我国主要农田土壤磷淋溶阈值及其与土壤性质的关系

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　　摘要：农田土壤磷素（P）累积使得农田土壤P淋溶风险增加，了解农田土壤P淋溶阈值并解析其主控因素对于合理控制农田土壤P保证农业生产同时减轻水体环境风险具有重要作用。选取我国分布较广的18个省共14种典型农田土壤，通过室内模拟试验测定了P淋溶阈值并探讨了土壤P淋溶阈值与土壤理化性质的关系，明确了影响P淋溶阈值的主控因素。结果表明：我国农田土壤P淋溶阈值差异很大，土壤有效磷（Olsen-P）含量为14.9～106.2 mg/kg。农田土壤P淋溶阈值随土壤pH值、交换性钙含量、无机碳含量、沙粒含量的增加而减小，随土壤阳离子交换量（CEC）、有机碳、活性铁铝含量、交换性镁含量、黏粒含量、土壤有效磷含量的增加而增大。利用土壤pH值、CEC、交换性镁含量、初始土壤有效磷含量等土壤性质参数能较好地预测不同类型农田土壤的P淋溶阈值。在一定程度上，土壤pH值可作为评估农田土壤P淋溶风险大小的有效指标。考虑到我国农田土壤pH值的分布状况，结合土壤背景值，北方农田土壤P淋溶风险大于南方农田土壤，更应加强土壤磷的管理。
　　 关键词：农田土壤;磷;淋溶阈值;土壤性质;淋溶风险
　　 中图分类号： S153.6+1  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）15-0281-06
　　 磷（P）是作物发育所必需的大量元素，在作物产量和品质形成中具有极其重要的作用[1]，同时磷也是造成水体富营养化的关键因子[2-3]。目前的问题是农业生产投入-支出不平衡，使得农田中磷大量累积[4]，造成资源浪费和环境污染等严重后果[5-6]。对于农田来说，控制土壤中磷的含量在合理的區间具有重要意义。前人多依据作物磷含量临界值给出了推荐磷肥施用量的建议[7-9]，Heckrath等发现随着土壤有效磷（Olsen-P）含量的增加，土壤排水中磷的浓度具有突变点即淋溶阈值[10]，可将其作为土壤磷含量的上限用于推荐磷肥施用量[11]。
　　许多研究表明，不同土壤的P淋溶阈值存在巨大差异[12-14]，这些差异可能与土壤类型及其土壤理化性质有关。我国农田土壤类型多，不同土类的基本理化性质差异显著[15-16]，这为研究土壤P淋溶阈值和土壤性质之间的关系提供了便利。本试验选取我国18种典型农田土壤，采用突变点法确定P淋溶阈值并探讨了其与土壤特性的关系，以明确我国主要农田土壤P淋溶阈值及其主控因素，以期为合理施用磷肥、节约磷矿资源、降低P淋溶风险和保护环境提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 土壤样品
　　样品采自全国18个省的耕层土（土壤表层向下深度为0～20 cm的土壤），包括pH值<6.5的酸性土壤（红壤、赤红壤、紫色土、黄棕壤、黑土）、6.5≤pH值≤7.5的中性土壤（棕壤、水稻土）、pH值>7.5的碱性土壤（灰漠土、褐土、栗钙土、灌淤土、土、潮土、滨海盐）土，共14种主要土壤类型。
　　1.2 土壤P淋溶阈值测定
