红壤区旱地和水田土壤磷素状况及其流失风险

肖作义，马 飞，2，柳开楼，赵学强，郑春丽，张昊青，王嘉林，沈仁芳

（1.内蒙古科技大学能源与环境学院，内蒙古 包头 014010；2.中国科学院南京土壤研究所/土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008；3.江西省红壤研究所/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌 330046；4.中国科学院大学，北京 100049）

我国红壤地区总面积约218万km2，耕地面积约2800万hm2，为全国供应了一半农业产值，养活了全国近一半人口［1］。红壤广泛分布于我国南方热带和亚热带地区，该地区水热资源丰富，作物生产潜力巨大［2］。大多数红壤pH较低，经常存在铝毒、锰毒、酸害和养分缺乏等限制作物生长的因子，导致红壤上作物生产潜力难以充分发挥［3-4］。受自然和人类活动等因素影响，近年来土壤酸化面积不断扩大，南方红壤地区的土壤酸化尤为严重［5-6］。

磷是植物生长发育必需的营养元素之一，参与植物体内各种生理生化活动，也是决定土壤肥力和土壤质量的重要指标之一［7-8］。土壤磷含量直接影响作物产量和品质［9］。据统计，全球耕地土壤大约有43%缺磷，我国耕地土壤有2/3缺磷［10］。红壤中可溶性铝离子含量较高，过多的铝离子会固定红壤中的磷酸根，降低红壤中磷的生物有效性，导致植物容易缺磷［3，11］。因此，磷素短缺已成为限制南方红壤地区作物生长的重要因素之一，施用磷肥是解决红壤区农田土壤缺磷的主要方式。由于磷肥利用率低，长期过量施用磷肥导致土壤中的磷不断积累，在南方多雨条件下，土壤中积累的磷易通过淋洗和径流等方式进入水体，造成水体富营养化［12-13］，对当地生态环境和人类健康构成威胁。

不同土地利用方式是影响土壤养分有效性的重要因素。旱地和水田是我国南方红壤地区的两种主要耕地类型，评估红壤地区旱地和水田土壤磷生物有效性和环境风险对于农业生产和环境保护均具有重要意义。虽然已有不少关于红壤磷生物有效性和磷环境风险的研究，但是少有研究将红壤磷生物有效性、流失风险与水体磷含量三者进行关联分析。CaCl2溶液提取的土壤磷与径流液中的磷含量有很好的相关性，常被用来评价土壤磷素流失风险［14-16］。表征土壤有效磷的指标主要有Olsen-P和Bray-P，二者对于不同土壤类型具有不同农学意义，但是哪种有效磷指标与磷流失风险的关系更为密切尚不清楚。本研究以典型红壤区江西省余江县作为采样区域，采集了不同乡镇旱地和水田土壤样品以及水田周边水体样品，测定了土壤有效磷（Olsen-P和Bray-P）和CaCl2提取态磷含量及水样总磷含量。拟通过这些研究，比较红壤旱地和水田土壤磷素丰缺状况及其流失的环境风险。

1 材料与方法

1.1 江西省余江县采样情况

采样区域余江县位于江西省东北部山区丘陵向鄱阳湖平原过渡地段，处于东经116°41′～117°09′，北纬28°04′～28°37′，总面积约为936 km2，气候类型为亚热带湿润季风气候，年均气温约17.6℃，年均降水量约1766 mm［17-18］。余江县主要地形为低丘，主要土壤类型为低丘红壤及其发育的红壤性水稻土，约占全县土壤面积的90%［19］。

采样时间为2019年4月下旬，选取余江县马荃镇、杨溪乡、平定乡、潢溪镇、中童镇、刘家站、锦江镇、黄庄乡、画桥镇9个乡镇作为采样区域（图1），其中旱地土采样点18个，水稻土采样点18个。因为有些水田采样点周围排水沟没有排水，有些水田采样点共用一个排水沟，最终只有8个水样采样点。每个采样点随机采集来自同一田块3个不同地方的土壤样品，并采集相应水田周围水样，获得54份旱地土壤样品，54份水田土壤样品，24份水体样品，共132份样品（表1）。土壤采集深度为0～20 cm，水样取自水田排水沟渠上清液。样品带回实验室后，土样均匀混合、自然风干、去杂、研磨，过2 mm筛后，测定磷相关指标。水样经过滤后置于4℃冰箱，用于测定总磷含量。

