土壤有效磷(Olsen-P)含量的变化过程及其与土壤磷素平衡和作物产量的关系是科学推荐施磷的基础.本文通过设置于黄土高原黄绵土区持续34年(1981-2015)的长期定位试验,研究了长期不同施肥处理对作物磷素携出量、土壤磷素平衡、土壤Olsen-P含量的影响及其演变过程,同时对土壤Olsen-P含量与磷素平衡和作物籽粒产量的相关关系进行了分析.试验采用裂区设计,主处理为施用有机肥(M)和不施用有机肥,副处理为不施化肥(CK)、单施氮肥(N)、氮磷肥配合施用(NP)和氮磷钾肥配合施用(NPK).结果表明:不同施肥处理和作物类型对磷素携出量和磷素平衡都有显著影响.CK、N、NP、NPK、M、MN、MNP和MNPK处理小麦的磷素携出量多年平均值为8.63、10.64、16.22、16.21、16.25、17.83、20.39、20.27kg·hm-2,而油菜为4.40、8.38、15.08、15.71、10.52、11.23、17.96、17.66 kg·hm-2,小麦的携出量略高于油莱.土壤磷素盈亏量与磷素投入量呈显著正相关,土壤磷素盈余为零,种植小麦的最小土壤磷素投入量为10.47 kg· hm-2,而油菜为6.97 kg·hm-2.土壤磷素盈亏量显著影响土壤有效磷的变化过程.长期不施磷的CK和N处理,土壤有效磷含量随试验年限延长而逐渐降低,年均分别降低0.16和0.15 mg· kg-1,而NP、NPK、M、MN、MNP和MNPK处理土壤有效磷含量随试验年限的延续而逐渐增加,年均增幅在0.02～0.33 mg·kg-1.土壤磷素累积盈亏量与土壤有效磷含量间存在显著的正相关关系,不施用有机肥和施有机肥处理可分别用线性模型y=0.012x+9.33和y=0.009x+ 11.72显著拟合.不施有机肥处理小麦籽粒产量与土壤有效磷含量呈显著正相关,而施有机肥处理两者间的相关性不明显,两者的小麦籽粒产量和土壤有效磷含量可以用线性分段模型拟合.小麦土壤有效磷农学阈值为14.99 kg·hm-2,油菜籽粒产量虽随土壤速效磷含量增加呈增加的趋势,但相关性不显著,表明在黄土高原黄绵土区,当土壤有效磷含量高于14.99 mg· kg-1时,种植小麦应减少磷肥施用量或不施磷肥.

针对磷肥施用量大且利用率不高的问题,通过2011-2013年在甘肃省农业科学院张掖绿洲灌区农业生态环境重点野外台站进行定位试验,研究了不同施磷量对露地大白菜产量、磷肥利用率以及磷素平衡的影响.结果表明:大白菜产量随施磷量的增加先增加后呈下降的趋势.在施磷量为112.52 kg· hm-2时产量达到最高(5489.1 kg·hm-2),且显著高于其他处理,与不施磷处理相比,增产13.3％～23.8％,此时磷肥利用率为14.2％.土壤中土壤有效磷(Olsen-P)和可溶性总磷(CaCl2-P)呈现较好的正相关性,土壤Olsen-P含量为24.22 mg·kg-1时对应的施磷量为111.1 kg·hm-2,表明当土壤中Olsen-P含量小于24.22 mg·kg-1时,土壤中的磷素不发生盈余,对环境不造成污染.当施磷量为60.17 kg·hm-2时,磷输入与输出达到平衡,即此施磷量水平能满足作物的需求.结合研究区的土壤肥力状况,综合产量、磷肥利用率及土壤有效磷含量,干旱绿洲灌区磷肥投入阈值在60.17～112.52 kg·hm-2时,能保证露地大白菜高产,并且不会造成环境污染.

磷素是水体富营养化的关键限制因子,其中从农田土壤中流失的磷往往是水体磷素的主要来源.然而,土壤磷素的流失风险不仅与土壤磷素水平直接相关,其他环境因子,如距受纳水体距离、磷肥施用量、地表径流潜力等也强烈影响其流失风险.同时,基于有限样本预测得到的流失风险必然具有一定的空间不确定性.以长三角典型县域金坛区为研究案例,首先结合多个环境因子构建快速磷指数(RPI)评估模型,再利用稳健地统计学方法识别土壤全磷的空间离群值,并利用序贯高斯模型(SGS)模拟土壤全磷可能的空间分布格局,最后将其多个可能的模拟结果及上述主要因子输入到RPI模型,用以快速评估土壤磷素流失风险及其空间不确定性.结果 显示,金坛区土壤磷素流失的高风险区和土壤全磷高值区分布格局在研究区北部、中部具有一定的相似性,而在中西部的旱地区两者出现差异性.高风险区主要沿着河流呈现条带状及斑块状分布,较高及以上风险区(快速磷指数值大于0.93)的面积占金坛区面积的65.88％.概率阈值分别设定为0.50、0.75、0.85、0.95时,其超标面积占金坛区总面积分别达到16.71％、5.74％、2.84％、1.04％.引入多个相关环境因子并结合经稳健处理的SGS进行流失风险指数的空间模拟和不确定性评估,可以快速评估区域农田土壤磷素流失风险及不确定性,进而为区域土壤磷素调控提供必要的空间决策支持.

利用1980-2017年相关数据,通过构建数学模型,计算河南省及其地市氮磷钾化肥施用的环境安全阈值,评价化肥施用的生态经济合理性,为其化肥减量增效、防治面源污染、促进农业可持续发展提供参考.结果 表明:1980-2017年,河南省化肥施用环境安全阚值从104 kg·hm-2增加到266 kg·hm-2,化肥施用合理指数从1980年的0.72上升到1988年的1.00后降低到2017年的0.16,化肥施用生态经济合理性经历了施肥不足不合理到施肥合理,又到施肥过量不合理和很不合理的变化过程;2017年,河南省18个地级市中只有鹤壁的化肥施用较为合理,化肥施用量没有超出环境安全阈值的30％,为生态经济合理性二级水平;另除开封和信阳外,其他15个地市的化肥施用都超出了环境安全阈值的50％,化肥施用不合理,为生态经济合理性四级水平;全省磷肥施用生态经济合理性最差,氮肥次之,钾肥较轻;按照化肥施用环境安全阈值施肥,全省可节约化肥约310× 107 kg,其中氮磷钾单质肥料分别为128.4× 107、115.7×107、65.9×107 kg.总之,河南省化肥施用不合理,区域差异明显,化肥减量潜力很大,实现化肥施用负增长、粮食安全-生态友好双赢发展任务艰巨.