土壤磷素供应能力supplying capacity ofsoil phosphorus

土壤满足作物对磷需求的能力。它是一个综合概念，主要包括土壤磷素供应的强度因素。数量因素、缓冲能力和土壤磷向根供应的过程。
强度因素（土壤溶液磷）是土壤磷素供应的直接来源，数量因素是土壤活性态磷（通常指与土壤溶液磷处于平衡状态的固相磷）的总贮备，而缓冲能力则是土壤维持强度因素的能力。它是强度因素(I)和数量因素(Q)的比值(Q/I)。上述三项构成了土壤磷素供应能力的主体。但有效态磷只有到达根系才能真正被植物吸收，而土壤磷素的供应过程（磷素向根系的运动过程）是土壤磷素供应的必要条件。
强度因素 是土壤磷素有效性大小的一个量度，通常用磷酸离子在土壤溶液中的化学位（磷酸离子在土壤溶液中的自由能水平）表示。所以，养分的强度因素即是养分自由能水平的高低，是一个能量概念。土壤溶液中养分离子的自由能决定于一系列因素，但是常温常压下达到平衡时，主要决定于该离子在土壤溶液中的浓度或活度，即：

μ=μ⁰+RT ln m

式中 μ为养分离子的化学位；μ⁰为标准状况下的化学位；R为气体常数；T为绝对温度；m为土壤溶液中该离子的浓度或活度（摩尔）。
由于μ⁰是一个常数，上式则可简化为：μ=RTln m；在常温常压下，RT也是一个常数。因此，养分离子的化学位直接和该离子在土壤溶液中的浓度（活度）成比例。所以，在土壤植物营养化学中，通常把土壤溶液中某养分离子的浓度（活度）直接作为该养分的强度因素，在这种特定条件下，土壤溶液中养分的浓度具有能量含义。
土壤溶液中磷的浓度很低。有人将其粗分为以下4个等级：❶10^-4摩尔/升(3毫克/升)时，可以充分满足作物对磷的需要；
❷10^-5摩尔/升(0.3毫克/升)时，能满足多数作物对磷的需要；
❸10^-6摩尔/升(0.03毫克/升)时，多数作物感到磷供应不足；
❹10^-8摩尔/升(0.0003毫克/升)时，作物将感到极度缺磷。不同作物的最适磷浓度见表1。

表1 不同作物的最适磷浓度

作物种类	最适磷浓度 (mg/L)	作物种类	最适磷浓度 (mg/L)
大 麦 水 稻 小 米 玉 米	0.1 0.1 0.07 0.06 0.4	小 麦 甜玉米 牧 草 马铃薯 花 生	0.3 0.13 0.2～0.3 0.1 0.01
番 茄	0.2	大 豆	0.2

土壤质地（土壤缓冲能力）对磷素供应的强度影响较大。大麦在不同质地土壤上的最适磷浓度是：粘土为0.10毫克/升；粉砂粘土为0.16毫克/升；细砂壤土为0.35毫克/升。质地轻的土壤上，其临界值要高得多，这是因为轻质土的养分缓冲能力小。
另一个磷强度因素的表示法是磷位，磷位也取决于土壤溶液中磷的浓度。表2列出了磷位与部分作物生长的关系。为了便于比较，表中数字单位为1×10^-6摩尔/升。

表2 磷位^*与作物生长

作物	极 缺	需施磷肥	最佳水平
小麦 大麦 大豆 马铃薯 豌豆	1(8200)** 1(8200) 1(8200) 1(8200) 2(7800)	5(7300) 2(7800) 3(7600) - -	10(6900) 5(7300) 5(7300) 40(6000) 30(6200)