表1 江西余江采样情况

1.2 分析方法

土壤测定参照土壤农化常规分析方法［20］，土壤Olsen-P采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提（液土 比20∶1），土 壤Bray-P采 用NH4F-HCl 溶 液浸提（液土比10∶1），土壤CaCl2-P采用0.01 mol·L-1CaCl2溶液浸提（液土比10∶1），然后都在25℃下振荡30 min，钼锑抗比色法测定。水样总磷利用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（Avio 200，美国）进行测定。

1.3 数据处理与统计分析

数据采用WPS 2019与SPSS 25.0进行统计分析和作图。土壤Bray-P、Olsen-P与CaCl2-P的定量关系利用数学方法，以不偏离突变点为基础，分步计算关系方程，使土壤高Bray-P含量、Olsen-P含量与CaCl2-P含量之间的关系方程斜率最大，相关系数最高，而使土壤低Bray-P含量、Olsen-P含量与CaCl2-P含量之间的关系方程斜率最小，再根据两个方程来计算土壤磷流失突变点［21-22］。采用皮尔逊相关性分析确定土壤有效磷、CaCl2-P之间的相关系数。

2 结果与分析

2.1 余江县土壤有效磷分析

以Olsen-P作为参考，一般认为，适合作物生长的水田土壤Olsen-P 为11～20 mg·kg-1，旱地土壤为21～40 mg·kg-1。当Olsen-P大于41 mg·kg-1时相对偏高，小于10 mg·kg-1时则相对缺乏［23］。图2结果表明，有39%的水田土壤Olsen-P小于10 mg·kg-1，有39%的水田土壤Olsen-P在11～20 mg·kg-1之间，11%的水田土壤Olsen-P大于41 mg·kg-1，表明有1/3以上的水田土壤缺磷，1/3以上的水田土壤磷含量适合作物生长，1/10的水田土壤高磷。旱地土壤Olsen-P分析结果表明，有11%的旱地土壤Olsen-P小于10 mg·kg-1，11%的旱地土壤Olsen-P大于41 mg·kg-1，有61%的旱地土壤Olsen-P在21～40 mg·kg-1之间，这表明旱地土壤缺磷较少，2/3左右的旱地土壤磷浓度适合作物生长。

以Bray-P作为参考，参照土壤农化常规分析方法［20］和沈建国等［24］Bray-P分级标准，农田土壤Bray-P含量小于7 mg·kg-1为缺磷状态，水田土壤Bray-P为7～20 mg·kg-1适合作物生长，旱地土壤在21～50 mg·kg-1适合作物生长，当大于51 mg·kg-1为高磷状态。由图3可知，有33%的水田土壤Bray-P小于7 mg·kg-1，有33%的水田土壤Bray-P在8～20 mg·kg-1之间，6%的水田土壤Bray-P大于51 mg·kg-1，表明1/3以上的水田土壤处于缺磷状态，1/3以上的水田土壤磷浓度适合作物生长，极少有水田处于高磷状态。旱地土壤Bray-P分析结果表明，有11%的旱地土壤Bray-P小于7 mg·kg-1，6%的旱地土壤Bray-P在21～50 mg·kg-1之间，77%的旱地土壤Bray-P大于51 mg·kg-1，表明旱地土壤很少出现低磷状态，3/4以上的旱地土壤高磷。

2.2 余江县土壤有效磷与水溶性磷之间的关系

土壤各种磷含量之间的皮尔逊相关性分析表明，Olsen-P与Bray-P、Olsen-P与CaCl2-P、Bray-P与CaCl2-P都呈极显著正相关关系（表2）。

