定西土壤磷富集空间差异及其影响因素

黄 怡，赵 聪，达瓦拉姆，蒋 攀，刘 雷，胡进耀*

(1.绵阳师范学院创新学院，四川绵阳 621006；2.西北民族大学化工学院，甘肃兰州 730000 ；3.得荣县林业和草原局，四川甘孜 627950)

0 引言

磷为植物必需营养元素之一，磷素的不足和缺乏直接影响着作物产量，粮食的增产和磷肥的大量投入总是密切相关的[1].随着农业发展需要和化肥工业的不断发展，磷肥的使用水平不断提高.据国家统计局公布的数据显示，2011年共生产磷肥 1 462万t，同比增长24.6%[2].但值注意的是磷肥虽然大量使用，而我国农业磷肥利用率仅为30%左右[3]，大量土壤磷素盈余流失，对农业经济发展和环境保护都有不利影响.我国大部分土壤为石灰性土壤 ，水溶性磷大都转化为羟基磷灰石而不能被作物直接利用[4]，导致植被表现为缺磷(速效磷)，而总磷在土壤中不断累积，加剧淋溶流失使水土富营养化，增加环境风险.土壤对磷素有强烈的吸持固定作用，耕层土壤呈现表聚作用而导致土壤磷素的大量积累[5].在未开垦干扰黑土土壤剖面有效磷和其他磷素含量都有显著的表聚作用，且有效性随土层加深而减弱[6].然而，在这些研究中，研究对象大多在南方和东北地区，对于西北干旱区的耕层土壤磷素累积程度认知较少.由于不同地区土壤组成理化性质差别很大，磷素本底值也相应的呈现空间的差异.比如内蒙地区土壤基础供磷能力强，利用率低，磷素在土壤中易富集而盈余[7].低肥力土壤则相反，根据李比希的养分归还学说[8]，磷的归还程度较低，土壤表现出缺磷.施肥的最小养分律表明最低含量的元素是作物产量的限制性因素，随着土壤磷亏缺和盈余都会引起施肥的木桶效应，影响其他营养元素的作用.因此调查研究土壤磷库水平及分布，对于科学指导磷肥使用，促进农业发展具有重要作用.

定西市位于甘肃省中部地区，位处西秦岭末端和黄土高原西部边缘地带，年降雨量较少，干旱频率高，属于雨养农业区，农作物产量低并且不稳定[9].该地区土壤大多产生于黄土母质，灰钙土是主要成分，第二次土壤普查表明定西土壤全磷在0.04%～0.16%之间，高于我国南方的酸性土，介于全国土壤含磷范围内[10].全区80%以上的土壤缺磷，土壤缺磷便成为粮油增产的主要限制因素之一.因而上个世纪开始在生产上积极探索施用磷肥，增产效果明显[11].随着大量磷肥施用，近年来该区域磷库盈余或亏缺将影响环境保护和农业经济的发展，调查该区域磷素富集或亏缺水平已成当务之急.基于以上原因，我们选择定西主要农业区，以定西半干旱气象与生态环境试验基地温室土壤为研究对象，调查总磷和有效磷在土壤A、B、C层的分布特征，分析耕作层土壤富集或缺失情况和土壤磷素富集或缺失的主要影响因素，结果可为实现土壤的可持续利用和正确评价定西土壤磷富集对农业生产的影响提供参考，为养分资源的持续高效利用提供理论指导.

1 材料与方法

1.1 试验区概述

中国气象局兰州干旱气象研究所定西试验基地位于甘肃省中部地区，处在西秦岭末端、黄土高原西部边缘，属温带半干旱气候区，冬季干冷夏季暖湿年均气温5.7～7.7 ℃，年降水量380 mm，在7、8、9三个月降雨比较集中，且多以暴雨的形式出现，而蒸发量高达1 400 mm以上，水资源匮乏属雨养农业区，粮食产量低而不稳[12]，成为制约区域经济社会持续发展的主要瓶颈[9].农业调查显示该区域主要种植小麦(TriticumaestivumL.)，玉米(ZeamaysL.)和土豆(SolanumtuberosumL.)[13].定西基地土壤主要是黄绵土，pH 6.7，有机质72 mg/kg，有效磷5.54 mg/kg，总磷26.8 mg/kg[12]，而土壤在偏中性时植物对磷素利用率是最高的，这也减少了磷素流失对环境的威胁.

