海河流域１４种农作物对土壤库中磷的输出量和输入量初步研究蒋高明，黄银晓，林舜华，韩荣庄， 高雷明（中国科学院植物研究所，北京１０００４４）摘要海河流域１４种农作物平均含磷量为０ ．１２７±０．０５３％，变化范围０．０２３－０．２１４％，不同器官中最高可达０；４１９ ％，最低汉为０．０１９％。对土壤库中磷输出量最大者为谷子，磷可达９９．７５８±５６．９ ３１ｋｚ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１），其次是玉米和棉花；磷输入量以白薯为最大，为１２ ．５５７±５．０２０ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）（但包括可食部分块根的输出部分在 内）．然后是谷子和花生，其余作物均较低，＜２ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）。具高输 出量的作物的部位有玉米、
谷子、花生、棉花等果实，谷子、花生、白薯等茎叶；就输入量而言， 除白薯为高输入和谷子为低输入类型外，其余均属很低输入型，上述特点揭示了海河流域因作物的 收获而大量损失土壤库中的磷，如种植谷子、
玉米、棉花等分别以９９．７５８、３２．６６１和 ２６．５９１ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）的速率损失有效态磷。并对不同子流域作物磷 的输出（入）量差异以及针对上述问题应采取的对策作了探讨。关键词磷；输出量和输入量；农作 物；海河流域营养元素的生物地球化学循环是研究农业生态系统的重要内容（蒋高明等，１９９３ ；Ｂａｋｅｒ，Ｊ．Ｌ．ｅｔａｌ．，１９７５；Ｃｒｉｓｐ，Ｄ．Ｔ．，１９６６；Ｈａｎｗａ ｙ，Ｄ．Ｂ．，１９７５）。对于植物和动物生长不可缺少的养分是从土壤——植物——土壤这一 简单模式进行的，在这个生态过程中一般经过３个主要的库，即植物、动物（或牲畜）和土壤。任 一贮存库中，一种养分的平衡状况，可以从该养分净流入和净流出测算而得，对于土壤库中的磷， 因为它的化合物在水中的溶解度很低，水中的部分只占土壤和植物全磷的很小一部分（约１％）（ Ｍ．Ｊ．福里赛尔，１９８１；Ｂａｋｅｒ，Ｊ．Ｌ．ｅｔａｌ．，１９７５），且磷很少加入大 气循环，因而植物从土壤库中输入和输出的部分是决定土壤磷素平衡的关键因素。农业生态系统中 不经施肥的大部分土壤往往都是缺磷的，即使施肥，也会因为收获农作物时从土壤库中带走大量的 磷，而从根系或枯落物回到土壤的磷却较少，土壤缺磷就不可避免。海河流域是我国北方农业发展 的重要基地之一，但由于对土壤的不合理利用，造成土壤贫瘠化、盐渍化和沙漠化，土壤肥力下降 ，磷素缺乏尤为明显（李鼎新等，１９９２；赵建强等，１９９０；蒋高明等，１９９３）。本文 从植物营养的角度另析海河流域常见１４种农作物不同器官部位（根、茎、叶、果）的磷含量以及 对土壤的输出量和输入量，从而为研究农业生态系统中营养物质流和在实践中科学指导施肥提供依 据。本文系中国科学院１９８６－１９９１年重大基础研究项目“海河流域Ｃ、Ｎ、Ｓ、Ｐ元素循 环规律研究”中的部分内容。卢建捷女士协助绘图，特此致谢。１ 研究方法海河流域（３５°０ ０′－４１°３０′Ｎ，１１２°００′－１１８°３０′Ｅ）面积达２６００００ｋｍ￣２，汇 集了蓟运河、潮白河、永定河、大清河、沱河、漳卫河６大水系，包括河北、河南（部分）、山东 （部分）、山西（部分）、内蒙古（部分）、北京、天津５省两市区域。从东到西分布有第四纪形 成的海河堆积平原、太行山脉、燕山山脉及西部山西地堑系中的忻县盆地、大同盆地，阳原－尉县 ３大盆地，海拔高度１－３０５８ｍ，整个地势呈现西高东低的趋势。土壤以棕壤、褐土、潮土、 盐土、草甸土等为主，气候带处于暖温带落叶阔叶林区。农业植被以一年两熟和二年三熟作物为主 ，主要种植玉米、小麦、高粱、谷子、大豆、棉花等（植物拉丁名参见表１）。利用路线踏视法驱 车沿３条路线进行植被调查和样品采集：第一次于１９８８年秋天沿北京－房山－望都－白洋淀－ 北京路线；第二次于１９８９年夏天沿北京－张家口－大同－五台山－阜平－天津－廊坊－北京路 线；第三次于１９８９年秋天沿北京－灵寿－长治－滑县－聊城－衡水－沧州－北京路线（具体采 样地点和时间参表１）。按照农业生态系统作物总生物量根生物量的测定方法￣１），先调查行株 距和每丛苗数，算出植株密度，在选择的样地中选出４丛标准植株，收获作物的活组织和死组织， 按茎、叶（或茎叶）、果称其鲜重；对根系采集，自上而下挖出植株根系分布最深处土壤，以水冲 洗取其根系，称根的鲜重。８０℃烘干至恒重，称其干物质量，并据此估算作物不同部位的干物质 量、磷输出量和输入量。将分析样品粉碎后，用ＨＮＯ＿３－ＨＣｌＯ＿４（４：１）消化，然后 用磷铝酸铵比色法测全磷量（蒋高明等，１９９３）。本文选择有代表性的１４种农作物进行数据 分析，从而探讨海河流域农业生态系统中土壤库中磷存量与作物收获的关系。２ 结果与分析２． １ 不同农作物含磷量、对土壤库磷的输出量和输入量１４种农作物根、茎、叶、果含磷量及其对 土壤库磷的输出量和输入量见表１。从中可以看出，在所有分析样品中，农作物含磷量以山西长治 陶清河水库大豆果实为最高，达０．４１９％，以河北衡水市高梁果实为最低，仅仅为０．０１９ ％，说明了磷在不同植物体内变化范围很广，两者相差２１倍。从总的趋势来看，果实的含磷量最 高，其次是叶和茎，根最低（表１）。