表2 土壤各种磷含量之间的皮尔逊相关性分析（n=36）

土壤Olsen-P和CaCl2-P含量的定量关系分析表明，两条相关直线存在一个明显的“突变点”（图4）。“突变点”对应的Olsen-P浓度为56.31 mg·kg-1，相应的CaCl2-P浓度为2.49 mg·kg-1。当土壤Olsen-P低于56.31 mg·kg-1时，土壤CaCl2-P浓度很低，变化幅度也很小。在“突变点”之后，CaCl2-P快速增加，最大Olsen-P浓度（232.09 mg·kg-1）的测试土壤对应的CaCl2-P浓度已达到52.28 mg·kg-1。

土壤Bray-P和CaCl2-P的关系与土壤Olsen-P和CaCl2-P的关系有同样的趋势（图5），但其“突变点”不同，“突变点”对应的Bray-P浓度为118.4 mg·kg-1，相 应 的CaCl2-P浓 度 为2.69 mg·kg-1。土壤Bray-P浓度低于“突变点”值时，其对应的土壤CaCl2-P浓度变化不显著，当土壤Bray-P浓度超过“突变点”值后，其对应的土壤CaCl2-P浓度快速增加，最大Bray-P浓度（353.13 mg·kg-1）的测试土壤对应的CaCl2-P浓度也已达到52.28 mg·kg-1。

2.3 余江县土壤磷的流失风险分析

土壤磷的“突变点”是土壤磷流失临界值，低于这个“突变点”，土壤中磷流失风险较小，高于“突变点”，土壤磷流失风险较高［25］。图6计算了采样点水田和旱地土壤Olsen-P、Bray-P超过磷“突变点”的土壤样品占比，以评价余江县土壤磷流失风险。水田所有土壤样品Olsen-P、Bray-P均未超过“突变点”，旱地土壤样品Olsen-P、Bray-P超过“突变点”的土样占比分别为50%和33%。

为了进一步确定余江县磷流失情况，对水田采样点周边排水沟渠水总磷含量进行了测定。结果表明，水田周边沟渠水总磷含量偏低，所有水样总磷含量均低于地表水环境质量标准（GB 3838-2002）II类水的总磷标准限值（≤0.1 mg·kg-1）（表3）。

表3 水田周边排水沟渠水总磷情况

3 讨论

3.1 红壤区旱地和水田土壤磷丰缺情况

本研究调查的红壤区水田土壤Olsen-P和Bray-P均表明，1/3以上的土壤缺磷，1/3以上的土壤磷适合作物生长，较少土壤出现高磷状况。旱地土壤Olsen-P和Bray-P结果均表明，大部分旱地土壤有效磷含量偏高，仅有约1/10土壤缺磷。童文彬等［26］的研究结果表明，浙江省红壤区旱地土壤有效磷（Olsen-P）平均含量远高于水田，44.84%的水田土壤处于低磷（＜10 mg·kg-1），仅17.04%的水田土壤有效磷超过40 mg·kg-1，旱地土壤有效磷在21～40 mg·kg-1和大于40 mg·kg-1的占比较大，说明有较高比例的水田土壤缺磷，旱地土壤有效磷含量较高。黄庆海［10］的长期定位试验研究表明，长期施磷的旱地红壤有效磷含量持续上升，长期施磷的水田土壤有效磷含量上升幅度很小，含量在15 mg·kg-1左右，说明施磷更易提高旱地土壤有效磷含量，而对水田土壤有效磷含量影响较小。鲁艳红等［27］和吕真真等［28］研究表明，磷肥投入是影响土壤磷有效性的重要因素，长期不施磷或磷投入不足会导致土壤磷短缺，降低土壤磷有效性，而化肥磷及有机无机磷配施提高了土壤有效磷含量。本研究结果表明，余江县1/3的水田土壤表现为缺磷状态，这可能是由于稻田磷肥投入不足，需要提高磷肥的施用量，而旱地由于土壤有效磷含量较高，可以适当降低磷肥的施用量。

