西苕溪流域主要經濟林土壤磷素流失風險研究*

王肖君，王季豐，侯 瓊，冷明珠，倪吾鐘?

（1. 浙江大學環境與資源學院，浙江省農業資源與環境重點實驗室，杭州310058；2. 浙江省安吉縣農業農村局，浙江安吉313300）

水體富營養化是當今世界面臨的最主要的水污染問題，嚴重影響了人們的正常生活，制約了區域社會經濟的可持續發展。西苕溪作為太湖上游的重要支流，入湖水量大，其攜入的氮磷等污染物均會對太湖水環境質量產生最直接的影響[1]。據統計，西苕溪流域林地面積占了流域總面積的65%以上[2]，每年可產生超過650 t 的總氮流失量及270 t 的總磷流失量。其中，經濟林面積占了林地面積的 56%，土壤侵蝕及其產生的養分流失量占比77%[3]。

大量研究表明，由于化肥及有機肥的不合理施用，土壤磷素積累現象明顯。以錢塘江附近農田為例，超過土壤磷素流失閾值60 mg·kg–1的土樣占比可達11.60%[4]。當土壤中磷素積累到一定水平時，其釋放潛力會急劇增加，土壤磷釋放能力突變點所對應的土壤有效磷含量即土壤磷素流失閾值[5]。綜合Hesketh 和Brookes[6]、Zhao[7]等的研究結果可以發現，不同類型的土壤磷素流失閾值差異很大，最大值甚至可達最小值的16 倍。自從提出土壤磷素流失閾值概念后，土壤磷素流失閾值的研究引起了國內外學者的廣泛關注。但是大多數研究集中在農田土壤[8-11]上，對經濟林土壤磷素流失閾值的研究相對較少。

相關數據顯示，浙江省酸雨覆蓋面積可達90%以上，其中重酸雨區約占20%，酸雨污染嚴重[12]。西苕溪流域位于浙江省西北部的湖州市境內，2012—2017 年年均降水pH 在4.60～4.98 之間，6年pH 中位數為4.75，酸雨率超過了90%。劉旭陽等[13]發現，酸雨顯著提高了土壤磷的含量。大量研究表明，長期的酸雨作用會導致土壤磷素流失，且土壤磷流失總量與酸雨pH 存在顯著的非線性關系。隨著pH 的降低，土壤磷流失總量先增加后降低[14]。Liang 等[15]研究發現，pH1.6～6.0 范圍內，pH 越低，膠體態磷流失風險就越高。

綜上，土壤磷素流失閾值研究以及酸雨對土壤磷素流失的影響一直是學者們關注的重點。雖然也有少量土壤磷素流失閾值與土壤 pH 關系的研究[7]，但是關于酸雨對土壤磷素流失閾值的影響仍未見報道。因此，本文擬通過模擬酸雨浸提實驗，根據土壤水溶性磷、模擬酸雨浸提磷與有效磷之間的相關關系，對西苕溪流域主要經濟林土壤磷素流失風險進行研究，旨在為酸雨頻發區土壤磷素流失閾值研究提供新思路，對流域內磷素的管理、農業面源污染及水體富營養化治理也具有十分重要的意義。

1 材料與方法

1.1 土樣的采集與預處理

浙江省安吉縣境內西苕溪流域面積為1 806 km2，約占西苕溪流域總面積的79.42%。根據安吉縣主要經濟林的分布情況，采集毛竹林、白茶園、板栗林土壤樣品（0～20 cm）105 個，采樣點分布如圖1所示。采集的土樣在室溫下自然風干后，研磨過篩（20 目、100 目），保存備用。

1.2 測定項目與方法

水溶性磷（WEP）采用蒸餾水浸提，水土比為10∶1，振蕩時間30 min，0.45 μm 濾膜過濾后用磷鉬藍比色法測定[16]；模擬酸雨浸提磷（SARP）測定方法參照水溶性磷，其中浸提液換成pH 為4.75 的模擬酸雨；土壤有效磷含量采用Bray 1 法，鹽酸-氟化銨溶液提取，鉬藍比色法測定[17]，其他土壤理化性質如全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、速效鉀（AK）、pH、有機碳（SOC）等測定方法參照《土壤農業化學分析方法》[17]。

