广东省耕地土壤有效磷时空变化特征及影响因素分析

曾招兵 ，曾思坚*，汤建东，刘一锋，张满红

1. 广东省农业科学院农业资源与环境研究所，广东 广州 510640；2. 广东省耕地肥料总站，广东 广州 510500

磷是重要的生命元素之一，其在农业生产中的地位是不可替代的。土壤中磷营养状况是影响作物产量和品质的重要因素之一，也是生产获得高产优质作物的重要基础。土壤中磷素的丰缺状况，是衡量土壤肥力水平高低的标志之一，而土壤有效磷是当季作物可从土壤中获取的主要磷养分资源。第二次土壤普查（启动于 1979年，基本完成于 1985年）结果显示，广东省有64.9%的水稻土和67.3%的旱地土壤全磷质量分数低于 0.9 g·kg-1，其中有39.9%水稻土和 49.4%旱地土壤的有效磷低于 10 mg·kg-1。由此可见，第二次土壤普查前广东省多数土壤全磷含量低，供磷能力弱(广东土壤普查办公室，1993)，为提高土壤生产力，农业生产中应广泛施用磷肥。

由于自然和人为因素的影响，农田土壤有效磷时空变化特征明显，若缺乏对其时空变异情况的了解，不能根据其变化确定施肥量和施用方式，则有可能导致农田磷素亏缺或盈余。土壤磷素亏缺影响作物生长，而过量磷素的累积不仅影响到其他元素的生物有效性（刘忠珍等，2005；都韶婷，2010；刘芳等，2011），造成营养元素供应失衡，还将引起土壤肥力退化，带来一系列环境问题。大量研究表明，当季磷肥的利用率很低，仅有 10%~20%，其余的则被固定在土壤磷库，长期施用磷肥容易造成土壤磷素累积。而土壤磷素过量富集时，土壤磷容易以水溶态和颗粒态形式随降雨径流向水体迁移，成为水体中磷的补给源，而农业土壤磷的大量输出正是目前导致受纳水体富营养化的重要原因（章明奎等，2006；张乃明等，2007）。

因此，掌握耕地土壤有效磷的演变规律，不仅能为我省耕地质量管理和农业生产中科学施用磷肥提供指导依据，还能为控制农业面源污染提供宏观的科学依据。本文利用广东省 1984年以来建立的耕地长期定位监测网获得的监测数据，通过分类汇总和整理对全省耕地土壤有效磷时空变化特征及影响因素进行了分析。mg·kg-1、较丰富(2级)有效磷质量分数 20~40 mg·kg-1、中等(3 级)有效磷质量分数 10~20 mg·kg-1、较缺(4级)有效磷质量分数5~10 mg·kg-1、缺(5级)有效磷质量分数3~5 mg·kg-1、极缺(6级)有效磷质量分数<3 mg·kg-1。对全省不同监测时期的所有监测点的土壤有效磷含量进行分级频率统计，结果如图2所示。除3级外，其他等级的有效磷含量分布频率变化均非常显著，其中1级频率由1986—1990年期间的 2.4%迅速上升到 2006—2010年期间的38.8%，且上升速度越来越快，尤其是1996—2000年期间以后的上升速度明显加快；2级频率呈先迅速上升后下降的趋势，在1996—2000年期间达到峰值31.0%，而后在2006—2010年期间降至27.8%；3级频率变化趋势与 2级相似，亦在 1996—2000年期间达到峰值，而后在2006—2010年期间下降，但整体变化幅度较小；4级、5级和6级频率在1984—2010年期间呈不同程度的持续下降趋势，其中4级下降25%，5级下降16.8%，6级下降7.4%。从统计结果来看，我省中上水平（2级以上）的有效磷含量由1986—1990年期间的10.8%上升到2006—2010年期间的 66.6%，提高幅度超过 50%；而低水平（4级以下）的有效磷含量由 1986—1990年期间的 59.6%下降到 2006—2010年期间的10.4%，下降幅度接近50%。由此说明近几十年来全省有效磷含量整体水平得到急剧的提升，由过去的亏缺状态已经转变到丰富状态。

