西藏不同年限耕地土壤磷素分级研究

王瑞,李晓忠,周志宇,秦彧,姜文清,田发益,陈菊兰

（1.兰州大学草地农业科技学院,甘肃兰州 730020；2.西藏自治区农科院,西藏拉萨 850000；3.西藏农牧学院,西藏 林芝 860000；4.内蒙古阿拉善盟畜牧研究所,内蒙古巴彦浩特 750306）

耕地作为农业生产活动的主要对象和最重要的物资基础,乃是人类赖以生存和繁衍的最基本自然资源。但据报道,全世界13.19亿hm2耕地中约有43%缺磷,我国1.07亿hm2耕地中约74%缺磷[1]。而西藏自治区是全国土壤垦植指数最低的省（区）之一,其耕地面积为223.1万hm2,占全自治区土壤资源总面积的0.39%,占实控区土壤资源面积的0.42%,是全区面积最小的土壤利用类型[2]。由于土壤磷素是植物生长发育必不可少的大量营养元素之一[3],是土壤肥力和农业生产不可缺少的营养,对保持土壤肥力起着重要的作用。因此,对西藏地区进行磷素状况的研究是非常必要的。磷的地球生物化学性质的科学研究时常要将磷库分为不稳定组分和难吸收组分,特别是要考虑到植物可利用的土壤磷[4]。但由于磷在土壤中的形态很复杂[5],不同形态的可利用性和有效性不同,因此采用磷素分级方法来研究土壤中磷素的形态和有效性,针对土壤中磷的不同形态进行定量研究,对揭示耕地土壤磷素状况和土壤磷素循环特点具有重要意义。土壤磷素分级的目的是评价土壤有效磷库大小和土壤磷素供应状况[6],它常用于研究耕作条件下土壤中磷素的耗竭[7-8],不同管理措施对土壤磷素分布的影响[9],微生物活动对土壤磷素的影响[10-11],土壤磷素的迁移与转化[12]等。现在磷素分级研究多采用Guppy等[6]、Sui等[13]以及Tiessen和Moir[14]修正后的Hedley土壤磷素分级体系。该方法克服了Chang和Jackson等[15]的磷分级法的缺陷,是目前较为合理、较具说服力的土壤磷素分级方法,已被越来越多的学者采用[6,14-18]。但国内采用此法对土壤磷素进行分级的研究甚少,并且针对西藏地区磷素研究尚处于空白阶段,因此本研究选择 Sui等[13]1999年修正后的 Tiessen和Moir[14]1993年发表的磷素分级方法对西藏不同开垦年限的耕地以及放牧草地土壤磷素进行分级,旨在揭示土壤磷素形态特征,这对于指导耕地土壤的养分利用及土壤—植物养分循环过程的理论和实际应用具有十分重要的价值。

1 材料与方法

1.1 研究区概况日喀则地区位于青藏高原西南部 ,82°00′～90°20′E,27°23′～ 31°49′N,平均海拔4 000 m以上,南与尼泊尔、不丹、锡金三国接壤,全地区面积18.2万 km2。空气稀薄,气压低,氧气少,太阳辐射强,日照时间长（年日照时数3 240.3 h）,日照率73%,温差大,气温较低（年平均气温6.3℃）,最低日气温-14℃,最高日气温14.5℃,年极端最低气温-25.1℃,年极端最高气温28.2℃,0℃以上年积温2 706℃·d。生长季平均气温 10.6℃。降水少（年降水量为431.2 mm）,蒸发强（年蒸发量 2 353.2 mm）,比较干燥,干燥系数为8.6。年平均相对湿度42%。

山南地区地处青藏高原冈底斯山-念青唐古拉山脉以南的雅鲁藏布江中下游,北接西藏首府拉萨,西与日喀则地区毗邻,东与林芝地区相连,南与印度、不丹两国接壤,地理位置为 90°04′～94°21′E,26°51′～ 29°47′N 。面积 7.35 万 km2。平均海拔在3 700 m左右。山南地区属温带干旱性气候,年均降水量不到450 mm,雨季多集中在6-9月。年蒸发量2 356.2 mm,是年降水量的6倍。全地区全年日照时间为2 600～3 300 h,年平均气温最低为6℃,最高为8.8℃；最高气温31℃,最低气温-37℃。风期主要集中在12月至次年3月。