不同作物对磷的输出量变化于０．３ｋｇ·ｈａ￣（－１） ·ａ￣（－１）与９９８ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）之间（表２），造成这样的结果， 不仅与作物不同部位含磷量之间的显著差异有关外，还与收获的不同作物部位生物量的巨大差异有 关，两者的差异最高可达１００倍（收获量数据未在表１列出），因此种植不同的作物及收获的部 位决定了土壤库中磷（尤其是有效性磷）的贮存量变化大小。不同农作物含磷量之间的差异也很明 显，其中以马铃薯含量为最高，达０．２１４±０．０６５％，水稻最低，仅为０．０２３±０． ００８％。其中油料作物如花生、大豆、芝麻、油菜以及含脂肪较高的玉米等含磷量较其他作物为 高，这与这些作物（尤其是果实中）含较高的磷脂类物质有关。对磷的输出量最大者是谷子，达９ ９．７５８±５６．９３７ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１），其次是玉米和棉花；水１）中 国科学院网络办，１９８７：中国生态系统研究网络指标体系观测与分析方法（植物部分讨论稿） 。稻和小麦的输出量较低，为５－６ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）（表２）。虽然表２显 示的数据以向日葵和莜麦为最低，但因采样时果实不成熟或未长出（表１），没能将果实部分统计 在内，使数据偏低；输入量（因对枯落物未做分解速率实验，这部分输入量忽略，以根系代表）以 白薯为最大，达１２．５５７ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）；其次为谷子和花生，其余均 较低为＜２ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）；白薯可食部分块根与其他根系未区分开来，至 使数据偏高，实际上这部分也以输出量的形式带走了。以上说明这些作物都是以高输出和低输入来 消耗土壤库中的磷，造成土壤库中的磷因收获作物而使收支严重不平衡，这种不平衡可从输出量： 输入量比率得到证实，如玉米和谷子的比率分别为２３：１，大豆和马铃薯为１９：１以及棉花为 １５：１等（表２）。２．２不同部位磷的输出量和输入量果实磷的输出量以谷子为最大，达６８ ．８４１ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）（图１，数据未在图１中列出），其次是玉米和棉 花，分别为２３．９２９和１４．１３６ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）；茎的输出量玉米 最高，为５．３５８ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）；叶以棉花最高，为９．０１０ｋｇ· ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）。白薯的输入量（含块根）最高，达１３．６７０ｋｇ·ｈａ￣（ －１）·ａ￣（－１）。参考有关资料（Ｍ．Ｊ．福里赛尔，１９８１），将输出（入）量＜１， １－５，５－１０，＞１０ｋｇ·ｈａ￣（－１）·ａ￣（－１）作为极低、低、中、高输出（入 ）量类型，则具高磷输出量的器官部位有玉米、谷子、花生、棉花果实，谷子、花生、白薯茎叶等 ；具中等输出量的有玉米、芝麻茎，高梁果实，马铃薯、棉花叶等；具很低输出量的有水稻、小麦 果实，莜麦茎叶，向日葵茎、叶等。就磷的输入量而言，除白薯为高和谷子为低输入类型外，其余 均属极低输入类型。２．３不同子流域玉米对磷的输出量和输入量图２揭示了海河流域不同子流域 玉米对磷的输出、输入量，可以看出输出量从大到小依次为大清河流域＞潮白河流域＞漳卫河流域 ＞滹沱河流域＞永定河流域；输入量：漳卫河流域＞滹沱河流域＞永定河流域＞大清河流域＞潮白 河流域。不同子流域输出（入）量的差异，一是与玉米产量有关，二是与不同子流域玉米含磷量有 关，但在５个子流域中，玉米的含磷量分别为：滹沱河流域０．０８５％；永定河流域０．０７４ ％；漳卫河流域０．０６４％；潮白河流域０．０６２％；大清河流域０．０５４％，与玉米输入 、输出量的变化规律不一致，可见大清河和潮白河流域较高的输出量主要不是由于玉米体内的含量 引起的，而与这两个流域较高的玉米收获量有关，从而表明，这两个流域农业活动频繁，造成磷的 损失也越严重，对化肥的依赖性就越强。虽然不同子流域输入量有一定的差异，但与输出量相比， 还是输出远大于输入。２．４ 以作物输出造成农田生态系统磷损失的速率为了预报农田生态系统 磷损失的速率，我们实测了海河流域２１个土壤样品含磷量，平均值为０．４２±０．２１ｍｇ· ｇ￣（－１），由此估计￣）出海河流域磷库存量约为４７０－１４２０ｋｇ·ｈａ￣（－１）。 由此可以估算，若种植谷子（每年输出磷９９．７５８ｋｇ·ｈａ￣（－１），输入磷４．２９２ｋｇ·ｈａ￣（－１），净减少９５．４６６ｋｇ·ｈａ￣（－１）；种子对磷输入的这部分量很小，因而忽略不计），则土壤磷因收获而损失殆尽所花的时间约为５－１５年，依次类推，玉米为４０－６０年，大豆为８０－２３０年，棉花为２０－６０年，高粱为４０－１２０年等（表３）
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