潮土磷素累积流失风险及环境阈值

刘 娟，张乃明，张淑香

潮土磷素累积流失风险及环境阈值

刘 娟1,3，张乃明2,3※，张淑香4

（1. 云南农业大学植物保护学院，昆明 650201；2. 云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；3. 云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，昆明 650201；4. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

潮土是中国分布比较广、施肥强度大的典型耕作土壤，潮土中磷素累积与流失对区域水环境的污染风险不容忽视。该研究在潮土面积最大的河南省采集磷素水平不同的典型潮土作为供试土壤，采用人工模拟降雨及土柱模拟试验方法，通过测定土壤中Olsen-P和溶解态活性磷CaCl2-P含量以及径流或淋滤液中各形态磷浓度，研究了潮土中磷素随地表径流和下渗流失特征，并通过分段线性模型对潮土的磷素环境阈值进行拟合。结果表明：1）不同形态磷在潮土土壤剖面中均有一定程度的累积，土壤Olsen-P和CaCl2-P含量表现为高磷最大，中磷次之，低磷最小，而磷吸持指数值表现为低磷最大，中磷次之，高磷最小。从磷素的剖面分布来看，低磷和中磷水平潮土Olsen-P和CaCl2-P含量随着土壤深度的增加而降低，而高磷水平的潮土Olsen-P和CaCl2-P含量在20～40 cm土层含量最高。2）不同磷水平潮土径流中总磷（Total Phosphorus，TP）、可溶性总磷（Total Dissolved phosphorus，TDP）和颗粒磷（Particulate Phosphorus，PP）浓度和流失量大小表现为高磷最高，中磷和低磷水平土壤次之，潮土径流流失以PP为主。3）低磷和中磷水平潮土淋滤液中的各形态磷浓度和流失量随着土层深度的增加而降低，而在高磷水平的潮土淋滤液中，20～40 cm土层淋滤液中磷浓度和流失量要显著高于其他土层，在整个土壤剖面磷素浓度随着土层深度的增加呈现先上升后下降的趋势，潮土淋滤流失以TDP为主，其中，高磷和低磷水平潮土以可溶性有机磷占主导，而中磷水平潮土以钼酸盐反应磷占主导。4）通过分段回归模型将不同含磷水平潮土的水溶性磷与土壤中Olsen-P含量进行拟合，得出潮土土壤磷素环境阈值为24.65 mg/kg，研究还表明径流和渗漏液中TP浓度与土壤CaCl2-P含量呈显著正相关，因此可通过测定CaCl2-P来预测并判断土壤磷素流失风险。

磷；土壤；径流；潮土；环境阈值；流失风险

0 引 言

潮土是中国北方重要耕地土壤，面积约1 267万hm2，占中国耕地面积的9.39%[1]。潮土区最普遍的种植制度为夏玉米-冬小麦一年两熟制[2]，这种复种指数高、利用强度大的种植模式对潮土本身养分消耗量很大[3]。其次，由于潮土区雨量分布不均，易受旱、涝、和次生盐渍化威胁，同时由于黄河多次泛滥和改道沉积的作用，导致潮土肥力水平低[4]。在各项肥力指标中，土壤磷素是潮土生产力最重要的限制因子。虽然潮土全磷含量较高，但有效磷在大部分地区含量较低，为了使小麦和玉米获得高产，需要在农业生产中大量施用磷肥，而高频率、过量的施肥使得潮土区土壤形成了巨大的磷库，潮土本身属于轻质属性，且潮土区属于暖温带半湿润型季风气候，雨季多集中于7—9月[5]，磷素累积引起的环境问题不容忽视。

土壤中磷素迁移到水体中主要包括3种途径，即地表径流、侵蚀和淋滤，而地表径流和淋滤通常被认为是农田土壤中磷素迁移到水环境最主要的途径[6-7]。由于农田土壤磷素流失为主的农田非点源污染已成为水环境污染的一个重要来源[8-9]，使得磷素非点源污染研究的重要性更加凸显[10-11]。过去在黄淮海地区的潮土中，虽然土壤全磷含量较高，但有效磷在大部分地区呈亏缺状态，在第二次土壤普查时潮土有效磷甚至不足5 mg/kg，磷素流失的风险小，因此人们对潮土的研究主要集中在潮土不同肥力土壤的基础地力、长期施肥对潮土磷素利用与累积、长期不同施肥模式潮土肥力演变规律及其持续利用以及夏玉米-冬小麦轮作系统下，玉米和小麦两大主要作物的Olsen-P农学阈值研究等方面[5,12-13]。但是随着施磷量提高以及磷肥不断投入，土壤中的磷素含量逐渐由亏转为盈，导致土壤磷素大量累积[14]，潮土区土壤有效磷平均值已经上升到了27.9 mg/kg[15]，且在潮土区小麦-玉米轮作体系下，小麦和玉米Olsen-P农学阈值分别为13.1和7.5 mg/kg[12]，这就表明潮土区大多数土壤中的Olsen-P含量已经远远地超过作物生长的需要，继续施肥不仅不能提高作物产量，还会增加土壤磷素随径流和淋滤到水环境中的风险，对环境造成潜在威胁[16]。

