中国典型农业区长期施肥农业土壤中的磷组分

《Earth Critical Zone》：Phosphorus fractions in long-term fertilizer agricultural soils of typical agricultural areas in China

土壤总磷（TP）及不同形态磷（有效磷、中等可利用磷、不可利用磷）在黑土、黄潮土、红土中的分布特征研究。TP含量黄潮土最高（1010.69±310.37 mg·kg?1），红土最低（611.81±162.38 mg·kg?1），受母质、施肥及化学风化共同影响。有效磷占比最小（6.80%-13.14% TP），主要因植物吸收、淋失及Al/Fe氧化物吸附；中等可利用磷（NaOH-P）在黑土和红土占主导（33.03%-61.87% TP），与土壤氧化铁铝含量及pH相关；黄潮土中不可利用磷（HCl-P）占比最高（58.91% TP），因土壤pH中性偏碱及钙结合作用。土壤pH（6.16-7.86）和化学风化指数（CIA=13.16-87.14）显著影响磷形态分布，为精准施肥提供理论依据。

　　土壤磷素的分布及其形态特征对于可持续的养分管理具有重要意义。磷作为土壤中关键的营养元素，其存在形式和转化过程直接影响植物生长和土壤生态系统稳定性。本研究通过分析中国三种典型农业表层土壤（黑土、潮土和红壤）在长期施用磷肥条件下的总磷（TP）浓度及不同磷形态的分布，揭示了土壤性质和环境因素对磷素动态的影响机制，为农业磷肥的高效利用和环境风险控制提供了科学依据。

### 土壤磷素的来源与转化机制

磷素在土壤中的来源复杂，主要包括岩石风化、植物残体、粪肥、化学肥料以及大气湿沉和干沉作用。在农业土壤中，磷矿石的风化和肥料施用是主要的磷输入途径。长期的磷肥施用不仅提高了土壤中可利用磷的浓度，也改变了土壤中磷的形态结构。磷肥在土壤中的行为受到多种因素的调控，如植物吸收、地表径流、淋溶作用、铝和铁氧化物的吸附作用，以及钙的结合。这些过程决定了土壤中不同磷形态的分布和转化。例如，植物对磷的利用效率通常较低，仅约20%的磷肥被作物吸收，其余部分则迅速转化为不易被植物利用的形式，从而增加了土壤中磷的固定和潜在的环境风险。

### 土壤类型对磷素分布的影响

不同土壤类型在磷素的分布上表现出显著差异。黑土、潮土和红壤的TP浓度存在明显差异，其中潮土的TP浓度最高，达到1010.69 ± 310.37 mg·kg?1，而红壤的TP浓度最低，为611.81 ± 162.38 mg·kg?1。这种差异可能与土壤母质、风化程度以及施肥管理等因素有关。例如，潮土的高TP浓度可能与其较高的钙含量和土壤酸碱度有关，而红壤的低TP浓度则与土壤酸化、铝和铁氧化物的强烈吸附作用密切相关。此外，土壤pH值和化学指数（CIA）对TP浓度和磷形态分布具有显著影响，表现出较强的负相关性。高pH值通常与较高的可溶性磷浓度相关，而低pH值则会促进磷的固定，减少其生物有效性。

### 磷形态的分类及其影响因素

通过改良的Hedley方法，可以将土壤磷分为可利用磷（H?O-P + NaHCO?-P）、中等可利用磷（NaOH-P）和不可利用磷（HCl-P）。这些形态反映了磷在土壤中的不同可利用性。在黑土和红壤中，中等可利用磷（NaOH-P）占TP的比例较高，而潮土中不可利用磷（HCl-P）占比较高。这种差异与土壤的风化程度和pH值密切相关。例如，红壤由于其较高的风化程度和较低的pH值，导致磷更容易被铝和铁氧化物固定，从而形成中等可利用磷。而潮土的较高pH值则促进了磷与钙的结合，形成了更多的不可利用磷。这些结果表明，土壤的物理化学性质在磷形态的分布中起着决定性作用。

### 土壤性质对磷形态的影响

土壤pH值和化学指数（CIA）是影响磷形态分布的关键因素。pH值对磷的可利用性具有显著影响，特别是在酸性土壤中，磷更容易与铝和铁氧化物结合，从而减少其生物有效性。相反，在碱性土壤中，磷则更倾向于与钙结合，形成不可利用磷。CIA则反映了土壤的风化程度，较高的CIA值通常意味着较强的风化作用，这会促进磷的固定和减少其可利用性。因此，土壤的风化程度和pH值共同决定了不同磷形态的相对比例。例如，红壤的CIA值较高，表明其风化程度较强，导致磷的固定更为显著。

### 磷肥施用对土壤磷素的影响

长期施用磷肥显著改变了土壤中磷的形态分布。在研究中，黑土和红壤中磷的利用效率较低，其可利用磷占TP的比例仅为13.14%和11.53%，而潮土中这一比例为6.80%。这些数据表明，尽管磷肥的施用可以提高土壤中的磷含量，但其实际利用效率受到土壤性质的限制。例如，在酸性土壤中，磷容易与铝和铁氧化物结合，形成不易被植物利用的形式，从而降低了磷肥的利用率。而在碱性土壤中，磷则主要与钙结合，形成稳定的不可利用磷形态。

### 土壤有机质与磷形态的关系

土壤有机质（SOC）在磷形态的分布中也扮演了重要角色。SOC浓度较高时，通常会促进有机磷（P?）的积累，从而增加土壤中磷的储备。在本研究中，红壤的SOC浓度相对较低，但其NaOH-P和HCl-P的浓度较高，这可能与土壤中较高的有机质输入有关。此外，SOC与NaOH-P和HCl-P之间存在显著正相关，表明有机质的积累对这些磷形态的形成具有重要影响。这种关系在黑土和潮土中也得到了验证，SOC的增加有助于提高土壤中中等可利用磷和不可利用磷的含量。

### 磷素的动态变化与环境风险

磷素在土壤中的动态变化不仅影响农业生产力，还可能对环境造成潜在威胁。例如，磷的淋溶和地表径流会导致水体富营养化，进而引发一系列生态问题。因此，了解不同磷形态的动态变化对于评估磷的迁移性和提高磷肥利用效率至关重要。本研究发现，不同土壤类型中磷的形态分布存在显著差异，这为不同地区磷肥的合理施用提供了科学依据。例如，在酸性土壤中，磷更容易被固定，而在碱性土壤中，磷则更倾向于形成稳定的不可利用形态。

### 结论与建议

本研究的结果表明，土壤总磷浓度在潮土中最高，而在红壤中最低，这反映了土壤母质、风化程度和施肥管理的综合作用。土壤性质和磷肥施用对磷的可利用性具有重要影响，特别是在酸性土壤中，磷的固定作用更为显著。因此，为了提高磷肥的利用效率，减少磷的流失风险，应根据土壤类型和性质选择合适的磷肥施用策略。例如，在酸性土壤中，应优先考虑能够减少磷固定、提高磷可利用性的肥料，而在碱性土壤中，则应注重磷的稳定性和长期供应能力。此外，通过合理管理土壤有机质含量和控制土壤pH值，可以有效提高磷的利用效率，促进农业的可持续发展。