劉洋　吳田　彭正萍　王艷群　李迎春　門明新　張家銅

摘要：為明晰菜地和糧田土壤磷庫，分類合理指導(dǎo)磷肥施用，減少環(huán)境污染，以北京市、河南省、河北省的露天菜地及相鄰糧田為研究對(duì)象，采用石灰性土壤無機(jī)磷形態(tài)分級(jí)方法，研究不同褐土區(qū)菜地與糧田土壤中磷素空間分布、形態(tài)變化及其可能引起的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，不同褐土區(qū)菜地土壤磷素含量總體大于糧田。相同地區(qū)0～20 cm土層中磷素含量均大于20～40 cm土層。Ca2-P最易被作物吸收但土壤中含量較少，占土壤無機(jī)磷積累量的3.81%～8.68%;Al-P、Fe-P和Ca8-P也是土壤中磷素的主要來源，它們基本均勻分布，分別占土壤無機(jī)磷積累量的 32.82%～37.95%、16.65%～17.14%、27.26%～29.94%;Ca10-P、O-P的含量較少，分別占土壤無機(jī)磷積累量的 4.97%～6.51%、6.45%～7.81%。長(zhǎng)期施用磷肥的土壤會(huì)導(dǎo)致磷素在土壤中累積，多余的磷會(huì)進(jìn)入地下水或地表水體，造成水體污染。因此，建議各地區(qū)菜地和糧田分類采用測(cè)土配方施磷肥方法，以降低土壤磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：菜地;糧田;磷素;形態(tài)分級(jí);環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

中圖分類號(hào)： S153.6;S158.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）19-0299-03

收稿日期：2018-06-18

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2016YFD0800105-4）;河北省科技計(jì)劃（編號(hào)：17226914D）;河北省教育廳百名優(yōu)秀創(chuàng)新人才計(jì)劃（編號(hào)：201703020235）。

作者簡(jiǎn)介：劉 洋（1994—），女，河北阜平人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用研究。E-mail：1293216720@qq.com。

通信作者：門明新，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)資源利用及土壤改良技術(shù)研究。E-mail：menmingxin@sina.com。

磷是植物生長(zhǎng)必需的營養(yǎng)元素之一，土壤中磷只有在營養(yǎng)均衡的狀態(tài)下才能保證作物正常生長(zhǎng)，不合理施用磷肥會(huì)引起環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、破壞土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)致水體發(fā)生富營養(yǎng)化等。我國耕地面積占全球耕地面積的7%，自2013年起，我國1 hm2耕地上的施肥量約是世界平均施肥量的4倍，總面積施肥量約超過世界水平的35%，化學(xué)磷肥（P2O5）施用量高達(dá)2 590 kg/hm2，而磷肥的當(dāng)季利用率一般只有10%～25%。長(zhǎng)期施用磷肥會(huì)導(dǎo)致磷素在土壤中累積，過量磷素殘存導(dǎo)致土壤長(zhǎng)期處于富磷狀態(tài)，多余的磷會(huì)造成水體污染[1] 。

磷在土壤中的存在形態(tài)很多，無機(jī)磷形態(tài)不同其有效性存在較大差異。國內(nèi)學(xué)者采用顧益初等確定的石灰性土壤無機(jī)磷分級(jí)方法[2]在不同土壤類型的磷素組成、不同形態(tài)磷的生物有效性、磷肥在不同土壤中的化學(xué)行為等方面做了較多研究。土壤無機(jī)磷含量一般占全磷含量的50%～80%，在我國北方石灰性土壤無機(jī)磷中，Ca-P是主要成分;華北平原不同褐土區(qū)土壤中Ca-P平均含量較高，占土壤中無機(jī)磷總量的80%左右，其中以Ca10-P較多，占土壤中無機(jī)磷含量的70%左右;Ca8-P和O-P所占比例相近，大約都占無機(jī)磷總量的10%;含量最少的是Ca2-P，大約占無機(jī)磷整體含量的1%;Al-P和Fe-P所占比例接近，為4%～5%[3-5]。磷素耗竭試驗(yàn)證明，生物的有效磷源是不穩(wěn)定形態(tài)磷，其中Ca2-P最容易被作物吸收，為最有效磷源，Al-P和Fe-P是不同土壤中的次要有效磷源，Ca10-P會(huì)讓O-P難以在短時(shí)間內(nèi)被植物和土壤利用[4-5]。

