广州城郊菜地土壤磷素特征及流失风险分析

土壤与环境 2002, 11(3): 237240 Soil and Environmental Sciences E-mail: 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 30100110） 作者简介： 刘远金（ 1955），女，实验师，从事土壤与植物分析工作。 *通信联系人。 E-mail: 收稿日期： 2002-05-15 广州城郊菜地土壤磷素特征及流失风险分析 刘远金 1，卢 瑛 1*，陈俊林 2，甘海华 1，李华兴 1 1：华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642； 2：华南农业大学林学院，广东 广州 510642 摘要： 通过化学分析和土壤淋洗试验对广州城郊菜地土壤磷素特征和流失风险进行了研究和分析。结果表明，广州城郊菜地土壤全磷含量极高；与自然土壤相比较，菜园土壤无机磷比例增大，有机磷比例降低；无机磷中的 Al-P、 Fe-P 比例增加，O-P 比例降低， Ca-P 比例基本一致；土壤 Olsen P、 Bray-1 P、 Mehlich-1 P、 0.01 mol/L CaCl2 和 H2O 提取的磷含量相当高；土壤淋洗液中溶解态磷和总磷持续保持很高的浓度，土壤磷供应强度大。菜园土壤中磷进入水体引起水体磷浓度增加，导致水体富营养化风险大；土壤磷的测定值可作为土壤磷流失风险和对水环境影响程度的评估依据。菜地应作为农业非点源磷污染的优先控制区，应通过严格控制磷肥的投入和合理施肥等控制磷的流失。 关键词： 磷素特征；水环境质量；菜地土壤；广州 中图分类号： S153.6； X144 文献标识码： A 文章编号： 1008-181X（ 2002） 03-0237-04人类活动导致水体的加速富营养化现象是当今世界水污染难题，已成为世界关注的主要环境问题之一。磷是水体富营养化的主要限制因子，农业非点源磷对水环境的恶化有着十分显著的贡献，富营养化现象的发生与农田土壤中磷的流失有密切的关系 1, 2，因此，对农田土壤磷素流失进入水体的过程、机理以及控制措施的研究，已日益受到国内外的广泛关注 39。 研究表明，长期种植蔬菜会导致土壤磷明显富集 10，且土壤富磷特征已被应用在土壤分类中，将它作为肥熟人为土的诊断指标 11。而有关这类土壤富集的磷 对水环境可能产生的影响报道不多。珠江三角洲地区，蔬菜种植面积大，肥料投入量多，土壤中养分积累明显，且该区高温多雨，土壤中富余的养分容易随地表径流、亚表层水流和地下水等途径进入水体。因此，研究珠江三角洲菜地土壤磷素特征及其环境效应是很必要的。本文通过研究广州城郊菜地土壤的磷素特征及其可能潜在的流失风险，为指导磷肥的合理施用和水环境的保护提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 土壤的采集 采集了广州城郊不同地点的菜地耕层土壤（ 015 cm） 12 个（ 112 号），所有菜地种菜年限均大于 30 a，成土母质为花 岗岩；另外采集了花岗岩母质发育坡地自然土壤（ 015 cm） 1 个（ 13 号）进行比较研究。据中国土壤系统分类 11，菜地土壤（ 112 号）均为肥熟旱耕人为土，坡地自然土壤为强育湿润富铁土。供试土壤主要理化性质详见表 1。 1.2 淋洗试验 淋洗实验在实验室进行，将内径 10 cm长 30 cm 的 PVC 塑料管的底部装入约 2 cm 厚的石英砂，然后将 1.5 kg 过 2 mm 筛的土壤按体积质量 1.3 Mg/m3 装入 PVC 塑料管中， 3 次重复。土壤用平均速度为 0.5 ml/min 蒸馏水淋洗，每天淋洗 8 h，共淋洗 30 d，每隔 5 d 采集 1 次淋洗液测定可溶性磷和总磷。 1.3 测定方法 土壤粘粒含量，吸管法测定。土壤 pH 值，水土比 2.51，电位法测定。土壤有机质含量，重铬酸钾硫酸加热氧化法测定。阳离子交换量（ CEC），用 1 mol/L NH4Oac（ pH 7）法；全磷，用高氯酸硫酸消化、锑抗比色法测定。有机磷，用灼烧法；无机磷的分级按照张守敬 -Jackson 方法； Olsen P，用0.05 mol/LNaHCO3 提取 (液土比 201)，钼锑抗比色法； Bray-1 P，用 0.025 mol/L HCl-0.03 mol/L NH4F提取 (液土比 101)，钼锑抗比色法； Mehlich-1 P，用 0.05 mol/L HCl-0.012 5 mol/L H2SO4 提取 (液土比5:1)，钼锑抗比色法； CaCl2 提取 P，是用 0.01 mol/L CaCl2 提取 (液土比 5:1)，钼锑抗比色法； H2O 提取238 土壤与环境 第 11 卷第 3 期（ 2002 年 9 月） P，用蒸馏水提取 (水土比 101)，钼锑抗比色法。 淋洗液中溶解态磷，用钼锑抗直接比色测定；总磷，用高氯酸硫酸消化，钼锑抗比色测定。 2 结果与分析 2.1 土壤磷素特征 表 2 结果显示，广州城郊菜园土壤全磷含量为1.734.32 gkg-1（ P 计，下同），平均 2.70 gkg-1。