表1 各时期全省耕地土壤统计的平均有效磷Table 1 The average AP of farmland soil in different stages of Guangdong province

图2 全省耕层土壤不同等级有效磷质量分数的频率变化趋势Fig. 2 Frequency change trend of different grades of farmland soil AP

2.1.2 不同区域的演变特征

如图3所示，不同监测阶段，全省耕地土壤有效磷含量的空间分布格局呈明显差异。1986—1990年时期，珠三角和粤东地区土壤有效磷总体水平相当（<10 mg·kg-1），且低于粤北和粤东地区的总体水平（10~20 mg·kg-1）；1991—1995 年时期，粤西地区土壤有效磷率先进入20~30 mg·kg-1水平，而珠三角和粤东地区上升到与粤北同一水平（10~20 mg·kg-1）；1996—2000年时期，粤东、珠三角和粤北地区土壤有效磷总体水平均赶上粤西地区，全省四大区域有效磷质量分数同处20~30 mg·kg-1水平；2001—2005年时期，珠三角和粤东地区有效磷总体水平后来居上，其中珠三角领先突破到 40~60 mg·kg-1水平，粤东地区进入到 30~40 mg·kg-1，而粤西和粤北仍停留在 20~30 mg·kg-1水平；2006—2010年时期，粤西地区土壤有效磷总体水平急剧提高，突破到60 mg·kg-1以上水平，跃升到四大区域之首，珠三角和粤东地区保持上一阶段水平，而粤北地区上升一个水平，赶上粤东，进入 30~40 mg·kg-1水平。纵观各个监测阶段，全省耕地土壤有效磷含量空间分布格局可概况为差异缩小再到差异扩大的演变趋势，而人为因素很可能在这一过程中起主导作用。

图4进一步反映了不同监测时期，全省四大区域耕地土壤有效磷含量总体水平随时间推移呈快速上升趋势。2006—2010年时期，粤北、粤东、粤西和珠三角地区的有效磷质量分数平均分别为30.7 mg·kg-1、36.8 mg·kg-1、<60 mg·kg-1和 55.7 mg·kg-1，与1986—1990年时期相比，分别增加20.0 mg·kg-1、29.1 mg·kg-1、<45.6 mg·kg-1和 46.4 mg·kg-1，年平均分别增加 0.74 mg·kg-1、1.08 mg·kg-1、<1.69 mg·kg-1和 1.72 mg·kg-1。其中，珠三角和粤西地区耕地土壤有效磷含量总体水平增加速度最快，其次粤东，粤北最慢。

2.2 土壤有效磷演变的影响因素

2.2.1 土壤自身性质的影响

受成土因素的综合影响，不同地区的土壤性状存在较大差异。土壤质地是反映土壤理化性质差异的一个重要指标，土壤质地相近的土壤一般理化性质差异较小。因此，以质地差异较大的相邻监测点分析土壤理化性质对土壤有效磷演变的影响具有有效磷含量演变有重要影响。

表2 台山市白石村和大巷村监测点基本情况Table 2 The basic information of the monitoring poins in Baishi and Daxiang village

图5 白石村和大巷村监测点土壤有效磷变化趋势Fig.5 Change tendency of farmland soil AP for the monitoring points in Baishi and Daxiang village