* 磷位(1/2Pca+PH₂PO₄)中1/2Pca一般为常数，故这里用RT ln aH₂PO₄表示；
* * 括号外数字为磷活度(M×10^-6)，括号内数字为1362×log aH₂PO₄(卡/克分子)
测定土壤磷素强度因素通常有4种方法：❶测定土壤溶液的全磷含量。
❷测定土壤溶液中H₂PO^-₄或HPO^-₄的活度。
❸测定H₂PO-4的化学位。
❹测定磷酸一钙位（磷位）。第一种方法较常用。因为简单方便。其他方法均需计算磷离子活度。
数量因素 与土壤溶液中磷酸离子处于平衡状态的土壤固相的磷量。
由于土壤溶液中磷的浓度和作物需要量相比是很少的，一般肥沃土壤中，土壤溶液磷的浓度也只有0.3～0.03毫克/升，如果土壤溶液为土重的20%，那么每公顷土壤耕层中土壤溶液中的磷量也只有0.01～0.14千克/公顷，但一季作物在中等产量时需要磷20千克/公顷左右。如果作物单纯依靠土壤溶液中的磷，那么，不仅磷的浓度要急剧下降，而且很快就被消耗殆尽。但在磷浓度为0.2毫克/升的情况下，作物一般都能得到磷的充分供应。这是因为一旦土壤溶液中磷被吸收，固相养分会很快补充进去而大体保持磷浓度的不变。这种与液相磷处于平衡状态的磷量，称为土壤磷素供应的数量因素(活性磷，labile P)。因此，不同的土壤即使具有同样的磷素供应的强度因素，如果它们的磷素供应的数量因素不同，它们的养分供应能力也不可能是一样的。但是，由于土壤性质的复杂性，至今还没有一个比较满意的方法定量测定数量因素。常用的有同位素测定(A—值和L—值)法、生物提取法或化学提取法（包括树脂法），以及有效磷的化学测定法。也有人建议用兰米尔(Langmuir)方程中的最大吸附量作为数量因素。但这些方法，只能近似地测定土壤磷素供应的数量因素。
缓冲能力 (buffering capacity,BC) 是土壤磷素供应强度因素(I)和数量因素(Q)的比值(Q/I)。它表征土壤保持溶液中磷素浓度的能力。
将土壤养分供应的强度因素和数量因素两者作图(图1)。即可从图看出，其直线的斜率为△Q/△I，即土壤的缓冲能力。若I 以养分位表示时，则为土壤磷素养分供应的磷位缓冲能力(potentialbuffering capacity,PBC)。可见，土壤养分的缓冲能力，就是土壤养分强度因素每变动一个单位时，数量因素变动的数量。如有A、B两个土壤，它们的缓冲能力是：

当IA及IB以同一数量减少时，则ΔIA=ΔIB时，则ΔQA>ΔQB。也就是说，当植物从两种土壤中吸收同样数量的磷素后，缓冲能力大的土壤将有更多的磷转入溶液，从而具有保持溶液磷浓度更大的能力。亦即土壤溶液中磷浓度的降低要小得多。通常，随着土壤养分缓冲能力在一定范围内的增加，其最适浓度临界值也相应降低(图2)。

图2 土壤养分的缓冲能力和最适浓度临界值的关系

图3是不同土壤磷吸附的等温线。从图中可以看到，在灰壤中，要使土壤溶液的浓度达到最适浓度A，所需加入的磷量（磷的吸附量）要比红壤小得多。也就是说，红壤对磷的缓冲能力要比灰壤大得多。因此，我们可以通过磷的等温吸附线来测定不同土壤的磷肥需要量。
供应过程 磷素养分在土壤中向根运动与植物根系接触并吸收的过程。它包括根系截获、质流和扩散。

根系截获 指植物根系伸展到磷素养分存在部位，并与土粒密切接触而吸收。即土壤固相上的磷素养分并不进入土壤溶液而直接与根系分泌的H⁺（对阳离子养分而言）交换而被吸收。当然，即使固相养分可以与植物根系直接接触而被根面吸附，但其所吸收的养分在穿过细胞壁(其厚度可达1000纳米)时，仍需通过液相。另外，根系在土壤中所能直接接触的土壤体积是很小的(约占土壤体积的1%左右)，因此，根系截获所供应的磷养分量也只占土体中有效磷量的1%左右。
质流 植物根系吸收水分时，磷素养分随土壤溶液到达根面的过程。其可供应的养分量决定于液流速度（作物需水量或蒸腾系数）和土壤溶液中养分的浓度。当质流供应磷素养分的速度大于植物的吸收时，磷素可在根面积累。反之，根面则出现磷素养分亏缺区，而当两者速度相等时，根面养分浓度可以保持不变。
估计质流所供应的养分量通常有两个方法：一是将作物吸水速率乘以土壤溶液中该养分浓度。一般作物的吸水速率大约是1×10^-7厘米³/(厘米²·秒)；另一是根据作物的蒸腾系数(一般作物的蒸腾系数在200～600之间)进行估计。例如，某一作物的蒸腾系数为400；作物每克干物质中含磷素养分为4%，如质流能全部满足作物对磷的需要，则土壤溶液中磷养分的浓度不应低于：0.04/400=0.01%。如果土壤溶液中磷素养分浓度低于此值时，则磷素必须通过扩散来供应。
扩散 在质流不能满足植物养分需要时，根面和土体之间形成浓度差，养分由高浓度区向低浓度区（根面）扩散。由于根系是连续不断地吸收养分的，所以扩散过程也是持续进行的。养分扩散的距离决定于扩散速度，对植物而言，只有处于扩散距离内的养分才是生物有效的养分。
扩散速度取决于浓度梯度（浓度差）。其数学表达式是：

