茭白田土壤磷库特征及其与种植年限的关系和流失风险

单英杰,任白琳,陈宇航,丁志峰,章明奎,*

(1.浙江省耕地质量与肥料管理总站,浙江 杭州 310020; 2.浙江大学 环境与资源学院,浙江 杭州 310058)

磷是生命元素,在植物生产中发挥着重要作用。作为一种有限而不可再生的矿产资源,我国的优质磷矿储量持续下降[1-2]。与此同时,近年来我国许多地区连续高量施用磷肥已导致农田土壤磷素明显累积[3]。杨洁等[4]研究发现,蔬菜-粮食作物轮作区土壤磷素积累明显;许琛等[5]研究表明,长期施磷处理的土壤总磷和有效磷含量较不施磷处理显著增加。土壤中磷素的过量累积会增加农田磷的流失,增加地表水体污染风险。汪玉等[6-7]研究发现,太湖流域能造成环境风险的土壤有效磷阈值为30 mg·kg-1,超过该阈值,环境污染风险大大增加。土壤中磷的流失受土地利用方式、耕作措施、肥料施用和土壤磷素积累等多方面因素的影响[8],高量施用磷肥是导致农田磷素流失最为主要的原因[9]。

茭白是重要的优质水生蔬菜。因经济效益高,近30多年来,茭白在我国南方地区的种植面积持续增加[10]。2020年,浙江省茭白种植面积达2.6万hm2。茭白一般种植在水田中,具有长年淹水种植、秸秆全量还田和肥料施用量大的特点[11]。虽然随着施肥技术的改进,近年来茭白田的肥料用量明显减少,但由于过去几十年等量氮磷钾肥料的大量长期施用,土壤磷素积累非常明显,并已导致较为明显的环境问题[11-12]。

磷在土壤中可以不同形态积累,其有效性和流失风险与磷的形态密切相关[13]。随着土壤磷素的积累,土壤对磷的吸持固定作用逐渐减弱,磷的饱和度明显增加[14-15],同时土壤中可吸附磷的吸附位逐渐减少,增加了磷的释放潜力和流失风险[16]。摸清茭白种植区农田土壤磷素的积累量、赋存形态、磷饱和状况等,可为种植茭白区域的磷肥投入和土壤磷素的科学管理提供依据。为此,本研究特以浙江省为例,在茭白种植的代表性区域,同时采集了不同种植年限的茭白田表层土壤和剖面分层土壤,利用磷分级方法和土壤磷吸持指数(PSI)、磷吸持饱和度(DPSS)等指标评估土壤磷现状与磷素淋失风险。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

于2020年秋冬季在浙江省茭白种植较为集中的丽水、台州、宁波和杭州等市采集153个表层(0～20 cm)土壤样品,同时在茭白田附近采集长期种植水稻的20个农田表层土样作为对照(CK,种植年限视为0)。采用“S”形取样的方式随机采集12～15个分点土壤样品,混合后组成一个土壤样品。根据茭白种植年限的差异,把采集的茭白田土壤样本按种植年限分为<5、5～<10、10～<20、20～<30、≥30 a等5组,各组样品数分别为19、39、48、36、11个,合计153个。

在采集表层土样的基础上,在种植茭白历史较长的缙云县选择茭白种植年限为1、4、8、15、26、30、35 a的7块茭白田(土壤类型相同,均属水稻土土类培泥砂田土属),用土钻方法分别采集0～<20、20～<40、40～<60、60～80 cm分层土样,分析土壤垂直剖面中磷素的分布情况。分层样品由每一采样农田内5个点位的相应土层样混合而成。

1.2 预处理与分析方法

样品经充分混匀后风干,研磨过1 mm土筛,取部分进一步研磨过0.149 mm土筛,贮存,备用。

土壤全磷含量用HClO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定[17];土壤有效磷(Olsen-P)含量用0.5 mol·L-1碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定;土壤水溶性磷(CaCl2-P)含量采用0.01 mol·L-1氯化钙浸提-钼锑抗比色法测定。参照土壤磷素分级指标[18],基于土壤全磷含量,划分极缺乏(<200 mg·kg-1)、缺乏(200～<400 mg·kg-1)、潜在缺乏(400～<600 mg·kg-1)、中等(600～<800 mg·kg-1)、丰富(800～<1 000 mg·kg-1)和很丰富(≥1 000 mg·kg-1)6个等级;基于土壤有效磷含量,划分极缺乏(<6 mg·kg-1)、缺乏(6～<12 mg·kg-1)、潜在缺乏(12～<25 mg·kg-1)、中等(25～<30 mg·kg-1)和丰富(≥30 mg·kg-1)5个等级。