磷素在土壤中累积引起磷素流失的报道很多，目前关于农田磷素流失的研究主要是以地表径流流失规律的探究为主，在一些富磷的砂土或结构发育良好的黏土中也有磷淋滤的报道[17]。已有研究表明，土壤中磷的流失不仅受到土壤有效磷含量的影响，还受到土壤理化性质，例如土壤有机质、pH、孔隙度、阳离子交换量，土壤容重、交换性钙、镁、土壤质地以及土壤中铁、铝和碳酸钙含量的影响[18]。其中，土壤磷素水平是影响耕地土壤磷素流失的重要原因之一，当土壤有效磷含量超过其环境阈值时，土壤径流和渗漏液中磷含量将明显增加，从而对水环境构成威胁[19]。关于坡耕地红壤、紫色土等磷素迁移与流失规律以及太湖流域水稻土径流和渗滤液中磷素组分的研究已经有大量报道[17]，而针对潮土在土壤中累积引起的径流和淋滤迁移和土壤磷素环境阈值以及径流或淋滤液中全磷含量与土壤CaCl2-P之间的关系方面的研究还很少。本文选取潮土作为研究对象，通过人工模拟降雨试验和土柱淋滤试验方法，探讨不同磷水平潮土径流和淋滤液磷素流失状况，并在此基础上提出土壤磷素环境阈值，为潮土区水环境保护和土壤磷素管理提供重要的科学依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

土壤样品取自河南省郑州市农科院试验地（34º47′25"N，113º 40′42" E），该区域属于温带湿润、半湿润季风气候，冬春干旱少雨、夏季炎热湿润，年平均降水量665 mm，雨季多集中在7—9月。分析该区域降雨资料发现，潮土地区最大降雨强度为78 mm/h[20]。该区域地形较为平坦，坡度在5°～15°之间，试验所用土壤为潮土（淡半水成土），成土母质为黄河冲积物，土壤质地为砂质黏土，于2017年4月，按照“随机”多点混合的原则，采集耕层（0～20 cm）及剖面土壤样品，土壤剖面按层次采样，自下而上分层采取，每个层次分为0～20、>20～40、>40～60和>60～80 cm共4个层面。

根据耕层（0～20 cm）土壤磷素含量状况，将采集的潮土大致分为低、中、高3种磷素水平的土壤。低磷水平潮土连续27 a每年平均施磷肥（普通过磷酸钙，P2O5含量12.05%，下同）75 kg/hm2，中磷水平潮土每年平均施磷肥175 kg/hm2，而高磷水平潮土每年平均施磷肥265 kg/hm2；磷肥施用量是根据潮土区施肥现状进行设置，在研究区域内具有典型性和代表性。将采集回来的土壤样品，剔除土样中的石块、粗有机物和侵入体等，风干、磨碎，过2 mm孔径筛，分层充分混匀后备用。供试土壤的主要基本性质如表1所示。

表1 供试土壤0～20 cm土层的理化性质

1.2 径流试验设计

径流试验于2017年6—7月在云南省农业节水工程技术研究中心模拟降雨大厅进行，设备采用NLJY−10型室内人工模拟降雨控制系统（南林电子生产），喷头高度为16 m，喷头类型为散喷型，有效降雨面积约40 m2。该人工模拟降雨控制系统的精度主要是通过雨滴分布（小、中、大雨滴所占比例数）及雨滴降落终速来控制，采用色斑法测定雨滴直径大小，采用高速摄影法校验雨滴降落终速；在进行径流试验以前，进行降雨均匀度的测定及降雨强度的标定，其主要是通过计算降雨期间地面设置的雨量筒（8个）观测到的降雨量的平均值实现，率定后降雨均匀系数大于95%，雨滴降落终速可达到自然雨滴的99%，降雨特性接近于天然降雨。