　　土样自然风干，通过2 mm筛后称取150 g于塑料袋中，加入指定浓度的KH2PO4溶液（0、10、20、40、60、80、100、120、150、180、210、240、270、300、350、400 mg/kg）并控制土壤湿度为田间持水量的50%，于25 ℃恒温培养4 d后自然风干，再加纯水调节土壤湿度为田间持水量的50%，25 ℃恒温培养4 d后自然风干;如此干湿培养4次，使土壤对P的吸附解析趋于平衡。土壤自然风干后过2 mm筛，分别用0.5 mol/L NaHCO3-钼锑抗比色法及 0.01 mol/L CaCl2-钼锑抗比色法测定有效磷（Olsen-P）和CoCl2浸提磷（CaCl2-P）的含量;利用分段线性模型拟合，当 Olsen-P 含量低时与CaCl2-P含量的线性方程斜率最小，当Olsen-P含量高时与CaCl2含量的线性方程斜率最大，同时保证两方程的线性最优，交点即为P淋溶阈值，通常以横坐标的Olsen-P含量表示[13，17]。
　　1.3 土壤理化性质测定
　　 pH值用玻璃电极法（土 ∶ 水=1 g∶ 1 mL）测定;阳离子交换量（CEC）用乙酸铵法（1 mol/L CH3COONH4，pH值=7.0）测定;有机碳含量用外加热法测定;活性Fe（Al）含量用邻菲罗啉比色法（铝试剂比色法）测定;交换性钙镁含量用原子吸收法测定;黏粒（<2 μm）、粉粒（2～20 μm）和沙粒（>20 μm）含量用吸管法测定;无机碳含量用气量法测定。具体方法请参考《土壤农业化学分析》[18]，供试土壤的基本理化性质见表1。
　　1.4 数据计算和处理方法
　　数据由Excel 2010处理后，利用IBM SPSS Statistics 24进行相关性和多元线性回归分析，利用结构方程模型AMOS 24.0进行土壤特性与P淋溶阈值关系的模拟。
　　2 结果与分析
　　2.1 P淋溶阈值
　　随加磷（KH1PO4）量的提高，Olsen-P含量均有增加趋势，而CaCl2-P则不同。当 Olsen-P含量较低时，CaCl2-P含量与Olsen-P含量呈正相关且拟合方程的斜率较小，当Olsen-P含量高于某值后拟合方程的斜率明显增大，这一转折点即为P淋溶阈值[12]。根据分段线性模型，将所测得的供试土壤Olsen-P和CaCl2-P含量进行拟合，得到供试土壤（棕壤和栗钙土除外）P淋溶阈值为14.9～106.2 mg/kg（图1、表2）。
　　 由表2可知，酸性（土壤pH值<6.5的红壤、赤红壤、紫色土、黄棕壤、黑土）和中性（6.5≤pH值≤7.5的棕壤、水稻土）土壤的P淋溶阈值明显高于碱性土壤（pH值>7.5的灰漠土、褐土、栗钙土、灌淤土、土、潮土、滨海盐土）。其中，酸性土壤江西红壤的P淋溶阈值实测值最高，为 106.2 mg/kg;碱性土壤河北潮土P淋溶阈值实测值最低，为 14.9 mg/kg;中性土壤水稻土P淋溶阈值实测值为81.6 mg/kg。这表明酸性和中性土（6.5≤pH值≤7.5）比碱性土（pH值>7.5）具有更强的吸附、固定P的能力。总体而言，不同土壤P淋溶阈值有所差异。棕壤和栗钙土未获得淋溶阈值，可能是因为初始有效磷含量较高，已超过了淋溶阈值，或是干湿交替次数较少，土壤吸附解吸未达到平衡。 　　2.2 土壤P淋溶阈值与土壤性质的关系
　　从图2可以看出，土壤磷淋溶阈值与pH值、交换性钙含量、无机碳含量、沙粒含量呈显著负相关;与CEC、有机碳含量、活性Fe含量、活性Al含量、交换性镁含量、黏粒含量、初始Olsen-P含量呈显著正相关，而与粉粒含量和初始CaCl2-P含量的相关性未达到显著水平。
　　 将P淋溶阈值（y）与土壤理化性质（x1～13）进行逐步多元线性回归分析，可得P淋溶阈值（y）与pH值（x1）、CEC（x2）、交换性镁含量（x7）、初始Olsen-P含量（x12）符合方程：
　　y=143.684-18.391x1+0.927x2+155.13x7+0.788x12（决定系数r2=0.931，n=16，P<0.001）。（1）
