趙建博　李曄　邵嘯

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院　武漢 430070)

?

施磷對香溪河黃棕壤磷素淋失的影響研究*

趙建博李曄邵嘯

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院武漢 430070)

摘要為了闡明香溪河流域黃棕壤在降雨條件下磷素通過淋溶流失的特征，采取室內(nèi)連續(xù)淋洗的方法對香溪河黃棕壤的磷素淋溶特征進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，磷素的淋溶損失隨著施磷水平的提高而增加，不同施磷量處理的淋洗峰值出現(xiàn)的時間無顯著差異，淋失的磷主要以可溶性磷為主。施肥提高了各土層土壤的有效磷含量，施肥后土壤無機(jī)磷各形態(tài)磷之間并沒有明顯的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律，但是各組分所占無機(jī)磷比例的高低呈現(xiàn)O-P>Ca-P>Fe-P>Al-P的規(guī)律。

關(guān)鍵詞磷淋溶黃棕壤

0引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水體富營養(yǎng)化情況日益嚴(yán)峻，僅湖泊就有85%面臨富營養(yǎng)化情況，而水體農(nóng)業(yè)面源負(fù)荷占總污染負(fù)荷的50%以上，可見農(nóng)業(yè)面源污染已成為水體污染、湖泊富營養(yǎng)化的主要輸出源[1]。在香溪河流域，每年大約有1 623.49 t氮和331.85 t磷匯入香溪河庫灣，引起香溪河流域水體富營養(yǎng)化。其中，香溪河貢獻(xiàn)了68.50%的總氮和91.74%的總磷[2]。因此，研究香溪河流域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，對于保護(hù)香溪河水質(zhì)有著重要的意義。

一般情況下，由于土壤對磷吸附固持能力強(qiáng)，土壤中的磷向下淋溶損失少。但是，越來越多的研究證明，農(nóng)田土壤過量施肥，磷素有向下淋失的風(fēng)險[3-5]。目前對磷淋溶流失的研究多集中在磷素淋溶的形態(tài)、影響因素、可能機(jī)理等方面[6-9]，關(guān)于香溪河流域農(nóng)田土壤磷素垂直滲漏的研究很少。本研究通過室內(nèi)土柱模擬試驗，以香溪河流域黃棕壤為研究對象，研究模擬降雨下磷素的淋溶特征，為有效防治香溪河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1試驗材料與方法

1.1土樣采集與處理

香溪河流域黃棕壤和石灰土的面積最大，達(dá)到78.6%，是該區(qū)域耕地的主要類型[10]。由于黃棕壤多分布于800～1 800 m之間的地帶，肥力中等，山區(qū)雨量多，易產(chǎn)生流失，所以本研究選取黃棕壤為研究對象。經(jīng)野外考察確定采樣位置，采集0～40 cm土壤，自然風(fēng)干，清除土樣中石塊、作物根系等雜物，研磨過1 mm篩備用。然后過不同孔徑的篩網(wǎng)，制備測定土壤不同理化性質(zhì)的土樣。土樣的基本理化性質(zhì)見表1。

表1　供試土壤的基本理化性質(zhì)

1.2土柱淋溶試驗

1.2.1試驗裝置

淋溶土柱采用直徑為7.5 cm的PVC管(內(nèi)徑7.1 cm)，總高度60 cm，從上往下依次為10 cm的空余高度(加水、防止雨滴和土壤顆粒外濺)、5 cm砂石、40 cm土壤層、5 cm砂石。作物根系主要集中于0～20 cm的土層，對40 cm以下的土壤養(yǎng)分吸收很少，故將淋溶至40 cm以下的磷素視為淋溶損失。

土柱底部用100目的尼龍網(wǎng)布包扎，用直接扣緊，墊5 cm潔凈石英砂(裝柱前用稀酸浸泡，用蒸餾水清洗，烘干)。依原狀土壤容重值計算，折合成各層所需的干土重量分層填充。試驗前，均勻噴灑蒸餾水，使每個土柱土壤達(dá)到田間持水量，各土柱間水分環(huán)境相似。待土柱穩(wěn)定后取5 cm左右的表土，將過磷酸鈣與土壤混合后回填土柱。為均勻布水，防止股狀流和優(yōu)先流的產(chǎn)生，在土壤表層鋪墊5 cm厚潔凈石英砂，蓋上濾紙，防止灰塵進(jìn)入。

1.2.2試驗方法

試驗設(shè)置了4個施肥處理(以P2O5計)：P0(0 kg/hm2),P1(125 kg/hm2),P2(250 kg/hm2),P3(500 kg/hm2)，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。過磷酸鈣作基肥一次性施入，在淋溶前1天施于土柱0～5 cm土層。

