山西主要土壤磷淋溶临界值与其理化性质的关系

李丽君，霍晨，刘平*，霍晓兰，马琳杰，惠薇

（1.山西农业大学 资源环境学院，太原 030031；2.山西省土壤环境与养分资源重点实验室，太原 030031；3.山西大学 生物工程学院，太原 030006）

0 引言1

【研究意义】磷是植物生长的重要元素之一。土壤中磷的过量积累会对土壤生态环境构成潜在威胁[1]，降低地表水和地下水质量[2-3]。由过量施肥或施肥不当造成的农田磷流失不仅会导致农业生产成本上升，还会污染水环境，造成水体富营养化[4]。在以往根据土壤有效磷量来决定施肥量的研究中，考虑作物养分需求与土壤磷水平的研究较多，而兼顾磷淋溶阈值与土壤磷生态风险的研究较少[5-6]。探究土壤磷淋溶阈值及其与土壤理化性质之间的关系，对于降低土壤磷淋失风险具有重要意义。

【研究进展】Hesketh 等[7]研究发现，不同类型土壤的CaCl2浸提磷突变点和在长期施肥试验中测得的Olsen-P 量变化点之间具有高度一致性，可见该方法可以提供有效的土壤磷淋溶指标。吕家珑等[8]基于Broadbalk 长期施肥试验与淋溶试验，证实了突变点法预测土壤磷淋溶趋势是可行的。张瑞龙等[9]分别测定了秦岭北麓的猕猴桃园和小麦-玉米轮作2 类土壤耕层和剖面的Olsen-P 量与CaCl2-P 量，发现前者的磷淋失突变点的Olsen-P 量为40.1 mg/kg，具有较大的淋溶风险；后者土壤磷积累量较低，没有突变点，淋溶风险很低。刘利花等[10]对长期不同施肥土壤中的磷淋溶趋势的研究表明，土壤耕层Olsen-P 量为23.0 mg/kg，为土壤发生磷淋溶的阈值。研究表明，土壤pH 值、盐分种类、氧化还原电位及铁铝氧化物等土壤理化性质的差异必然会导致土壤中磷量、可溶性和环境污染风险的不同[11]。聂敏等[12]选取了我国16种典型的可变电荷土壤，通过室内模拟试验发现可变电荷土壤的pH 值、黏粒量、氧化铁铝量、有机质量、交换性钙和镁量等会对土壤临界点的Olsen-P 量具有显著影响。

【切入点】根据山西省第二次土壤普查的土壤分类结果[13]，占据山西省土壤总面积百分比最大的5个土壤类别分别为褐土、栗褐土、中性粗骨土、黄绵土、潮土，这5 种土壤共占山西总土壤面积的88.51%。目前，关于山西省土壤磷特征及变化规律的报道较多，而关于山西省不同土壤类型磷淋溶风险的研究报道较少。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究以山西省土壤类型占比最大的5 类土壤为研究对象，探究土壤磷淋溶阈值及其与土壤基本理化性质之间的关系，为土壤磷淋失风险评估提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

5 种供试土壤采集于2019年7月。其中，褐土（T1）采集于寿阳县，栗褐土（T2）采集于山阴县合盛堡乡西双山村，中性粗骨土（T3）采集于阳城县西河乡上东河山庄北部银匠山，黄绵土（T4）采集于柳林，潮土（T5）采集于榆次市。土壤风干后过2 mm筛后测定土壤基本理化性质，如表1所示。

表1 土壤理化性质Table 1 Soilphysical and chemical properties

1.2 土壤培养试验

土壤风干后过2 mm 筛，称取100g 土壤置于容量为250mL 的小烧杯中，加入KH2PO4溶液（浓度梯度分别为0、30、40、60、100、160、200、240、300、400 mg/kg），并调节土壤含水率至50%田间持水率，在25℃室温下培养4d 后风干，再次加入去离子水以调节土壤含水率，培养风干，同样操作进行3 次干湿交替后，使土壤中磷达到平衡状态[14]，土壤培养试验重复进行3 次。用NaHCO3溶液和CaCl2溶液分别浸提测定土壤磷量，参照的田间持水率为20%（质量含水率）。

1.3 测定项目及方法

利用重铬酸钾-硫酸外加热法测定土壤有机质量；利用吸管法测定土壤机械组成。

土壤Olsen-P 的测定：取土样2.5 g，用pH 值为8.5 的50 mL 0.5mol/L 的NaHCO3溶液震荡30min 浸提，利用紫外分光光度计和钼锑抗比色法测定。

土壤CaCl2-P 的测定：取土样2 g，用20 mL 的0.01 mol/L 的CaCl2溶液震荡1h 浸提（1∶5 土水比），利用紫外分光光度计和钼锑抗比色法测定。

