近40年泥河沟流域耕地土壤磷素含量的时空变化

吴 驳，吴发启，佟小刚，宋敏敏，侯 雷

（1 西北农林科技大学水土保持研究所，陕西杨凌 712100；2 西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌 712100）

磷是作物生长必需的营养元素，我国每年都会向农田土壤中投放大量的磷肥，由于磷肥当季利用率只有5%～25%，常常带来农业面源污染[1-5]。一般来说，有机质含量高、pH呈中性或淹水的土壤施磷肥效果好，石灰性和酸性土壤投入磷肥极易被固定[6-8]。黄土高原地区农业生产一直受到土壤肥力的限制[9]，由于自然背景的特殊性，土壤磷的有效性极低。上世纪80年代该问题受到重视，开始大力推广使用磷肥，粮食产量有了很大的提升[10-11]。近年来，磷肥肥效降低，粮食产量的上升遇到新的瓶颈[12-13]。泥河沟流域为典型的黄土高原沟壑区，“七五”期间“泥河沟综合治理试验示范区”正式设立，对流域进行了10多年的重点治理。为评价流域治理的环境效益，在1980年农业区划调查的基础上，又于1987、1993、1998、2004这4个年份对流域进行了调查采样。经过10多年的社会化自由管理，流域面貌发生了很大的改变，植被得到恢复，水土流失得到控制，土地生产力有了很大的提高。然而在经过综合治理和社会化自由管理的条件下土壤磷素含量是否得到相应的提高，仍需在前人工作的基础上研究土壤磷素含量的演变情况。为此，本文分析了1980年以来泥河沟流域耕地土壤全磷和有效磷的时空变异特征，并对变异的原因进行了探讨，以期为土壤施肥和流域评价提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

泥河沟流域位于陕西省淳化县东，面积9.48 km2，北高南低，呈长条状。该区为渭北黄土高原暖温带半湿润气候区，年平均气温约9.8℃，无霜期183天，年平均降雨量约600 mm，暴雨频率高，强度大，水土流失严重。地貌为典型的残塬沟壑地貌，经长期改造，塬面变平坦，便于机耕，利于农业集中经营。土壤以黄绵土为主，部分为黑垆土和红胶土，成土母质主要是黄土，土层厚、质地良好、容易培肥、有利于旱作。农作物主要是小麦，2000年后开始大面积种植玉米。长期以来耕地重用轻养、广种薄收，导致土壤贫瘠，生产水平较低。肥料种类变得十分丰富，并针对不同作物推广各类专用复合肥。小麦、玉米亩产已突破500 kg，水利设施基本完善，建成水库1座，部分农地开始实施滴灌，但配套较差，经营管理不当，导致投资效益不高[14-15]。

1.2 样品采集与测定

1980年在省、地区划办公室领导下，由省农业科学院牵头，组织各试点县农、林、水、牧等局科技人员进行了第一次农业区划工作，泥河沟流域作为重点治理区，在此采集了126个样品，进行了土壤理化性状的分析测定。试验示范区正式成立后，刘秉正、吴发启、李光录等一批专家又在此进行了各类土壤养分相关的调查研究，留下了大量珍贵的研究资料[16-20]。根据前人的调查布点情况，2015年7月于泥河沟采集了耕地表层 (0—20 cm) 土壤样品共72个 (图1)，其中环刀采集的8个样品用于测定容重和吸湿水含量，土钻采集的64个样品用于测定土壤全磷和有效磷。测定方法全磷为氢氧化钠熔融—钼锑抗比色法，有效磷为碳酸氢钠浸提—钼锑抗比色法[21]，测定时间为2016年3月。

1.3 数据分析

土壤养分的时空变异性是指一定景观内，不同时间、不同地点的土壤养分存在的差异性[22-24]。通过计算标准差、变异系数以及拟合变化曲线对土壤磷素含量的时空变异性进行分析。用标准差判断同一年份或和同一类型耕地土壤磷素含量的变异性；用变异系数判断年份段和不同耕地类型间土壤磷素含量的变异性，用拟合变化曲线描述流域耕地土壤磷素含量整体的演变情况[25]。试验数据的统计分析与图表的制作采用SPSS16.0、Excel2007、Origin8.0等软件。