1.3 數據處理與分析

經濟林土壤采樣點的分布采用ArcMap 10.2 作圖。試驗數據用Excel 2010 軟件整理、作圖，用SPSS 20.0 做相應指標間的相關性分析。土壤活性磷與Bray 1-P 之間的定量關系利用分段線性回歸模型擬合，擬合方程如下：

式中，y 為土壤活性磷，mg·kg–1；x 為Bray 1-P，mg·kg–1；a 為縱坐標上的截距，b、c 為擬合回歸直線方程的斜率；α 為分段線性回歸方程轉折點所對應的Bray 1-P 含量，即閾值，mg·kg–1。

2 結 果

2.1 西苕溪流域經濟林土壤基本理化性質與活性磷含量

調查區域安吉縣105 個經濟林土壤的基本理化性質匯總情況如表1 所示，土壤SOC 含量9.00～26.35 g·kg–1，平均為16.59±3.65 g·kg–1；土壤pH3.55～5.92，平均為4.69±0.45；TN、TP、TK 含量分別在0.72～2.07、0.22～0.73、3.57～22.80 g·kg–1之間，平均值分別為1.38±0.33、0.42±0.11、9.81± 3.56 g·kg–1；土壤AN、AK 含量分別在74.10～265.7、48.00～379.5 mg·kg–1之間，平均值分別為152.2±39.90、138.5±69.02 mg·kg–1。與其他指標相比，Bray 1-P 含量變幅較大，范圍在0.93～313.2 mg·kg–1之間，平均為30.87±63.18 mg·kg–1，變異系數可達204.7%。統計數據表明，約17.14%的土壤Bray 1-P 含量超過40 mg·kg–1，但也有38.01%的土壤Bray 1-P 含量低于5 mg·kg–1。

土壤活性磷的提取分別采用蒸餾水和模擬酸雨浸提，結果如圖2 所示：土壤水溶性磷（WEP）含量0.03～38.15 mg·kg–1，平均為2.64±7.06 mg·kg–1，變異系數為267.5%；模擬酸雨浸提磷（SARP）含量0.03～42.91 mg·kg–1，平均為2.86±7.69 mg·kg–1，變異系數為268.6%。SARP 含量總體高于WEP，但未達到顯著性水平（P＞0.05）。

2.2 土壤磷素流失風險與土壤有效磷的關系

分段線性回歸分析得出，土壤水溶性磷含量與有效磷含量的回歸方程為：

統計檢驗結果表明，回歸方程的顯著性達到極顯著水平（P＜0.01）。從圖3 可以看出，擬合曲線上有一明顯的轉折點，相對應的Bray 1-P 含量為93.63 mg·kg–1。當Bray 1-P低于93.63 mg·kg–1時，WEP含量隨著Bray 1-P 變化很小，擬合線段斜率為0.056 9；當Bray 1-P超過93.63 mg·kg–1，WEP 含量迅速增加，具體表現為：Bray 1-P 每增加10 mg·kg–1，WEP 增加1.48 mg·kg–1，擬合線段斜率增加了1.61 倍。因此，Bray 1-P 含量93.63 mg·kg–1可作為研究區域主要經濟林土壤磷素流失閾值。統計數據表明，西苕溪流域主要經濟林土壤Bray 1-P 超過閾值的樣品占比12.38%。

表1 調查區域105 個經濟林土壤基本理化性質Table1 Basic soil physico-chemical properties of the 105 sampling sites in the main non-wood forests under survey

注：SOC、TN、TP、TK、Bray 1-P、AN、AK 分別表示土壤有機碳、全氮、全磷、全鉀、有效磷、堿解氮和速效鉀。下同。Note：SOC，TN，TP，TK，Bray 1-P，AN and AK stands for soil organic carbon，total nitrogen，total phosphorus，total potassium，available phosphorus，alkalyzable nitrogen，readily available potassium，respectively. The same below.