　　 P淋溶阈值可根据式（1）预测，P淋溶阈值的预测结果如表2所示。通过对比预测值和实测值可知，除灰漠土、灌淤土、潮土（河南和河北）、滨海盐土的预测值与实测值之间存在较大差异外，其他土壤预测值与实测值的相对偏差均在13.5%以内。
　　预测值和实测值二者之间的均方根误差（RMSE）为7.73、标准均方根误差（NRMSE）为13.04%、平均相对误差（MRE）为10.99%，表明该方程能够利用较少的土壤性质参数较好地预测不同类型农田土壤的P淋溶阈值。
　　为明确各土壤特性与P淋溶阈值的关系，利用结构方程模型AMOS 24.0对基本理化性质作进一步分析。图3表明，pH值（x1）、阳离子交换量（CEC，x2）、黏粒含量（x4）、活性铝含量（x5）、交换性Mg含量（x7）和初始Olsen-P（x12）含量对P淋溶阈值有极显著影响，且直接标准化路径系数的绝对值从大到小依次是-0.66（x1）、0.35（x12）、0.32（x2）、0.29（x7）和0.2（x5和x4）。pH值（x1）对土壤磷淋溶阈值的直接影响为负，CEC（x2）、交换性Mg含量（x7）以及初始Olsen-P含量（x12）对P淋溶阈值的直接影响为正。
　　3 讨论
　　3.1 农田土壤P淋溶阈值
　　我国由地表径流、土壤侵蚀和农田土壤淋溶的P损失量约为29.9万～49.0万t/年，占总磷投入的10%[19-20]。前人普遍认为，地表径流和土壤侵蚀是P流失的主要方式[21]。最近研究表明，持续不合理的施用磷肥，急剧增加了P的积累、渗漏和淋溶。Maguire等研究表明，耕层中P以淋溶（包括亚表层径流）方式的损失量高于地表径流，可见P的淋溶不可忽视[22]。本试验测得P淋溶阈值为 14.9～106.2 mg/kg。总体来讲，酸性土壤的P淋溶阈值为（60.9～106.2 mg/kg）明显高于碱性土（14.9～42.8 mg/kg）。酸性和中性土壤（红壤、水稻土等）P淋溶阈值要明显高于碱性土壤（潮土、土等），这与前人的研究结果[7，13-14，23]一致。然而，P淋溶阈值高仅表明其淋溶的环境风险高，实际的P淋溶量还受温度、降雨等条件的影响，须要全面衡量所在区域的气候和降雨等。
　　3.2 土壤性质对P淋溶阈值的影响
　　Zhao等研究表明，P淋溶阈值与土壤的吸附特性有关[13]，因此与土壤吸附特性相关的因素均可影响P淋溶阈值。本试验结果也表明，土壤理化性质对土壤淋溶阈值起着决定性的作用（图3，总标准化效应系数为0.99），其中P淋溶阈值随着pH值升高下降，两者呈极显著负相关关系（图2、图3）。pH值对淋溶阈值的影响较复杂，可通过影响黏粒、活性Fe、活性Al、交换性Ca含量间接影响淋溶阈值，其总标准化效应系数（总标准化效应系数=直接标准化系数+间接标准化系数;直接标准化系数=路径系数;间接标准化系数=各路径系数的乘积）为 -0.82 （图3），可见pH值对淋溶阈值起着决定性作用，是P淋溶阈值的主控因子之一，这与多元线性回归结果一致。随pH值增大，活性Fe、活性Al、黏粒含量減少，P淋溶阈值降低。从结构方程模型的结果也可看出，pH值与活性Fe、活性Al、黏粒含量的直接标准化效应系数为-0.64（x4）、-0.84（x5）、-0.64（x9），而活性Fe、活性Al、黏粒含量与磷淋溶阈值的总标准化效应分别为 -0.06（x4）、0.2（x5）、0.2（x9），所以pH值通过活性Fe、活性Al、黏粒对淋溶阈值的总标准化效应系数分别为0.04（x4）、-0.17（x5）、-0.13（x9），这与前人的研究结果[13，24-27]基本一致。相关研究表明，P淋溶阈值与pH值呈一元二次方程关系，当pH值为6.0时，P淋溶阈值最大[13，24]，产生差异的原因可能是其供试土壤pH值为3.1～9.2，而本试验采用的是农田土壤，土壤pH值为4.72～8.80。