磷素積累是目前我國大部分糧田和菜地土壤存在的共同特征[6]，摸清菜地和糧田土壤磷庫，明確其磷素空間分布和不同形態(tài)，分析其對(duì)環(huán)境存在的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)分類合理指導(dǎo)磷肥施用、減少環(huán)境污染有重要意義。因此，本研究采用實(shí)地調(diào)查取樣分析的研究方法，對(duì)不同地區(qū)褐土類型的菜地及相鄰糧田磷的空間分布特征、耕層磷的各種存在形態(tài)及其對(duì)環(huán)境可能造成的風(fēng)險(xiǎn)等進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和研究方法

本研究選取褐土土類中的主要亞類潮褐土、石灰性褐土、淋溶褐土、褐土性土為研究對(duì)象，根據(jù)主要褐土亞類在各區(qū)域中分布面積較大且具有代表性，同一區(qū)域有多個(gè)褐土亞類的原則進(jìn)行分別選點(diǎn)。2016年10月在北京、河南、河北地區(qū)進(jìn)行選點(diǎn)調(diào)查和取樣，3個(gè)省（市）共設(shè)27個(gè)樣區(qū)，其中北京市設(shè)5個(gè)樣區(qū)，包括延慶縣2個(gè)、豐臺(tái)區(qū)1個(gè)、大興區(qū)1個(gè)、房山區(qū)1個(gè);河南省設(shè)9個(gè)樣區(qū)，包括伊川縣2個(gè)、嵩縣1個(gè)、欒川縣2個(gè)、盧氏縣1個(gè)、陜州區(qū)1個(gè)、洛寧縣1個(gè)、輝縣1個(gè);河北省設(shè)13個(gè)樣區(qū)，包括高陽縣1個(gè)、易縣7個(gè)、順平縣1個(gè)、曲陽縣3個(gè)、清苑縣1個(gè)。每個(gè)樣區(qū)中均包括1個(gè)露天菜地區(qū)和1個(gè)相鄰糧田區(qū)（小麥/玉米輪作或者大田作物單作），按照“S”形路線在每個(gè)地塊均勻隨機(jī)確定5個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)采集0～20、20～40 cm 土層土壤，將取好的樣品裝入塑料袋帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干后磨細(xì)過0.25 mm篩，待測(cè)定。各樣區(qū)在取土的同時(shí)，調(diào)查農(nóng)民傳統(tǒng)施用磷肥狀況，包括磷肥品種和施肥量。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

0～20 cm土層土壤樣品采用顧益初等提出來的石灰性土壤無機(jī)磷形態(tài)分級(jí)的方法[2，7-8]進(jìn)行磷形態(tài)分級(jí)，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P分別采用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檸檬酸鈉溶液浸提。同時(shí)，在0～20、20～40 cm土層土壤樣品風(fēng)干后，采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法[9]測(cè)定全磷含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同褐土區(qū)土壤中全磷含量的空間分布特征

由表1可知，0～20 cm土層，露天菜地及其相鄰糧田土壤全磷含量分別為1.89～2.87、1.52～2.56 g/kg，平均值分別為2.37、1.90 g/kg，變異系數(shù)分別為20.7%、30.3%;露天菜地的平均全磷含量較相鄰糧田高24.74%。20～40 cm土層，菜地及其相鄰糧田土壤全磷含量分別1.28～2.29、1.03～1.93 g/kg，平均值分別為1.63、1.36 g/kg，變異系數(shù)分別為34.9%、36.4%;露天菜地的平均全磷含量較相鄰糧田高19.85%。0～40 cm土層土壤露天菜地變異系數(shù)較小。

所有區(qū)域0～20 cm與20～40 cm土層全磷平均含量相比，菜地提高幅度25.3%～76.7%，平均增加45.4%;糧田增加 32.6%～47.6%，平均提升39.71%;菜地提升幅度大于糧田。0～20、20～40 cm土層的菜地全磷含量較糧田分別增加 12.1%～46.0%、18.7%～24.3%。

2.2 不同褐土區(qū)土壤磷素形態(tài)分布

由表2可知，不同形態(tài)磷素在0～20 cm土層中平均含量從大到小的順序?yàn)锳l-P>Ca8-P>Fe-P>Ca2-P>O-P>Ca10-P。據(jù)研究，Ca2-P和Al-P是最易被土壤轉(zhuǎn)化供給植物生長(zhǎng)的，當(dāng)取樣點(diǎn)土壤中Al-P與Ca2-P含量較高時(shí)，對(duì)作物的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，可以有效提高菜地與糧田作物產(chǎn)量。

北京地區(qū)的菜地與相鄰糧田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分別增加445.72%、88.48%，Al-P、Fe-P含量分別提高32.27%、64.66%，O-P、Ca10-P含量分別提升30.55%、13.24%，這與菜地土壤全磷含量高于糧田有關(guān)。土壤中不同形態(tài)磷含量大小順序分別為菜地：Ca8-P>Al-P>Ca2-P>Fe-P>O-P>Ca10-P;相鄰糧田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P>Ca2-P。北京市菜地中Ca8-P與Al-P含量較高，作物生長(zhǎng)狀況良好，糧田中Ca2-P含量非常低，建議適量施用磷肥、有機(jī)肥等來調(diào)節(jié)該類土壤有效含磷狀況，確保作物產(chǎn)量正常。

