磷是植物生长发育不可缺少的营养元素之一,植物吸收的磷素主要来自土壤,然而土壤中总磷含量只有0.02%~0.2%,与其他大量营养元素相比较低.有效磷是土壤磷贮库中对作物最为有效的部分,能供作物直接吸收利用,可作为评价土壤供磷能力的一项重要指标^[1].随着土地利用强度的提高,为保证农产品的品质和产量,农业生产中广泛施用磷肥,但磷肥的当季利用率低,且磷素在土壤中的移动性相对较弱,长期施肥导致磷在土壤中大量积累,也会加大土壤磷素向水体流失的风险,产生潜在的环境问题^[2].因此,开展区域耕地土壤有效磷富集特征及其生态风险评价研究,可为合理施肥和防控环境风险提供科学依据.

国内外对土壤磷素富集的研究主要集中在不同土地利用方式、田间管理、养分不同形态和颗粒组成等情况下土壤磷素富集率的差异及其原因^{[3, 4, 5, 6, 7]},以及富集率估算方法的优化^[8]方面,较少采用GIS与数学模型集成技术从不同时期耕地土壤有效磷富集变化角度研究区域土壤磷素富集状况及其生态风险.我国南方丘陵山地区地形复杂,坡度较大,降雨量大且集中,长期持续大量施用磷肥可能导致耕地土壤磷素大量富集,磷素淋失风险增大,从而引起流域水体富营养化等环境问题.本研究以福建省西北部的丘陵山地区泰宁县为研究区,基于GIS与数学模型集成技术,利用1982年6 069个和2008年2221个调查样点数据建立的1∶50 000耕地利用-土壤类型及属性数据库,探讨近30年来该县域耕地土壤有效磷的富集特征,评价研究区耕地磷素富集的生态风险,为丘陵山地区耕地土壤科学施用磷肥和环境风险防控提供科学依据. 1 材料与方法 1.1 研究区概况

泰宁县位于福建省西北部,东经116°53′~117°24′,北纬26°34′~27°08′,土地总面积1 528.81 km²,属中亚热带季风气候,年均气温17 ℃,年均降水量1775 mm,无霜期255 d,年均日照时数1805 h.地貌类型主要有山地(>500 m)和丘陵(200~500 m).研究区耕地总面积12 855.43 hm²,耕地土壤类型主要有红壤、黄壤、水稻土和紫色土,其中以水稻土面积最大,占耕地总面积的82.77%,成土母质一般为坡积物、残积物和冲积物母质,其地理位置和地貌类型分布见图 1和图 2.

图 1 泰宁县地理位置图 Figure 1 Geographical location of Taining County

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图 2 泰宁县地貌类型分布图 Figure 2 Landform map of Taining County

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泰宁县1∶50 000土壤图、1∶50 000土地利用现状图数据库来自农业部测土配方施肥项目;1982年土壤调查样点分析数据来自于泰宁县第二次土壤普查样品分析的纸质记录资料;2008年土壤调查样点分析数据来自农业部测土配方施肥项目样点分析资料;磷肥施用量等基础数据资料来自泰宁县历年统计年鉴. 1.3 耕地土地利用方式-土壤类型数据库的建立

借助ArcGIS 9.3软件,从2008年1∶50 000土地利用现状图数据库中提取耕地图斑矢量图层,将福建省第二次土壤普查1∶50 000土壤类型矢量图层与耕地利用现状矢量图层进行局部配准,转绘耕地图斑的土壤类型信息,建立泰宁县耕地1∶50 000土地利用-土壤类型空间数据库,全县耕地土壤类型归属5个土类、8个亚类、23个土属和28个土种.属性数据库包括1982年和2008年耕地土壤调查样点数据,其中:1982年耕地土壤调查样点数据库是利用第二次土壤普查样点分布图以及样点相关属性分析数据建立,样点数为6069个;2008年耕地土壤样点数据库是直接利用调查样点的GPS经纬度坐标以及样点相关属性分析数据建立,样点数为2221个.土壤属性主要包括有机质、氮、磷、钾、机械组成等理化性质指标(图 3).