1.2 样品采集与处理

试验样地设置于定西半干旱气象与生态环境试验基地温棚内.在每个温棚内选择近期耕作过并且施肥相同的土壤区，在小麦生长期内随机设置3 个 10 m*10 m 的样方进行土壤样品采集.为尽量减小采样所带来的误差，取土方法采用空间网格取样法，在垂直于小麦行的水平方向进行取样，每隔15 cm取样一个，共3个取样点.每一个采样点的土壤采集分为3层，深度依次为 0～20cm 、20～40 cm和40～60 cm.3个取样点采样同层混匀后用四分法取约1 kg 样品，共获得 112 个土壤样品，把样品贮于聚乙烯袋中.土壤样品带回实验室进行预处理.将所采集的土样样品均匀摊开在搪瓷盘中，捡出其中的石砾和生物残体及根叶碎屑等杂质，在实验室内自然风干.将土样进行捣碎和磨碎，样品通过 2 mm 孔径的土壤筛，需进一步磨碎的土样可利用四分法取已经过上个步骤处理过的土样再过筛.在样品捣碎、混合等处理过程中都使用木质、塑料和玻璃等工具， 避免直接和金属用具相接触，过筛后的样品保存在塑料袋中，防止人为导致的土壤样品污染.

1.3 分析方法

土壤总磷和的测定采用碱熔-钼锑抗分光光度法[14]，土壤有效磷采用钼锑抗比色法进行测量[14]，土壤水分的测量采用称重法[15].数据采用SPSS20.0软件分析.

2 结果与分析

2.1 土壤总磷含量

见表1可以看出定西基地内土壤总磷变化范围在4.86%到10.57%之间，土壤总磷量在不同土壤层类型下垂直分布有所差异.通过1、2、5、7号样品发现总磷含量随着土壤剖面的加深，土壤所含总磷呈现不断增加的趋势.其中1号样品的A、B层增加趋势最大，A层总磷含量为 4.86%，B层为7.046%，增加了近60%，但是B层和C层相差较小，C层总磷含量只有7.05%，和B层相比较只增加了0.14%，总磷含量增加甚微.但是对于2号样品，A层土壤总磷含量为 7.42%，B层土壤为7.452%，二者增长仅为0.4%，相比之下层土壤总磷含量为 7.91%，增长6.2%.说明虽然定西基地土壤总磷含量有随土壤剖面加深而增加的趋势，但是土壤磷含量在水平方向分布并不均匀.表1中也有反常数据，4、6、7组数据均表现为A层

为进一步了解同层土壤中总磷分布情况，对同一层土壤总磷含量作方差分析(表2).通过分析结果，可知F统计量为0.797 56，在给定α=5的显著性水平下临界值Fcrit=3.135 918，表明实际的均值之间存在着显著差异，即A、B、C层土壤磷含量存在垂直分布特征，土壤磷含量随着土壤深度的增加而呈现出逐渐增加，且与其他土层之间差异显著(P<0.05).

表2 定西基地各层土壤总磷含量方差分析Tab.2 Variance Analysis of Total Phosphorus Content in Each Soil Layer in Dingxi

此外，从表3中发现垂直空间上相同数量样本情况下，A层总磷质量分数求和为1.76、B层1.86、C层1.91，A层

2.2 土壤有效磷含量

观察所有样本有效磷含量，由图1土壤速效磷含量可知，在0～60 cm土壤剖面中，不同采样点土壤速效磷含量波动较大，范围在7.3～55.3 ppm，平均含量在20.8 ppm.由此可见定西基地土壤中有效磷分布不均，差异较大.