本研究地区耕地大多为灌丛草原土、灰褐土等,旱作一年一熟,少数为两年三熟。种植方式普遍为青稞（Avena nuda）、小麦（Triticum aestivum）、豌豆（Pisum sativum）、油菜（Brassica campestris）4种作物之间的轮作和混播,蔬菜以土豆（Solanum tuberosum）为主,在高寒区基本为青稞或油菜单一种植,土壤闲置,轮歇是调整种植业机构的传统方式。但由于施肥水平一直不高,有些地方根本不用有机肥,土壤缺氮、磷、钾素,严重影响生产产量。山南琼结地区的草地类型为高寒草地,以多年生草本植物为建群种,主要建群种为青藏苔草（Carex moorcrof tii）、针茅（Stipacapillata）、矮生嵩草（Kobresia humilis）、白头苔草（C.oxyleuca）等。羊为主要放牧家畜。

1.2 土壤样品采集与研究方法

1.2.1土壤采集 2008年8月至9月,对不同开垦年限的土壤进行采集。因研究区地形多平坦、土壤较为均匀,故采用现在较为通用的五点取样法。在每个样地中,按梅花形取5个样点,在每个样点取3个重复,取耕层土壤0～20 cm的样品12 kg,如数量太多可用四分法将多余土壤弃去。将所采土样充分混匀后装入布袋或聚乙烯塑料袋。

1.2.2土壤样品的分析 所采土壤样品经自然风干后,拣去动植物残体、杂质、根系和石块,研细并过0.5 mm筛。土壤磷素分级采用Sui等[13]1999年修正后的Tiessen和Moir[14]磷素分级方法,测定流程见图1。pH值测定用电极法[19]（水土比为2.5∶1）,土壤有机碳（SOC）采用重铬酸钾氧化法测定[20]。

1.2.3数据处理 数据均使用SPSS进行统计分析,各样地指标采用单因素方差分析比较,采用相关分析的方法确定各磷组分之间的相关关系。所有图表均使用EXCEL软件进行绘制。

图1 土壤磷的分级流程图

2 结果和分析

2.1 土壤无机磷组分的特征按照连续浸提法分级,将无机磷分为:H2O-Pi（水溶性磷）、NaHCO3-Pi（0.5 mol/L NaHCO3提取无机磷）、NaOH-Pi（0.1 mol/L NaOH 提取无机磷）、Dil.HCl-Pi（1 mol/L HCl提取无机磷）和Conc.HCl-Pi（浓HCl提取无机磷）,其生物有效性逐级降低。江孜、琼结土壤无机磷含量特征如表1、2所示,土壤无机磷库含量总体排序为:Dil.HCl-Pi＞Conc.HCl-Pi＞NaOH-Pi＞NaHCO3-Pi＞H2OPi。其中有效无机磷（H2O-Pi、NaHCO3-Pi）含量相对较少,Dil.HCl-Pi是最主要的无机磷素形态,占无机磷总量的 50%左右；随着耕种时间的延长,各无机磷组分都出现增加的趋势,有效无机磷增加不显著。Dil.HCl-Pi和Conc.HCl-Pi的增幅相对较大；江孜10年耕地 H2O-Pi、NaHCO3-Pi含量较高,在无机磷总量中比例也较高,而Conc.HCl-Pi含量相对较低；琼结47年NaOH-Pi含量较低,Dil.HCl-Pi在无机磷重量中比例相对较高；琼结草地的无机磷组分都显著低于耕地,与11年耕地相比,除Dil.HCl-Pi以外,其余各组分都是11年耕地的50%左右,Dil.HCl-Pi的比重更少；各无机磷在前10年的积累非常显著,10年以上积累相对变慢。

表1 琼结土壤无机磷素特征 mg/kg

表2 江孜土壤无机磷素特征 mg/kg

2.2 土壤有机磷组分特征土壤有机磷分为:NaHCO3-Po（0.5 mol/L NaHCO3提取有机磷）、NaOH-Po（0.1 mol/L NaOH提取有机磷）和Conc.HCl-Po（浓 HCl提取有机磷）。NaHCO3浸提的有机磷为活性磷,而NaOH浸提的有机磷相对比较稳定,称为稳定态有机磷,或在某些地区称为潜在活性磷[21]。NaHCO3-Po随耕种时间的延长而下降（表3、表4）,但50年以上的耕地却有上升的趋势,即呈“V”字型趋势；使用年限在50年以内的耕地,NaOH-Po与 NaHCO3-Po相似,也随耕种时间的延长明显下降,但在50年以上的耕地呈上升趋势。Conc.HCl-Po是较稳定性有机磷,与NaOH-Po有相同的趋势（表3）,草地的各有机磷含量除与琼结11年相比,Conc.HCl-Po含量有所增加以外,其余各有机磷含量减少近60%（表4）；江孜3年各有机磷组分除NaOH-Po外都明显偏低。有机磷总量在前50年以内呈下降趋势,在50年以上又呈上升趋势,与NaHCO3-Po、NaOH-Po和Conc.HCl-Po的变化趋势相同。