3.2 红壤区旱地和水田磷流失风险分析

土壤有效磷含量与CaCl2-P提取的磷一般具有很好的相关性，且存在“突变点”［16］，该“突变点”可作为土壤磷流失临界值来预测土壤磷流失风险。土壤磷流失的有效磷含量临界值是指当土壤有效磷含量到达某一水平时，如果土壤有效磷含量继续升高，就会对水环境造成一定风险［29］。虽然土壤磷流失受土壤类型、降雨量、灌溉方式、施肥量等多种因素影响，但是在相同条件下以土壤磷流失的有效磷含量临界值来预测土壤磷流失风险仍有一定意义。姜波等［30］研究结果表明，土壤磷流失临界值比满足作物磷素营养需要的临界值高，按照土壤磷淋失临界值来进行磷素管理不仅可以满足作物对磷的需要，而且可以指导磷肥的合理施用，对提高磷肥利用率和降低土壤磷对水体的污染均具有重要意义。Hesketh等［31］研究表明CaCl2-P与土壤Olsen-P有着很好的相关性，且可能会出现一个突变点，该点对应的Olsen-P的浓度就是土壤磷流失的临界值，当超过该点时就可能发生磷流失。钟晓英等［21］利用CaCl2-P和Olsen-P对我国23个土壤磷流失风险进行了评估，结果显示不同土壤的磷流失临界值不同，临界值所对应的Olsen-P在29.96～156.78 mg·kg-1之 间。Liang等［16］研究了大田菜地土壤和盆栽菜地土壤的磷流失风险，Olsen-P突变点分别为55.9和53.8 mg·kg-1，对应的CaCl2-P含量分别为0.69和0.42 mg·kg-1。柏兆海等［32］研究了县域农田土壤磷流失风险，砂壤、轻壤和重壤分别对应的突变点Olsen-P含量为23.1、40.1和51.5 mg·kg-1。申艳等［33］研究了磷肥施用量对潮土CaCl2-P和Olsen-P比值的影响，以此来评价土壤磷流失风险，结果表明30.2 mg·kg-1是Olsen-P流失临界值，高量磷肥的施用提高土壤CaCl2-P含量的同时也会加大磷流失风险。王荣萍等［34］研究了不同质地土壤磷的流失风险，结果表明，壤质粘土、粘壤土、砂质粘壤土的CaCl2-P和Olsen-P线性相关且有明显突变点，对应的突变点分别为79.74、51.08、43.99 mg·kg-1，而CaCl2-P与Bray-P没有显著的相关性，也没有明显突变点。本研究利用CaCl2提取的磷作为土壤溶液磷含量指标，与土壤Olsen-P、Bray-P进行拟合，结果发现CaCl2-P与Olsen-P、Bray-P均线性相关且有明显突变点，土壤磷流失突变点Olsen-P、Bray-P含量分别为56.31和118.4 mg·kg-1，对应的CaCl2-P浓度分别为2.49和2.69 mg·kg-1。由于红壤区水田和旱地土壤pH都较低，Bray-P主要用来评价酸性土壤磷的生物有效性，所以采用土壤磷流失突变点Bray-P的含量来评价红壤磷流失风险更为合理。

依据本研究得出的土壤磷流失突变点，余江县水田土壤磷含量均未超过磷突变点，表明水田土壤磷流失风险较低，旱地Olsen-P、Bray-P超过磷突变点分别占50%和33%，旱地Olsen-P含量最高为232.09 mg·kg-1，Bray-P含量最高为353.13 mg·kg-1，是土壤磷流失突变点的数倍，表明旱地土壤磷具有一定流失风险。本研究对采样点水田周边排水沟渠水总磷含量的测定结果也表明，所有水田周边的水样总磷含量都低于地表水环境质量标准（GB 3838-2002）II类水的总磷标准限值，表明水田磷流失风险确实较小。

4 结论与建议

通过考虑土壤磷的农学意义和环境意义两个方面，对南方红壤区水田、旱地的土壤磷素丰缺情况进行了分析。在此基础上，对土壤有效磷含量、CaCl2-P含量和周边水样磷浓度进行了关联分析，探讨了红壤磷流失风险，为南方红壤磷素管理提供了理论依据。主要结论和建议如下：（1）余江县水田土壤的缺磷点位比例较高，高磷点位较少，旱地土壤则与之相反；（2）余江县水田土壤中，所有调查点位的土壤有效磷未超过磷流失突变点，磷流失风险低，而旱地土壤中有效磷超过磷流失突变点的点位较多，磷流失风险高；（3）建议余江县适当增加水田中磷肥的施用量，降低高磷旱地的磷肥施用量。