试验采用70 cm（长）×28 cm（宽）×22 cm（高）的土槽作为盛土容器，然后向土槽中填装等量0～20 cm耕层土，为了确保填装土壤的均匀，采用分层填装的方法即每隔5 cm填装一层，在填装下层之前，抓毛上一层已填进土壤的表层，以防止各土层之间出现分层现象，同时，通过分层填装与压实相结合的方法控制土壤容重，确保填装好的土壤容重保持在1.3 g/m3左右。基于潮土区坡耕地现状及降雨发生频率，本试验坡度设计为8°，降雨强度设计为30 mm/h，每7 d降雨1次，每次降雨32 min，每4 min用径流桶收集1次径流，并测定径流体积，降雨试验结束后取各时段采集的径流样进行测定，每个磷素水平设置3个重复。

1.3 淋滤试验设计

淋滤试验于2017年8—10月在云南农业大学化学楼进行，将PVC管（长80 cm，直径10 cm）截取为4段，每段20 cm，用尼龙网包裹每段PVC管的底端，然后分别将3种含磷水平的潮土分层填充到土柱中，为了可以方便地分离和恢复完整的土柱，该研究采用PVC接口（直径为11 cm）将每段土柱连接成高80 cm的土柱桶。土柱桶底部填充约2 cm厚的石英砂，石英砂和土壤之间由1张48m的纱网分隔，然后用PVC封盖（直径为11 cm）盖住土柱底部。为了能够方便地收集淋滤液，在每个封盖上钻1个小孔，小孔直径约0.5 cm，用橡胶塞将排水管固定在封盖上收集淋滤液，最后将土柱直立地放在架子上。淋滤试验开始以前，向土壤中加入超纯水达到饱和持水量后静置24 h，淋滤试验连续进行42 d，每7 d灌水1次，每次灌水约300 mL，在灌水后的24 h内收集淋滤液，测定淋滤液体积。为避免土壤受到干扰，在土壤表面放置1张无磷滤纸，同时，滤纸还可使水样匀速下渗，避免产生边际效应，每个磷素水平潮土设置3个重复。

1.4 分析项目与方法

溶液中总磷（Total Phosphorus，TP）浓度采用过硫酸钾−钼蓝比色法（GB 11893—89）测定；可溶性总磷（Total Dissolved Phosphorus，TDP）浓度采用0.45m滤膜过滤，过硫酸钾−钼蓝比色法（GB 11893—89）测定；钼酸盐反应磷（Molybdate Reactive Phosphorus，MRP）采用0.45m滤膜过滤，钼蓝比色法测定；颗粒磷（Particulate Phosphorus，PP）为TP与TDP的差值；可溶性有机磷（Dissolved Organic Phosphorus，DOP）为TDP与MRP的差值；

土壤pH值采用酸度计（NY-T 1121.2—2006）测定；有机质采用重铬酸钾氧化-容量法（NY-T 1121.6—2006）测定；碱解氮采用碱解扩散法测定；有效磷（Olsen-P）采用钼锑抗比色法（HJ704-2014）测定；速效钾采用1 mol/L的中性NH4OAc（pH值为7）溶液浸提，火焰光度法测定；全磷采用碱熔−钼锑抗比色法（HJ632-2011）测定；溶解态活性磷（CaCl2-P）采用0.01 mol/L氯化钙溶液浸提（土水质量比1∶5），钼锑抗比色法测定；土壤磷吸持指数（Phosphate Sorption Index，PSI）：在水土质量比为10∶1的条件下，按每克土中加入1.5 mg磷酸盐，平衡后测得土壤吸磷量与平衡溶液磷浓度，采用计算式（1）[21]计算。

PSI=100/lg（1）

式（1）中为土壤吸磷量，mg/g；为平衡溶液中磷浓度，mol/L。

1.5 数据统计与分析方法

采用Excel 2007和Sigmaplot 10.0对数据进行分析，通过软件SPSS 19.0对所有数据进行单因素方差分析和显著性检验，检验方法采用ANOVA法，采用OriginPro 9.0进行作图，所有结果数据均采用3个重复试验所获数据的平均值。

为了计算场降雨径流磷素流失量，采用公式

式中为磷素流失量，mg/m2；为取样次数；c为各时段采集径流样的磷素浓度，mg/L；v为各时段采集径流样的体积，L；S为土槽的面积，m2。

采用分段线性模型（Split-line Model）计算潮土磷素流失的环境阈值。根据Olsen-P与CaCl2-P之间的关系图，采用数学方法，以不偏离突变点为基础，分别拟合低和高Olsen-P含量与CaCl2-P之间的分段线性回归方程，2个方程的交点即为土壤磷素环境阈值[17]。

