劉惠見 ，鄧 洪 ，黃維恒 ，楊浩瑜 ，張乃明 ，包 立 *

（1．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；2．云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650201）

滇池是中國西南地區(qū)最大的淡水湖泊，滇池水體富營養(yǎng)化已成為國際社會(huì)共同關(guān)注的水環(huán)境污染問題［1-2］。磷是水生生物必需的營養(yǎng)元素［3-5］，水生生物所需C∶N∶P一般為105∶15∶1，相對(duì)于碳、氮來說對(duì)磷的要求很低，磷含量達(dá)到約20～35μ g/L就能引起水體富營養(yǎng)化，因此一般將磷作為水體富營養(yǎng)化的限制因子［6-8］。土壤磷素向水體流失的途徑主要有地表徑流和地下淋失［9］。國內(nèi)外大量研究結(jié)果表明，地表徑流是農(nóng)田土壤磷素流失導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要方式［10-11］，但近期的一些研究發(fā)現(xiàn)，滲漏淋失也是磷向水體遷移的重要途徑之一［12-14］。滇池流域磷肥施用量的成倍提高及大棚種植面積的增加使得磷素徑流損失量減少，滲漏危害的比重增加。磷肥當(dāng)季利用率一般為15%～25%，長期大量施用磷肥必然導(dǎo)致磷在土層中大量積累，降低土壤對(duì)外源磷的固持能力［15-16］，而滇池流域不同利用方式下紅壤中的磷素累積量達(dá)到多少才會(huì)產(chǎn)生滲漏淋失風(fēng)險(xiǎn)，尚需篩選合適的指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

目前關(guān)于磷的滲漏淋失研究主要針對(duì)土壤磷素的淋失進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，土壤Olsen-P與CaCl2-P含量是常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)［14，17］。有效磷（Olsen-P）是土壤磷貯庫中對(duì)作物最為有效的部分，可以為作物直接吸收利用，是評(píng)價(jià)土壤供磷能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)［18］。然而研究發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)、不同土壤條件土壤磷滲漏淋失Olsen-P臨界值范圍差異很大，因此，單獨(dú)對(duì)Olsen-P的含量進(jìn)行分級(jí)不能準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土壤磷對(duì)水環(huán)境的潛在影響。近年來有學(xué)者提出用一些表征土壤磷吸附解吸特性的指標(biāo)作為農(nóng)田磷素的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中包括土壤磷吸附飽和度（DSSP）和磷吸持指數(shù)（PSI）等。戚瑞生等［19］通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)得到的土壤磷素淋失突變點(diǎn)值與15%的Qm（即DSSP15%）值極為吻合，其均值t檢驗(yàn)不顯著，表明DSSP也可以用作土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

本試驗(yàn)采集滇池流域不同利用方式下的紅壤，通過測定土壤各形態(tài)磷含量，作土柱模擬試驗(yàn)測定滲濾液中各形態(tài)磷含量，選擇土壤Olsen-P和PSI為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用相關(guān)性分析和聚類分析對(duì)流域不同利用方式下的主要土壤類型—紅壤進(jìn)行水體富營養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，為滇池流域設(shè)施農(nóng)業(yè)磷肥的合理施用和科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滇池位于昆明市西南部，屬金沙江水系。流域氣候?yàn)橹衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，多年平均降水量為1 000 mm左右，集中在5～10月，流域面積2 920 km2。滇池流域紅壤為地帶性土壤，主要分布于山區(qū)和丘陵地區(qū)，整個(gè)流域紅壤分布面積最廣。

1.2 供試土壤

根據(jù)流域土地3種主要利用方式—草地（簡寫為CD）、露天菜地（簡寫為LD）和大棚（簡寫為DP）采集0～ 20、20～ 40、40～ 60 cm不同土層紅壤（3種利用方式下紅壤含磷水平大致分為低磷、中磷、高磷3個(gè)水平），供試土壤的主要理化特征見表1，各項(xiàng)理化性質(zhì)按土壤農(nóng)化常規(guī)方法分析。土壤樣品風(fēng)干后過1 mm篩備用。

表1 土壤基本性質(zhì)

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置：用內(nèi)徑7 cm、長度60 cm的PVC管（模擬土柱），內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，用尼龍繩將透性良好的棉布固定于柱底封住柱口，在土柱底層裝入約2 cm厚的石英砂，砂上放置一張0.48 mm的紗網(wǎng)，紗網(wǎng)上由上往下分0～20、20～40和40～60 cm 3個(gè)土層，按照田間實(shí)際土壤容重，每層對(duì)應(yīng)放入所采相同土層深度的供試土壤，每層土中間用尼龍網(wǎng)隔開，土柱底部打一個(gè)直徑為0.5 cm的小孔，用橡皮塞固定排水管，將土柱直立架于三角瓶瓶口上方以便收集滲濾液［20］。