采用Hedley法,土壤中的水提取态无机磷(H2O-Pi)、NaHCO3提取态无机磷(NaHCO3-Pi)、NaOH提取态无机磷(NaOH-Pi)、HCl提取态无机磷(HCl-Pi)、NaHCO3提取态有机磷(NaHCO3-Po)、NaOH提取态有机磷(NaOH-Po)、残余态P(R-P)等磷形态按下述方法依次提取[19]:H2O-Pi用去离子水提取;NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po用0.5 mol·L-1NaHCO3提取;NaOH-Pi和NaOH-Po用0.1 mol·L-1NaOH提取;HCl-Pi用1 mol·L-1HCl提取;残余态P用H2SO4-H2O2消化。每次提取过程都采用离心法分离土壤和上清液。其中,将NaHCO3和NaOH提取液分为两组,分别测定总磷和无机磷(钼蓝比色法),根据各提取液中总磷与无机磷的差值,计算各提取液中有机磷的含量。

称取5 g土壤放入100 mL离心管中,参照文献[20]的方法,采用吸附平衡法测定PSI。称取2.5 g土壤放入250 mL离心管中,加入100 mL酸性草酸铵溶液(pH值3.0),参照文献[21]的方法,测算DPSS。

土壤有机质含量和pH值分别采用文献[17]中的氧化容量法和电极法测定。

1.3 数据分析

采用SPSS 20.0软件进行方差分析,对有显著(P<0.05)差异的,采用最小显著差数法(LSD)进行多重比较。采用Microsoft Office Excel 2013软件制图。

2 结果与分析

2.1 表层土壤磷素积累状况

对采集的153个表层土壤样品进行分析,其全磷含量在354.00～2 874.00 mg kg-1,平均值为876.73 mg·kg-1,变异系数为48.57%;有效磷含量在4.68～154.00 mg·kg-1,平均值为63.30 mg kg-1,变异系数为55.07%。样本中,土壤全磷含量属于极缺乏、缺乏、潜在缺乏、中等、丰富和很丰富的比例分别为0、2.61%、16.99%、17.65%、50.33%和12.42%;土壤有效磷含量属于极缺乏、缺乏、潜在缺乏、中等和丰富的比例分别为0.65%、3.27%、10.45%、4.58%和81.05%。可见,样本土壤的全磷含量主要为丰富水平,其次为中等、潜在缺乏和很丰富,属于缺乏的占比较低;样本土壤的有效磷含量主要属于丰富,少数为极缺乏和中等。总体上,样本土壤的磷素含量处于较高水平。

2.2 表层土壤各形态磷的含量与组成

对153个表层土壤的各形态磷含量进行分析:H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、R-P的含量分别为1.52～69.91、12.42～611.00、11.54～1 244.54、9.60～530.03、2.68～62.14、14.65～567.25、176.00～445.00 mg·kg-1,平均值分别为16.16、122.06、213.03、103.22、22.18、158.52、241.86 mg·kg-1。H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、R-P含量的变异系数分别为74.84%、60.05%、94.18%、75.39%、52.87%、56.50%和15.64%,除R-P外,样本中各形态磷含量均有较大变化。相关分析表明,所有形态磷的含量均随土壤全磷含量的增加而增加,H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、R-P含量与土壤全磷含量的相关系数分别为0.98、0.87、0.97、0.57、0.62、0.89、0.64(n=153,P<0.01)。

在测定的7种磷形态中,R-P含量占比最高,平均为31.41%(表1);其次为NaOH-Pi,平均占21.08%;NaHCO3-Pi、HCl-Pi、NaOH-Po的占比也较高,平均分别为13.29%、12.47%、17.53%;H2O-Pi、NaHCO3-Po的占比较低,平均分别为1.66%、2.56%。NaHCO3-Po和NaOH-Po这两种有机态磷的总量占比平均为20.09%,可见,土壤中的磷以无机磷为主,平均占79.91%。

表1 表层(0～20 cm)土样中不同形态磷的组成

2.3 表层土壤磷素组成与茭白种植年限的关系

随着茭白种植年限的增加,土壤有机质含量呈现增加的趋势(表2),而土壤pH值逐渐下降;土壤全磷、有效磷和水溶性磷含量逐渐增加。其中,种植茭白30年及以上的农田土壤有机质含量、种植茭白20 a及以上的农田土壤pH值、种植茭白10 a及以上的农田土壤全磷和水溶性磷含量、种植茭白5 a及以上的农田土壤有效磷含量,与种植茭白不足5 a的土壤存在显著差异。