2 结果与分析

2.1 土壤磷素时间变异分析

2.1.1 不同年份与不同年份段的变异性 将近40年流域耕地表层土壤全磷和有效磷含量数据进行计算整理汇总 (表1)，比较各年份土壤全磷含量的变异性。可以将土壤全磷含量的时间变异分为两个阶段，1980—1998年全磷含量比较稳定，变异系数为0.01；1998—2015年呈下降趋势，变异系数为0.13。比较各年份土壤有效磷含量的变异性，可以将土壤有效磷含量的变异分为三个阶段：1980—1993年的含量比较稳定，变异系数为0.13；1993—2004年呈上升趋势，变异系数为0.48；2004—2015年呈下降趋势，变异系数为0.15。有效磷含量的时间变异性远高于全磷。

图 1 流域样点分布图Fig. 1 Position of the sampling point

表 1 泥河沟流域耕地表层土壤磷素含量的变化Table 1 Changes of phosphorus contents in cultivated top soil in Nihegou watershed

2.1.2 近40年土壤全磷含量的演变 利用二次抛物线对土壤全磷含量随年份的变化进行拟合的效果较好，表明近40年土壤全磷含量呈现出加速下降的变化规律 (图2)。1980—1998年土壤全磷含量稳定在1.31～1.34 g/kg；1998—2015年土壤全磷含量从1.33 g/kg降至0.97 g/kg，下降了27.1%。1980—2015年土壤全磷含量平均每年下降约0.008 g/kg。

2.1.3 近40年土壤有效磷含量的演变 利用三次曲线对土壤有效磷含量随年份的变化进行拟合的效果较好，表明近40年呈现出先上升后下降的波动变化 (图2)。1980—1993年土壤有效磷含量稳定在4.23～5.85 mg/kg；1993—2004年土壤有效磷含量从4.23 mg/kg上升至16.26 mg/kg，提高了近3倍；2004—2015年土壤有效磷含量从16.26 mg/kg下降至12.25 mg/kg，下降了24.7%。总的来说，1980—2015年平均每年上升约0.3 mg/kg。

2.1.4 土壤全磷含量降低的原因分析 土壤全磷含量的变化受控于磷的“输入”与“输出”。1980年以前土壤施肥以农家肥和化学氮肥为主，之后流域土地氮磷比例一直处于失调状态，施磷的增产效果远大于施氮[26]，于是开始推广施用磷肥。近年来施磷的效益下降，各类复合肥料得到推广，粮食单产迅速提高，土壤养分的输出很高，秸秆却未还田，单靠化肥的投入使土壤磷素无法得到补充 (表2)，引起了土壤全磷含量的降低。

2.1.5 土壤有效磷含量变化原因分析 土壤有效磷含量的上升和土壤全磷含量的下降并不矛盾，土壤全磷含量的下降主要因土壤磷素“输入少”而“输出多”，由于土壤磷素的生物有效性很低，所以土壤有效磷含量的变化主要受速效磷肥投入量的影响(表3)。1993年以前流域处在治理初期，土壤施肥以碳酸氢铵为主；1993—2004年流域处在治理末期和治理完成阶段，侧重于施用过磷酸钙；2004年以后流域处在社会化自由经营管理阶段，复合肥得到推广。肥料中速效磷含量的变化与土壤有效磷含量的变化规律相似。

近10年来陕北许多地区土壤pH值呈现缓慢的升高，土壤pH从第二次全国土壤普查的7.5～8.5上升到现在的8.0～9.0[27-28]，对土壤磷的生物有效性造成了很大的影响。对不同pH条件下土壤有效磷含量的分布情况进行分析，得出土壤pH ＜ 8.5的耕地 (平均土壤有效磷含量为18.0 mg/kg) 与pH ＞ 8.5的耕地(平均土壤有效磷含量为9.02 mg/kg) 呈现显著差异。2015年流域大部分耕地土壤pH值处于8.4～8.5之间，此pH范围内土壤有效磷含量较低 (图3)。石灰性土壤由于积钙作用的影响常易变碱。各类粪肥作为黄土高原地区主要的酸性肥料，对碱性土壤的调节起着重要的作用。随着农家肥施入的减少，中性肥料施入的增加，土壤pH值便逐渐升高，进而引起土壤有效磷含量的降低。