2 结果与分析

2.1 潮土中有效磷和易溶解态磷及吸持指数

不同磷水平潮土中Olsen-P累积状况如图1a所示，由图可知，3个磷素水平潮土在土壤剖面中Olsen-P含量（质量分数，下同）分别为3.0～8.5、11.0～52.5和8.2～33.4 mg/kg，不同磷水平潮土Olsen-P含量在各土层中表现出一致规律，即高磷水平最高，中磷水平次之，而低磷水平最低，3个磷素水平之间呈显著性差异。从土壤剖面分布来看，低磷和中磷土壤中Olsen-P含量随着土壤剖面深度的增加呈降低趋势，而高磷水平土壤在20～40 cm土层最高。全国第二次土壤普查养分分级标准将土壤中Olsen-P含量分为6个等级，将3个磷素水平潮土表层土壤（0～20 cm）中的Olsen-P含量与全国第二次土壤普查的养分分级标准进行比较，高磷水平潮土达到一级标准，土壤Olsen-P极高；中磷水平潮土达到二级标准，土壤Olsen-P很高；低磷水平潮土达到四级标准，土壤Olsen-P中等，这说明潮土表层均出现了一定程度的累积。

注：不同大写字母表示同一土层不同磷素水平间P累积差异显著（P<0.05），不同小写字母表示同一磷素水平不同土层间P累积差异显著（P<0.05）。

不同磷水平潮土中CaCl2-P累积状况如图1b所示，由图可知，土壤剖面中CaCl2-P含量范围为1.01～4.20 mg/kg。不同磷水平潮土CaCl2-P含量在各土层中存在差异，在0～20 cm土层，高磷和中磷水平土壤CaCl2-P含量显著高于低磷水平土壤，而高磷和中磷水平土壤之间差异不显著；在20～40 cm土层，3个磷素水平土壤之间CaCl2-P含量高磷最高，中磷次之，低磷最低，且各磷水平之间呈显著性差异；而在40～60 cm和60～80 cm土层，3个磷素水平土壤之间CaCl2-P含量未达到显著性差异。从土壤剖面分布来看，低磷土壤CaCl2-P含量虽然随着土壤剖面深度的增加呈降低趋势，但各层次土壤中的CaCl2-P含量差异性不显著。中磷土壤在整个土壤剖面CaCl2-P随着土壤剖面深度的增加，CaCl2-P含量降低，在40～60 cm和60～80 cm土层中CaCl2-P含量差异不显著。高磷土壤中CaCl2-P质量分数范围为1.15～4.20 mg/kg，CaCl2-P含量在20～40 cm土层最高，而在40～60 cm和60～80 cm土层CaCl2-P含量未达到显著性差异，在整个剖面上CaCl2-P含量呈现先上升，再下降的趋势。

土壤PSI反映了土壤磷吸持或释放潜力，一般用于表征土壤固相磷向液相释放的可能性。对不同磷水平潮土的PSI值进行分析计算得出，各层次土壤的PSI值的范围为4.38～22.42，其中，低、中、高磷水平潮土在土壤剖面中的PSI值分别为4.66～22.42、6.22～10.58和4.75～9.30，在整个土壤剖面中，低磷水平土壤磷吸持指数最大，中磷水平土壤次之，高磷水平土壤磷吸持指数最小，PSI越大，说明土壤吸持磷的能力越强，而PSI越小，说明土壤中的磷越容易发生迁移。从土壤剖面来看，不同磷水平潮土PSI值随着土壤剖面深度的增加表现出不同的趋势，高磷和低磷水平潮土在整个土壤剖面随着土壤深度的增加，PSI值降低，而中磷水平潮土在整个土壤剖面变化幅度整体较小，大致呈先下降再上升，再下降的趋势（图2）。

图2 不同磷水平潮土各土层磷吸持指数（PSI）

2.2 不同磷水平潮土径流中各形态磷浓度及流失量

不同磷水平潮土径流中各形态磷浓度如图3a所示，表层径流中TP浓度为0.146～0.416 mg/L，可溶性总磷TDP浓度为0.032～0.086 mg/L，颗粒磷PP浓度为0.109～0.330 mg/L，不同磷水平潮土TP、TDP和PP浓度大小表现为高磷水平潮土最高，中磷和低磷水平潮土次之。通过方差分析得出，在第1场降雨和第2场降雨中，高磷水平潮土径流中TP浓度要显著高于低磷和中磷水平，而低磷和中磷水平之间TP浓度未达到显著性差异；在第3场和第4场降雨中，3种磷水平潮土径流中TP浓度均达到了显著性差异。从径流中各形态磷占TP的比例来看，不同磷水平潮土TDP占TP的比例为9.76%～34.02%，而PP占TP的比例为65.98%～90.24%，PP所占比例明显高于TDP，说明3种磷水平潮土径流流失都以颗粒态为主。