图 3 不同时期耕地土壤样点分布图 Figure 3 Distribution of sampling points in farmland soil during different periods

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为比较两期耕地土壤有效磷富集的差异,本研究采用富集率(ER)来衡量不同土壤类型和土地利用方式下磷素富集水平的高低,公式如下^[5]:

ER=(X_S-X₀)/X₀

本研究采用相对风险系数评价耕地土壤磷素富集生态风险程度的高低:

相对风险系数=(有效磷实测值-有效磷生态风险临界值)/有效磷生态风险临界值

由于泰宁县属于亚热带湿润季风气候带的南方红壤区,且福建省至今有关水田、旱地土壤有效磷生态风险临界值研究尚少见报道,仅见章明清等^[9] 研究认为福建省菜地土壤有效磷的临界值为42.8 mg·kg^{-1 [9]},故上式中土壤有效磷生态风险临界值参考鲁如坤等^[10] 在相同气候带的我国南方红壤区土壤磷素积累状况的较全面研究结果,其中旱地土壤有效磷生态风险临界值为60 mg·kg^-1,水田(灌溉水田、望天田、菜地)土壤有效磷生态风险临界值为40 mg·kg^-1.借助GIS软件计算各耕地图斑2008年土壤磷素富集相对风险系数,并运用SPSS软件中的动态聚类分析模型对相对风险系数的大小及其差异规律进行自动分区,根据相对风险系数自动分区值的范围大小将泰宁县耕地土壤磷素富集生态风险划分为生态高风险区(相对风险系数为0.489~1.150)、中风险区(相对风险系数为0.150~0.125)和低风险区(相对风险系数为0.125~0). 1.5 数据统计分析

采用统计分析软件SPSS 19.0进行数据常规统计分析、相关性分析和t检验分析. 2 结果与讨论 2.1 耕地土壤有效磷空间变异性分析

利用GS+9.0软件对土壤有效磷进行半方差分析和插值模型的选择,经对数转换后,数据符合正态分布,半方差分析结果见表 1和图 4.泰宁县不同时期耕地土壤有效磷含量均符合指数模型,各模型决定系数的F检验均为极显着水平(P<0.01),实验半方差函数与理论模型的拟合程度较好,且两期有效磷的块金系数[(C₀/C₀+C)]<25%,说明它们在变程内具有强烈的空间相关性^[11],模型能较好地反应土壤有效磷的空间结构.变异函数满足内蕴平稳假设,利用ArcGIS软件Geostatistical Analyst模块的普通克里格插值模型分别对1982年和2008年耕地土壤有效磷进行Kring插值,建立耕地土壤有效磷空间分布图.

表 1 不同时期耕地土壤有效磷半方差函数模型及参数 Table 1 Semivariance model and its parameters of available phosphorus in farmland soils in different years

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图 4 1982年和2008年耕地土壤有效磷含量的半方差图 Figure 4 Semivariograms of soil available phosphorus in 1982 and 2008

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由表 2分析结果可以看出,1982年泰宁县耕地土壤调查样点有效磷含量均值为13.22 mg·kg^-1,而2008年有效磷含量均值较1982年平均增加23.28 mg·kg^-1,表明26年来全县耕地土壤调查样点有效磷含量显着提高.1982年耕地土壤调查样点有效磷变异系数为135.24%,属强烈变异,而2008年有效磷变异系数仅为87.60%,比1982年降低了47.63%,表明2008年泰宁县耕地土壤有效磷的空间差异性显着下降.

表 2 不同时期泰宁县耕地土壤样点有效磷的统计特征 Table 2 Statistical characteristics of available phosphorus in farmland soil in different years

