紅壤區旱地和水田土壤磷素狀況及其流失風險

肖作義，馬 飛，2，柳開樓，趙學強，鄭春麗，張昊青，王嘉林，沈仁芳

（1.內蒙古科技大學能源與環境學院，內蒙古 包頭 014010；2.中國科學院南京土壤研究所/土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，江蘇 南京 210008；3.江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌 330046；4.中國科學院大學，北京 100049）

我國紅壤地區總面積約218萬km2，耕地面積約2800萬hm2，為全國供應了一半農業產值，養活了全國近一半人口［1］。紅壤廣泛分布于我國南方熱帶和亞熱帶地區，該地區水熱資源豐富，作物生產潛力巨大［2］。大多數紅壤pH較低，經常存在鋁毒、錳毒、酸害和養分缺乏等限制作物生長的因子，導致紅壤上作物生產潛力難以充分發揮［3-4］。受自然和人類活動等因素影響，近年來土壤酸化面積不斷擴大，南方紅壤地區的土壤酸化尤為嚴重［5-6］。

磷是植物生長發育必需的營養元素之一，參與植物體內各種生理生化活動，也是決定土壤肥力和土壤質量的重要指標之一［7-8］。土壤磷含量直接影響作物產量和品質［9］。據統計，全球耕地土壤大約有43%缺磷，我國耕地土壤有2/3缺磷［10］。紅壤中可溶性鋁離子含量較高，過多的鋁離子會固定紅壤中的磷酸根，降低紅壤中磷的生物有效性，導致植物容易缺磷［3，11］。因此，磷素短缺已成為限制南方紅壤地區作物生長的重要因素之一，施用磷肥是解決紅壤區農田土壤缺磷的主要方式。由于磷肥利用率低，長期過量施用磷肥導致土壤中的磷不斷積累，在南方多雨條件下，土壤中積累的磷易通過淋洗和徑流等方式進入水體，造成水體富營養化［12-13］，對當地生態環境和人類健康構成威脅。

不同土地利用方式是影響土壤養分有效性的重要因素。旱地和水田是我國南方紅壤地區的兩種主要耕地類型，評估紅壤地區旱地和水田土壤磷生物有效性和環境風險對于農業生產和環境保護均具有重要意義。雖然已有不少關于紅壤磷生物有效性和磷環境風險的研究，但是少有研究將紅壤磷生物有效性、流失風險與水體磷含量三者進行關聯分析。CaCl2溶液提取的土壤磷與徑流液中的磷含量有很好的相關性，常被用來評價土壤磷素流失風險［14-16］。表征土壤有效磷的指標主要有Olsen-P和Bray-P，二者對于不同土壤類型具有不同農學意義，但是哪種有效磷指標與磷流失風險的關系更為密切尚不清楚。本研究以典型紅壤區江西省余江縣作為采樣區域，采集了不同鄉鎮旱地和水田土壤樣品以及水田周邊水體樣品，測定了土壤有效磷（Olsen-P和Bray-P）和CaCl2提取態磷含量及水樣總磷含量。擬通過這些研究，比較紅壤旱地和水田土壤磷素豐缺狀況及其流失的環境風險。

1 材料與方法

1.1 江西省余江縣采樣情況

采樣區域余江縣位于江西省東北部山區丘陵向鄱陽湖平原過渡地段，處于東經116°41′～117°09′，北緯28°04′～28°37′，總面積約為936 km2，氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，年均氣溫約17.6℃，年均降水量約1766 mm［17-18］。余江縣主要地形為低丘，主要土壤類型為低丘紅壤及其發育的紅壤性水稻土，約占全縣土壤面積的90%［19］。

采樣時間為2019年4月下旬，選取余江縣馬荃鎮、楊溪鄉、平定鄉、潢溪鎮、中童鎮、劉家站、錦江鎮、黃莊鄉、畫橋鎮9個鄉鎮作為采樣區域（圖1），其中旱地土采樣點18個，水稻土采樣點18個。因為有些水田采樣點周圍排水溝沒有排水，有些水田采樣點共用一個排水溝，最終只有8個水樣采樣點。每個采樣點隨機采集來自同一田塊3個不同地方的土壤樣品，并采集相應水田周圍水樣，獲得54份旱地土壤樣品，54份水田土壤樣品，24份水體樣品，共132份樣品（表1）。土壤采集深度為0～20 cm，水樣取自水田排水溝渠上清液。樣品帶回實驗室后，土樣均勻混合、自然風干、去雜、研磨，過2 mm篩后，測定磷相關指標。水樣經過濾后置于4℃冰箱，用于測定總磷含量。