不同磷水平潮土径流中各形态磷流失量如图3b所示，3种磷水平潮土径流中TP流失量为2.05～6.05 mg/m2，TDP流失量为0.31～1.29 mg/m2，PP流失量为1.48～5.16 mg/m2，不同磷水平潮土径流TP、TDP和PP流失量大小表现为高磷水平土壤最大，中磷和低磷水平土壤次之，3种磷素水平潮土径流中TP流失量的大小顺序与土壤表层有效磷含量具有一致性，这说明土壤表层磷素累积状况可能会影响径流磷素流失量的大小。从各形态磷占总磷的比例来看，不同磷水平潮土TDP流失量占TP流失量的10.31%～37.46%，PP流失量占TP流失量的62.54%～89.69%，由此可见，潮土径流中土壤表层磷素流失以颗粒态为主。

注：Ⅰ～Ⅳ代表不同降雨场次；不同小写字母表示同一降雨场次不同磷水平之间潮土径流液中磷素浓度或流失量差异显著（P<0.05）。

2.3 不同磷水平潮土淋滤液中各形态磷浓度及流失量

不同磷水平潮土淋滤液中各形态磷浓度如图4a所示，由图可知，不同磷水平潮土淋滤液中各形态磷浓度差异大，TP、TDP、PP、MRP和DOP浓度分别为0.114～0.995、0.084～0.660、0.031～0.335、0.027～0.378和0.050～0.321 mg/L，潮土淋滤流失以TDP为主，在TDP中，高磷和低磷水平土壤以DOP为主，而中磷水平土壤以MRP为主。从淋滤液中各形态磷的剖面分布来看，低磷和中磷水平潮土淋滤液中的各形态磷浓度随着剖面深度的增加磷素浓度降低，在表层（0～20 cm）淋滤液中的磷素浓度最高；而在高磷水平的潮土淋滤液中，各形态磷浓度在20～40 cm土层最高。3种磷素水平潮土底层（60～80 cm）土壤淋滤液中的磷素浓度普遍较低，但3种磷水平土壤淋滤液中TP浓度均超过了水体富营养化阈值（0.02 mg/L）[22]。

注：不同大写字母表示同一土壤剖面不同磷水平之间差异显著（P<0.05）；不同小写字母代表同一磷素水平不同剖面之间差异显著（P<0.05）；

不同磷水平潮土淋滤液中各形态磷流失量如图4b所示，由图可知，不同磷水平潮土淋滤液中TP、TDP、PP、MRP和DOP流失量分别为1.97～14.84、1.29～12.48、0.41～2.99、0.42～7.60和0.51～4.92 mg/m2。潮土淋滤液中以TDP为主，在TDP中，不同含磷水平土壤占主导的磷形式又存在差异，其中，高磷和中磷水平潮土淋滤流失以MRP为主，而低磷水平潮土淋滤流失以DOP为主。从淋滤液中各形态磷的剖面分布来看，低磷和中磷水平潮土淋滤液中的各形态磷流失量随着剖面深度的增加而降低，而在高磷水平的潮土淋滤液中，20～40 cm土层的磷流失量要显著高于其他土层。

2.4 土壤磷素的环境阈值拟合

为了更好地预测磷的损失潜力，利用分段线性模型（Split-line Model），将不同含磷水平潮土的Olsen-P含量与土壤中CaCl2-P进行回归拟合（如图5），得出潮土Olsen-P含量与CaCl2-P之间并不是1条直线关系，而是2线斜率明显不同的直线，其相关方程如下：

式中x为Olsen-P含量，mg/kg；y为土壤中CaCl2-P含量，mg/kg。

通过计算得出，研究区域内潮土土壤磷素环境阈值为24.65 mg/kg。当土壤Olsen-P含量小于或等于土壤磷素环境阈值时，CaCl2-P含量随Olsen-P增加而增加的幅度小，而当土壤中Olsen-P的含量大于土壤磷素环境阈值时，CaCl2-P含量随Olsen-P增加而增加的幅度大。