2.2.2 人为施肥的影响

为分析施肥对土壤磷含量的影响，本文采用广州增城市农科所内的长期定位重点监测点的监测数据进行分析，该监测点基本情况如下：始建于1987年，种植模式为稻-稻，土壤类型为宽谷砂泥田。2002年的土壤基本性质为：有机质质量分数18.6 g·kg-1，全氮质量分数 1.12 g·kg-1，碱解氮质量分数 85.6 mg·kg-1，速效磷质量分数 19.2 mg·kg-1，速效钾质量分数13.8 mg·kg-1，pH值5.9。试验共设置6个处理。即：（1）不施肥处理（CK）；（2）氮磷钾施肥处理（NPK）；（3）氮磷施肥处理（NP）；（4）氮钾施肥处理（NK）；(5)磷钾施肥处理（PK）；（6）氮磷钾配施有机肥处理（OM)。其中处理6（OM）化肥氮磷钾投入量分别为 150 kg·hm-2（N）、30 kg·hm-2（P2O5）、75 kg·hm-2（K2O），猪粪用量为7500 kg·hm-2，其余处理化肥氮磷钾投入量分别为150 kg·hm-2（N）、49 kg·hm-2（P2O5）、90 kg·hm-2（K2O）。氮肥施用品种为尿素，磷肥为过磷酸钙，钾肥为氯化钾。各处理小区面积66.7 m2，三面光水泥砖基分隔，独立排灌。

如表3所示，不同施肥处理对土壤有效磷的影响存在显著差异。监测点不同处理土壤多年（2002—2011年）有效磷质量分数的平均大小顺序是：NK

因采样等误差因素的影响，各处理年际间的土壤有效磷波动较大。为更直观的反映出各处理的差异情况，将 2002—2011年的监测期划分为两个阶段，前阶段为2002—2006年，后阶段为2007—2011年。由图6可见，从两个监测阶段比较可知，后阶段的各处理土壤有效磷质量分数均比前阶段提高。各处理有效磷增加量的高低顺序为：CK（1.6 mg·kg-1）

表3 不同施肥处理多年的平均有效磷质量分数Table 3 The average AP of different fertilization treatments for many years

图6 不同处理的土壤有效磷值比较Fig.6 The soil AP value compareson of different treatment

图7（a）反映了1984年以来全省耕地磷肥投入量的变化趋势。由图可知，虽然单位面积以有机肥形式投入的磷肥呈不断下降趋势，但单位面积以化肥形式投入的磷肥呈大幅增加趋势，因此单位面积的磷养分年投入总量仍呈显著增加趋势。与1986—1990年期间的单位面积磷肥投入总量相比，2006—2010年期间增加103 kg·hm-2，增幅97%。单位面积不断增加的磷肥投入是导致我省耕地土壤有效磷质量分数提高的最主要原因。对土壤有效磷质量分数与累积投入磷养分量进行相关性分析，结果显示两者表现为极显著线性正相关关系（p<0.01），回归方程为y =0.008x+7.36，如图7（b）所示。据此估算近25年来，我省耕地每投入100 kg·hm-2磷肥，土壤平均累积有效磷0.8 mg·kg-1。为进一步揭示磷肥投入对土壤养分的影响，对1984以来的全省稻田监测点平均磷盈余量与相应年份的土壤有效磷含量进行线性回归模拟，结果表明，磷累积盈余量与有效磷质量分数表现为显著相关关系（p<0.05），回归方程为y=0.053x+12.37，说明每盈余100 kg·hm-2磷养分土壤平均累积有效磷5.3 mg·kg-1。

2.2.3 种植业结构调整的影响

改革开放以来，随着经济发展，广东种植业由过去以单一的粮食作物种植为主发展到粮食、蔬菜、水果等多样化的种植格局，其中相当一部分由水田改种形成。水田改变种植模式后，农田的耕作、水分与施肥管理方式随之发生较大变化，由此对土壤养分状况产生重要影响。甄兰等系统分析了过去25年来山东省惠民县的种植业结构调整对该县土壤养分平衡和养分特征的影响（甄兰等，2007），结果表明种植业结构的改变大幅提高了磷养分盈余，导致土壤有效磷增加303%。而本研究对2006—2010年期间全省监测点的常年菜地和双季水田的土壤有效磷和磷肥投入量的统计结果显示（如表4所示），常年菜地单位面积以有机肥形式和化肥形式投入的磷分别是水田的10倍和3.4倍，磷肥总投入量是水田的3.7倍；常年菜地土壤有效磷含量是水田的3.6倍。与水田相比，常年菜地土壤有效磷含量的增长倍数与其磷肥投入量增加倍数基本一致。据广东省农村统计年鉴数据显示，全省蔬菜地的种植面积规模在1992—2011年期间从63.1×104hm2增加到121×104hm2，增加了近一倍，其中绝大部分是由水田改种而来。由此可知，种植业结构的调整是提高我省土壤有效磷整体水平的重要原因，特别是种植业结构调整剧烈的珠三角发达地区。