表1 江西余江采樣情況

1.2 分析方法

土壤測定參照土壤農化常規分析方法［20］，土壤Olsen-P采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提（液土 比20∶1），土 壤Bray-P采 用NH4F-HCl 溶 液浸提（液土比10∶1），土壤CaCl2-P采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（液土比10∶1），然后都在25℃下振蕩30 min，鉬銻抗比色法測定。水樣總磷利用電感耦合等離子體原子發射光譜儀（Avio 200，美國）進行測定。

1.3 數據處理與統計分析

數據采用WPS 2019與SPSS 25.0進行統計分析和作圖。土壤Bray-P、Olsen-P與CaCl2-P的定量關系利用數學方法，以不偏離突變點為基礎，分步計算關系方程，使土壤高Bray-P含量、Olsen-P含量與CaCl2-P含量之間的關系方程斜率最大，相關系數最高，而使土壤低Bray-P含量、Olsen-P含量與CaCl2-P含量之間的關系方程斜率最小，再根據兩個方程來計算土壤磷流失突變點［21-22］。采用皮爾遜相關性分析確定土壤有效磷、CaCl2-P之間的相關系數。

2 結果與分析

2.1 余江縣土壤有效磷分析

以Olsen-P作為參考，一般認為，適合作物生長的水田土壤Olsen-P 為11～20 mg·kg-1，旱地土壤為21～40 mg·kg-1。當Olsen-P大于41 mg·kg-1時相對偏高，小于10 mg·kg-1時則相對缺乏［23］。圖2結果表明，有39%的水田土壤Olsen-P小于10 mg·kg-1，有39%的水田土壤Olsen-P在11～20 mg·kg-1之間，11%的水田土壤Olsen-P大于41 mg·kg-1，表明有1/3以上的水田土壤缺磷，1/3以上的水田土壤磷含量適合作物生長，1/10的水田土壤高磷。旱地土壤Olsen-P分析結果表明，有11%的旱地土壤Olsen-P小于10 mg·kg-1，11%的旱地土壤Olsen-P大于41 mg·kg-1，有61%的旱地土壤Olsen-P在21～40 mg·kg-1之間，這表明旱地土壤缺磷較少，2/3左右的旱地土壤磷濃度適合作物生長。

以Bray-P作為參考，參照土壤農化常規分析方法［20］和沈建國等［24］Bray-P分級標準，農田土壤Bray-P含量小于7 mg·kg-1為缺磷狀態，水田土壤Bray-P為7～20 mg·kg-1適合作物生長，旱地土壤在21～50 mg·kg-1適合作物生長，當大于51 mg·kg-1為高磷狀態。由圖3可知，有33%的水田土壤Bray-P小于7 mg·kg-1，有33%的水田土壤Bray-P在8～20 mg·kg-1之間，6%的水田土壤Bray-P大于51 mg·kg-1，表明1/3以上的水田土壤處于缺磷狀態，1/3以上的水田土壤磷濃度適合作物生長，極少有水田處于高磷狀態。旱地土壤Bray-P分析結果表明，有11%的旱地土壤Bray-P小于7 mg·kg-1，6%的旱地土壤Bray-P在21～50 mg·kg-1之間，77%的旱地土壤Bray-P大于51 mg·kg-1，表明旱地土壤很少出現低磷狀態，3/4以上的旱地土壤高磷。

2.2 余江縣土壤有效磷與水溶性磷之間的關系

土壤各種磷含量之間的皮爾遜相關性分析表明，Olsen-P與Bray-P、Olsen-P與CaCl2-P、Bray-P與CaCl2-P都呈極顯著正相關關系（表2）。