試驗采用間歇淋溶法，淋溶用水為蒸餾水。香溪河流域多年平均降雨量為1 010.3 mm，折合土柱的灌水體積為3 999.97 mL，為研究方便，采用4 000 mL灌水量，分10個灌水周期，每周期加400 mL蒸餾水。具體做法為：分10個周期，每個周期6 d，其中前5天每天7:00和17:00均給每個土柱準(zhǔn)確加蒸餾水40 mL，共400 mL。淋溶液用塑料瓶承接，待不再有淋溶液下滲流出時，測量淋溶液的體積并進(jìn)行各項指標(biāo)的測定。

淋溶結(jié)束后土柱中分層取樣，依次為0～5 cm,5～10 cm,10～20 cm,20～30 cm,30～40 cm，自然風(fēng)干、過篩，測定土壤全磷、有效磷、無機(jī)磷的含量。

1.3測定項目與方法

土壤基本性質(zhì)用未施肥的風(fēng)干土測定；有機(jī)質(zhì)用高溫外加熱重鉻酸鉀氧化-容量法測定；速效磷采用0.5 mo1/L碳酸氫鈉溶液浸提，鉬銻抗比色法分析測定；土壤全磷采用硫酸-高氯酸消煮，鉬銻抗比色法測定；土壤無機(jī)磷采用修改后的張守敬-Jackson法測定。

淋溶液分2份，1份采用過硫酸鉀消解法測定總磷含量(TP)，1份過0.45 μm濾膜測定可溶性總磷含量(DTP)[11]。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

土柱淋溶的每個處理均重復(fù)3次，文中所用數(shù)據(jù)為3個土柱的測定平均值。采用SPSS17.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2試驗結(jié)果與討論

2.1磷素淋溶流失的動態(tài)過程

土壤磷素淋溶試驗結(jié)果表明，不同施肥量下淋溶液TP和DTP的變化趨勢基本一致，均可分為兩個明顯的階段，即濃度快速升高階段和緩慢降低階段(圖1、圖2)，而且淋失濃度都隨著施肥量的增加而增加，這和倉恒瑾、張英鵬等[12-13]人的研究結(jié)果一致。

圖1淋溶液總磷質(zhì)量濃度變化

圖2淋溶液可溶態(tài)總磷質(zhì)量濃度變化

開始淋溶階段，淋溶液中TP，DTP較少，在0.50 mg/L以下，主要是由于磷肥施在土柱表層，磷肥溶解需要一定時間，而且土壤和磷素之間發(fā)生反應(yīng)，土壤吸持磷素，導(dǎo)致磷素在土柱中的移動緩慢[14]。之后TP，DTP值升高，第18天淋溶液磷濃度出現(xiàn)峰值，其中P1處理最高質(zhì)量濃度值為0.78 mg/L，P2處理為1.12 mg/L，第12天P3處理出現(xiàn)質(zhì)量濃度最高值，達(dá)到1.38 mg/L?？梢婋S著施肥量的增加，淋失濃度峰值提前。施肥量不同，淋溶液磷素淋失的濃度變化范圍不同，P0組磷素質(zhì)量濃度從0.35 mg/L降到0.07 mg/L，P1，P2，P3處理磷素淋失質(zhì)量濃度范圍分別為0.3～0.78 mg/L，0.33～1.05 mg/L，0.72～1.38 mg/L。與P0比，施肥增加了黃棕壤磷素的淋失，與許曉光等[15]的研究結(jié)論吻合。

施肥處理前18天淋溶中，TP和DTP值差異不明顯，DTP占TP 70%以上，最高達(dá)91.34%，18天以后，DTP所占比例較穩(wěn)定。這種變化規(guī)律與磷在土壤中的轉(zhuǎn)化和遷移特性有關(guān)，試驗黃棕壤為酸性土壤，含有大量三氧化物(如氧化鐵、氧化鋁等)，可溶性磷在向下遷移的過程中，一部分被土壤吸附，一部分則以Fe-P，Al-P的形態(tài)沉淀下來，只有當(dāng)土壤吸附固定P達(dá)到飽和后，多余的磷肥才以可溶態(tài)繼續(xù)向下遷移[16-17]。隨著淋溶的持續(xù)，DTP所占比例下降到最低，分別為47.46%，44.33%和33.48%。淋溶過程中，DTP在TP中的變化呈現(xiàn)下降的趨勢，其中P1處理的范圍為47.46%～81.97%，P2處理的范圍為44.33%～90.29%，P3處理的范圍為33.48%～88.21%。說明淋溶作用下，黃棕壤中P的固定是動態(tài)過程，開始階段以固定作用為主，此后以淋溶作用為主，最后達(dá)到動態(tài)平衡。