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耕地土壤有效磷含量空间插值结果表明(表 3),26年来泰宁县近99%的耕地土壤有效磷含量不同程度增加,呈现较明显的富集趋势.1982年全县耕地土壤有效磷含量均值为12.88 mg·kg^-1,2008年为37.20 mg·kg^-1,比1982年增加了24.32 mg·kg^-1,平均富集率达1.89.按全国第二次土壤普查有效磷含量的分级标准统计^[12],2008年泰宁县耕地土壤有效磷含量分级面积较1982年发生明显变化(表 3和图 5),其中2008年耕地土壤有效磷含量极丰富和丰富等级的面积显着增加,分别比1982年增加36.30%和45.53%;中上和中下等级的面积则大幅下降,分别比1982年减少43.77%和35.28%.耕地土壤有效磷含量增幅较大,主要有新桥、开善、下渠和杉城等乡镇,这些乡镇均以农业为主产业.区域耕地土壤有效磷含量及其空间差异性的变化主要与磷肥投入量以及影响磷素有效性因素的变化密切相关.根据泰宁县统计年鉴资料,1982年前,由于磷肥资源较为短缺,泰宁县磷肥施用量相对较低,1971-1982年磷肥施用量均值仅为240 t·a^-1,故该时期全县多数耕地土壤有效磷含量普遍较低,有效磷中上和中下等级面积所占比例较高,且由于区域母质等差异的影响致使耕地土壤有效磷的空间差异较为显着;改革开放以来,随着农业生产的发展,泰宁县磷肥施用量明显提高,2003-2008年磷肥施用量均值高达738.83 t·a^-1,是1971-1982年年均磷肥施用量的3倍(据泰宁县统计年鉴,1971-2008),长期持续大量施用磷肥导致全县耕地土壤磷素含量普遍提升,耕地土壤有效磷含量趋于均一,有效磷的空间差异性显着减小.土壤磷素有效性受土壤pH、有机质、铁铝氧化物、质地、干湿交替状况和微生物活性等因素的影响^[13],国内外研究表明施用有机肥既可以活化土壤本身的无效磷,又可以促进磷的解吸,提高土壤磷的有效性^{[14, 15]},土壤中有机质一般与有效磷含量呈显着正相关.这是由于腐植酸及其矿化过程产生的有机酸络合和酸溶作用,减少了土壤矿物质对磷的固定作用,并促进土壤磷素的活化^[16].

表 3 不同时期耕地土壤有效磷丰缺等级面积 Table 3 Area of enrichment levels of available phosphorus in farmland soil in different years

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图 5 不同时期耕地土壤有效磷空间分布图及有效磷含量差值图 Figure 5 Spatial distribution and difference map of available phosphorus in farmland soil in different years

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利用2008年泰宁县有机质含量与有效磷含量进行相关性分析,结果表明泰宁县耕地土壤有效磷与有机质含量呈极显着正相关(P<0.01),1982年泰宁县耕地土壤有机质含量均值为25.02 g·kg^-1,2008年则达30.68 g·kg^-1,有机质含量整体有所提升.因此,农业生产上肥料(尤其是磷肥)投入的显着增加以及土壤有机质含量提高促进磷素的有效化是导致泰宁县耕地土壤有效磷明显富集、有效磷含量空间差异性减少的主要因素.

不同海拔耕地土壤有效磷含量方差分析表明(图 6a),泰宁县不同海拔间耕地有效磷含量存在显着差异.1982年和2008年耕地土壤有效磷含量均随海拔升高而增加,有效磷含量与海拔呈极显着正相关(r₁₉₈₂=0.265^**,r₂₀₀₈=0.324^**).这与龙胜碧等^[17]的研究结果一致,其原因主要是由于海拔升高气温下降,土壤微生物活性减弱,致使有机质分解缓慢,有利于有机质的积累,而土壤有机质含量与有效磷含量呈显着正相关^[18].从不同海拔耕地土壤有效磷富集率的方差分析结果来看(图 6b),200~500 m与800 m海拔间耕地土壤有效磷富集率呈极显着差异,200~500 m与500~800 m和800 m间的差异也达到显着水平.总体上看,泰宁县耕地土壤有效磷富集率随海拔的升高而减小.这主要是由于泰宁县海拔介于200~500 m之间的耕地面积占全县耕地总面积的77.13%,表明该海拔范围区域是全县的农业主产区,磷肥和有机肥施用量较大导致有效磷富集率较高,而海拔800 m以上的耕地仅占1.70%,由于交通不便且为一熟制栽培,磷肥施用量少导致耕地有效磷富集率较低^[19].