按第二次全国土壤普查标准（一级 P2O52.2 gkg-1），广州城郊菜园土壤全磷含量达到极丰富水平，而自然土壤全磷含量为 0.23 gkg-1，处于缺乏水平，菜园土壤全磷平均值是自然土壤的 11.7 倍，土壤磷积累显著。 在全磷组成中，城郊菜园土壤有机磷占 3.49% 18.64%，平均 11.0%；无机磷占 82.36%96.51%，平均 89.0%。而自然土壤中有机磷和无机磷分别占全磷的 28.26%和 71.74%。可见，与同区域自然土壤相比，城郊菜园土壤无机磷所占比例增大，有机磷所占比例减小，土壤中积累的磷无机形态比例高，与北京郊区菜园土研究结果一致 10。 土壤中无机磷形态分级结果表明（表 2），城郊菜园土壤各形态无机磷占无及磷总量比例的平均值分别为， Al-P 16.8%， Fe-P4 3.8%， O-P 33.1%，Ca-P 5.9%。与城郊自然土壤相比较， Al-P、 Fe-P 比例分别增加 663.6%和 42.7%， O-P 比例降低 46.7%，Ca-P 比例基本一致。 不同提取剂所测定的土壤磷结果表明（表 3），城郊菜园土的 Olsen P 含量为 241.6448.0 mgkg-1，平均为 334.8 mgkg-1； Bray-1 P 含量为 184.1575.1 mgkg-1，平均为 377.8 mgkg-1； Mehlich-1 P 含量为250.51 063.4 mgkg-1，平均为 527.6 mgkg-1，均处于极高水平，远远超过作物需求。 0.01 mol/L CaCl2提取 P 含量为 2.919.0 mgkg-1，平均为 8.6 mgkg-1；H2O 提取 P 含量为 8.432.9 mgkg-1，平均为 17.0 mgkg-1，而自然土壤中 0.01 mol/L CaCl2 和 H2O 提取 P 分别为 0.3 和 0.4 mgkg-1，这表明菜园土壤可溶性磷、土壤溶液中磷浓度高，磷供应强度大。 2.2 土壤磷流失风险分析 研究表明，农田磷进入水体的主要途径是通过径流进入地表水，在通常情况下磷向剖面下层移动是很慢的，但在质地轻、固磷能力低以及大量施用有机肥的土壤上，磷通过渗漏进入地下水也是很 明表 2 土壤磷的形态组成 样号 全磷 /(gkg-1) 有机磷 无机磷各形态在土壤中的含量及占无机磷总量的比例 土壤中含量 占全磷 Al-P Fe-P O-P Ca-P 合计 /(gkg-1) /% /(gkg-1) /% /(gkg-1) /% /(gkg-1) /% /(gkg-1) /% /(gkg-1) /% 1 1.73 0.132 7.63 0.212 14.4 0.615 41.8 0.521 35.4 0.124 8.4 1.47 100 2 2.52 0.185 7.34 0.342 15.9 0.875 40.7 0.807 37.5 0.126 5.4 2.15 100 3 2.97 0.320 10.77 0.344 13.9 1.015 41.2 0.952 38.6 0.156 5.9 2.47 100 4 3.27 0.428 13.09 0.475 17.0 1.238 44.4 0.931 33.4 0.146 5.1 2.79 100 5 2.56 0.268 10.47 0.378 17.9 0.916 43.3 0.684 32.4 0.136 6.0 2.11 100 6 2.58 0.481 18.64 0.390 18.8 1.017 49.0 0.572 27.6 0.095 4.5 2.07 100 7 2.73 0.479 17.55 0.278 13.0 0.935 43.6 0.755 35.2 0.177 7.9 2.15 100 8 3.45 0.120 3.49 0.433 13.5 1.332 41.6 1.224 38.2 0.216 6.5 3.21 100 9 4.32 0.419 9.70 0.512 14.3 1.735 48.6 1.167 32.7 0.156 4.0 3.57 100 10 2.41 0.251 10.41 0.301 15.0 0.951 47.5 0.624 31.1 0.128 5.9 2.00 100 11 2.15 0.271 12.60 0.432 23.4 0.752 40.6 0.546 29.6 0.119 6.3 1.85 100 12 1.75 0.188 10.74 0.364 25.0 0.638 43.8 0.376 25.8 0.080 5.1 1.46 100 13 0.23 0.065 28.26 0.004 2.2 0.050 30.7 0.101 62.1 0.008 4.9 0.16 100 表 1 供试土壤的基本性质 样号 采样 地点 粘粒 (2 m) / 有机质 /(gkg-1) CEC /(cmolkg-1) pH （水提） 1 广州岑村 11.4 41.70 10.84 6.04 2 广州岑村 14.5 41.05 11.62 5.81 3 广州岑村 15.2 40.05 11.35 5.52 4 广州岑村 15.3 39.75 10.69 5.09 5 广州岑村 11.2 45.95 10.26 5.84 6 广州龙洞 19.6 47.45 10.66 4.46 7 广州龙洞 8.3 50.70 8.13 5.94 8 广州龙洞 9.5 47.95 8.87 5.85 9 广州龙洞 8.5 33.20 7.11 5.78 10 广州龙洞 4.9 29.60 6.56 5.47 11 华农农场 17.9 35.75 10.27 4.35 12 华农农场 16.0 34.45 8.10 4.33 13 华农农场 13.2 15.20 5.36 4.42 刘远金等： 广州城郊菜地土壤磷素特征及流失风险分析 239 显的 1；土壤测定磷含量与土壤径流中溶解态磷、藻类有效磷浓度有很好的相关性 37；土壤磷素水平在很大程度上决定了土壤磷进入径流的风险和数量 8；土壤磷含量与地下水中磷浓度也有很显著的相关性 12。