活性铁铝的测定：用pH 值为3.0～3.2 的0.2 mol/L酸性草酸铵缓冲溶液浸提，利用试铁灵比色方法测定[15]。

1.4 数据处理

数据处理采用Excel 2007 软件进行，方差分析采用SPSS24.0 进行。

2 结果与分析

2.1 土壤Olsen-P 量与CaCl2-P 量的关系分析

5 种供试土壤CaCl2-P 量都随Olsen-P 量的增加而提高，以Olsen-P 量为横坐标，CaCl2-P 量为纵坐标绘制相关曲线，得出土壤Olsen-P 与CaCl2-P 的分段关系方程。高于拐点的Olsen-P 量与CaCl2-P 量之间的关系方程斜率最大，而低于拐点的Olsen-P 量与CaCl2-P 量之间的关系方程斜率最小，并且2 段方程的相关系数均最高。2 条斜率不同的直线之间存在一个转折点，该转折点的土壤Olsen-P 量就是此类土壤磷素淋失的临界值。供试土壤的磷素淋溶临界值分布在23.3～73.5 mg/kg 之间。

如图1所示，当Olsen-P 量高于73.5 mg/kg 时，T1土壤的CaCl2-P量随Olsen-P量的增加而快速增加，其拟合方程为 CaCl2-P=0.185 Olsen-P-6.013（R2=0.876），此时CaCl2-P 量约为10.3 mg/kg；当土壤Olsen-P 量小于73.5 mg/kg 时，随着Olsen-P 量的增加，CaCl2-P 量的增加趋于缓慢，Olsen-P 与CaCl2-P 之间的拟合方程为 CaCl2-P=0.056 Olsen-P+1.795（R2=0.673）。

图1 不同类型土壤Olsen-P 量与CaCl2-P 量的回归关系Fig.1 The relationship between different soil Olsen-Pand CaCl2-P

当土壤Olsen-P 量小于70.0 mg/kg 时，T2 土壤CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而缓慢增加，二者拟合方程为CaCl2-P=0.158 Olsen-P+0.087（R2=0.798）；当Olsen-P 量大于70.0 mg/kg 时，CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而迅速增加，此时拟合方程为CaCl2-P=0.201Olsen-P-3.798（R2=0.915），CaCl2-P量约为14.4 mg/kg。

当土壤Olsen-P 量小于23.3 mg/kg 时，T3 土壤CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而缓慢增加，二者拟合方程为CaCl2-P=0.161 Olsen-P-0.994（R2=0.852）；当Olsen-P 量大于23.3 mg/kg 时，CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而迅速增加，此时拟合方程为CaCl2-P=0.198 Olsen-P-1.350（R2=0.741），CaCl2-P量约为4.3 mg/kg。

当土壤Olsen-P 量小于39.3 mg/kg 时，T4 土壤CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而缓慢增加，二者拟合方程为CaCl2-P=0.162 Olsen-P-1.377（R2=0.828）；当Olsen-P 量大于39.3 mg/kg 时，CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而迅速增加，拟合方程为CaCl2-P=0.166 Olsen-P-1.023（R2=0.614），此时CaCl2-P 量约为5.3 mg/kg。

当土壤Olsen-P 量小于61.4 mg/kg 时，T5 土壤CaCl2-P 量随Olsen-P 量的增加而缓慢增加，二者拟合方程为CaCl2-P=0.139 Olsen-P+3.322（R2=0.754）；当Olsen-P 量大于61.4 mg/kg 时，CaCl2-P 随Olsen-P量的增加而迅速增加，拟合方程为CaCl2-P=0.423 Olsen-P-14.764（R2=0.920），此时CaCl2-P 量约为12.9 mg/kg。

5 种供试土壤磷淋失临界值差异较大。褐土和栗褐土的Olsen-P 突变点十分接近，明显高于粗骨土、黄绵土和潮土。其中褐土淋失临界值最高，为73.5 mg/kg；中性粗骨土淋失临界值最低，为23.3 mg/kg。

2.2 土壤理化性质之间的关系

由表2可知，土壤有机质量与土壤粉粒量、Olsen-P量和CaCl2-P 量之间具有正相关关系，与黏粒和活性铁量之间存在负相关关系，但相关性不显著。Olsen-P量与CaCl2-P 量具有显著的正相关（P＜0.05），与粉粒量和黏粒量具有负相关，但相关性不显著。CaCl2-P量与黏粒、粉粒量具有负相关，但相关性不显著。土壤活性铁量和黏粒量呈正相关，与粉粒、Olsen-P 量和CaCl2-P 量呈负相关。基础土样活性铝量低于检出下限，因此不参与相关性分析。