2.2淋溶后土柱中土壤有效磷的分布

淋溶試驗結(jié)束后，測定不同施肥水平下各土層土壤中的有效磷質(zhì)量濃度，試驗結(jié)果見圖3。

*本文為江蘇省2018年度社科基金項目“基于語料庫的江蘇海外形象構(gòu)建研究”（編號：18YYC001）和江蘇省2017年度高校哲學(xué)社會科學(xué)研究基金項目“1946-2016年美國兩黨國情咨文的批評認(rèn)知研究”（編號：2017SJB0540）的階段性成果。

圖3淋溶后不同土層有效磷質(zhì)量濃度的變化

由圖3可知，同一深度處，隨著施肥量的增加，土壤有效磷含量增加，與陳波浪、劉星等人的研究結(jié)果一致[18-19]；在同一施肥量下，隨著土柱深度的增加， 土壤中的有效磷含量呈下降趨勢。

P0處理中，隨著土柱深度的增加，有效磷質(zhì)量濃度由20.61 mg/kg降到19.01 mg/kg，施肥量為500 kg/hm2時，有效磷質(zhì)量濃度由30.17 mg/kg下降到24.26 mg/kg，與淋溶前比較，P1，P2，P3處理0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm土層土壤有效磷質(zhì)量濃度分別增加了2.81，2.40，1.68，1.54，0.76 mg/kg， 3.07， 4.70， 3.93， 3.40， 2.27 mg/kg和9.56，9.41，9.15，4.73，3.65 mg/kg。

相關(guān)分析表明，0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm，20～30 cm，30～40 cm土層土壤有效磷質(zhì)量濃度與施肥量之間均呈極顯著正相關(guān)(R2分別為0.818 5，0.999 9，0.999 9，0.821 1，0.953 2)。

2.3施肥對土壤全磷及無機(jī)磷遷移分布的影響

淋溶試驗結(jié)束后，測定不同施肥水平下各土層土壤全磷和無機(jī)磷質(zhì)量濃度，試驗結(jié)果見表2。不同施肥處理下，土壤不同層的全磷質(zhì)量濃度不同，無機(jī)磷質(zhì)量濃度也有差異。

表2　不同施磷水平土壤無機(jī)磷形態(tài)分布

由表2知，施肥增加了土柱不同深度的土壤全磷質(zhì)量濃度，隨著施肥量的增加其增加量顯著提高，與李同杰等[20]的研究結(jié)果一致。淋溶后，空白試驗組的土柱全磷質(zhì)量濃度在剖面上變化小，而施肥處理組，全磷剖面的分布特點(diǎn)為上層高，下層低。在P1，P2，P3處理中，0～5 cm土壤全磷質(zhì)量濃度比P0分別提高4.16%，12.91%和24.98%，30～40 cm土壤全磷的增幅分別為1.50%，6.48%和6.39%，主要原因在于土壤對磷素具有較好的吸附作用，施入的磷肥被土壤吸附。

相同施肥量下，不同深度處各形態(tài)無機(jī)磷的比例不同。以P3為例，施肥后土壤無機(jī)磷主要以Ca-P和O-P為主，在土柱不同深度分別占無機(jī)磷組分的38.74%～43.25%和41.25%～48.94%，而Fe-P的比例為7.28%～15.28%，Al-P僅占1.95%～20.65%。

3結(jié)論

(1)香溪河流域黃棕壤土壤磷素淋溶流失在開始階段比較少，隨著淋溶時間的增加其淋失濃度逐漸增加，到18天左右淋失濃度達(dá)到最高，之后逐漸降低。隨著施肥量的增加淋失濃度增加。為了減少香溪河流域磷素的淋溶流失，應(yīng)該減量施肥，合理施肥。通過淋溶流失的磷素主要以可溶性磷為主，這為防治磷素淋溶流失提供了理論依據(jù)。

(2)施用磷肥能夠有效提高土壤中有效磷含量，各土層土壤的有效磷含量都隨著施肥量的增加而增加，同時隨著土柱深度的增加，淋洗后土壤的有效磷含量都呈下降趨勢。

(3)施肥能夠增加黃棕壤無機(jī)磷含量，但是在短時期內(nèi)土壤無機(jī)磷中各形態(tài)磷之間并沒有明顯的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律。總體上，黃棕壤土無機(jī)磷各組分所占比例的高低依次為O-P>Ca-P>Fe-P>Al-P。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉燕.非點(diǎn)源污染過程機(jī)理與控制管理----以北京密云水庫流域為例[M].北京:科學(xué)出版社,2011:1-8.

[2]李鳳清,葉麟,劉瑞秋,等.三峽水庫香溪河庫灣主要營養(yǎng)鹽的入庫動態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報,2008,28(5):2073-2079.