試驗(yàn)選擇草地、露地、大棚3種利用方式下3個(gè)不同含磷水平的不同土層深度的土壤樣品，每個(gè)土樣設(shè)3個(gè)重復(fù)，共計(jì)27個(gè)樣品。試驗(yàn)在恒溫培養(yǎng)室進(jìn)行，室內(nèi)溫度25℃，用質(zhì)量法控制灌水量（土壤飽和持水量），灌水量大小以田間持水量為準(zhǔn)，持續(xù)培養(yǎng)時(shí)間為4周，每周灌水一次，每次灌水約275 mL，同時(shí)在當(dāng)天收集三角瓶中的濾液立即測定其體積和各形態(tài)磷含量。

1.4 測定項(xiàng)目與方法

土壤和滲濾液中各形態(tài)磷的指標(biāo)分析方法（濾液中的各磷指標(biāo)為4次灌水培養(yǎng)后的平均值）［20］：

土壤中溶解態(tài)活性磷（CaCl2-P）：土壤中溶解態(tài)活性磷采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提（土水比為1∶5，振蕩30 min），浸提溶液采用異丁醇萃取-鉬藍(lán)比色法測定。土壤中藻類可利用總磷（NaOH-P）：0.1 mol/L NaOH溶液浸提-鉬藍(lán)比色法測定（土水比為1∶500，振蕩16 h），包括水溶性磷和部分藻類可以利用的固相態(tài)磷。土壤磷吸持指數(shù)PSI：在水土比為10∶1的條件下，按每克土加入磷酸鹽1.5 mg P，平衡后測得的土壤吸磷量X（mg/g）與平衡溶液中磷濃度C（μmol/L）的對(duì)數(shù)值之比為PSI，即PSI=100X/lgC。

濾液中全磷（TP）：加入分析純高氯酸（70% ～72%）2 mL和0.25 mL飽和氯化鎂溶液，高溫消化至近干，用0.6 mol/L稀鹽酸5 mL加熱溶解，然后用鉬銻抗法顯色分析。濾液中鉬酸鹽反應(yīng)磷（MRP）：取一定量用0.45μ m微孔濾膜過濾后的濾液，用鉬銻抗直接顯色分析樣品磷含量，所得結(jié)果為鉬酸鹽反應(yīng)磷，一般多為無機(jī)磷。濾液中可溶性全磷（TDP）：取一定量用0.45μ m微孔濾膜過濾后的濾液，采用與全磷相同的方法消化測定。濾液中可溶性有機(jī)磷（DOP）：TDP與MRP的差值。濾液中顆粒磷（PP）：TP與TDP的差值。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，利用SPSS 19.0進(jìn)行顯著性方差分析、相關(guān)性分析與聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式下紅壤中各形態(tài)磷含量

不同的土地利用方式會(huì)顯著改變紅壤中各形態(tài)磷的含量。草地Olsen-P含量在8.27～9.18 mg/kg之間，在0～20、20～40和40～60 cm土層的均值分別為8.33、8.94和8.94 mg/kg；露地Olsen-P含量在10.27～33.45 mg/kg之間，在0～20、20～40和40～60 cm土層的均值分別為31.72、24.39和11.06 mg/kg； 大 棚 Olsen-P 含 量 在 65.45 ～ 94.35 mg/kg之間，在0～20、20～40和40～ 60 cm土層的均值分別為87.02、81.96和67.45 mg/kg。由圖1可知，草地中CaCl2-P的含量在0.14～0.32 mg/kg之間，0～20 cm土層中CaCl2-P的平均值為0.29 mg/kg，20 ～ 40 cm 土層的均值為 0.15 mg/kg，40 ～ 60 cm 土層中均值為0.23 mg/kg，草地各土層之間CaCl2-P含量無顯著性差異，但與大棚和露地均存在顯著性差異；露地中CaCl2-P最大值為3.37 mg/kg，最小值為2.13 mg/kg，各土層間CaCl2-P含量存在差異，與草地和大棚存在顯著差異；大棚中CaCl2-P最大值為 9.43 mg/kg，最小值為 8.03 mg/kg，大棚各土層間CaCl2-P含量存在差異，與草地和露地存在顯著性差異。3種不同利用方式下紅壤中CaCl2-P含量存在著大棚＞露地＞草地的規(guī)律，與Olsen-P的含量趨勢相一致（P＜0.05）。

圖1 不同利用方式下各土層的CaCl2-P含量

不同土地利用方式下紅壤中NaOH-P含量具有顯著性差異，草地和露地的平均值分別為62.26和156.36 mg/kg，草地和露地的各土層之間無顯著差異，而大棚各土層之間NaOH-P含量具有顯著差異，土層從上往下依次為369.81、324.97和214.90 mg/kg，呈現(xiàn)降低的趨勢，直觀地反映了磷在土壤中向下遷移的形式。不同利用方式下紅壤的NaOH-P含量都具有顯著性差異，呈現(xiàn)與Olsen-P相同的趨勢（P＜0.05）（圖 2）。

