褐土区露天菜地和粮田磷素形态及环境风险分析

刘洋　吴田　彭正萍　王艳群　李迎春　门明新　张家铜

摘要：为明晰菜地和粮田土壤磷库，分类合理指导磷肥施用，减少环境污染，以北京市、河南省、河北省的露天菜地及相邻粮田为研究对象，采用石灰性土壤无机磷形态分级方法，研究不同褐土区菜地与粮田土壤中磷素空间分布、形态变化及其可能引起的环境风险。结果表明，不同褐土区菜地土壤磷素含量总体大于粮田。相同地区0～20 cm土层中磷素含量均大于20～40 cm土层。Ca2-P最易被作物吸收但土壤中含量较少，占土壤无机磷积累量的3.81%～8.68%;Al-P、Fe-P和Ca8-P也是土壤中磷素的主要来源，它们基本均匀分布，分别占土壤无机磷积累量的 32.82%～37.95%、16.65%～17.14%、27.26%～29.94%;Ca10-P、O-P的含量较少，分别占土壤无机磷积累量的 4.97%～6.51%、6.45%～7.81%。长期施用磷肥的土壤会导致磷素在土壤中累积，多余的磷会进入地下水或地表水体，造成水体污染。因此，建议各地区菜地和粮田分类采用测土配方施磷肥方法，以降低土壤磷素环境风险。

关键词：菜地;粮田;磷素;形态分级;环境风险

中图分类号： S153.6;S158.3文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）19-0299-03

收稿日期：2018-06-18

基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFD0800105-4）;河北省科技计划（编号：17226914D）;河北省教育厅百名优秀创新人才计划（编号：201703020235）。

作者简介：刘 洋（1994—），女，河北阜平人，硕士，主要从事农业资源利用研究。E-mail：1293216720@qq.com。

通信作者：门明新，博士，教授，博士生导师，主要从事农业资源利用及土壤改良技术研究。E-mail：menmingxin@sina.com。

磷是植物生长必需的营养元素之一，土壤中磷只有在营养均衡的状态下才能保证作物正常生长，不合理施用磷肥会引起环境风险、破坏土壤营养结构和导致水体发生富营养化等。我国耕地面积占全球耕地面积的7%，自2013年起，我国1 hm2耕地上的施肥量约是世界平均施肥量的4倍，总面积施肥量约超过世界水平的35%，化学磷肥（P2O5）施用量高达2 590 kg/hm2，而磷肥的当季利用率一般只有10%～25%。长期施用磷肥会导致磷素在土壤中累积，过量磷素残存导致土壤长期处于富磷状态，多余的磷会造成水体污染[1] 。

磷在土壤中的存在形态很多，无机磷形态不同其有效性存在较大差异。国内学者采用顾益初等确定的石灰性土壤无机磷分级方法[2]在不同土壤类型的磷素组成、不同形态磷的生物有效性、磷肥在不同土壤中的化学行为等方面做了较多研究。土壤无机磷含量一般占全磷含量的50%～80%，在我国北方石灰性土壤无机磷中，Ca-P是主要成分;华北平原不同褐土区土壤中Ca-P平均含量较高，占土壤中无机磷总量的80%左右，其中以Ca10-P较多，占土壤中无机磷含量的70%左右;Ca8-P和O-P所占比例相近，大约都占无机磷总量的10%;含量最少的是Ca2-P，大约占无机磷整体含量的1%;Al-P和Fe-P所占比例接近，为4%～5%[3-5]。磷素耗竭试验证明，生物的有效磷源是不稳定形态磷，其中Ca2-P最容易被作物吸收，为最有效磷源，Al-P和Fe-P是不同土壤中的次要有效磷源，Ca10-P会让O-P难以在短时间内被植物和土壤利用[4-5]。