表2 不同茭白种植年限农田土壤的基本理化性状

种植茭白20 a及以上的农田表层土壤有机质含量显著高于对照稻田,种植茭白30 a及以上的农田表层土壤pH值显著低于对照稻田,种植茭白10 a及以上的农田表层土壤全磷和水溶性磷含量、种植茭白5 a及以上的农田表层土壤有效磷与对照稻田存在显著差异。

除R-P和HCl-Pi外,其他各形态磷(包括总无机磷和总有机磷)的含量均随茭白种植年限的延长而呈增加趋势(表3)。当茭白种植时间分别为不低于10、10、5、30、5 a时,土壤中的H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po含量与茭白种植时间在5年以内的农田存在显著差异。当茭白种植年限分别为10、10、5、5、30、30 a及以上时,土壤中的H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi、NaOH-Po、R-P含量与对照稻田土壤存在显著差异,但种植茭白农田土壤的NaHCO3-Po含量与对照稻田无显著差异。

表3 不同茭白种植年限农田土壤各形态磷的含量

各形态磷的占比随茭白种植年限的增加变化并不一致,其中,H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和NaOH-Po的占比随种植年限延长呈现持续增加趋势,HCl-Pi和R-P的占比随种植年限延长而呈现下降趋势,而NaHCO3-Po的占比随种植年限的变化不明显。

2.4 不同种植年限土壤磷含量和磷饱和度的剖面垂直分布

随着茭白种植年限增加,土壤全磷含量持续增加(图1),但不同深度土层中全磷含量的增加速率存在较大差异,随土层加深,其增速呈下降趋势,60～80 cm土层全磷含量随时间的变化不明显。在0～<20、20～<40、40～<60 cm土层,全磷含量明显增加所需的时间分别约为4、8、26 a。不同时间段土壤全磷的变化也不相同,以0～<20 cm土层为例,在种植茭白的前8 a,全磷含量变化较小,年均约增加30 mg·kg-1;8～26 a间,增速最大,年均约70 mg·kg-1;26～35 a间,增速降低,年均约25 mg·kg-1。1～8 a的茭白田,均为近期种植的茭白田,其全磷含量增速较低与近年磷肥施用量逐渐合理有关;而26～35 a的茭白田多是20世纪90年代前后种植的茭白田,其全磷含量增速较低与那一时期磷肥施用还不是很普遍有关。20～<40 cm土层土壤全磷含量的明显增加发生在8 a后,并趋直线增加;而40～<60 cm土层土壤全磷含量的增加主要发生在种植茭白26 a后,且增速较为缓慢。一般来说,因土壤对磷的固定,在种植水稻或旱作情况下,磷在土壤中的垂直迁移不明显。本研究中,土壤磷素在>20～80 cm土层的明显积累显然不是磷在土壤中淋失的结果。田间调查发现,长期淹水种植茭白可使土壤发生软化和糊化,因茭白根系分布较深加之长期泡水,种植茭白8 a以后,原水稻土的犁底层因逐渐退化转变为软糊土层,且软糊土层随时间延长逐渐向下延伸。在这种情况下,当种植、施肥、采摘等人为田间活动频繁时,可把表土层的土壤踩向较深的土层,导致部分表层土壤与下层土壤逐渐混匀,致使20～<40、40～<60 cm土层的磷素因上层土壤的混入而增加。由于软糊层的发生是随时间推进逐渐下移的,因此,40～<60 cm土层中的磷含量增加较迟且数量较少。

图1 不同深度土壤全磷含量随茭白种植年限的变化

各土层的全磷含量与种植年限均呈显著正相关,0～<20、20～<40、40～<60、60～80 cm土层的全磷含量与种植年限的相关系数分别为0.98、0.97、0.89、0.90。土壤有效磷含量的增加与全磷同步,呈现相似规律(图2)。可见,土壤有效磷的增加是全磷增加的结果。对所有28个土层的有效磷与全磷含量开展相关性分析,结果表明,两者之间存在极显著(P<0.01)相关性(r=0.989 4)。