而广州城郊菜园土壤由花岗岩母质发育而成，粘粒含量低，土壤质地轻，土壤测定磷（ Olsen P、 Bray-1 P、 Mehlich-1 P、 0.01 mol/L CaCl2提取 P、 H2O 提取 P）的含量相当高，可见土壤中极丰富的磷随地表径流、地下径流以及向剖面下层移动等途径进入地表水和地下水风险相当高。 土壤淋洗试验结果表明（图 1、图 2），菜园土壤淋洗液中溶解态磷浓度变幅为 1.7017.09 mgL-1, 平均 7.85 mgL-1；自然土淋洗液平均为为 0.02 mgL-1，两者相差 392.5 倍。淋洗液中总磷浓度为2.0718.14 mgL-1 ，平均 8.49 mgL-1；自然土淋洗液平均为为 0.28 mgL-1 ，两者相差 30.3 倍。这进一步表明菜园土壤中水溶性磷含量高，磷供应强度大，流失进入水体风险高。 相关分析结果表明（表 4），土壤淋洗液中溶解态磷、总磷平均浓度与土壤全磷、 Olsen P、 Bray-1 P 、 Mehlich-1 P、 H2O 提取 P、 0.01 mol/L CaCl2 提取 P 的相关性达到极显著或显著水平。因此，土壤测定磷可作为土壤磷流失进入水体风险和对水环境影响程度的评估依据。 3 结语 广州城郊菜园土的全磷、 Olsen-P、 Bray-1 P、Mehlich-1 P 含量均达到极丰富的程度，远远超过作物的需求，磷素处于极显著的积累状态。这主要是由于蔬菜复种指数高，经济效益好，菜农对菜地投入的肥料量远高于农田，所用肥料又以 15-15-15 的复合肥为主。用此配方的复合肥，当氮满足蔬菜生长时，磷必然是过量的，长期使用此种复合肥使得菜园土壤中的磷素明显富集。因此，从降低生产成本和提高经济效益的情况考虑，建议菜农根据蔬菜生长发育的需要施肥，可暂时不施磷肥或严格控制施用。 广州城郊菜园土壤 0.01 mol/L CaCl2 和 H2O 提取的磷含量相当高，土壤淋洗液中溶解态磷和总磷持续保持很高的浓度，土壤磷供应强度大。因此土壤中富集的磷通过地表径流、地下径流和渗漏等途径进入地表水或地下水，引起水体磷浓度增加，导致水体富营养化风险大。菜地土壤中磷进入水体的风险远高于普通农田，故应作为农业非点源磷污染的优先控制区。应通过 严格控制磷肥的投入和合理施肥等控制磷的流失。 广州城郊土壤淋洗液中溶解态磷、总磷浓度与表 3 土壤不同提取剂所提取磷含量 样号 Olsen P /mgkg-1 Bray-1 P /mgkg-1 Mehlich-1 P /mgkg-1 H2O 提取 P /mgkg-1 CaCl2 提取 P /mgkg-1 1 260.6 184.1 250.5 10.7 3.0 2 448.0 376.9 506.0 27.9 16.6 3 406.6 374.8 606.8 26.7 19.0 4 428.1 575.1 723.0 32.9 15.1 5 264.6 264.4 355.0 9.8 5.1 6 373.1 354.7 347.3 11.4 4.7 7 241.6 239.2 444.0 11.3 4.0 8 291.2 329.0 703.5 8.4 2.9 9 345.2 557.1 1 063.8 27.6 9.1 10 276.5 412.6 540.7 11.7 8.9 11 361.7 481.4 424.8 11.8 8.6 12 321.0 384.8 366.5 14.0 6.3 13 6.0 1.7 4.1 0.4 0.3 图 1 淋洗液中溶解态磷浓度 图 2 淋洗液中总磷浓度 表 4 淋洗液中磷浓度与土壤测定磷的相关系数 全磷 Olsen-P Bray-1 P Mehlich-1 P H2O 提取 P CaCl2 提取 P 溶解 态磷 0.700* 0.629* 0.824* 0.798* 0.776* 0.746* 总磷 0.698* 0.631* 0.821* 0.803* 0.788* 0.763* 注： * P0.01； *P0.05 05101520255 10 15 20 25 30淋洗天数 /d水溶性磷浓度/（mgL-1)1 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号8 号9 号10 号11 号12 号13 号05101520255 10 15 20 25 30淋洗天数 /d总磷浓度/(mgL-1)1 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号8 号9 号10 号11 号12 号13 号240 土壤与环境 第 11 卷第 3 期（ 2002 年 9 月） 土壤全 P、 Olsen P、 Bray-1 P 、 Mehlich-1 P、 H2O提取 P 、 0.01 mol/L CaCl2 提取 P 的相关性均达到极显著或显著水平，因此土壤磷的测定值可作为土壤磷流失风险和对水环境影响程度的评估依据。 