图7 全省监测点磷肥投入变化趋势及磷肥累积投入量与土壤有效磷的相关关系Fig.7 Phosphate fertilizer inputs change trends of monitoring points in Guangdong province,and relationship between accumulated amount of phosphate fertilizer and soil AP

表4 2006—2010年期间菜地和水田土壤有效磷质量分数及磷肥投入量Table 4 Vegetable fields and paddy soil AP and phosphate fertilizer inputs in 2006—2010 period

2.3 全省耕地土壤有效磷演变对环境的影响

随着土壤磷素的累积，作物不再缺磷，人们关注的重点从作物磷养分需求转移到过量磷养分对外输出造成的环境影响，并逐渐形成近年来的研究热点问题。土壤有效磷在什么范围内既能满足作物需求又不会对环境造成污染风险呢？目前，国内外有关磷养分的研究结果因所研究土壤类型不同而存在较大差异，范围多在 20~100 mg·kg-1之间（Hesketh和Brookes, 2000；曹志洪等，2005；张焕朝等，2004；周全来等，2006；章明奎等，2007；李学平，2008）。本文以50 mg·kg-1为临界值来估算全省耕地土壤磷水平的环境风险指数，并以 2010年的全省监测数据（N=262）进行统计分析，结果显示了我省34.4%（高于三分之一）的耕地土壤磷水平对周围环境构成了污染风险。为保护生态环境，建议对超过有效磷临界值的土壤采取少施或不施磷肥措施。国外有研究推算在未施磷肥的条件下，土壤磷素水平从100 mg·kg-1降至20 mg·kg-1的过程需要16~18年的时间（Mehlich, 1984）。可见，富磷土壤对环境产生的影响是长期性的，由土壤磷素的过量累积所导致的环境污染风险应引起相关部门的高度重视。

3 结论

（1）1984来以来全省耕地土壤有效磷含量总体水平急剧提升，已由过去的亏缺状态转变到盈余状态。全省耕地有效磷时空变化特征表现为差异缩小再到差异扩大的演变趋势，珠三角和粤西地区耕地土壤有效磷含量总体水平增加速度最快，其次粤东，粤北最慢。

（2）第二次土壤普查后农业生产广泛施用磷肥是造成全省耕地土壤有效磷整体水平大幅提高的主要原因。种植业结构调整和土壤理化性质对土壤有效磷的演变特征亦有重要影响。

（3）由于土壤磷累积，全省高于三分之一的耕地对周围环境构成了污染风险，应引起足够的重视。

4 研究展望

鉴于全省耕地土壤有效磷含量总体水平已由过去的亏缺状态转为盈余状态，对农业生产和环境造成了不利影响。笔者认为，今后可从以下几个方面着手研究，以寻求应策。首先，由于耕地监测点数量有限，分析结果虽能宏观反映全省有效磷的整体状况，但不能描述到具体农田的实际状况，建议结合当前的测土配方和耕地地力评价工作，进一步全面摸清全省各县（市、区）主要农田土壤磷养分状况，鼓励有机肥与无机肥配施，少施化肥磷。其次，建议通过研究全省主要土壤类型磷肥在土壤中的固定与解析特征，深入分析磷素对作物生长和周边环境的影响。最后，全省广泛施用磷肥历史至少30年，其中绝大部分磷素被固定于土壤中，固定磷量之大不可小觑。因此，研究开发活化被固定的磷素资源，对我省农业生产及改善生态环境均有重要意义。

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