图2 不同深度土壤有效磷含量随茭白种植年限的变化

PSI可指示土壤对进入农田的磷的吸附能力,其值越大,表明土壤固定磷的潜力越高。一般来说,当土壤PSI值低于30时,土壤对磷的吸持能力较弱,农田磷流失潜力增大。本研究中,各土壤样本的PSI值普遍较低(不超过30),表明土壤对磷的固定能力相对较弱。在茭白种植年限较短的农田,各土层的PSI值差异较小(图3)。随着茭白种植年限的增加,各土层PSI值均有下降趋势,表明磷素积累减弱了土壤对磷的固定能力。PSI值的下降在0～20 cm土层最为明显,由初始的24左右下降至9左右,长期种植茭白后,土壤的PSI值只有初始时的1/3左右。在20～<40 cm土层,PSI值的下降也较为明显,由初始时的25左右下降至14左右,降低约1/2。随着PSI值的下降,土壤对磷的吸持性下降,在这种情况下,施入土壤中的磷肥不易被土壤吸附,容易随排水进入地表水体。

图3 不同深度土壤磷吸持指数(PSI)随茭白种植年限的变化

DPSS的变化与土壤全磷和有效磷含量基本同步(图4),由表层向下迅速下降,但种植初期各土层之间的DPSS相差较小。随着种植年限延长,40～<60、60～80 cm土层的DPSS略微增加,变化发生的种植年限分别为15、26 a。0～<20、20～<40 cm土层的DPSS变化较为迅速,分别在种植年限为4、8 a后迅速增加,平均每年增加1.12%和0.95%。一般认为,当土壤DPSS达到25%左右时,土壤对磷的释放潜力明显增加。从本试验结果判断,当种植年限达15 a后,茭白田磷流失的风险将明显增大。DPSS的变化与PSI呈现负相关,即随着DPSS的增加,PSI逐渐下降。对所有28个土层PSI与DPSS的相关性分析表明,两者之间存在极显著的相关性(r=0.932 3,n=28)。

图4 不同深度土壤磷吸持饱和度(DPSS)随茭白种植年限的变化

2.5 茭白田土壤磷素淋失临界值

多地的试验研究表明,当土壤中的磷素积累到一定程度时,农田土壤中磷的流失明显增加。一般地,可用土壤有效磷的含量来代表土壤中可发生流失磷的数量,用水溶性磷含量代表农田土壤可流失磷的强度。土壤中的水溶性磷含量会随土壤有效磷含量的增加而发生变化:当土壤有效磷含量较低时,土壤中的水溶性磷含量随有效磷积累的变化较为平缓;但当有效磷积累至较高水平时,水溶性磷含量将迅速增加,这一拐点的有效磷含量被认为是一个临界值,超过这一临界值,农田土壤的磷流失将明显增加[4,6-7,22]。本研究中,153个茭白田表层土壤样品水溶性磷(CaCl2-P)与有效磷(Olsen-P)含量的关系如图5所示,经测算,该区域耕层土壤磷素淋失的临界值约为60 mg·kg-1,对应的CaCl2-P含量为0.7 mg·kg-1。在土壤Olsen-P含量较低的情况下,CaCl2-P含量随Olsen-P含量增加的变化相对缓慢,但当Olsen-P含量达到临界值后,土壤中的CaCl2-P含量迅速增高,CaCl2-P含量随Olsen-P含量增加而增加的幅度是低于此临界值时的2～5倍。在供试的153个表层土壤样品中,有74个(占48.37%)高于该临界值,主要为茭白种植年限超过10 a的农田。

图5 土壤有效磷与水溶性磷(CaCl2-P)的关系

3 讨论

3.1 茭白田土壤磷库演变特征

土壤磷库是土壤速效养分的重要来源,不同区域土壤磷库的累积差别很大。詹秋丽等[23]探讨了福建耕地土壤磷素富集的空间差异,认为全省92.8%的耕地有效磷处于不同程度的富集状态。汪玉等[6]研究发现,研究时段内,太湖流域常熟和宜兴两市的土壤全磷和有效磷含量均有大幅度提高。本研究结果表明,研究区茭白田表层土壤总磷含量为876.73 mg·kg-1,有效磷含量为63.30 mg·kg-1,整体土壤磷素处于中高水平。种植年限较长的茭白田土壤全磷明显积累,但不同深度土层中全磷的积累速率存在较大差异,0～<20、20～<40、40～<60 cm土层全磷含量明显增加的时间分别约为4、8、26 a。不同时间段土壤全磷含量的变化也不相同:0～<20 cm土层在种植茭白8～26 a间的积累速率最大,年均增加约70 mg·kg-1;40～<60 cm土层土壤全磷含量的增加主要发生在种植茭白26 a后,且增速较为缓慢。