图1 定西基地土壤速效磷分布特征Fig.1 Distribution Characteristics of Rapidly Soil Available Phosphorus in Dingxi

对样本土壤磷进行分级讨论，将63个样品测得的速效磷含量列于表4，有效磷小于10 mg/kg的有10个，占试验点点数的15.87%；有效磷10～20 mg/Kg的有26个，占41.27%；有效磷大于20 mg/kg的27个，占42.86%.结果发现定西基地土壤有效磷在30.21定西基地土壤有效磷在含量最多 ，这也反映了试验地的基础肥力状况.根据调查，显示全国速效磷含量为0.1～228 g/kg，平均值为12.8 g/kg[4]，本次试验有65.73%的样品测得值高于全国平均水平，但是英国有学者研究发现土壤速效磷约为25 g/kg时作物产量最高[16].所以整体上定西基地基础肥力偏高，并且不同区域差异比较大.土壤的基础肥力被认为是作物在不施肥的条件下所表现的基础生产力，这也反映了土壤一定程度的增产能力.

2.3 土壤总磷与速效磷的关系

土壤中总磷包括机磷和无机磷，在农业土壤中一般无机磷占大部分，正磷酸盐形式是主要成分.无机磷又可分为矿物态、吸附态和可溶解态，只有可溶解态磷易被作物吸收表现为有效态磷.另外有机磷在活化后也能被植物吸收，但是磷素有效性因素非常复杂，表现为有效磷很少.通过对比定西基地a、b、c、d、e、f，6组样品土壤全磷和有效磷含量(图2)，发现有效磷的变化和全磷接近同步，二者同时增加同时减少，说明二者存在一定的相关性.为进一步验证二者之间的关系，对二者进行回归分析.由表5发现各试验组所得回归方程拟合度较好，都在0.7以上，回归效果显著，说明基地内土壤总磷和速效磷存在一定的线性关系，总磷对有效磷的含量有着显著影响.

图2 定西基地土壤全磷和速效磷的关系Fig.2 Relationship Between Total Soil Phosphorus and Rapidly Available Soil Phosphorus in Dingxi

3 讨论

3.1 土壤全磷分布规律

土壤全磷包括土壤中各形态磷素，包括有机磷和无机磷.土壤中的磷素大多和金属元素结合在一起，溶解性低，因而土壤全磷含量并不能评判可直接被植物利用磷素水平.全磷含量高时并不代表着可供利用磷素充足，但全磷含量低于某一值时却可能代表着磷素供应不足，这将直接影响土壤有效磷的含量，对作物生产造成不利影响.土壤全磷含量与垂直分布的研究目的在于了解该生态系统土壤磷库的大小.有关土壤磷素不同深度的垂直分布差异方面的研究较多，严加亮等[17]对武夷山地区不同土壤剖面磷素的含量进行调查，发现不同层次土壤剖面磷素含量存在着明显地垂直分布规律.土壤全磷、有效磷、钙磷、铝磷、铁磷、有机磷含量整体表现为表层高、底层少.赵晓蕊[18]等对武功山山地草甸系统的调查发现，土壤磷素随海拔高度的升高呈现显著垂直分布特征，土壤有效磷、全磷的含量与分布表现为随海拔高度的升高而显著增加；同一海拔高度不同土层土壤磷素呈现表聚性，表现为随土壤剖面的加深磷素含量显著减少.杨小燕等[19]对黑土土壤磷素形态垂直分布特征的调查发现土壤剖面有效磷和土壤总磷含量都具有显著的表聚作用，并且有效性均随着土层剖面的加深有一定程度的降低.

本文通过测量不同深度土壤剖面磷素含量，探讨土壤磷素不同深度的垂直分布规律，研究结果表明：定西实验基地土壤总磷随着土壤剖面深度的加深而升高，呈现明显的上升趋势；在对不同土壤分层总磷含量的方差分析中表明土壤剖面各层总磷并未表现出显著性差异，各层土壤磷含量比较稳定.本次实验结果与严加亮[17]、赵晓蕊[18]、杨小燕[19]的研究结果相反.这主要由于植被类型因不同地区而异，土壤微生物环境、微生物群落和根系的组成和分布也会产生差异，造成土壤中的磷素转化产生差异，从而在土壤的垂直剖面上造成了不同的分布特征[20]；另外其成土母质的不同也会形成不同土壤种类，而具有各自的理化性质，土壤表现具有明显的垂直分布规律性，土壤养分略有差异[21].由于研究区定西试验基地位于中国西北干旱和半干旱区域，而上述研究大多位于南方地区，植被覆盖、降水量、成土母质均有较大差异，且引起土壤磷素含量不同深度变化的因素有很多，这可能是造成定西基地土壤磷素垂直分布有异与其他地方的原因.