进一步分析潮土径流液或淋滤液中TP浓度与土壤CaCl2-P之间的关系，发现线性方程可以较好地拟合潮土径流或淋滤液中TP浓度与土壤CaCl2-P含量之间的关系，通过线性回归分析得出径流液和淋滤液中TP浓度与土壤CaCl2-P关系如图6所示。

径流中TP浓度与土壤CaCl2-P含量的相关方程为

=0.06+0.11 (2=0.80，<0.01，样本量为12) （4）

淋滤液中TP浓度与土壤CaCl2-P含量的相关方程为

=0.21+0.03(2=0.79，<0.01，样本量为36) （5）

式中为土壤CaCl2-P含量，mg/kg；为土壤中TP浓度，mg/L。

由拟合方程发现，土壤中CaCl2-P含量与径流或淋滤液TP浓度存在正相关关系，随着土壤中CaCl2-P含量增加，径流或淋滤液TP浓度也随之增加。通过测定土壤中CaCl2-P来预测径流或淋滤液中TP浓度，可以评估土壤磷素流失对水体的造成的污染。

图6 潮土径流液和淋滤液中总磷浓度（TP）与CaCl2-P之间的关系

3 讨 论

3.1 不同磷水平潮土磷素累积流失特征

潮土区是中国重要的小麦-玉米主产区，这种复种指数高、利用强度大的种植模式对潮土本身养分消耗量很大，需要在农业生产中大量施用磷肥，而高频率、过量的施肥使得潮土区土壤形成了巨大的磷库。在本研究中发现，潮土表层土壤（0～20 cm）已经出现了一定程度的磷素累积，将3个磷素水平潮土表层土壤（0～20 cm）中的Olsen-P含量与全国第二次土壤普查的养分分级标准进行比较，高磷水平潮土达到一级标准，土壤Olsen-P极高；中磷水平潮土达到二级标准，土壤Olsen-P很高；低磷水平潮土达到四级标准，土壤Olsen-P中等，这说明潮土表层均出现了一定程度的累积。当土壤中磷素累积超过环境阈值，土壤中磷素可以通过地表径流、侵蚀以及淋滤等途径迁移到水体环境中，进而加剧水环境污染负荷。

在本研究中，3种磷水平表层径流中TP浓度为0.146～0.416 mg/L，TDP浓度为0.032～0.086 mg/L，PP浓度为0.109～0.330 mg/L，不同磷水平潮土TP、TDP和PP浓度大小表现为高磷水平潮土最高，中磷和低磷水平潮土次之，这与崔力拓等[23]先前通过天然降雨径流试验得到的褐土地表径流中不同形态磷的含量随土壤磷素水平的提高也相应地增加的结论一致，并且在其他土壤类型如黄壤、紫色土等也发现了类似的观察结果[24-25]，这说明径流液中磷素浓度与土壤本身磷素累积状况有密切关系。本实验室还通过人工模拟降雨试验，比较了黑土、潮土和红壤中磷素随地表径流流失的特征，发现黑土、潮土和红壤表层径流中磷素浓度和磷素流失量均表现为潮土最大，红壤次之，黑土最小[26]。磷素在潮土中的扩散性要强于其他2种土壤，主要是因为潮土所在区域为中国主要的农耕区，磷肥的逐年投入及施磷量的提高，加剧土壤中磷素累积状况，潮土为砂质黏土，土壤中黏粒含量较黑土和红壤少，所以当径流发生时，潮土比其他2种土壤更容易发生迁移。从各形态的比例来看，本研究得出颗粒态磷是潮土径流流失的主要形态，这与秦华等[27]研究得出径流作用下PP浓度占总磷浓度80%以上以及左继超等[28]研究得出的地表径流磷素输出以PP为主的结论相同，在降雨的过程中，径流中磷素的流失不仅与土壤本身含磷状况密切相关，还可能与坡度、降雨强度、径流量等因素相关，所以，在季风区，应结合土壤本身性质以及该区域降雨条件，对养分流失进行管理。