圖2 土壤水溶性磷和模擬酸雨浸提磷含量Fig. 2 Water-extractable phosphorus（WEP）and simulated-acidrain-extractable phosphorus（SARP）content in the soils

圖3 土壤水溶性磷與有效磷的關系Fig. 3 Relationship between WEP and Bray 1-P

酸雨會影響土壤磷的溶出，土壤模擬酸雨浸提磷與有效磷含量的關系見圖4，分段線性回歸方程為：

顯著性檢驗結果表明，回歸方程達到極顯著水平（P＜0.01）。SARP 含量普遍高于WEP，且其上限較WEP 上限高4.76 mg·kg–1。在模擬酸雨的作用下，擬合方程的兩個斜率均有所增加。此外，SARP 所對應的土壤磷素流失閾值為87.68 mg·kg–1，較WEP所對應的閾值降低了5.95 mg·kg–1。

圖4 土壤模擬酸雨浸提磷與有效磷的關系Fig. 4 Relationship between SARP and Bray 1-P

2.3 土壤測試磷與土壤基本理化性質的關系

本文對土壤全磷、有效磷、活性磷與土壤基本理化性質做了相關性分析，結果如表2 所示：土壤SOC、TN、AN、AK 與所有土壤測試磷指標均呈極顯著正相關（P＜0.01）；土壤pH 與所有土壤測試磷指標呈極顯著負相關；土壤TK 與Bray 1-P、WEP、SARP 呈極顯著負相關，但決定系數R2較小。

表2 土壤全磷、有效磷、活性磷與土壤基本理化性質的關系Table2 Relationships of total phosphorus，available phosphorus and active phosphorus with basic physico-chemical properties of the soils

3 討 論

3.1 西苕溪流域主要經濟林土壤磷素積累狀況

土壤全磷和有效磷作為評價土壤肥力、磷素水平的指標，常被用來反映土壤磷素水平及磷素積累情況。西苕溪流域經濟林土壤TP 含量0.22～0.73 g·kg–1，平均為0.42 g·kg–1。Bray 1-P 含量變幅極大，范圍在0.93～313.2 mg·kg–1之間，平均為30.87 mg·kg–1，變異系數可達204.7%（表1）。其中，Bray 1-P 含量超過40 mg·kg–1、低于5 mg·kg–1的土壤樣品分別達到了17.14%、38.01%，且二者占比超過了55%。可見，本研究地經濟林磷缺乏與磷過度積累土壤并存。這可能與山區林農的粗放式管理有關。通常認為，Bray 1-P 含量在20～40 mg·kg–1之間即可基本滿足作物的需求，過多土壤磷的積累將導致土壤中磷素吸附位點減少，無法繼續容納外源磷素，大大增加土壤磷素的流失風險[19]，而Bray 1-P低于5 mg·kg–1又將影響作物的正常生長[17]。因此，有必要對該地經濟林土壤磷素水平及其分布進行調查，根據相應的土壤有效磷含量確定適宜的施肥量，同時加強對土壤磷關鍵源區的識別[20]，嚴格控制磷肥施用。

3.2 土壤基本理化性質與土壤磷素流失風險的關系

水溶性磷（包括文中的模擬酸雨浸提磷）與徑流水中磷的濃度密切相關，因此可用來分析土壤磷素隨徑流及酸雨徑流流失的風險。大量研究表明，土壤磷素的流失受土壤有效磷、全磷、pH、有機質等諸多因素的影響。其中，土壤有效磷對土壤磷素流失影響最大，可作為土壤磷的環境指標[21]。這也解釋了本文中Bray 1-P 的決定系數R2遠高于TP、pH、SOC 等因素的結果（表2）。本研究還發現，隨著土壤pH 下降，土壤Bray 1-P、WEP、SARP 在統計學水平上有顯著的增加（表2），與黃敏等[22]的研究結果一致。土壤TN、AN、AK 與WEP、SARP均呈極顯著正相關（表2），這可能與農戶普遍施用NPK 復合肥有關。土壤SOC 與WEP、SARP 以及Bray 1-P 的相關關系均可達到極顯著水平（表2），與 Huang 等[23]的研究結果相一致。Heredia 和Cirelli[24]及Meng 等[25]認為，土壤有機質易與磷酸根離子競爭土壤固相表面的專性吸附點位，從而減少了土壤對磷的吸附，且土壤有機質的存在有助于土壤磷向土壤溶液中釋放。夏文建等[26]和Yan 等[27]的研究發現，土壤有機質含量高的土壤磷吸持飽和度（DPS）較大，土壤吸附磷的能力較弱。因此，土壤有機質含量的增加將導致土壤吸附磷的能力下降，土壤磷更容易向液相中轉移，從而使土壤磷素流失閾值降低。Fortune 等[28]研究發現，土壤磷素流失閾值與土壤有機碳呈顯著負相關，與本文推斷結果一致。但是也有學者認為，有機質的存在可以增加土壤團聚體的穩定性[29]。團聚體作為土壤磷素釋放與流失的重要載體，對土壤磷素流失具有重大影響，且土壤磷素流失閾值隨著土壤有機碳的增加而增大[7]。關于有機質與土壤磷素流失風險的關系有待于進一步的研究。