另外，对同一层土壤中总磷含量，发现在A层总磷最高和最低分别是9.29%和4.86%，相差4.43%，在B、C层也同样差距较大.说明在同一层土壤中也会出现磷素盈余和亏缺的情况，这将会影响农作物耕作的深度、施肥用量以及作物最大产量，这是以后值得关注的地方.

对于定西其他区域垂直分布规律是否具有相应的规律，此方面还有待于在今后加强研究.

3.2 土壤有效磷分布特征

土壤有效磷是植物可直接吸收与利用的磷素.土壤有效磷并不是指土壤中某一特定形态的磷，而只是一个相对指标，它的含量可以相对地说明土壤的供磷水平，可作为一个指标来判断土壤肥力状况和指导科学施肥.一般来说土壤有效磷在25 ppm时便可满足大多数室外农作物生长发育的需要，在温室内种植需要磷素则更多[22]，但也有学者认为从环境保护的角度土壤有效磷含量范围在30～50 ppm为宜[23].根据李强等对土壤有效磷的划分[24]：5～10 ppm为低、10～20 ppm为适宜、大于20 ppm为高.试验结果是：在分级讨论情况下有效磷小于10 mg/kg的占试验点点数的15.87%;有效磷10～20mg/Kg的占41.27%;有效磷大于20 mg/kg占42.86%.结果发现土壤有效磷含量为高的占比最大，说明定西基地内土壤有效磷表现为盈余，土地的基础肥力较好，这在一定程度上反映了当地土壤的增产能力.

另一方面查阅定西基地土壤有效磷本底值为5.54 ppm，而本次试验结果所测平均值为20.8 ppm，富集倍数(EFs)为3.8.说明人为的对土壤投放了过量的磷素，导致作物吸收的磷素小于投放量，使土壤有效磷有一定程度的富集.且由上述讨论可知磷素存在不同程度的累积个向下迁移，这可能会增加环境风险.

3.3 土壤磷素有效性影响因素

土壤磷有效性的影响因素十分复杂，只要能影响磷素形态转化的各种因素都会改变磷素的有效性.一般来说影响因素可分为土壤性质、气候条件和施肥方式等.对于定西基地，土壤以黄绵土为主，土壤 pH 6.7，有机质质量分数72 mg/kg，这些土壤理化性质比较稳定，变化较小.气候方面，根据研究发现虽然全市气温有上升趋势并且降水在慢慢减少，但都是相当缓慢的过程[23]，对于近期土壤磷素含量影响不大.有研究发现影响最大的是磷肥的施加量，由于磷素在土壤中几乎没有挥发，在干旱区淋溶也较小，在土壤中移动性很差，因此只有磷肥的施加量和植物的吸收会影响磷库[25].通过对比定西基地a、b、c、d、e、f，6组样品土壤全磷和有效磷含量(图2)，发现有效磷的变化和全磷接近同步，二者相关性显著，总磷对有效磷的含量有着显著影响，这和上述研究相一致.

4 结论

模拟试验发现定西实验基地土壤磷素随着土壤剖面深度的加深而升高，呈现明显的上升趋势，这与大多数研究结果相悖，但是这可能与定西试验基地特定的自然条件有关.在对同一深度磷素的含量的方差分析中表明同一层土壤磷素并未表现出显著性差异，同一海拔高度同一土层土壤磷素呈现稳定性.基地内土壤有效磷存在不同程度的富集，表现为盈余，土地的基础肥力较好，施肥方式极大地影响土壤磷素有效性.基于以上讨论，在以后的农业生产中，根据有效磷含量适当减少磷肥施用和进行深耕是十分必要的.