式中 F为扩散速度(单位时间，单位面积的扩散量，单位为μmol·cm^-2·s^-1);dc/dx为浓度梯度(c为浓度，x为距离，所以浓度梯度是单位距离的浓度差，单位是μmol ·cm^-3·cm^-1);D为扩散系数（比例常数）。
此方程为著名的费克(Fick)扩散第一定律。方程中的负号，是因为扩散是由高向低浓度区进行的；扩散系数适用均匀介质而不适用于土壤。
磷素养分在土壤中的扩散只能在含水空隙中进行，扩散路径曲折，加之土粒带有电荷，土粒表面水分粘度又较大。在土壤条件下，影响扩散系数的因素有：❶土壤水分含量。土壤含水量(以体积%计)代表土壤中充满水分的空隙量。在水分减少时，充满空气的空隙量增加，可以进行扩散的水分截面积减少，所以水分含量与养分扩散截面积有关，对于砂质土壤的水分含量大约在5%左右，粘土可以达50%，而对于壤土或粉砂壤土可以变动在15%～30%。
❷阻滞力。养分在土壤中扩散时受到各种阻力，导致养分扩散减慢。土壤质地、粘粒性质、pH值、有机质含量、可溶性盐含量乃至交换性离子等都对养分的扩散有影响。
❸养分缓冲能力。土壤养分缓冲能力大，养分扩散系数则小；交换量大的土壤，即土壤固相养分浓度高的土壤，其养分的扩散系数则低。
❹温度。由于温度对水分的粘度和离子的热运动（布朗运动）有明显影响，若温度由20℃增加到30℃，则扩散系数可增加30%。温度对土壤养分的缓冲能力也有一定的影响，所以扩散系数也受温度的制约。
在水溶液中求得的养分扩散系数，必须经过校正才能用于土壤。通常用下式求土壤中的养分扩散系数。

式中 D为土壤中养分扩散系数；D₀为溶液的养分扩散系数；f为阻滞因数； Q为土壤容积水分含量； C₀为土壤溶液中该离子的浓度；C为土壤固相养分浓度。
此式已将影响土壤养分扩散的主要因素都考虑在内了。其中dco/dc_s为养分缓冲能力的倒数(1/b)，即土壤养分的缓冲能力增大时，扩散系数减小。

表3 养分在溶液中和土壤中的扩散系数(cm²/s)

养 分	在溶液中	在土壤中
H2PO4- NO3- K+	0.89×10-5 1.9×10-5 1.98×10-5	10-8～10-11 10-6～110-7 10-7～10-8
Ca2+ Mg2+	0.78×10-5 0.70×10-5	- -

根据扩散系数，则可求出养分在一定时间中的扩散距离：

式中 x为在时间t（以秒计）的扩散距离（厘米）;D为在土壤中的扩散系数。
根据此式，即可求出在一天时间内，养分离子的扩散距离。按表3中的值计算可以得出：
H₂PO^-₄可以扩散0.001～0.04厘米；NO^-₃可以扩散0.13～0.42厘米；K⁺可以扩散0.04～0.13厘米。
根系截获、质流及扩散三种方式在土壤养分供应量上所占比率是各不相同的(表4)。

表4 三种供应方式在土壤养分供应量上所占比率(玉米，kg/hm²)

养分	总吸收量	根系截获		质流		扩散
		供应量	%*	供应量	%*	供应量	%*
氮 磷 钾 钙 镁 硫	190 40 195 40 45 22	2 1 4 60 15 1	1 3 2 150 33 4.5	150 2 35 150 100 65	79 5 18 375 220 295	38 37 156 0 0 0	20 92 80 - - -

* 以总吸收量为100
从表中可以看到，氮主要靠质流供应；磷、钾则靠扩散供应；钙、镁、硫，主要靠质流供应，而且供应量大大超过作物需要量。