3.3 模擬酸雨對經濟林土壤磷素流失風險的影響

西苕溪流域年均降水pH 在4.60～4.98 之間，酸雨率超過 90%，處于較重酸雨區與重酸雨區之間[30]，酸雨污染嚴重。袁宇志等[31]研究表明，相對于其他類型耕地土壤而言，紅壤旱地更易受到酸雨的影響，導致土壤酸化。同時磷素作為水體富營養化的關鍵限制性因子，酸雨對土壤磷素流失的影響不容忽視。土壤磷素流失閾值的研究一直是國內外學者研究的熱點。閾值所對應的有效磷Olsen-P、Mehlich-3 P 含量得到了廣泛研究，相比之下，Bray-P在土壤磷素流失風險研究中的應用較少。僅有零星報道顯示，美國俄亥俄州農業土壤磷素淋失閾值為Bray 1-P 122 mg·kg–1[32]。本研究中，WEP、SARP與Bray 1-P 的相關分析結果顯示，西苕溪流域經濟林土壤磷素流失閾值分別為93.63、87.68 mg·kg–1（圖3，圖4）。當土壤Bray 1-P 含量超過土壤磷素流失閾值時，WEP 及SARP 急劇增加，土壤磷素流失風險加大。關于酸雨對土壤磷素流失的影響主要體現在以下兩個方面。一方面，一定強度的酸雨有助于土壤無機磷組分的溶解，可以促進土壤微生物生物量磷和酸性磷酸酶活性提高，從而提高土壤磷的有效性[33-34]。本研究也發現，土壤SARP 含量普遍高于WEP，且分段線性擬合曲線的兩段斜率均有了一定程度的提高（圖3，圖4）。可見pH4.75 的模擬酸雨有助于土壤磷向土壤溶液中釋放。另一方面，酸雨的長期作用將導致土壤磷素流失閾值降低。土壤磷素流失閾值越低，土壤磷素流失風險就越大。Zhao 等[7]的研究結果顯示，當土壤pH＜6.0 時，土壤磷素流失閾值隨著 pH 的升高而升高；而當土壤pH＞6.0 時，隨著pH 的升高土壤磷素流失閾值將降低。本研究發現，模擬酸雨作用下土壤磷素流失閾值下降了5.95 mg·kg–1。這表明，相同背景下將會有更多經濟林土壤處于土壤磷高流失風險范疇，土壤磷素的潛在流失風險將進一步加大。而常規的根據水溶性磷與土壤有效磷的相關關系得出的磷素流失閾值可能會低估酸雨頻發區土壤磷素流失的風險。

4 結 論

西苕溪流域安吉段經濟林土壤磷素狀況變異較大，Bray 1-P 含量超過40 mg·kg–1、低于5 mg·kg–1的土壤樣品占比分別可達17.14%、38.01%，缺磷和磷過度積累現象并存。土壤磷素積累導致水溶性磷、模擬酸雨浸提磷大幅度升高，存在較大的磷素流失潛在風險。影響土壤磷素流失的因子主要有土壤有效磷、全磷、pH、有機質等，其中有效磷是最重要的影響因子。水溶性磷、模擬酸雨浸提磷與土壤Bray 1-P 的分段線性回歸分析得出，西苕溪流域經濟林土壤磷素流失閾值分別為93.63 mg·kg–1（水溶性磷）、87.68 mg·kg–1（模擬酸雨浸提磷），酸雨會進一步增大磷素的流失風險。鑒于西苕溪流域為酸雨頻發區，在土壤有效磷水平的實際限控中應充分考慮酸雨增大磷素流失風險的作用。