圖2 不同磷水平下各土層的NaOH-P含量

由圖3可知，不同土地利用方式及各自不同土層的磷吸持指數(shù)（PSI）大致在20～48之間，大致呈：草地＞露地＞大棚的趨勢，這一現(xiàn)象與流域設(shè)施土壤長年施肥習(xí)慣有關(guān)。草地各土層PSI基本一致，說明在草地土壤中磷素各層分布均勻；大棚和露地則呈現(xiàn)PSI由表層向下逐漸降低的趨勢，與Olsen-P含量由上層到下層逐漸減少相一致，且大棚土壤由于常年密集種植作物使得其土層中PSI比露地低。PSI與土壤自身的磷含量密切相關(guān)，也可以在一定程度上反映磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 不同磷水平下各土層的磷吸持指數(shù)

2.2 不同利用方式下土柱滲濾液中各形態(tài)磷含量

對(duì)不同土地利用方式紅壤滲濾液磷的含量狀況（表2）進(jìn)行分析，草地、露地和大棚滲濾液各形態(tài)磷含量在同一土地利用方式下存在TP＞TDP＞PP＞MRP＞DOP的規(guī)律。不同利用方式下紅壤滲濾液的各形態(tài)磷含量具有一定規(guī)律，其中TP、TDP和PP呈現(xiàn)大棚＞露地＞草地規(guī)律，與土壤Olsen-P含量規(guī)律相一致；MRP和DOP呈現(xiàn)大棚＞露地=草地的規(guī)律。不同利用方式下紅壤濾液中TP和PP含量存在差異，總體趨勢為大棚＞露地＞草地，這與土壤中Olsen-P含量具有一致性；MRP和TDP的含量在3種土地利用方式下都存在顯著性差異（P＜0.05）；DOP的含量不存在顯著性差異。

表2 不同土地利用方式紅壤滲濾液磷的含量狀況 （mg/L）

2.3 土壤Olsen-P與滲濾液中各形態(tài)磷的相關(guān)性分析

用SPSS分析滇池流域紅壤中Olsen-P與濾液中各形態(tài)磷之間的雙側(cè)相關(guān)性可知，土壤中Olesn-P與土柱滲濾液的TP、TDP、PP和DOP的平均值具有極顯著相關(guān)性，因此列出Olsen-P與它們的相關(guān)性，而略去了MRP。由圖4可以得出：

圖4 滲濾液中各形態(tài)磷濃度與土壤耕層Olsen-P的含量相關(guān)性

2.4 滇池流域設(shè)施紅壤磷素滲漏淋失風(fēng)險(xiǎn)分析

用SPSS把紅壤和土柱滲濾液中各形態(tài)磷含量進(jìn)行聚類分析得到表3和圖5。根據(jù)聚類分析結(jié)果將不同土地利用方式下的紅壤分為4類：第一類：Olsen-P的含量在8.27～ 11.55 mg/kg之間，其中包含所有的草地類型和少量含Olsen-P低的露地；第二類：Olsen-P的含量在23.00～33.45 mg/kg之間，包含剩余的所有露地處理；第三類：Olsen-P的含量在65.45～ 68.54 mg/kg之間，包含大棚中的3個(gè)處理；第四類：Olsen-P的含量在80.28～94.35 mg/kg之間，包含剩余的6個(gè)大棚處理。

滇池的水體TP含量已經(jīng)達(dá)到0.59 mg/kg左右［21］，根據(jù)相關(guān)性公式 TP=0.002 1Olsen-P+0.441 1（R=0.626 9），可以算出此時(shí)土壤中Olsen-P含量為71 mg/kg。對(duì)應(yīng)以上4種分類可知：當(dāng)?shù)岢亓饔蚣t壤中 Olsen-P＜40 mg/kg、PSI＞50 時(shí)，對(duì)流域水體富營養(yǎng)化沒有顯著的影響；當(dāng)Olsen-P為40～71 mg/kg、PSI＞40時(shí)，對(duì)流域水體富營養(yǎng)化有一定的影響；當(dāng) Olsen-P＞71 mg/kg、PSI＜30 時(shí)，對(duì)流域水體富營養(yǎng)化具有顯著影響，應(yīng)將大棚土壤和部分種植蔬菜的露地作為磷素滲漏流失的重點(diǎn)防范對(duì)象。