2.3 土壤有机碳（SOC）与pH值SOC与pH值如表5所示,放牧草地的有机碳含量最高,草地开垦后有机碳迅速减少,但随着耕种年限的增加,有机碳呈增加趋势。琼结放牧草地土壤显弱酸性,不同种植年限耕地土壤呈弱碱性,变化范围为7.5～8.1。由表6可以看出,江孜土壤有机碳与琼结有相似的趋势,都随耕种时间的增加而增加,pH值为8.1～8.5,随时间的变化不大。

表3 琼结土壤有机磷素特征mg/kg

表4 江孜土壤有机磷素特征mg/kg

表5 琼结不同开垦年限耕地和部分草地表层土壤有机碳及pH值特征

表6 江孜不同开垦年限耕地表层土壤有机碳及pH值特征

2.4 土壤磷库的动态特征由图2、图3可以看出,琼结和江孜的土壤无机磷库、有机磷库、残余磷库及总磷库随着耕种年限的增加存在相似的趋势。土壤总磷库、无机磷库、残余磷库都随时间的延长而呈增加的趋势；土壤有机磷库先随耕种时间的增加而减少,但在种植50年后又开始呈上升趋势；土壤无机磷库是耕作土壤中最主要的磷库；放牧草地残余磷相对较高,而其无机磷含量却相对较低。

图2 琼结土壤磷库动态

图3 江孜土壤磷库动态

2.5 土壤磷库的相关性各磷素形态与SOC、pH值相关性分析如表7所示,NaOH-Po与Dil.HCl-Pi呈极显著（P＜0.01）负相关,与 SOC呈极显著（P＜0.01）正相关；Conc.HCl-Po与Conc.HCl-Pi呈显著（P＜0.05）正相关；SOC与Dil.HCl-Pi呈显著（P＜0.05）负相关；pH值与Dil.HCl-Pi呈极显著（P＜0.01）正相关,与NaOH-Po和SOC呈极显著（P＜0.01）负相关。

表7 磷组分相关系数矩阵

3 讨论与结论

3.1 无机磷库特征西藏耕地（除琼结放牧草地以外）都存在一定的使用年限,其无机磷库Dil.HCl-Pi＞Conc.HCl-Pi＞NaOH-Pi＞NaHCO3-Pi＞H2O-Pi,并且随耕种年限的延长各无机磷组分含量明显增加。Dil.HCl-Pi和Conc.HCl-Pi几乎为总磷的80%,可见稳定无机磷占土壤磷库的大部分,有效无机磷（H2O-Pi、NaHCO3-Pi）含量相对较少,说明随着耕种时间的延长,由于土壤中磷的矿化和微生物的分解,形成了较多次生磷矿物,稳定磷库积累较明显,与吴贵荣等[5]研究结果相似。江孜开垦10年的土壤有效无机磷和有机磷含量都较高,说明开垦初期磷库遭到破坏,土壤侵蚀使有机质矿化速度相对较快,释放出较多的活性磷[5]。琼结草地的无机磷组分都显著低于耕地,表明有机磷矿化率低,无机磷库来源少,虽然草地的有机磷含量高（表5）,但其在草地有机质中比例小,因此其分解过程中将不发生有机磷的净矿化作用,甚至可发生微生物对土壤有效无机磷的同化作用从而起到相反的作用[22-23]；并且草地生态环境相对稳定,可能影响微生物多样性和数量；草地生物量大、生长周期短、生长快等特点使其对活性无机磷库的吸收转化较快,本研究结果与高文星等[24],马斌和周志宇[25]研究结果相似；耕种施肥以无机磷肥为主,可显著的增加土壤无机磷库的大小。50年以上的样地无机磷积累缓慢,而该时段有机磷库也上升,可见有机磷的矿化速度可能随使用年限的延长而降低。无机磷库的增加可能是由于:1）有效有机磷库的矿化；2）磷肥的大量使用；3）土壤理化性质的变化导致其固定。

