值可以直接評估與預(yù)測土壤磷素飽和狀態(tài)及流失風(fēng)險[3]。DPS 由土壤中可提取態(tài)磷與飽和系數(shù)α及可提取態(tài)鐵鋁和的摩爾比計算得到，而PSR 是忽略了DPS 計算中較難確定的飽和系數(shù)α后的計算結(jié)果，由PSR 計算得到的SPSC 有效彌補(bǔ)了DPS 無法估算土壤磷素安全儲量的缺陷[3]。土壤在完全磷飽和之前，溶液中最接近環(huán)境閾值的磷水平，稱為土壤PSR 閾值[4]，即Threshold PSR，可以由土壤 PSR 與 CaCl2-P 的相關(guān)曲線的“拐點(diǎn)（change point）”確定。PSR 閾值的取值直接決定著SPSC 計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，已有研究確定的 PSR 閾值的取值范圍為0.08～0.23[5-7]，而PSR 閾值 = 0.10應(yīng)用最為廣泛[8-9]。國外許多學(xué)者已經(jīng)利用SPSC 來對土壤磷素環(huán)境風(fēng)險進(jìn)行評價，并基于 SPSC-DPS理論建立了土壤磷素的最佳管理模式[2，4，10，11]。而國內(nèi)對 SPSC 的應(yīng)用與發(fā)展仍顯不足，尤其是在鐵鋁氧化物含量豐富、固磷能力強(qiáng)、土壤結(jié)構(gòu)性較差的紅壤上的研究仍顯不足。

紅壤是我國南方地區(qū)最主要的土壤類型及糧食生產(chǎn)基地，外源磷肥的長期施入與磷肥的當(dāng)季利用率低下，導(dǎo)致了紅壤中磷素的過量累積；降雨和徑流的沖刷作用又極易導(dǎo)致紅壤中富集磷通過地表徑流和壤中流匯入水體，進(jìn)而引起水體環(huán)境污染[12-13]。團(tuán)聚體是土壤磷素固存與釋放、周轉(zhuǎn)與流失的重要載體而團(tuán)聚體粒級的大小及分布比例又將影響著土壤磷素的儲存與供應(yīng)效能[14]，進(jìn)而調(diào)控著 SPSC 值的大小。因此，本研究以長期施肥（1988—）的紅壤旱地為材料，以各粒級團(tuán)聚體為載體，分析長期施肥條件下紅壤旱地及各粒級團(tuán)聚體的 SPSC 變化特征，探討土壤全磷（TP）及速效磷（Bray-P）與SPSC 的相關(guān)關(guān)系，基于SPSC 值估算紅壤旱地及大小團(tuán)聚體磷的流失風(fēng)險及其可繼續(xù)容納外源磷的“安全壽命”。研究結(jié)果可為紅壤區(qū)土壤磷素資源管理、土壤磷素儲存潛能的準(zhǔn)確評估與農(nóng)業(yè)高效、環(huán)境友好的磷素資源管理策略的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)概況

長期試驗(yàn)地于 1988 年建在江西省鷹潭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外研究站院內(nèi)（28°04′—28°37′N，116°41′—117°09′E）。1995 年以前試驗(yàn)地進(jìn)行花生和油菜輪作，后改為一季花生，冬季休田。供試土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的典型紅壤。試驗(yàn)分無機(jī)肥區(qū)與有機(jī)無機(jī)肥配施區(qū)，其中無機(jī)肥試驗(yàn)區(qū)設(shè)：NPK、NP、PK、NK、NPKCa、NPKCaS 共 6 個肥料處理（Ca 表示施用石灰，S 表示施用微量元素）；有機(jī)無機(jī)肥配施區(qū)設(shè)：對照（CK，約為 1/2NPK 肥）、1/2NPK+花生秸稈本田還田（PS）、1/2NPK+稻稈（RS）、1/2NPK+鮮蘿卜菜（FR）、1/2NPK+豬廄肥（PM）共5 個肥料處理；每個肥料處理重復(fù)3 次，每個小區(qū)的具體肥料用量參見文獻(xiàn)[14]。

1.2 土壤樣品采集與制備

2014 年秋季（花生收獲 2 個月后），在每個實(shí)驗(yàn)小區(qū)用硬質(zhì)飯盒采集原狀土5 點(diǎn)，密封好后，帶回室內(nèi)。同時，在每個試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)按“S”形，采集耕層（0～15 cm）土壤樣品10～15 點(diǎn)，去除小石塊、植物殘體以及動物遺體，混合均勻后、采用四分法保留1 kg 左右，放于硬質(zhì)密封盒中，帶回室內(nèi)自然風(fēng)干，保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 土壤團(tuán)聚體篩分