在本研究中，不同磷水平潮土淋滤液中TP浓度为0.114～0.995 mg/L，TDP浓度为0.084～0.660 mg/L，PP浓度为0.031～0.335 mg/L，MRP浓度为0.027～0.378 mg/L，DOP浓度为0.050～0.321 mg/L。低磷和中磷水平潮土淋滤液中的各形态磷含量随着剖面深度的增加，磷素浓度降低，而高磷水平潮土淋滤液中磷素浓度随着土层深度的增加，呈现先上升后下降的趋势，这种现象的出现与土壤中Olsen-P含量的高低密切相关，在高磷土壤中，20～40 cm土层径流液中的磷素浓度要高于土壤表层，主要是因为本身施磷水平较高，作物吸收不了过多的磷，在降雨的作用下，由磷素向下淋溶所致。本试验室还通过土柱淋溶试验[1]，比较黑土、潮土、红壤和水稻土淋溶流失差异，发现不同类型土壤TP流失量以潮土最大，水稻土和黑土次之，红壤最小，这主要是由于长期耕作条件下，潮土本身磷含量累积过高，以及潮土砂质黏土的土壤质地，黏粒含量比其他几种土壤少造成的。本研究还发现，不同磷水平潮土淋滤流失以TDP为主，这与项大力等[29]在塿土以及陆欣欣等[30]的得出的淋滤流失以TDP为主的结论一致，这主要是因为淋滤与径流磷素流失不同，淋滤流失受外部因素（坡度、降雨强度、径流量等）的影响要小于土壤本身性质的影响，土壤中磷素含量、土壤质地等在潮土淋滤过程中发挥着极其重要的作用。

3.2 潮土土壤磷素环境阈值的科学性及应用

不同类型土壤磷素环境阈值差异很大，钟晓英等[31]通过土壤培养试验，得出中国11种土壤类型23个土壤的土壤磷素环境阈值在29.96～156.78 mg/kg之间变化。聂敏等[32]通过室内模拟试验，发现中国16种可变电荷土壤（红壤、黄壤等）的土壤磷素环境阈值在56～123 mg/kg之间变化，同时，赵小蓉等[33]还通过研究土壤磷素环境阈值与土壤理化性质的关系时发现，土壤磷素环境阈值与土壤pH呈抛物线关系，当pH值大于6时，土壤磷素环境阈值随着pH的升高而减小。在本研究中，利用分段回归模型（Split-line Model），将不同含磷水平潮土的水溶性磷与土壤中Olsen-P含量进行回归拟合，分析得出潮土的土壤磷素环境阈值为24.65 mg/kg，潮土本身为石灰性土壤，土壤pH值在8.01～8.25之间，所以与其他土壤类型相比，潮土土壤磷素环境阈值可能偏低，而潮土中土壤有机质、土壤质地、无定形氧化铁、铝含量、碳酸钙等是否对土壤磷素环境阈值造成影响还需要进一步深入研究。

一般而言，当水体中的含磷量超过了水体富营养化阈值（0.02 mg/L）就可能造成水体中藻类的大量繁殖。在本研究中发现，当潮土Olsen-P含量超过土壤磷素环境阈值（即：24.65 mg/kg）时，从土体中排出的水进入河流或湖泊中，极可能对水体造成污染。因此，在潮土区域，应该根据潮土目前的磷素累积状况，适当减少施磷量，在维持作物产量的同时，降低P对水环境造成污染的风险，在保证作物不减产的条件下，适当减少施磷量还可以在一定程度提高土壤中已累积磷素的再利用[34]，这对于农业生产与生态环境保护都具有重要的现实意义。本研究中，还建立了径流或淋滤液中总磷与CaCl2-P之间的关系，发现潮土径流或淋滤液TP浓度与土壤中CaCl2-P含量存在正相关关系，径流或淋滤液TP浓度会随着土壤CaCl2-P含量的增大迅速增加，因此，可以通过测定土壤中CaCl2-P的含量来预测径流和淋滤液中TP浓度，从而对土壤磷素迁移对水环境造成的污染进行评价。

4 结 论

1）土壤剖面中的Olsen-P含量（质量分数）为3.0～33.4 mg/kg，溶解态活性磷（CaCl2-P）含量为1.01～4.20 mg/kg，土壤磷吸持指数（PSI）值为4.38～22.42，Olsen-P和溶解态活性磷（CaCl2-P）含量表现为高磷最高，中磷次之，低磷最低，而PSI值表现为低磷最高，中磷次之，高磷最低。

2）不同磷水平潮土径流中总磷、可溶性总磷和颗粒磷浓度和流失量大小为高磷最高，中磷和低磷水平土壤次之，潮土径流流失以颗粒态为主。

3）低磷和中磷水平潮土淋滤液中的各形态磷浓度和流失量随着土层深度的增加而降低，而在高磷水平的潮土淋滤液中，20～40 cm土层淋滤液中磷浓度和流失量要显著高于其他土层，潮土淋滤流失以可溶态为主。