3.2 茭白田土壤磷流失风险

土壤中的黏粒矿物和有机物质可吸附固定磷素,进入土壤中的可溶性磷可通过不同机制被土壤矿物组分吸持固定成为弱溶性磷或难溶性磷积累在土壤中。研究表明,随着土壤磷素的积累,土壤中可吸附磷的位点逐渐减少,相应地,磷的饱和度逐渐升高,从而显著增加磷的释放潜力和流失风险[13]。因此,了解土壤磷素积累状况是科学确定磷肥施用量、降低磷肥资源浪费和控制磷素流失的重要基础。自20世纪90年代以来,我国磷肥施用量明显增加,尤其是在经济效益较高的蔬菜、水果等经济作物上。由于连续超量施用磷肥,当前种植蔬菜、水果等经济作物的农田中磷素积累明显,磷肥利用率大幅下降。本研究区茭白田土壤磷库主要以无机磷为主,占总磷的79.91%,表明磷肥的投入主要提高了土壤中无机磷的储存。有研究表明,磷肥施入土壤后,活性磷会优先积累[3,24],生物有效性高的磷库(H2O-Pi、NaHCO3-Pi)含量明显增加。总体上,浙江省茭白田土壤磷过量的现象较为普遍,今后需对磷肥的施用策略作出相应调整,并需关注如何利用积累在土壤中的磷以适当降低磷肥投入。

研究表明,当土壤磷素累积超过临界值时可发生明显的地表径流、土壤侵蚀,以及渗漏淋溶等途径的磷流失,从而增加地表水体的富营养化程度[25]。本研究发现,当研究区茭白田的表层土壤有效磷含量超过60 mg·kg-1(对应的CaCl2-P浓度为0.7 mg·kg-1),农田土壤磷流失的风险明显增加,该临界值处于以前浙江省水田土壤研究的范围之内(Olsen-P淋失临界值53～84 mg·kg-1)[26]。参照该临界值,本研究中48.37%的茭白田样本处于磷素高淋失风险状态。随着土壤磷素的积累,土壤磷吸持饱和度增加[27],土壤对磷的吸附能力降低,农田磷素流失的主要来源——活性磷(特别是水溶性磷)的含量提高,磷流失风险增大。

3.3 茭白田磷肥管理策略

磷是植物生长必需的营养元素,同时也是导致地表水体污染的重要元素。土壤磷是植物生长与地表水体磷的重要来源;因此,土壤中的磷素状况不仅影响植物生长,还会对地表水质产生较大的作用。随着土壤磷素增加,土壤中的磷进入地表水体的风险也相应增加[13,28]。土壤对磷素有很大的固定作用,通过施肥方式进入土壤中的磷素有相当一部分易被土壤固定;因此,当季作物的磷肥利用率常常较低,相应地,每次施入农田中的磷有较大比例被残留在土壤中。

农田磷素管理是协调农产品产量、磷资源利用和环境保护问题的关键。为了最大限度地减少农田磷的损失,磷肥的施用应基于作物需求,并根据土壤磷素状况进行调整。在当前的茭白生产中,应基于农田养分平衡原理,采取科学的方法控制磷肥施用量,将土壤有效磷含量维持在适于植物生长的最佳水平,使磷素既能满足植物生长的需要,又不至于过量积累。本研究中,有81.05%的茭白田耕层土壤有效磷含量不低于30 mg·kg-1,部分茭白田土壤磷处于高淋失风险状态(有效磷含量>60 mg·kg-1)。茭白田土壤磷主要累积在稳定态磷库中,可施用少量水溶性磷肥作为“启动磷”以促进作物苗期根系生长。施用有机肥可以明显提高土壤微生物量和磷酸酶活性,促进土壤稳态和中稳态磷库的活化。因此,茭白生产的施肥策略应从土壤磷高环境风险水平或磷缺乏水平向确保作物稳定生产的水平发展。当土壤有效磷含量处于适宜水平时,应采取施磷量与作物带走量相等的“零盈余”策略,以维持土壤磷水平;当土壤有效磷含量低于10 mg·kg-1时,可根据作物需要确定磷肥用量,每年以作物需磷量的1.5～2.0倍的用量施用磷肥,直至土壤有效磷水平达到20 mg·kg-1左右后再改变施肥策略;当土壤有效磷含量在10～30 mg·kg-1时,施磷量可略高于作物需磷量;当土壤有效磷含量在>30～60 mg·kg-1时,可采用补偿施磷量,即根据作物需要确定磷肥用量;当土壤有效磷含量在60 mg·kg-1以上时,可不施磷肥。