在原狀土壤樣品風(fēng)干的過程中，用手沿著土壤的自然結(jié)構(gòu)面輕輕將土壤樣品剝成直徑約 10～12 mm大小的樣塊。風(fēng)干后，稱取20 g 土壤樣品放入套篩中（從上到下篩孔的直徑依次為2 mm、1 mm、0.25 mm和0.053 mm），將套篩放入DX-100 團(tuán)聚體分析儀中，加水至淹沒上層篩子土壤2 cm，浸泡10 min 后，上下篩分30 min（頻率為60 次·min-1），然后取出套篩，自上而下的將各個篩子中的土壤顆粒轉(zhuǎn)移至已知重量的鋁盒中，放入 40℃的烘箱中烘干、稱重，即分別獲得粒級為＞ 2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm 與 0.25～0.053 mm 的團(tuán)聚體樣本。

1.4 土壤磷素儲存容量（SPSC）的測定

稱取1.00 g 過2 mm 篩的風(fēng)干土，置于100 mL的三角瓶中，加入50 mL 0.2 mol·L-1的草酸銨提取液（pH = 3.0），用橡皮塞將瓶口塞緊后裝入里紅外黑布袋以防止光化學(xué)反應(yīng)，在室溫（25 ℃±2℃）條件下震蕩2 h 后，離心、過0.45 μm 濾膜。使用電感耦合等離子光譜儀（ICP）測定提取液中的鐵（Feox）、鋁（Alox）及磷（Pox）含量。分別按式（1）和式（2）計算得到磷飽和率（PSR）與SPSC：

式中，Pox、Feox、Alox為草酸銨提取態(tài)磷、鐵、鋁的量（mmol·kg-1）。Threshold PSR 為 PSR 的臨界閾值，本研究中取值為0.10；Soil PSR 為使用草酸銨溶液作為提取劑所測定的土壤的PSR 值。

同時，根據(jù)式（3）計算各粒級團(tuán)聚體對全土SPSC 值的貢獻(xiàn)率（Cr）：

式中，SPSCaggregate為某粒級團(tuán)聚體 SPSC（mg·kg-1）；Paggregate為該粒級團(tuán)聚體的所占比例（%）；SPSCsum為各粒級團(tuán)聚體 SPSC 的加和（mg·kg-1）。

1.5 土壤基本理化性質(zhì)分析

土壤有機(jī)質(zhì)（OM）采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；pH 采用電位法測定，液土比為2.5︰1。土壤全磷（TP）采用硫酸-高氯酸（H2SO4-HClO4）消煮，土壤速效磷（Bray-P）采用鹽酸-氟化銨法浸提，水溶性磷（ CaCl2-P）采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提，液土比為 10︰1，用鉬藍(lán)比色法測定上述浸提溶液中的磷濃度。上述指標(biāo)測定的具體操作方法參見文獻(xiàn)[15]。供試土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of the red soil in the experiment

1.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Excel 與SPSS 20.0 軟件；繪圖采用Origin 2017 軟件。

2 結(jié) 果

2.1 長期施肥對紅壤旱地SPSC 的影響

長期施肥可以顯著影響紅壤旱地SPSC 的大小，無機(jī)肥區(qū)，長期不施磷肥的 NK 處理 SPSC 高達(dá)265 mg·kg-1，顯著高于其他處理，分別是NPK、NP、PK、NPKCa 和 NPKCaS 處理的 1.9 倍、1.6 倍、1.9倍、2.0 倍和2.4 倍（圖1）。有機(jī)無機(jī)肥配施區(qū)，與CK 處理相比，只有配施豬廄肥的 PM 處理可以顯著降低紅壤旱地 SPSC，且 SPSC 為負(fù)值（-333 mg·kg-1），而PS、RS 及FR 處理的SPSC 均為正值，且影響差異不顯著（圖1）。