磷素积累是目前我国大部分粮田和菜地土壤存在的共同特征[6]，摸清菜地和粮田土壤磷库，明确其磷素空间分布和不同形态，分析其对环境存在的风险，对分类合理指导磷肥施用、减少环境污染有重要意义。因此，本研究采用实地调查取样分析的研究方法，对不同地区褐土类型的菜地及相邻粮田磷的空间分布特征、耕层磷的各种存在形态及其对环境可能造成的风险等进行研究。

1 材料与方法

1.1 研究区概况和研究方法

本研究选取褐土土类中的主要亚类潮褐土、石灰性褐土、淋溶褐土、褐土性土为研究对象，根据主要褐土亚类在各区域中分布面积较大且具有代表性，同一区域有多个褐土亚类的原则进行分别选点。2016年10月在北京、河南、河北地區进行选点调查和取样，3个省（市）共设27个样区，其中北京市设5个样区，包括延庆县2个、丰台区1个、大兴区1个、房山区1个;河南省设9个样区，包括伊川县2个、嵩县1个、栾川县2个、卢氏县1个、陕州区1个、洛宁县1个、辉县1个;河北省设13个样区，包括高阳县1个、易县7个、顺平县1个、曲阳县3个、清苑县1个。每个样区中均包括1个露天菜地区和1个相邻粮田区（小麦/玉米轮作或者大田作物单作），按照“S”形路线在每个地块均匀随机确定5个采样点，每个采样点采集0～20、20～40 cm 土层土壤，将取好的样品装入塑料袋带回实验室，自然风干后磨细过0.25 mm筛，待测定。各样区在取土的同时，调查农民传统施用磷肥状况，包括磷肥品种和施肥量。

1.2 测定项目及方法

0～20 cm土层土壤样品采用顾益初等提出来的石灰性土壤无机磷形态分级的方法[2，7-8]进行磷形态分级，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P分别采用0.25 mol/L Na2CO3、0.50 mol/L CH3COONH4、0.50 mol/L NH4F、0.10 mol/L NaOH、0.05 mol/L（Na2CO3）、0.30 mol/L柠檬酸钠溶液浸提。同时，在0～20、20～40 cm土层土壤样品风干后，采用NaOH熔融-钼锑抗比色法[9]测定全磷含量。

1.3 数据处理与分析

采用Excel 2003进行数据的分析、处理和作图。

2 结果与分析

2.1 不同褐土区土壤中全磷含量的空间分布特征

由表1可知，0～20 cm土层，露天菜地及其相邻粮田土壤全磷含量分别为1.89～2.87、1.52～2.56 g/kg，平均值分别为2.37、1.90 g/kg，变异系数分别为20.7%、30.3%;露天菜地的平均全磷含量较相邻粮田高24.74%。20～40 cm土层，菜地及其相邻粮田土壤全磷含量分别1.28～2.29、1.03～1.93 g/kg，平均值分别为1.63、1.36 g/kg，变异系数分别为34.9%、36.4%;露天菜地的平均全磷含量较相邻粮田高19.85%。0～40 cm土层土壤露天菜地变异系数较小。

所有区域0～20 cm与20～40 cm土层全磷平均含量相比，菜地提高幅度25.3%～76.7%，平均增加45.4%;粮田增加 32.6%～47.6%，平均提升39.71%;菜地提升幅度大于粮田。0～20、20～40 cm土层的菜地全磷含量较粮田分别增加 12.1%～46.0%、18.7%～24.3%。

2.2 不同褐土区土壤磷素形态分布

由表2可知，不同形态磷素在0～20 cm土层中平均含量从大到小的顺序为Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca2-P>O-P>Ca10-P。据研究，Ca2-P和Al-P是最易被土壤转化供给植物生长的，当取样点土壤中Al-P与Ca2-P含量较高时，对作物的生长有促进作用，可以有效提高菜地与粮田作物产量。