参考文献： 1 DANIEL T C, SHARPELEY A N, LEMUNYON J L. Agricultural phosphorus and eutrophication: a symposium overview J. J Environ Qual, 1998, 27: 251-257. 2 EDWARDS A C, WITHERS P J A. Soil phosphorus management and water quality: a UK perspective J. Soil Use and Management, 1998, 14: 124-130. 3 SHARPLEY A N, CHAPRA S C, WEDEPOHL R, et al. Managing agricultural phosphorus for protection of surface waters: issues and options J. J Environ Qual, 1994, 23: 437-451. 4 POTE D H, DANIEL T C, SHARPLEY A N, et al. Relating extractable soil phosphorus to phosphorus losses in runoff J. Soil Sci Soc Am J, 1996, 60: 855-859. 5 POTE D H, DANIEL T C, NICHOLS D J, et al. Relationship between phosphorus levels in three Ultisols and phosphorus concentrations in runoff J. J Environ Qual, 1999, 28: 170-175. 6 MCDOWELL R, SHARPLEY A N, BROOKES P, et al. Relationship between soil test phosphorus and phosphorus release to solution J. Soil Sci, 2001,166(2): 137-149. 7 MCDOWELL R, SHARPLEY A N. Approximating phosphorus release from soils to surface runoff and subsurface drainage J. J Environ Qual, 2001, 30: 508-520. 8 高超 , 张桃林 , 吴蔚东 .农田土壤中的磷向水体释放的风险评价 J. 环境科学学报 , 2001, 21(3): 344-348. 9 张志剑 , 王光火 , 王珂 , 等 . 模拟水田的土壤磷素溶解特征及其流失机制 J. 土壤学报 , 2001, 38(1): 139-143. 10 沈汉 . 京郊菜园土壤元素积累与转化特征 J. 土壤学报 , 1990, 27(1): 104-112. 11 龚子同 . 中国土壤系统分类 : 理论方法实践 M. 北京 : 科学出版社 , 1999. 12 卢瑛，龚子同，张甘霖 . 城市土壤磷素特性及其与地下水磷浓度的关系 J. 应用生态学报 , 2001, 12(5): 735-738. Phosphorus characteristics and loss risk assessment of vegetable garden soils in the suburbs of Guangzhou city LIU Yuan-jin1, LU Ying1*, CHEN Jun-lin2, GAN Hai-hua1, LI Hua-xing1 1: College of Resources & Environmental Science, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China； 2: College of Forestry, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China Abstract: The phosphorus characteristics and loss risk assessment of vegetable garden soils in the suburbs of Guangzhou city were studied by chemical analyses and leaching experiment. The results indicated that total P conte