柱上不同大写字母表示P=0.01水平的显着差异,不同小写字母表示P=0.05水平的显着差异 Different capital(lowercase) letters above bars mean difference at P=0.01(P=0.05) level by Duncan′s multiple range test 图 6 不同海拔之间耕地土壤有效磷含量及富集率 Figure 6 Contents and enrichment rates of available phosphorus in farmland soil at different elevation

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由表 4结果可以看出,1982年泰宁县耕地各土类有效磷含量均值介于12.69~14.65 mg·kg^-1之间,2008年各土类有效磷含量均值明显提高,介于31.30~37.61 mg·kg^-1之间,其中红壤、黄壤和水稻土土类的有效磷含量增加较为显着,分别比1982年相应土类有效磷均值提高23.43、23.92、24.50 mg·kg^-1.1982年和2008年不同土壤类型耕地有效磷均值t检验结果表明,红壤、水稻土、紫色土和黄壤两期有效磷均值呈极显着差异(P<0.01).

表 4 耕地不同土类有效磷含量及富集率 Table 4 Contents and enrichment rates of available phosphorus in farmland soils of different soil groups

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从不同土类有效磷富集率来看(表 4),水稻土有效磷富集率最高,紫色土有效磷富集率最低,表明水稻土的有效磷富集作用更为显着.其原因在于:(1)水稻土是经人为水耕熟化发育而成的耕作土壤,土壤熟化度和有机质含量相对较高,1982年和2008年该土类有机质含量均值分别达25.10 g·kg^-1和30.75 g·kg^-1,对提高土壤磷素有效性具有一定作用;(2)由于淹水条件发展起来的还原条件,使水田磷的有效性显着提高^[20];(3)淹水条件使酸性水稻土的pH升高,而红壤性水稻土对磷的固定作用随pH增加而减少,故有利于提高水稻土的有效磷含量^[21];(4)水稻土的利用强度较其他土类高,致使磷肥施用量也相对较多,故其有效磷富集率高.紫色土有效磷富集率低是因为该土类属初育土纲,发育度相对较低,且土壤通气良好致使有机质不易积累,1982年和2008年该土类的有机质含量均值仅分别为水稻土的82.95%和90.33%;且泰宁县紫色土所处地形丘陵起伏,土壤侵蚀作用较强,致使有效磷易于流失,加上该土类利用强度较低,磷肥施用量也相对较低,导致紫色土有效磷富集率较明显低于其他土类. 2.3.2 耕地不同利用方式有效磷富集特征

土地利用方式对耕地土壤有效磷的富集作用具有重要影响.泰宁县的耕地利用方式主要分为灌溉水田、旱地、望天田和菜地.由表 5可以看出,1982年不同耕地利用方式土壤有效磷含量均值为菜地(14.61 mg·kg^-1)>旱地(13.26 mg·kg^-1)>灌溉水田(12.88 mg·kg^-1)>望天田(10.92 mg·kg^-1).这与秦胜金等^[22]对闽江流域不同土地利用方式下土壤磷含量的研究基本一致,其主要原因是1982年之前由于磷肥资源短缺,泰宁县磷肥施用水平总体不高,但农业生产上较重视有机肥的施用,而菜地由于分布区位优势,致使菜地的有机肥施用量一般高于其他耕地利用方式,导致菜地土壤的有效磷含量相对较高.2008年耕地不同利用类型土壤有效磷含量均值则为灌溉水田(37.35 mg·kg^-1)>望天田(33.68 mg·kg^-1)>旱地(33.57 mg·kg^-1)>菜地(24.67 mg·kg^-1),这主要是由于改革开放以来,随着农业生产的发展以及种植制度的变化,泰宁县农业生产的施肥结构发生改变,水田土壤磷肥施用量大幅增加,而且随着沃土工程的实施,水田土壤有机肥施用量也明显增加,致使灌溉水田的有效磷含量大幅增加;而菜地的化肥投入主要以氮肥为主^[23],化学磷肥的施用量低于灌溉水田,致使该时期菜地土壤有效磷含量明显低于其他土类.