2.2 長期施肥對紅壤旱地各粒級團(tuán)聚體 SPSC 的影響

長期施用無機(jī)肥的紅壤旱地中各粒級團(tuán)聚體SPSC 由 高 到 低 依 次 為 1 ～0.25 mm、0.25 ～0.053 mm、＞2 mm、2～1 mm。與NK 處理相比，NPK、NP、PK、NPKCa 和 NPKCaS 處理中 0.25～0.053 mm 粒級團(tuán)聚體SPSC 分別顯著降低了51%、37%、46%、58%及63%，1～0.25 mm 粒級團(tuán)聚體SPSC 分別顯著降低了51%、40%、56%、55%及64%；其中，NPKCaS 處理中2～1 mm 粒級團(tuán)聚體與NP處理中＞ 2 mm 粒級團(tuán)聚體的SPSC 分別顯著降低了62%及32%（圖2）。

長期施用有機(jī)無機(jī)配施肥的紅壤旱地中（PM 處理除外）各粒級團(tuán)聚體 SPSC 由高到低依次為 1～0.25 mm、＞ 2 mm、0.25～0.053 mm、2～1 mm。與CK 處理相比，僅PM 處理可以顯著降低各粒級團(tuán)聚體的SPSC，且均呈現(xiàn)負(fù)值，而PS、RS 及FR 三個處理無顯著影響（圖2）。

圖1 長期施肥對紅壤旱地SPSC 的影響Fig. 1 Effect of long-term fertilizers on the SPSC in the upland red soil

圖2 長期施肥對紅壤旱地各粒級團(tuán)聚體SPSC 的影響Fig. 2 Effect of long-term fertilization on SPSC in aggregates in the upland red soil relative to particle size

2.3 長期施肥條件下各粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地SPSC 的影響

長期施用無機(jī)肥的紅壤旱地中，各粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地 SPSC 的貢獻(xiàn)率由高到低依次為 1～0.25 mm（55.3%～65.9%）、0.25～0.053 mm（16.9%～20.6%）、＞ 2 mm（7.2%～18.3%）、2～1 mm（7.3%～9.0%）（圖 3）。與 NK 處理相比，NPK、NP、PK、NPKCa 和 NPKCaS 處理的 0.25～0.053 mm 及 2～1 mm 粒級團(tuán)聚體對土壤SPSC 的貢獻(xiàn)率無顯著變化；PK 處理中1～0.25 mm粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地SPSC貢獻(xiàn)率顯著降低了16%；而PK、NPKCa 和NPKCaS 處理中＞ 2 mm 粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地SPSC 貢獻(xiàn)率顯著增加了1.3 倍、1.4 倍和1.6 倍（圖3）。

長期有機(jī)無機(jī)肥配施的紅壤旱地中，各粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地 SPSC 的貢獻(xiàn)率由高到低依次為1～0.25 mm（47.3%～63.9）、＞ 2 mm（17.4%～27.0%）、0.25～0.053 mm（10.9%～16.1%）、2～1 mm（7.2%～11.4%）（圖3）。與CK 處理相比，PS、RS、FR、PM 處理的 0.25～0.053 mm 及＞ 2 mm 粒級團(tuán)聚體對SPSC 的貢獻(xiàn)率無顯著變化；FR 和PM 處理中1～0.25 mm 粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地SPSC 的貢獻(xiàn)率顯著降低了22%及21%；而PM 處理中2～1 mm 粒級團(tuán)聚體對紅壤旱地 SPSC 貢獻(xiàn)率顯著增加了 0.6倍（圖3）。

圖3 長期施肥對紅壤旱地各粒級團(tuán)聚體SPSC 的貢獻(xiàn)率Fig. 3 Effect of long-term fertilization on SPSC contribution rate of aggregates in the upland red soil relative to particle size

2.4 土壤供磷水平對紅壤旱地SPSC 的影響

土壤磷素供應(yīng)狀況是影響紅壤旱地 SPSC 的重要因素，由圖 4 可以看出，隨著土壤 TP 和 Bray-P含量的增加，紅壤旱地 SPSC 呈現(xiàn)出顯著降低趨勢（P＜ 0.01）。由 SPSC 與 TP、Bray-P 的相關(guān)方程可以分別推算出，當(dāng) SPSC = 0 時，TP = 0.76 g·kg-1，Bray-P = 105 mg·kg-1；由 TP 與 Bray-P 的相關(guān)關(guān)系可知，當(dāng) TP = 0.76 g·kg-1時，Bray-P = 99 mg·kg-1（圖5），此時的SPSC = 10 mg·kg-1（圖4）；當(dāng)Bray-P=105 mg·kg-1時，TP = 0.77 g·kg-1（圖 5），而此時的SPSC =-10 mg·kg-1（圖 4）。由此可以初步判斷，當(dāng)SPSC＞10 mg·kg-1時，紅壤旱地仍具有繼續(xù)容納外源磷的“安全容量”；當(dāng)-10 mg·kg-1≤SPSC≤10 mg·kg-1時，土壤磷處于極度不穩(wěn)定的狀態(tài)，需要引起注意；當(dāng)SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，土壤磷已經(jīng)開始向周圍水體或地下水釋放，應(yīng)立即采取環(huán)境保護(hù)措施。