3.2 土壤有机磷库特征西藏土壤磷的分级研究发现,NaHCO3-Po随耕种年限的延长呈“V”字型趋势,说明NaHCO3-Po随耕种年限的增加可能趋于平衡或增加,合理施肥可以保证其持续的供应。江孜 3年耕地NaHCO3-Po明显偏低,说明草地土壤开垦后平衡被破坏,微生物活性提高,加之作物的栽培,加强了对有效有机磷的吸收和转化。NaOH-Po也有相似的变化趋势,但其在50年以上的耕地上升趋势明显,说明该有机磷组分相对稳定,有机磷肥更能促使其得到积累。Conc.HCl-Po是较稳定性有机磷,其变化趋势同前。由此可见,土壤开垦有机磷活性不仅没有提高,还使较难分解的有机磷库增加,与吴贵荣等[5]土壤开垦使磷素次生化的研究结果相似。放牧草地的有机磷含量明显高于耕地（表3）,说明土壤的开垦会降低有机磷的含量,这是由于草地有机磷库主要来自植物残体,适当的放牧增加了对草地的践踏以及家畜粪便的补给,耕地的种植方式使作物在收获后植物残体大量被移除,土壤磷素也由此而大量流失,并且草地生长周期短等特点使得有机磷积累较显著。因此仿效草地,将作物残体作为绿肥,既可以肥地又可以减少农业投入。

3.3 土壤有机碳、pH值状况以及磷库动态特征及相关性土壤有机碳含量的变化会影响植物对水分和营养元素的吸收,进而影响植物产量[26]。植被的根系分泌物和残落物是土壤有机碳的主要来源[27],草地自身的生长更新方式,使得其能积累大量的有机碳,SOC的含量与进入土壤的植物凋落物和地上生物量呈线性正相关关系[28-30]。土壤开垦以后,土壤有机磷迅速降低,主要是由于草地的生态平衡被打破,微生物种类和活性增加,农作物的吸收等。此后有机碳含量又随耕种时间的增加而增加,这与各种农业肥料的使用有关。开垦后pH值由酸性变为碱性,这与有机碳的分解是密不可分的,这一系列的土壤理化性质的变化,影响着土壤磷库的变化情况。

通过分析得出,磷库的积累存在一定的相关性,各有机磷库可以相互转化和补充,其程度与磷素的有效性有关。有效无机磷的 H2O-Pi和NaHCO3-Pi之间存在极显著（P＜0.01）正相关；而稳定无机磷之间,以及稳定无机磷与稳定有机磷之间亦存在极显著（P＜0.01）正相关,表明稳定无机磷与稳定有机磷能相互促进积累。Dil.HCl-Pi与SOC呈显著（P＜0.05）负相关,而与pH值呈极显著（P＜0.01）正相关,并且SOC与pH值呈极显著（P＜0.01）负相关,有机质的矿化导致pH值的变化,pH值的变化亦能促进有机质的分解,可以在一定程度上补充土壤中Dil.HCl-Pi的含量。NaOH-Po与 SOC呈极显著（P＜0.01）正相关,说明土壤有机碳含量严重影响着活性有机磷NaOH-Po的含量,因此SOC也影响土壤磷肥力。土壤总磷库与无机磷库都随时间的延长而呈增加的趋势；土壤有机磷库先随时间的增加而减少,但在50年左右又开始呈上升趋势；土壤无机磷库占总磷库的绝大部分,表明有机磷多经矿化后转化为无机磷,其矿化速度大于其积累速度,但矿化速度随耕种年限的延长而减小,因此50年左右的耕地有机磷有上升趋势；土壤总磷库的增加主要是无机磷库的增加。放牧草地残余磷相对较高,表明草地开垦后能促进残余磷的转化和利用。而施加的磷肥由于土壤和磷肥之间的作用,肥料中的磷已不再是原来的形态,而是转化成各种形态,但转化的程度不同；长期过量施肥导致磷库的固定与积累；气候干燥寒冷降低了微生物的活性等。有研究表明,影响土壤磷素转化与有效性的因素十分复杂,凡影响土壤中磷素化学过程的各种因素都会影响土壤不同形态磷之间的转化及其对植物的有效性,这些因素主要包括土壤理化性质,环境因子（温度、水分）与种植方式等。但在该方面还需要做更多的工作,以此为农业生产和施肥提供指导,合理施肥。单艳红等[31]的研究表明,土壤长期过量的磷肥（包括化肥和有机肥）投入导致土壤磷素水平的提高,从而加大了土壤磷素流失的风险,因此在降低农业投入的情况下提高磷肥利用率和农业产量,减少磷肥的积累、浪费和流失,从而为防止富营养化、保护环境、维持农业的可持续发展做出贡献。

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