表2 土壤理化性质之间的相关性分析Table 2 The correlative coefficient matrix of soil properties

2.3 土壤磷淋失临界值与土壤理化性质的关系分析

磷淋溶临界值的Olsen-P 量与土壤黏粒、粉粒、有机质、活性铁量的相关性如图2所示。土壤磷淋失临界值Olsen-P 量与有机质量呈对数关系。土壤磷淋溶临界值的Olsen-P 量与黏粒量存在显著负相关关系，黏粒量越大的土壤淋溶临界值的Olsen-P 量则越小。淋溶临界值的Olsen-P 量与粉粒量呈不显著的线性关系。土壤活性铁量与土壤磷淋失临界值之间存在显著负相关关系（P＜0.05）。土壤磷淋失临界值与黏粒量和活性铁量的负相关系数均达到了显著水平，说明它们之间的负相关关系是可靠的。综上所述，影响土壤磷淋失临界值的主要因素是黏粒量与活性铁量。

图2 土壤磷淋失临界值与土壤理化性质的回归关系Fig.2 The relationship between soil phosphorus leaching thresholdand soil properties

3 讨论

研究表明，由于土壤固定磷酸盐的能力非常强，通过土体淋失的磷量是有限的[16]。而英国洛桑试验站Broadbalk 长期定位试验的结果表明，当土壤Olsen-P量低于60 mg/kg 时，从60cm 土层排出水中的总磷量低于0.15 mg/L；但当Olsen-P 量超过60 mg/kg 时，排出水中的总磷量则呈直线增加[7]。此外，当土壤Olsen-P 量超过60 mg/kg 时，土壤在0.01 mol/L CaCl2浸提条件下的磷量也急剧增加，存在着一个明显的突变点，称为土壤磷酸盐淋失临界值。因此，通过室内模拟试验，向土壤加入一系列浓度的无机磷酸盐以探求土壤磷酸盐淋失的突变点，从而对土壤磷酸盐淋失风险进行评估是可行的。

本研究得到山西省5 个供试土壤磷淋失临界值分布在23.3～73.5 mg/kg 之间，褐土、栗褐土、中性粗骨土、黄绵土和潮土的淋失临界值分别为73.5、70.0、23.3、39.3、61.4 mg/kg，褐土和栗褐土的土壤Olsen-P突变点十分接近，并且明显高于粗骨土、黄绵土和潮土。一般耕地土壤有效磷量均低于此值[17]，因此以上5 种农田土壤较一般耕地不易发生磷淋失。长期施肥的农田尤其是蔬菜保护地的土壤中容易累积较多的有效磷，当Olsen-P 量超过该临界值时就会发生磷淋失。褐土临界值最高，在5 种主要土壤中最不易发生磷淋失。根据土壤磷淋失临界值和土壤有效磷量，可以同时兼顾环境淋溶阈值和土壤有效磷农学阈值，从而得出较为合理的施肥量。

土壤磷存在的动态平衡实际上为土壤磷吸附解吸与沉淀溶解等反应的平衡过程，与土壤有机质量、机械组成和酸碱反应等存在密切的相关性[18]。于艳梅等[19]对我国18 个省份的14 种典型农田土壤进行室内模拟试验，发现我国农田土壤的磷淋溶临界点差异很大，临界点随土壤pH 值、交换性钙、无机碳、沙粒量的增加而减小，随土壤黏粒、有效磷、有机碳、活性铁铝、交换性镁量的增加而增大。王静等[20]研究发现，磷的淋溶损失受土壤黏粒量的影响较大，尤其当土壤的黏粒量很高时，它的影响程度表现更明显。钟晓英等[14]研究发现，土壤磷淋失临界值主要受制于土壤有机质和活性铁铝量。

本试验结果表明，供试土壤磷淋失临界值与黏粒量和活性铁量存在显著的负相关关系，与有机质和粉粒量相关关系不显著。可能是黏粒量影响了磷的解吸量和解吸率，从而间接影响到土壤对磷的吸附量和淋失临界值。黄全能等[21]研究发现磷吸附最大值与土壤有机质量呈负相关关系，这与本文结论相符合，推测其原因是土壤有机质降低铁铝的活性，导致土壤吸附固定磷能力减小。而钟晓英等[14]研究发现，土壤磷淋失临界值主要受制于土壤有机质和活性铁铝量，其与土壤活性铁量之间存在显著的正相关关系，并且随土壤酸碱度而变化，与本文结论相反。原因可能是土壤类型不同导致相异的试验结果，具体原因还有待进一步研究。这也反映了土壤吸附磷的复杂性和不同土壤吸附磷机制的差异。

对于山西主要耕地土壤来说，土壤磷淋失临界值受制于黏粒和活性铁量。因此，可以通过黏粒和活性铁量初步评估预测土壤磷淋失临界值，推测土壤磷淋溶风险大小，但其机理需进一步验证。

4 结论

山西省5 种主要土壤的磷淋溶阈值有差异，褐土和栗褐土的淋失环境风险明显高于粗骨土、黄绵土和潮土。

供试土壤磷淋失临界值与黏粒量和活性铁量存在显著的负相关关系，与有机质和粉粒量相关关系不显著。生产实践中，可以通过土壤黏粒量和活性铁量评估不同土壤磷淋失风险。

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