表 5 耕地不同利用方式土壤有效磷含量及富集率 Table 5 Contents and enrichment rates of available phosphorus in farmland soils of different land use types

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不同利用方式耕地两期有效磷均值t检验结果表明,泰宁县两期不同土地利用方式耕地的有效磷均值也呈极显着差异(P<0.01),其中灌溉水田有效磷均值增加量最大,高达24.47 mg·kg^-1;而后依次为望天田、旱地和菜地,分别为22.76、20.31、10.06 mg·kg^-1.从不同利用方式土壤有效磷富集率来看,望天田和灌溉水田有效磷富集率较高,分别为2.08和1.90,菜地有效磷富集率最低,仅为0.69.望天田和灌溉水田有效磷富集率较高主要与泰宁县旱季种植烟叶有关,烟叶生产过程大量投入磷肥和有机肥,导致土壤有效磷富集明显^[24];此外,随着沃土工程的实施,水田秸秆还田和种植绿肥等增施有机肥措施也致使近年来泰宁县水田土壤有机质含量普遍上升,据泰宁县统计年鉴资料,2008年冬种紫云英面积达635.2 hm²,是1980年25.33 hm²的26倍,这也在一定程度上提高了有效磷的含量,且促进水田土壤磷素的有效化.有研究表明,长期施用绿肥等有机肥可以增加土壤腐殖质含量,减少土壤磷素固定作用,提高土壤磷的有效性^[25]. 2.4 耕地土壤磷素富集生态风险评价 2.4.1 耕地土壤磷素富集生态风险总体分析

农业面源磷污染是引起水体环境恶化的关键因素之一,上述研究结果表明,自20世纪80年代以来,泰宁县耕地土壤有效磷富集作用明显(图 7),可能增加土壤磷素向水体流失的风险.耕地土壤磷素生态风险评价结果表明(表 6,图 8),2008年泰宁县存在磷素富集生态风险的耕地面积合计4 099.32 hm²,占全县耕地总面积的31.89%,主要分布在新桥、下渠、大田、上青和开善等乡镇.磷素富集高生态风险区耕地面积达459.78 hm²,分别占全县耕地和存在磷素富集生态风险耕地面积的3.58%和11.22%,主要分布在大田和新桥乡;中风险区耕地面积为2 098.07 hm²,占全县耕地和存在磷素富集生态风险耕地面积的16.02%和50.25%,主要分布于新桥、开善、大田和下渠等乡;低风险区耕地面积为1 541.47 hm²,分别占全县耕地和存在磷素富集生态风险耕地面积的11.31%和35.46%,主要分布在上青和下渠乡.可见,泰宁县以农业为主产业的大田、新桥、开善和下渠等乡耕地土壤磷素富集的生态风险较高.总的来说,泰宁县近1/3的耕地土壤存在磷素富集生态风险,其生态风险的高低不仅与不同土地利用类型和种植制度下的田间施肥管理所致的有效磷含量高低直接相关,而且与不同土壤类型性质和地面坡度差异等所致的磷素流失程度不同密切相关.

图 7 泰宁县耕地土壤有效磷富集率分布图 Figure 7 Distribution map of available phosphorus enrichment rates of farmland soils in Taining

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表 6 泰宁县耕地土壤有效磷富集生态风险区面积(hm²) Table 6 Area of ecological risk zones of available phosphorus enrichment of farmland soils in Taining

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图 8 泰宁县耕地土壤磷素富集生态风险分区图 Figure 8 Ecological risk zoning map of available phosphorus enrichment in farmland soils in Taining

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从不同土类耕地土壤磷素富集生态风险分区面积统计来看(图 9a),2008年泰宁县水稻土存在磷素富集生态风险的耕地面积高达3 973.46 hm²,分别占全县耕地和存在生态风险耕地面积的30.91%和96.93%,高、中、低生态风险区面积分别为459.78、2 059.98、1 453.71 hm²,分别占水稻土存在磷素生态风险耕地面积的11.57%、51.84%和36.59%;红壤存在磷素富集生态风险的耕地面积为125.86 hm²,分别占全县耕地和存在生态风险耕地面积的0.98%和3.07%,中、低生态风险区面积分别为38.09、87.77 hm²,分别占红壤存在磷素生态风险耕地面积的30.26%和69.74%;其他土类耕地不存在磷素富集生态风险.可见,泰宁县存在耕地磷素富集生态风险的土类主要是水稻土,一方面由于水稻土是泰宁县主要耕地土壤类型,占全县耕地总面积的82.77%,另一方面土壤磷素流失风险与施肥量呈显着正相关,随着农业生产规模的不断扩大,长期以来水稻土的磷肥施用量一直处于较高水平,增加了水稻土磷素的流失风险^[26],加上淹水条件及较高的有机质含量等条件导致磷素的有效性相对较高,致使其淋失的生态风险也相对较高.红壤作为旱地土壤类型,磷肥施用量通常低于水田土壤^[22],加上其pH值和有机质含量相对较低,磷素固定作用较强^[27],致使其磷素的有效性和富集作用相对较弱,故磷素流失的生态风险也相对较低.