如果去掉其pH值为3.1、3.7的结果，本研究与之基本一致。本试验中P淋溶阈值与活性Al含量呈极显著正相关关系（图2、图3），这与活性Al对磷的吸附作用有关。普遍认为，土壤对P的吸附能力主要受制于活性Fe、活性Al[25-26]，Maguire等的研究结果表明草酸浸提Fe和Al可衡量土壤磷吸附能力[27]。当pH值提高时，土壤对P的吸附能力降低，可能是因为土壤可交换Al和羟基铝减少[25]。
　　在碱性土壤中，磷和碳酸钙容易生成磷灰石，且碳酸钙影响土壤对磷的吸附;而在酸性土壤中，磷主要与Fe、Al形成沉淀，黏粒、铝和铁也控制土壤对磷的吸附[28]。吕家珑等研究表明，黏粒是碱性土壤吸附P的主控因子[29-30]。本试验中P淋溶阈值与黏粒、活性铝含量极显著相关（图3），说明活性Al、黏粒含量是制约P吸附的主控因子。CEC可通过影响交换性Ca含量、交换性Mg含量、pH值间接对淋溶阈值产生影响，且间接效应为负（-0.32），所以其总效应为0，其中通过路径“CEC→交换性镁→交换性钙→pH值→…P淋溶阈值”的间接影响高达-0.17，占间接效应的53%;交换性Mg与CEC同理，其总效应为0.91，其中通过路径“CEC→交换性镁→交换性钙→pH值→…P淋溶阈值”的间接影响高达0.35，高于其直接效应（0.29）;交换性Ca含量主要通过影响土壤pH值对土壤P淋溶阈值产生影响（图3），这些均说明了土壤pH值对土壤磷的淋溶十分重要。Devau等的研究结果表明，土壤P吸附的能力与黏粒含量呈正相关关系[26，31]，这与本试验结果相同。 　　本试验中土壤初始Olsen-P含量对P淋溶阈值的影响相对较大（直接标准化路径系数为0.35，图3），这可能是因为P以吸附、沉淀的方式被土壤固定，故初始Olsen-P可以用来估量土壤中已经被P占据的点位。Zhao等研究结果表明，可以利用土壤有机质含量来衡量P淋溶的风险[13]，但也有研究表明有机质含量与土壤固磷能力仅存在微弱的关系[32]。在本试验中，土壤有机碳含量与P淋溶阈值存在显著正相关关系，但其相关性均远低于pH值、活性Fe含量、活性Al含量、无机碳含量以及黏粒含量等，但在多元回归分析[式（1）]及结构方程模型（图3）中，有机碳含量与P淋溶阈值并没有相关性，可能的原因是有机碳含量可改善土壤性质，提高黏粒含量，增强土壤的吸附能力，又可与活性Fe、活性Al螯合形成络合物降低土壤固磷能力[33]，正负效应相互抵消。
　　对于我国主要农田土壤来说，可以通过土壤pH值、阳离子交换量（CEC）、交换性Mg含量和 Olsen-P含量来预测我国主要农田土壤P淋溶阈值，这为初步评估我国农田土壤磷淋溶风险大小提供了便利，但其准确性有待进一步验证。
　　4 结论
　　确保农田P含量既能满足作物高产优质的需要，且低于P淋溶阈值来减轻对水体环境的负影响，是发展农业生产和保护水体环境的关键。我国主要农田土壤P淋溶阈值差异很大，通过农田土壤的pH值、阳离子交换量、交换性Mg、土壤有效磷含量可以预测主要农田土壤P淋溶阈值。P淋溶阈值与土壤pH值、交换性钙含量、无机碳含量、沙粒含量呈负相关，而与土壤有机碳含量、活性铁铝含量、黏粒含量、土壤有效磷含量呈正相关关系。一定程度上，pH值可作为评估农田土壤P淋溶风险的有效指标。考虑我国农田土壤pH值的分布状况，结合土壤Olsen-P背景值以及北方农田P淋溶风险大于南方农田，更应加强土壤磷管理。
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