图 2 土壤全磷、有效磷含量的变化Fig. 2 Changes of soil total-P and Olsen-P contents

表 2 小麦田土壤磷素年度输入与输出 (kg/hm2)Table 2 Annual input and output of phosphorus in wheat land

年份段Period酸性肥料Acidic fertilizer 中性肥料Neutral fertilizer 速效磷总投入量Total Olsen-P input种类Type 施入量Input 种类Type 施入量Input 1980年以前Before 1980 农家肥Manure 45000 碳酸氢铵NH4HCO3 1120 0 1981—1993 农家肥Manure、过磷酸钙Superphosphate 45000、600 碳酸氢铵NH4HCO3 900 96 1994—2004 农家肥Manure、过磷酸钙Superphosphate 30000、750 尿素Urea 600 120 2004年以后After 2004 无No复合肥Compound fertilizer尿素Urea 750 300 112

图 3 土壤有效磷随pH的变化Fig. 3 Changes of soil Olsen-P with pH

2.2 土壤磷素空间变异分析

2.2.1 均整坡耕地磷素含量的分布特征 在流域选取了6处均整坡耕地，为直线形坡，坡长为50～100 m之间，顺坡耕作小麦，坡度为5°左右，分别从坡耕地上坡和下坡部位取样。对比分析不同部位土壤磷素含量状况 (表4)，表明在均整坡耕地上，上坡磷素含量低，平均全磷含量为0.86 g/kg，有效磷含量为8.30 mg/kg。下坡全磷含量的变化较小，平均为1.05 g/kg，有效磷含量的变化较大，平均为17.9 mg/kg。受到径流挟带作用，坡耕地侵蚀泥沙一般会搬运到下坡，磷素也会随土粒顺坡迁移。由于有效磷移动性较强，坡耕地上、下坡部位间表现出的差异更明显。

2.2.2 全坡面土壤磷素含量的分布特征 自流域分水岭向下游沟谷选取4个完整的横断面，自分水岭到沟底根据地势高低分为塬平地、塬畔地、沟坡地和沟底地。塬平地和塬畔地都处于耕种状态，而沟坡地和沟底地都已经休耕5年以上，生长的杂草多作为牧草。分析4个横断面的各地段土壤磷素含量(表5)，得出小流域自分水岭到沟谷土壤磷素含量呈先下降后上升的趋势，从塬面到沟坡土壤磷素含量下降幅度很大，从沟坡到沟底土壤磷素含量稍有上升。全坡面土壤磷素含量的变化反映了土壤侵蚀的影响，在塬面靠近分水岭的塬地，坡度小、产流少、侵蚀弱；向下坡度增大，流失加剧；开垦后的沟坡地，由于施肥少、流失重，土壤磷素显著降低；沟底地地势变缓，多为淤积土，肥力较高。

注（Note）：样地为均匀直线形坡耕地，坡长为 50～100 m 之间，顺坡耕作小麦，坡度为 5° 左右 The six sample plots were even slope land of 50-100 m long and 5° in slope gradient, and wheat was cultivated along the slope.