北京地区的菜地与相邻粮田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分别增加445.72%、88.48%，Al-P、Fe-P含量分别提高32.27%、64.66%，O-P、Ca10-P含量分别提升30.55%、13.24%，这与菜地土壤全磷含量高于粮田有关。土壤中不同形态磷含量大小顺序分别为菜地：Ca8-P>Al-P>Ca2-P>Fe-P>O-P>Ca10-P;相邻粮田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P>Ca2-P。北京市菜地中Ca8-P与Al-P含量较高，作物生长状况良好，粮田中Ca2-P含量非常低，建议适量施用磷肥、有机肥等来调节该类土壤有效含磷状况，确保作物产量正常。

河南地区的菜地与相邻粮田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分别增加198.45%、92.11%，Al-P、Fe-P含量分别提升55.10%、27.96%，O-P、Ca10-P含量分别提高23.10%、32.96%。土壤中的磷元素含量大小依次为菜地：Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca2-P>Ca10-P>O-P;相邻粮田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca10-P>O-P>Ca2-P。粮田土壤中的Ca2-P含量很低。河南省粮田中Ca2-P含量与北京市粮田含量都很低，需要施用磷肥或者有机肥进行土壤磷素含量调节。

河北地区的菜地与相邻粮田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分别增加221.88%、81.49%，Al-P、Fe-P含量分别提升58.65%、181.14%，O-P、Ca10-P含量分别提高79.76%、48.41%。土壤中的磷元素含量大小依次为菜地：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca2-P>Ca10-P;相邻粮田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P>Ca2-P。Al-P与Ca8-P含量均大于其他磷素含量，Ca2-P作为最易被吸收的磷素形态，应根据实际情况作出适当调整，以保持作物产量的稳定。

2.3 褐土区露天菜地和粮田土壤的磷素状况比对

由表3可知，褐土区菜地与粮田相比，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量分别增加289.62%、87.87%、47.94%、76.01%、41.31%、30.53%。菜地Ca2-P、Ca8-P含量分别占土壤无机磷积累量的8.68%、29.94%，Al-P、Fe-P含量分别占土壤无机磷积累量的32.82%、17.14%，O-P、Ca10-P含量分别占土壤无机磷积累量的6.45%、4.97%; Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量占土壤全磷的 2.13%～14.08%。糧田Ca2-P、Ca8-P含量分别占土壤无机磷积累量的3.81%、27.26%，Al-P、Fe-P含量分别占土壤无机磷积累量的37.95%、16.65%，O-P、Ca10-P含量分别占土壤无机磷积累量的7.81%、6.51%;Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量占土壤全磷含量的1.21%～12.03%，说明菜地的各种形态磷含量均高于粮田。

2.4 不同褐土区的磷肥施用及其环境风险分析

据实地调查，98%的菜地在施用化肥的同时配施有机肥，所有粮田只施用化肥。将各区域菜地和粮田上一季的有机肥和无机肥施用量按照养分含量转化为纯P2O5的用量（表4）。同一地区露天菜地施肥量远多于相邻粮田，与粮田相比，菜地P2O5施用量北京市增加152.94%、河南省增加 302.22%、河北省增加15.20%。菜地磷肥用量明显高于粮田这是造成菜地无机磷含量远高于粮田的主要原因，造成淋溶程度更大，环境风险更严重[10]。各区域由于种植的目标作物类型、施肥种类和习惯不同，造成采样区土壤磷素含量存在差异[11]。

近些年来，磷肥对水体环境的影响备受关注。磷含量超过0.02 mg/kg时，水体就会发生富营养化[12]。过量、长时期施用有机肥和不正确存放肥料都会引起地表土壤和地下水的严重污染[13-15]。土壤中的磷素有2个转化的过程，即沉淀-溶解和吸附-解吸，土壤含磷量低时，以第2种过程为主，土壤含磷量高时，以第1个过程为主。磷肥的当季利用率一般是10%～25%，农民为了提高产量，大面积、长时间、高频率地施用磷肥，导致磷素会以不同形态在土壤中累积[16]，这是表层土壤磷素富集的主要原因之一。表层土壤中的磷素含量长时间较高时，会加快向深层土壤转移速度，同时提升水体磷素含量增加的风险。