4）通过分段回归模型将不同含磷水平潮土的水溶性磷与土壤中Olsen-P含量进行拟合，得出潮土土壤磷素环境阈值为24.65 mg/kg。同时还得出，径流液和淋滤液中总磷浓度与土壤中CaCl2-P含量呈显著正相关，可通过测定CaCl2-P来预测从土体排出水的磷浓度。

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Accumulative loss risk of phosphorus and its environmental threshold in fluvo-aquic soil

Liu Juan1,3, Zhang Naiming2,3※, Zhang Shuxiang4

(1.,,650201,; 2.,,650201,; 3.,650201,; 4.,,100081,)

Fluvo-aquic soil is a typical cultivated soil with the widely distribution and high intensity of fertilization in China. However, the accumulation and loss of phosphorus in fluvo-aquic soil cannot be ignored as the ecological changes. In this study, the typical fluvo-aquic soils were collected as the test soils with different phosphorus levels (high, medium, and low) in Henan province, China, in order to explore the characteristics of phosphorus loss from fluvo-aquic soil induced by surface runoff and leaching. Simulation experiments of an artificial rainfall and a soil column were conducted to measure the content of Olsen-P and soluble active phosphorus (CaCl2-P) in soils, and the concentrations of different forms of phosphorus in runoff or leaching. In a split-line model, the relationship between soil Olsen-P content and Total Phosphorus (TP) in solution was used to evaluate P risk from black soil in surface runoff and leaching. The results showed that: 1) The contents of Olsen-P and CaCl2-P in fluvo-aquic soil profiles were in the order of high, medium and low phosphorus level, whereas, the soil phosphorus sorption index value were in the order of low, medium and high phosphorus level. In the profile distribution of phosphorus, the content of Olsen-P and CaCl2-P in fluvo-aquic soil with low and medium phosphorus level decreased with increasing soil profile, while the content of Olsen-P and CaCl2-P in fluvo-aquic soil with high phosphorus level was the highest in the 20-40 cm soil layer. 2) The concentration and losses of TP, Total Dissolved Phosphorus (TDP) and particulate phosphorus (PP) in the runoff from fluvo-aquic soils with different phosphorus levels were in the order of high > medium > low phosphorus level, and the PP dominated in fluvo-aquic soil runoff. 3) The concentration and loss of various forms of phosphorus in the leachate of low- and medium-phosphorus level from fluvo-aquic soil decreased with the increasing soil depth. However, in the leachate of high phosphorus level, the concentration and loss of phosphorus in the 20-40 cm soil profile were significantly higher than those of in other soil profiles, where the phosphorus concentration in the whole profile increased first and then decreased with the increasing soil profile, whereas, the profile of high phosphorus level presented the distribution pattern that upper and lower was low, and middle was high. The leaching loss of fluvo-aquic soil was dominated by TDP. The high- and low-phosphorus fluvo-aquic soil was dominated by Dissolved Organic Phosphorus (DOP), while the medium-phosphorus fluvo-aquic soil was dominated by Molybdate Reactive Phosphorus (MRP). 4) The relationship between CaCl2-P and Olsen-P were characterized using split-line models, identifying the thresholds at 24.65 Olsen-P mg/kg for the fluvo-aquic soil. It was also pointed out that the TP concentration in runoff and leachate was positively correlated with the CaCl2-P content in soil, and that CaCl2-P can be used to predict the phosphorus concentration of water discharged from soil. The outcomes derived from these experimental conditions regarding the determination of P loss in runoff by the artificially simulated rainfall experiment. The P loss in leaching by the soil column method and P environmental thresholds also need further verification in the field. This finding can help to assess phosphorus loss from fluvo-aquic soil under different phosphorus levels, and further to provide a scientific basis for water environment protection and soil phosphorus management in fluvo-aquic soil areas.

phosphorus; soils; runoff; fluvo-aquic soil; environmental threshold; loss risk

刘娟，张乃明，张淑香. 潮土磷素累积流失风险及环境阈值[J]. 农业工程学报，2020，36(20)：8-16.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.002 http://www.tcsae.org

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2020-06-01

2020-10-10

国家重点研发计划项目（2016YFD0201208-2）；云南省对外科技合作计划院士工作站（2015IC022）

刘娟，博士生，主要从事农用化学物质与环境方面的研究。Email：15587214232@163.com

张乃明，博士，教授，主要从事土壤培肥与污染修复方面的研究。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.002

S158.5；X522

A

1002-6819(2020)-20-0008-09