河南地區(qū)的菜地與相鄰糧田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分別增加198.45%、92.11%，Al-P、Fe-P含量分別提升55.10%、27.96%，O-P、Ca10-P含量分別提高23.10%、32.96%。土壤中的磷元素含量大小依次為菜地：Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca2-P>Ca10-P>O-P;相鄰糧田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>Ca10-P>O-P>Ca2-P。糧田土壤中的Ca2-P含量很低。河南省糧田中Ca2-P含量與北京市糧田含量都很低，需要施用磷肥或者有機(jī)肥進(jìn)行土壤磷素含量調(diào)節(jié)。

河北地區(qū)的菜地與相鄰糧田相比，Ca2-P、Ca8-P含量分別增加221.88%、81.49%，Al-P、Fe-P含量分別提升58.65%、181.14%，O-P、Ca10-P含量分別提高79.76%、48.41%。土壤中的磷元素含量大小依次為菜地：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca2-P>Ca10-P;相鄰糧田：Al-P>Ca8-P>Fe-P>O-P>Ca10-P>Ca2-P。Al-P與Ca8-P含量均大于其他磷素含量，Ca2-P作為最易被吸收的磷素形態(tài)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況作出適當(dāng)調(diào)整，以保持作物產(chǎn)量的穩(wěn)定。

2.3 褐土區(qū)露天菜地和糧田土壤的磷素狀況比對(duì)

由表3可知，褐土區(qū)菜地與糧田相比，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Fe-P、O-P、Ca10-P含量分別增加289.62%、87.87%、47.94%、76.01%、41.31%、30.53%。菜地Ca2-P、Ca8-P含量分別占土壤無機(jī)磷積累量的8.68%、29.94%，Al-P、Fe-P含量分別占土壤無機(jī)磷積累量的32.82%、17.14%，O-P、Ca10-P含量分別占土壤無機(jī)磷積累量的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含量分別占土壤無機(jī)磷積累量的3.81%、27.26%，Al-P、Fe-P含量分別占土壤無機(jī)磷積累量的37.95%、16.65%，O-P、Ca10-P含量分別占土壤無機(jī)磷積累量的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%，說明菜地的各種形態(tài)磷含量均高于糧田。

2.4 不同褐土區(qū)的磷肥施用及其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

據(jù)實(shí)地調(diào)查，98%的菜地在施用化肥的同時(shí)配施有機(jī)肥，所有糧田只施用化肥。將各區(qū)域菜地和糧田上一季的有機(jī)肥和無機(jī)肥施用量按照養(yǎng)分含量轉(zhuǎn)化為純P2O5的用量（表4）。同一地區(qū)露天菜地施肥量遠(yuǎn)多于相鄰糧田，與糧田相比，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%。菜地磷肥用量明顯高于糧田這是造成菜地?zé)o機(jī)磷含量遠(yuǎn)高于糧田的主要原因，造成淋溶程度更大，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)更嚴(yán)重[10]。各區(qū)域由于種植的目標(biāo)作物類型、施肥種類和習(xí)慣不同，造成采樣區(qū)土壤磷素含量存在差異[11]。

近些年來，磷肥對(duì)水體環(huán)境的影響備受關(guān)注。磷含量超過0.02 mg/kg時(shí)，水體就會(huì)發(fā)生富營養(yǎng)化[12]。過量、長(zhǎng)時(shí)期施用有機(jī)肥和不正確存放肥料都會(huì)引起地表土壤和地下水的嚴(yán)重污染[13-15]。土壤中的磷素有2個(gè)轉(zhuǎn)化的過程，即沉淀-溶解和吸附-解吸，土壤含磷量低時(shí)，以第2種過程為主，土壤含磷量高時(shí)，以第1個(gè)過程為主。磷肥的當(dāng)季利用率一般是10%～25%，農(nóng)民為了提高產(chǎn)量，大面積、長(zhǎng)時(shí)間、高頻率地施用磷肥，導(dǎo)致磷素會(huì)以不同形態(tài)在土壤中累積[16]，這是表層土壤磷素富集的主要原因之一。表層土壤中的磷素含量長(zhǎng)時(shí)間較高時(shí)，會(huì)加快向深層土壤轉(zhuǎn)移速度，同時(shí)提升水體磷素含量增加的風(fēng)險(xiǎn)。