圖4 長期施肥的紅壤旱地Bray-P、TP 與SPSC 之間的相關(guān)關(guān)系Fig. 4 Correlations of SPSC with Bray-P and TP in the red soils under long-term fertilization

3 討 論

圖5 長期施肥的紅壤旱地Bray-P 與TP 之間的相關(guān)關(guān)系Fig. 5 Correlations between Bray-P and TP in the red soils under long-term fertilization

SPSC 是一個數(shù)量值，可以直接計算出在磷濃度超過環(huán)境風(fēng)險閾值前，土壤可繼續(xù)容納與存儲外源磷的容量[1]。SPSC = 0 是判斷土壤是磷的源或匯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，當(dāng)SPSC ＞ 0 時，土壤是磷的匯，即土壤不會向周圍環(huán)境釋放磷且可繼續(xù)容納外源磷；當(dāng)SPSC ＜0 時，土壤是磷的源，即土壤磷流失或浸出的風(fēng)險將急劇增大[16]。本研究中發(fā)現(xiàn)，長期施用磷肥或配施作物秸稈雖顯著降低了紅壤旱地SPSC，但還未使土壤SPSC ＜ 0，土壤仍是磷匯，土壤磷素是相對安全的；而長期配施豬廄肥不僅顯著降低了紅壤旱地SPSC，且使 SPSC 呈現(xiàn)負(fù)值（-333 mg·kg-1），此時土壤磷極易向周圍環(huán)境釋放并污染水環(huán)境（圖1），這主要是由于豬糞的施用主要是以滿足作物的氮素需求為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，由此就導(dǎo)致了外源磷的過量施入與大量累積，使得土壤中磷的吸附點(diǎn)位被迅速占據(jù)且在短時間內(nèi)達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)[17]。雖然，SPSC ＜ 0 時，土壤磷極易向環(huán)境釋放，但也意味著土壤磷極易向作物根系移動并被吸收利用[18]。本研究中，長期配施豬廄肥的紅壤旱地 Bray-P 高達(dá)483 mg·kg-1（表1），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于作物利用最適的有效磷濃度 20～40 mg·kg-1[19]，可見，提高作物對土壤磷素的利用率也是有效降低紅壤旱地磷素流失風(fēng)險的重要方面。

各粒級團(tuán)聚體是土壤磷素儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)及流失的重要載體，其磷素儲存容量的大小直接影響著土壤磷素的環(huán)境安全[20]。長期施肥或配施有機(jī)肥可以顯著降低紅壤旱地中各粒級團(tuán)聚體的SPSC，尤其是配施豬廄肥使各粒級團(tuán)聚體的 SPSC 均呈現(xiàn)負(fù)值，由低到高依次為 1～0.25 mm（-155.2 mg·kg-1）、＞2 mm（-86.0 mg·kg-1）、2～1 mm（-35.3 mg·kg-1）、 0.053～0.25 mm（-33.1·mg kg-1）（圖 2），這就意味著廄肥處理中土壤各粒級團(tuán)聚體磷對環(huán)境均是不安全的，且極易向環(huán)境中釋放。本研究還發(fā)現(xiàn)，長期施用無機(jī)肥與配施有機(jī)肥的紅壤旱地中，對紅壤旱地SPSC貢獻(xiàn)率最高與最低的團(tuán)聚體粒級均為 1～0.25 mm與 2～1 mm，而 0.25～0.053 mm 與＞2 mm 粒級團(tuán)聚體的貢獻(xiàn)率則相反（圖3）；由此可見，土壤團(tuán)聚體的分布比例也是影響紅壤旱地 SPSC 的重要因子，而長期施用無機(jī)肥或配施有機(jī)肥是調(diào)控紅壤旱地團(tuán)聚體組成的重要措施，尤其是長期配施有機(jī)肥可以顯著提高＞2 mm 粒級團(tuán)聚體分布比例，直接影響著土壤磷素的儲存與供應(yīng)效率[21]。