表2 土壤各種磷含量之間的皮爾遜相關性分析（n=36）

土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的定量關系分析表明，兩條相關直線存在一個明顯的“突變點”（圖4）。“突變點”對應的Olsen-P濃度為56.31 mg·kg-1，相應的CaCl2-P濃度為2.49 mg·kg-1。當土壤Olsen-P低于56.31 mg·kg-1時，土壤CaCl2-P濃度很低，變化幅度也很小。在“突變點”之后，CaCl2-P快速增加，最大Olsen-P濃度（232.09 mg·kg-1）的測試土壤對應的CaCl2-P濃度已達到52.28 mg·kg-1。

土壤Bray-P和CaCl2-P的關系與土壤Olsen-P和CaCl2-P的關系有同樣的趨勢（圖5），但其“突變點”不同，“突變點”對應的Bray-P濃度為118.4 mg·kg-1，相 應 的CaCl2-P濃 度 為2.69 mg·kg-1。土壤Bray-P濃度低于“突變點”值時，其對應的土壤CaCl2-P濃度變化不顯著，當土壤Bray-P濃度超過“突變點”值后，其對應的土壤CaCl2-P濃度快速增加，最大Bray-P濃度（353.13 mg·kg-1）的測試土壤對應的CaCl2-P濃度也已達到52.28 mg·kg-1。

2.3 余江縣土壤磷的流失風險分析

土壤磷的“突變點”是土壤磷流失臨界值，低于這個“突變點”，土壤中磷流失風險較小，高于“突變點”，土壤磷流失風險較高［25］。圖6計算了采樣點水田和旱地土壤Olsen-P、Bray-P超過磷“突變點”的土壤樣品占比，以評價余江縣土壤磷流失風險。水田所有土壤樣品Olsen-P、Bray-P均未超過“突變點”，旱地土壤樣品Olsen-P、Bray-P超過“突變點”的土樣占比分別為50%和33%。

為了進一步確定余江縣磷流失情況，對水田采樣點周邊排水溝渠水總磷含量進行了測定。結果表明，水田周邊溝渠水總磷含量偏低，所有水樣總磷含量均低于地表水環境質量標準（GB 3838-2002）II類水的總磷標準限值（≤0.1 mg·kg-1）（表3）。

表3 水田周邊排水溝渠水總磷情況

3 討論

3.1 紅壤區旱地和水田土壤磷豐缺情況

本研究調查的紅壤區水田土壤Olsen-P和Bray-P均表明，1/3以上的土壤缺磷，1/3以上的土壤磷適合作物生長，較少土壤出現高磷狀況。旱地土壤Olsen-P和Bray-P結果均表明，大部分旱地土壤有效磷含量偏高，僅有約1/10土壤缺磷。童文彬等［26］的研究結果表明，浙江省紅壤區旱地土壤有效磷（Olsen-P）平均含量遠高于水田，44.84%的水田土壤處于低磷（＜10 mg·kg-1），僅17.04%的水田土壤有效磷超過40 mg·kg-1，旱地土壤有效磷在21～40 mg·kg-1和大于40 mg·kg-1的占比較大，說明有較高比例的水田土壤缺磷，旱地土壤有效磷含量較高。黃慶海［10］的長期定位試驗研究表明，長期施磷的旱地紅壤有效磷含量持續上升，長期施磷的水田土壤有效磷含量上升幅度很小，含量在15 mg·kg-1左右，說明施磷更易提高旱地土壤有效磷含量，而對水田土壤有效磷含量影響較小。魯艷紅等［27］和呂真真等［28］研究表明，磷肥投入是影響土壤磷有效性的重要因素，長期不施磷或磷投入不足會導致土壤磷短缺，降低土壤磷有效性，而化肥磷及有機無機磷配施提高了土壤有效磷含量。本研究結果表明，余江縣1/3的水田土壤表現為缺磷狀態，這可能是由于稻田磷肥投入不足，需要提高磷肥的施用量，而旱地由于土壤有效磷含量較高，可以適當降低磷肥的施用量。