表3 紅壤和滲濾液中各形態(tài)磷聚類分析結(jié)果

圖5 滲濾液中各形態(tài)磷濃度與土壤耕層數(shù)據(jù)聚類分析

3 討論

目前國內(nèi)外針對(duì)土壤磷素滲漏淋失風(fēng)險(xiǎn)仍沒有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)模型及方法，大多數(shù)學(xué)者直接將土壤Olsen-P淋失臨界值作為判斷依據(jù)，根據(jù)樣品有效磷含量超過該臨界值的具體情況劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。楊文等［22］通過空間插值分析發(fā)現(xiàn)小流域土壤P淋失風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高的區(qū)域?yàn)楹档?，尤其是菜地分布區(qū)，36.4%的旱地土壤達(dá)中等以上淋失風(fēng)險(xiǎn)，而99.8%的稻田土壤均為弱淋失風(fēng)險(xiǎn)。趙偉明等［23］以O(shè)lsen-P和CaCl2-P為主要指標(biāo)對(duì)臨安山核桃林地土壤進(jìn)行磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)果表明島石鎮(zhèn)和湍口鎮(zhèn)有30%和45%的土壤存在淋失風(fēng)險(xiǎn)。樊慧慧等［24］采用Kriging 插值模擬與實(shí)測得到土壤磷素淋失臨界值為18.388 mg/kg，對(duì)巢湖流域耕地、菜地及林地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估發(fā)現(xiàn)超過該臨界值樣本數(shù)占總數(shù)的16.6%。

本試驗(yàn)將紅壤Olsen-P含量作為橫坐標(biāo)，滲濾液中TP作為縱坐標(biāo)作出相關(guān)性曲線，可知當(dāng)土壤Olsen-P＞71 mg/kg、PSI＜30 時(shí)存在較大的磷素滲漏淋失風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)顯著影響水體環(huán)境的富營養(yǎng)化水平。這一結(jié)論與Hesketh［25］利用MRP與Olsen-P含量的相關(guān)性得出的結(jié)論相似。黃東風(fēng)等［26］對(duì)福州市郊菜地土壤樣品的測定值分別進(jìn)行線性回歸分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng) Olsen-P＞56.96 mg/kg、DPS＞25% 時(shí)，該地土壤磷素具有很高的流失潛能。土壤質(zhì)地和土地利用方式的不同可能是造成試驗(yàn)結(jié)論差異的主要原因。

筆者曾嘗試根據(jù)土壤Olsen-P和濾液中各形態(tài)磷含量，通過相關(guān)性分析計(jì)算出滇池流域磷素滲漏淋失的“突變點(diǎn)”，但在各相關(guān)性曲線上未出現(xiàn)明顯的“拐點(diǎn)”，這可能是由于采樣點(diǎn)土壤磷素累積水平普遍較低，超過該流域土壤磷素淋失環(huán)境閾值的點(diǎn)位較少。但本試驗(yàn)采用Olsen-P與PSI作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過聚類分析結(jié)果可初步對(duì)滇池流域不同利用方式下紅壤的滲漏淋失風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行劃分，對(duì)土壤磷素滲漏淋失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型指標(biāo)體系構(gòu)建及方法的探索有一定借鑒意義。

4 結(jié)論

滇池流域紅壤的Olsen-P含量因土地利用方式的不同大致分為低磷（草地）9 mg/kg、中磷（露天菜地）30 mg/kg和高磷（大棚）90 mg/kg 3 種水平；紅壤中的CaCl2-P和NaOH-P含量與Olsen-P含量一致，呈現(xiàn)大棚＞露地＞草地的趨勢，PSI值存在草地＞大棚＞露地的趨勢。

土柱模擬試驗(yàn)中，草地、露地和大棚 3種利用方式下濾液中TP含量平均值依次為0.46、0.49和0.61 mg/L，呈現(xiàn)大棚＞露地＞草地的趨勢；3種利用方式下TDP含量差異不顯著，和TP趨勢相同；MRP在草地和露地濾液中均值都為0.14 mg/L，大棚中略高；PP在3種不同土地利用方式下呈現(xiàn)大棚＞露地＞草地的趨勢；可溶性有機(jī)磷DOP在大棚濾液中平均值為0.18 mg/L，草地和露地的均值都為0.13 mg/L。

由Olsen-P與滲濾液中各形態(tài)磷的相關(guān)性分析可知，土壤Olsen-P與濾液中TP、TDP、PP和DOP具有顯著相關(guān)性。

由聚類分析結(jié)果及湖泊可承接的全磷量可推斷：當(dāng)?shù)岢亓饔蚣t壤中 Olsen-P＜40 mg/kg、PSI＞50時(shí)對(duì)流域水體富營養(yǎng)化無顯著影響；當(dāng)Olsen-P為40 ～ 71 mg/kg、PSI＞40時(shí)對(duì)流域水體富營養(yǎng)化有一定影響；當(dāng) Olsen-P＞71 mg/kg、PSI＜30 時(shí)對(duì)流域水體富營養(yǎng)化具有顯著影響。