施肥是改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，調(diào)控土壤磷肥力供應(yīng)能力的重要措施[22]，也是提高土壤DPS、降低SPSC、增加磷素流失風(fēng)險的主要因素[23]。長期不施磷肥的NK 處理，土壤磷素長期處于自然耗竭狀態(tài)，SPSC 高達(dá) 265 mg·kg-1，土壤磷素儲存容量較大；長期施用無機(jī)磷或配施作物秸稈的紅壤旱地 SPSC均為正值且土壤仍具有容納外源磷的空間；而長期配施豬廄肥的紅壤旱地 SPSC 呈現(xiàn)負(fù)值，土壤已無再容納外源磷的空間、土壤磷極為不安全（圖1）。由總施磷量（TPFA）、土壤殘留磷量（RP）與SPSC的相關(guān)方程可以推算出，當(dāng)SPSC = 0 時，TPFA=2 419 kg·hm-2，RP = 1 388 kg·hm-2（圖 6）；那么，按照現(xiàn)有的年施磷量[14]計算，長期施用無機(jī)肥（NK 處理除外）的紅壤旱地仍可以繼續(xù)安全施用磷肥30 年；而配施作物秸稈的PS、RS、FR 處理仍可安全施磷41、30、14 年，而低量施磷的CK 處理則可安全施磷51 年；配施豬廄肥的PM 處理應(yīng)立即停止施磷或調(diào)整施磷量，不宜按現(xiàn)有施磷量繼續(xù)施用。

圖6 長期定位試驗(yàn)地各施肥小區(qū)總施磷量（1988—2014）、TP 與SPSC 之間的相關(guān)關(guān)系（總施磷量引自文獻(xiàn)[14]）Fig. 6 Correlation between total phosphorus applied，TP and SPSC in the long-term field experiment from 1988 to 2014，relative to treatment

圖7 SPSC 在紅壤旱地磷素管理中的應(yīng)用框架Fig. 7 Framework illustrating the use of SPSC in P management in upland red soil

SPSC 的變化可以直接反映出土壤磷素的供應(yīng)狀態(tài)及其流失風(fēng)險[3]，因此，基于SPSC 理論建立土壤磷素管控模式也是十分必要的。因此，與Nair 等[16]的研究相結(jié)合，本研究構(gòu)建了基于 SPSC 理論的紅壤旱地磷素管理框架（圖 7）：即當(dāng) SPSC ＞ 10 mg·kg-1時，可以認(rèn)為此時的土壤磷是土壤磷素是絕對“安全”的，土壤仍有儲存外源磷的安全容量，若能提高土壤磷素的生物有效性或提高肥料的利用率，則可以有效提高作物的經(jīng)濟(jì)效益；當(dāng)-10 mg·kg-1≤SPSC≤10 mg·kg-1時，可以認(rèn)為此時的土壤磷處于極度不穩(wěn)定的狀態(tài)，極易或已經(jīng)開始向周圍環(huán)境或水體釋放，需要引起注意、定期監(jiān)測，并及時調(diào)整施肥方案；當(dāng)SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，可以認(rèn)為土壤磷已經(jīng)向周圍水體或地下水釋放（具體遷移方向需要綜合深層土壤進(jìn)行討論），應(yīng)立即停止或減少施磷量，重新調(diào)整施肥方案，以降低環(huán)境風(fēng)險，減少磷素資源的無效使用及浪費(fèi)。

4 結(jié) 論

長期施用磷肥或配施作物秸稈可顯著降低紅壤旱地及各粒級團(tuán)聚體SPSC，但土壤仍具有容納外源磷的容量（SPSC ＞ 0），且按現(xiàn)有施磷量仍可安全施磷14～51 年；而配施豬廄肥的紅壤旱地及大小團(tuán)聚體SPSC 均呈現(xiàn)負(fù)值，土壤磷極易向周圍環(huán)境釋放，應(yīng)立即停止施肥或調(diào)整施肥量，不宜按現(xiàn)有施肥量繼續(xù)施用。當(dāng)SPSC ＞ 10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷是絕對“安全”的；當(dāng)-10 mg·kg-1≤SPSC≤10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷處于極度不穩(wěn)定狀態(tài)，極易向或已經(jīng)向周圍環(huán)境或水體釋放，需隨時監(jiān)測或停止施磷；當(dāng) SPSC ＜ -10 mg·kg-1時，紅壤旱地磷已經(jīng)開始向周圍環(huán)境或水體釋放，應(yīng)立刻停止施磷，并調(diào)整施肥方案。