[3]王靜,丁樹文,李朝霞，等.丹江庫區(qū)典型土壤磷的淋溶模擬研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2008,27(2):692-697.

[4]蘭新怡.小流域農(nóng)田土壤氮磷淋失特性研究[D].南昌：南昌大學(xué),2011.

[5]孫軍益.三峽庫區(qū)紫色土氮磷淋溶實(shí)驗研究[D].重慶：重慶大學(xué),2012.

[6]Turner B L,Hayarth P M.Phosphorus forms and concentrations in leachate under four grassland soil types[J]. S S SA J，2000,64:1090-1099.

[7]Zhao S, Huggins D R. Tillage and nutrient source effects on surface and subsurface water quality at corn planting[J].Environment Quality,2001,30:998-1008.

[8]Thomas D.Tillage,mineralization and leaching:phos-phate[J].Soil & Tillage Research,2000,53:255-273.

[9]司友斌,王強(qiáng),陳懷滿.農(nóng)田氮、磷的流失與水體富營養(yǎng)化[J].土壤,2000,32(4):188-193.

[10]王秀娟,劉瑞民,宮永偉,等.香溪河流域土地利用格局演變對非點(diǎn)源污染的影響研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2011,5(5):1194-1200.

[11]焦平金.淮北平原農(nóng)田地表徑流氮磷流失規(guī)律及其模擬研究[D].北京：中國水利水電科學(xué)研究院,2013.

[12]倉恒瑾,許煉峰,李志安，等.雷州半島旱地磚紅壤非點(diǎn)源氮、磷淋溶損失模擬研究[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14(5):715-718.

[13]張英鵬,李彥,聶培薈，等.山東省典型褐土的磷素淋溶特征及風(fēng)險評價[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2007,23(11):219-223.

[14]呂家瓏.農(nóng)田土壤磷素淋溶及其預(yù)測[J].生態(tài)學(xué)報,2003,23(12):2659-2701.

[15]許曉光,李裕元，孟岑，等.亞熱帶區(qū)稻田土壤氮磷淋失特征試驗研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013，32(5):991-999.

[16]林清火,羅微,林釗沐，等.磷肥在磚紅壤中淋溶特征的研究初報[J].熱帶作物學(xué)報,2004,25(1):58-63.

[17]Wang X M, Hou Y L. Effect of continuous vegetable cultivation on phosphorus levels of Fluvo-Aquic soils[J].Pedosphere,2004,14(2):171-176.

[18]陳波浪,戴婷婷,盛建東,等.施磷對南疆棉田土壤磷素有效性的影響[J].中國土壤與肥料,2013(4):21-26.

[19]劉星,梁成華,杜立宇,等.施磷對水稻土磷素淋溶的影響[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2012(9):55-60.

[20]李同杰,劉晶晶,劉春生,等.磷在棕壤中淋溶遷移特征研究[J].水土保持學(xué)報,2006,20(4):35-39.

Effects of Phosphorus Ertilizer Application on Phosphorus Leaching of Yellow-brown Soil in Xiangxi River

ZHAO JianboLI YeSHAO Xiao

(SchoolofResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnologyWuhan430070 )

AbstractTo clarify the risk of water eutrophication caused by phosphorus of yellow brown soil and phosphorus leaching character under the condition of rainfall in Xiangxi River, the methods of continuous leaching are used to study P leaching character of yellow brown soil in Xiangxi River. Results show that the amount of P leaching is increased with the increase of P levels, there is no obvious difference of P leaching peaks among the different P treatments and the lost phosphorus through leaching is mainly DTP. Phosphorus application has increased the content of Olsen-P in every layers of soil, there is not obvious transformation rule between various forms of soil inorganic phosphorus after fertilization, but the proportion of inorganic phosphorus in each branch office of present orders O-P>Ca-P>Fe-P>Al-P.

Key Wordsphosphorusleachingyellow-brown soil

*基金項目：國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07104-002)，武漢理工大學(xué)自主創(chuàng)新研究基金項目(145208005)。

作者簡介趙建博，男，碩士研究生，主要研究方向：農(nóng)業(yè)面源污染治理。先后參加國家“十二五水專項”三峽庫區(qū)小流域磷污染綜合治理及水華控制研究與示范項目、武漢市科技局高效氣浮除磷一體化設(shè)備及絮凝劑研發(fā)等科研項目，主持完成武漢理工大學(xué)研究生自主創(chuàng)新項目“三峽庫區(qū)小流域土壤氮磷淋溶流失特征研究”，參與武漢理工大學(xué)實(shí)驗室課外開放實(shí)驗“食前處理對武漢典型蔬菜硝酸鹽污染的影響”等科研項目。

(收稿日期：2015-03-30)