图 9 不同土、土地利用方式和坡度耕地土壤磷素富集生态风险分区面积 Figure 9 Area of ecological risk zones of available phosphorus enrichment in farmland soils of different soil groups, land utilizations and slopes

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从不同利用方式耕地土壤磷素富集生态风险分区面积统计来看(图 9b),2008年泰宁县耕地存在磷素富集生态风险的土地利用方式有旱地、望天田和灌溉水田,均以中风险为主,其中灌溉水田存在磷素富集生态风险的面积最大,为4 032.57 hm²,占耕地总面积的31.37%,望天田和旱地存在磷素富集生态风险的面积较小,分别为13.76、52.98 hm²,仅占耕地总面积的0.41%和0.11%.这一方面是由于灌溉水田是泰宁县主要的土地利用类型,占耕地总面积的94.97%,在农业生产中这些灌溉水田不仅磷肥施用量较高,而且多为分布于丘陵山地区的坡耕地,其坡面坡度介于0°~29.40°,平均坡度达6.88°,从而增加了灌溉水田磷素向水体流失的风险;另一方面是由于种植制度对地表磷素的流失量有较大影响,烟-稻轮作是泰宁县灌溉水田的主要种植制度,水旱轮作更易发生土壤磷淋失^[28]. 2.4.4 不同坡度耕地磷素富集生态风险分析

从不同坡地耕地土壤磷素富集生态风险分区面积统计来看(图 9c),在0°~15°坡度范围内,2008年泰宁县耕地磷素富集生态风险面积随坡度的增大而增加,其中以2°~15°坡度范围的耕地磷素富集生态风险面积较大,合计面积达2 989.49 hm²,占全县存在磷素富集生态风险耕地总面积的72.93%.这主要与坡度对耕地土壤磷素流失的影响程度密切相关.农田土壤中磷进入地表和地下水体的途径主要有地表径流、侵蚀和淋溶等三种^[29],其中地表径流和土壤侵蚀是磷流失的主要途径.泰宁县地处亚热带湿润气候区,降雨量多、降雨强度大,易发生地表径流和土壤侵蚀.有研究表明,土壤磷流失与地面坡度显着相关,坡度影响农田土壤径流中磷的流失量,坡度增大,径流中磷的流失量呈增大趋势,地面坡度为6°~12°的径流中磷流失急剧增大,12°以后磷流失量增加减缓^{[30, 31]}.泰宁县地形坡度2°~6°、6°~15°的耕地面积合计占全县耕地总面积的70.43%,故坡耕地在一定程度上加大了磷素的流失风险. 3 结论

(1)研究区耕地土壤有效磷富集作用十分明显,1982-2008年间泰宁县耕地土壤有效磷含量显着增加,空间差异性显着下降.2008年全县耕地土壤有效磷含量极丰富和丰富的面积大幅增加,而有效磷中上和中下的面积则大幅降低.不同土壤类型和利用方式下耕地有效磷富集作用差异较明显,水稻土土类的有效磷富集率最高,望天田利用类型的有效磷富集率最大.

(2)2008年研究区耕地存在磷素富集生态风险以中风险为主,水稻土土类的磷素富集生态风险最高.施肥结构变化(包括肥料种类及其施用量)、淹水状况和有机质含量提升等是引起研究区耕地土壤有效磷富集和生态风险增大的主因.水田利用方式下的耕地土壤有效磷流失生态风险较大,应引起高度重视.

(3)利用不同时期区域耕地土壤调查样点分析数据,采用GIS与数学模型集成技术,能够从空间尺度上科学地揭示区域耕地土壤有效磷富集状况、生态风险高低及其分布规律,实现区域耕地土壤磷素富集与生态风险评价的空间细化,对开展耕地土壤磷素生态风险和面源污染的分区调控具有应用价值.由于本研究区土壤及地理条件等与鲁如坤的研究区可能存在差异,对完全适用于本研究区耕地土壤磷素富集生态风险评价的重要参数“有效磷生态风险临界值”有待于进一步深入研究确定.