2.2.3 坡改梯所引起的土壤磷素含量的变化 在小尺度范围内坡耕地水土流失主要与地形因子有关，坡度越大流失越剧烈，带走的泥沙中磷素含量越多。按地形条件可以将流域耕地分为平耕地和坡耕地，对两类土壤磷素含量进行分析 (表6)，得出不同年份两类地间土壤磷素含量的变异性，1998年和2004年土壤磷素含量平耕地 ＞ 坡耕地，而2015年土壤磷素含量平耕地 ＜ 坡耕地。2015年塬平地土壤全磷含量大幅度降低，与2000年以来实施的坡改梯和土地复垦政策有关[29-30]，自1980—2015年流域有150 hm2坡耕地改为平耕地，平耕地面积增到250 hm2，坡耕地面积降为50 hm2。坡改梯需要挖掘大量土壤，使土层紊乱，导致表层熟土被移走或掩埋，底层生土会成为新的表土层，从而引起土壤全磷含量的降低。

表 5 全坡面土壤全磷和有效磷含量Table 5 Contents of soil total phosphorus and Olsen-P in full slope

3 讨论

3.1 土壤施肥结构变化的原因

1980—2015年流域有机肥的施用量持续降低，磷肥的施用量经历先升高后降低的过程。流域经过长期治理，虽然土地生产力得到了很大的提升，并不代表高产的“输出”能等价或超过高额的“投入”[31]。流域1 hm2单施化肥收入为5325元，配施农家肥收入为5925元 (表7)。通过实地问卷调查得出一亩地单施化肥工费约600元，配施农家肥用工费约700元，无论选择哪种方式小规模种植都处于亏损的状态。流域79.4%的劳动力属于半工半农，在有选择的情况下他们更倾向于选择单施化肥的方式，以便节省更多的时间外出打工。

3.2 土壤磷素时空变异的一致性

空间上的分布是时间的映像，时间上的演变是空间的延伸。要判断磷肥施用量引起土壤全磷和有效磷空间变异和时间变异是否一致，需要将不同年份不同磷肥投入的耕地土壤全磷、有效磷含量数据进行双因素重复性方差分析 (表8)，分离磷肥和交互作用对总变异的影响。不同磷肥投入引起的均方所占的比例越高代表磷肥引起土壤全磷和有效磷空间变异和时间变异的一致性越强；交互作用引起的均方所占的比例越高代表磷肥引起土壤全磷和有效磷空间变异和时间变异间的一致性越弱。从表8可以看出交互作用引起的均方所占的比例都很小，证明不同磷肥所引起的土壤磷素含量的空间变异和时间变异具有一致性，土壤有效磷不同磷肥投入量引起的均方占的比例大于全磷，即磷肥投入所引起土壤磷素含量时空变异的一致性以有效磷 ＞ 全磷，在一定程度上说明农家肥投入的减少对磷肥的固定有促进作用，虽然这势必影响到土壤有效磷的含量，但同时又减少了微生物对有效磷的消耗，两者之间存在抵消。因此，农家肥投入的减少对土壤全磷变异的影响较大，对有效磷变异的影响较小。

表 6 不同地形耕地土壤磷素含量变化Table 6 Changes of soil phosphorus content in different terrain

表 7 小麦投入产出情况 (yuan/hm2)Table 7 Input and output of wheat land

表 8 不同年份不同磷肥投入引起的变异分析Table 8 Variation caused by different phosphate fertilizer input in different years

4 结论

泥河沟流域在经历近20年的集中重点治理和10多年的社会化自由经营管理后，土壤全磷含量由1980年的1.34 g/kg降至2015年的0.97 g/kg，有效磷含量从1980年的4.58 mg/kg升至2015年的12.25 mg/kg。由于农家肥和磷肥投入的减少，作物产量的提高，打破了土壤磷素“输入”与“输出”的平衡，引起了土壤全磷含量的降低；又由于施肥结构和速效磷肥的投入量的改变，引起了土壤有效磷含量的波动变化；流域由于长期遭受土壤侵蚀，土壤全磷和有效磷含量会在沟底和均整坡耕地的下部积累。一般而言，侵蚀程度较轻的区域耕地的精细管理化程度也越高，所以分水岭一带土壤有效磷含量远高于塬畔、沟坡等侵蚀严重的区域；坡改梯和土地复垦的实施，土层受到扰动，对土壤磷素含量的降低也有一定的影响；农村劳动力的季节性流动，农户在选择施肥方式上更注重省工省时，往往忽视了耕地土壤磷素的补充。因此，经营模式的优化和施肥结构的调整将是该流域今后耕地利用管理的重点。