3.2 紅壤區旱地和水田磷流失風險分析

土壤有效磷含量與CaCl2-P提取的磷一般具有很好的相關性，且存在“突變點”［16］，該“突變點”可作為土壤磷流失臨界值來預測土壤磷流失風險。土壤磷流失的有效磷含量臨界值是指當土壤有效磷含量到達某一水平時，如果土壤有效磷含量繼續升高，就會對水環境造成一定風險［29］。雖然土壤磷流失受土壤類型、降雨量、灌溉方式、施肥量等多種因素影響，但是在相同條件下以土壤磷流失的有效磷含量臨界值來預測土壤磷流失風險仍有一定意義。姜波等［30］研究結果表明，土壤磷流失臨界值比滿足作物磷素營養需要的臨界值高，按照土壤磷淋失臨界值來進行磷素管理不僅可以滿足作物對磷的需要，而且可以指導磷肥的合理施用，對提高磷肥利用率和降低土壤磷對水體的污染均具有重要意義。Hesketh等［31］研究表明CaCl2-P與土壤Olsen-P有著很好的相關性，且可能會出現一個突變點，該點對應的Olsen-P的濃度就是土壤磷流失的臨界值，當超過該點時就可能發生磷流失。鐘曉英等［21］利用CaCl2-P和Olsen-P對我國23個土壤磷流失風險進行了評估，結果顯示不同土壤的磷流失臨界值不同，臨界值所對應的Olsen-P在29.96～156.78 mg·kg-1之 間。Liang等［16］研究了大田菜地土壤和盆栽菜地土壤的磷流失風險，Olsen-P突變點分別為55.9和53.8 mg·kg-1，對應的CaCl2-P含量分別為0.69和0.42 mg·kg-1。柏兆海等［32］研究了縣域農田土壤磷流失風險，砂壤、輕壤和重壤分別對應的突變點Olsen-P含量為23.1、40.1和51.5 mg·kg-1。申艷等［33］研究了磷肥施用量對潮土CaCl2-P和Olsen-P比值的影響，以此來評價土壤磷流失風險，結果表明30.2 mg·kg-1是Olsen-P流失臨界值，高量磷肥的施用提高土壤CaCl2-P含量的同時也會加大磷流失風險。王榮萍等［34］研究了不同質地土壤磷的流失風險，結果表明，壤質粘土、粘壤土、砂質粘壤土的CaCl2-P和Olsen-P線性相關且有明顯突變點，對應的突變點分別為79.74、51.08、43.99 mg·kg-1，而CaCl2-P與Bray-P沒有顯著的相關性，也沒有明顯突變點。本研究利用CaCl2提取的磷作為土壤溶液磷含量指標，與土壤Olsen-P、Bray-P進行擬合，結果發現CaCl2-P與Olsen-P、Bray-P均線性相關且有明顯突變點，土壤磷流失突變點Olsen-P、Bray-P含量分別為56.31和118.4 mg·kg-1，對應的CaCl2-P濃度分別為2.49和2.69 mg·kg-1。由于紅壤區水田和旱地土壤pH都較低，Bray-P主要用來評價酸性土壤磷的生物有效性，所以采用土壤磷流失突變點Bray-P的含量來評價紅壤磷流失風險更為合理。

依據本研究得出的土壤磷流失突變點，余江縣水田土壤磷含量均未超過磷突變點，表明水田土壤磷流失風險較低，旱地Olsen-P、Bray-P超過磷突變點分別占50%和33%，旱地Olsen-P含量最高為232.09 mg·kg-1，Bray-P含量最高為353.13 mg·kg-1，是土壤磷流失突變點的數倍，表明旱地土壤磷具有一定流失風險。本研究對采樣點水田周邊排水溝渠水總磷含量的測定結果也表明，所有水田周邊的水樣總磷含量都低于地表水環境質量標準（GB 3838-2002）II類水的總磷標準限值，表明水田磷流失風險確實較小。

4 結論與建議

通過考慮土壤磷的農學意義和環境意義兩個方面，對南方紅壤區水田、旱地的土壤磷素豐缺情況進行了分析。在此基礎上，對土壤有效磷含量、CaCl2-P含量和周邊水樣磷濃度進行了關聯分析，探討了紅壤磷流失風險，為南方紅壤磷素管理提供了理論依據。主要結論和建議如下：（1）余江縣水田土壤的缺磷點位比例較高，高磷點位較少，旱地土壤則與之相反；（2）余江縣水田土壤中，所有調查點位的土壤有效磷未超過磷流失突變點，磷流失風險低，而旱地土壤中有效磷超過磷流失突變點的點位較多，磷流失風險高；（3）建議余江縣適當增加水田中磷肥的施用量，降低高磷旱地的磷肥施用量。