灌溉水平對土磷素淋失的影響

項大力,楊學云,孫本華,張樹蘭,古巧珍

(西北農林科技大學資源環境學院,陜西楊凌712100)

磷素的面源污染已成為影響許多國家和地區的地表水質,導致水環境惡化和水體富營養化的主要因素。資料表明,太湖流域農田面源磷對水體磷的貢獻率高達19%[1],美國農田面源排放的磷約占各種污染源總排放磷量的50%[2],水體污染問題已成為環境研究的熱點[3]。農田土壤中磷向地表和地下水體遷移的主要途徑包括地表徑流、土壤侵蝕和亞地表徑流(淋失或滲漏)。由于土壤有很強的磷固定能力,而磷肥主要施在耕層,含磷量很低的下層土壤是一個吸持磷素的巨大的容量庫,所以一般認為磷沿土壤剖面垂直向下淋失的可能性不大或淋失并不重要[4-6]。但隨著磷肥和有機肥的長期大量施用,土壤磷素在耕層土壤大量累積甚至在一些局部地區接近飽和,最終可能發生較強的淋溶,特別是在大量施用有機肥時尤其如此[7-8]。

磷素淋失的形態一般為可溶性全磷(Total dissolved phosphorus,簡寫為TDP)和顆粒磷(Particulate phosphorus,簡寫為PP),可溶性磷包括鉬酸鹽反應磷(Molybdate reactive phosphorus,簡寫為MRP)和可溶性有機磷(Dissolved organic phosphorus,簡寫為DOP)。有報道認為,磷素淋失主要以可溶性形態為主[9-11],而另有報道則認為以顆粒態磷為主[12-13]。磷素主要以何種形態遷移,取決于氣候因子、土壤因子、水文地理因子、農作管理因子(如灌溉水平)等[11,14]。目前國內外在施肥、土壤類型等對磷素淋失的影響方面做了很多研究,但對不同灌溉水平的影響報道極少。

大型滲漏池與各種各樣的土柱模擬試驗相比更接近于田間實際情況;比較大田試驗而言,更便于控制實驗條件,也使得收集土壤溶液更加容易和便捷,因此是研究養分(溶質)運移的一種非常有效的手段。本研究利用設在“國家黃土肥力與肥料效益監測基地”的滲漏池群,研究土大量施用有機肥導致的土壤磷素快速累積條件下磷素能否淋出作物根區以及不同灌溉水平對土磷素淋失影響的程度和以何種形態為主,以期為該地區磷肥和灌溉水資源合理管理,有效防止農業非點源污染提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗設在“國家黃土肥力與肥料效益監測基地”的滲漏池群上。該基地位于黃土高原南部的陜西省“楊凌國家農業高新技術產業示范區”渭河三級階地,海拔524.7 m,年均氣溫13℃,年平均降水量550～600 mm。滲漏池建于1989年,為鋼筋混凝土結構,內徑100 cm,深度120 cm,為擾動回填土,按自然土壤發生層次和容重分層裝土,底部為石英砂顆粒,其上覆蓋一層石棉布,裝有PVC管(直徑為約2.5 cm)導流并用容器承接收集滲濾液,到本試驗開始已歷經15年種植,可以認為已基本接近自然土壤狀態。供試土壤屬褐土類土亞類,紅油土屬,厚層紅油土種,為粉砂粘壤土,黃土母質。試驗為冬小麥-夏玉米一年兩熟制。試驗開始時表層0—20 cm土壤有機質10.92 g/kg,全氮 0.832 g/kg,全磷 0.61 g/kg,Olsen-P 4.2 mg/kg。自然土壤在77—155 cm處有粘化層,剖面性質參見文獻[15]。

1.2 試驗設計

本試驗始于2004年10月,設灌溉量為600(當地大田生產常用灌水定額)、900、1200m3/hm23個處理水平;3個處理施肥相同,施肥量為N 180 kg/hm2(尿素,含 N 46%)、P2O5144 kg/hm2(過磷酸鈣,含P2O516%)、135 t/hm2有機肥(牛糞)。化肥每季施,有機肥每年在秋季小麥種植前一次施入;小麥季灌溉2～3次,一般在12月底冬灌一次,翌年3月春灌一次,或根據天氣在5月補充灌溉一次。玉米季灌溉3～4次,根據墑情而定。由于該深度只有8個滲漏池,除了 1200 m3/hm2重復2次外,其余均重復 3次。共種植7季作物,其中冬小麥4季。

1.3 滲濾液采集與分析

根據降水和灌溉不定期采集滲濾液,量其體積,并取400 mL水樣于當天分析或4℃貯存。2004年10月至2008年5月底共采樣分析34次。

取一定量滲濾液,經0.28 μ m微孔濾膜過濾,用鉬銻抗直接顯色分析[9]樣品磷含量,所得結果為鉬酸鹽反應磷(MRP),一般多為無機磷。全磷(TP)測定用一定體積未經過濾的滲濾液,采用改進的Brookes等的方法[16],即: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5mL加熱溶解,然后用鉬銻抗法顯色分析。取一定體積經過0.28 μ m微孔濾膜過濾的滲濾液,采用與全磷相同的方法消化測定,所得結果為可溶性全磷(TDP)。可溶性全磷與鉬酸鹽反應磷的差值為可溶性有機磷(DOP)。全磷與可溶性全磷的差值為顆粒磷(PP)。

試驗數據的統計分析用SPSS軟件的One-Way ANOVA進行,1200m3/hm2處理由于只有2次重復,按缺省值對待。

2 結果分析

2.1 不同灌溉水平對滲濾液量和累積淋失全磷的影響

不同灌溉條件下,各處理滲濾液和全磷累積量在不同采樣時間的變化(圖1)看出,累積滲濾液量隨灌溉水平的提高而升高,并且在試驗初期差別較小,隨試驗時間的延長差異逐漸變大。至最后一次采樣(2008年5月底),灌溉量為900 m3/hm2滲濾液累積總量達193.8 mm,較600 m3/hm2處理(121.0 mm)處理增加了60.2%;而1200 m3/hm2處理則高達266.6 mm,分別比600和900 m3/hm2處理提高了120.3%和37.6%。累積淋失的全磷與滲濾液量有相似的趨勢,也隨著灌溉量的增加而增加,但增加幅度要小。1200 m3/hm2處理在前23次取樣(前5季作物)和900 m3/hm2處理相差很小;900 m3/hm2處理累積淋出120 cm土層的滲濾液量自第23次以后才明顯的高于600 m3/hm2處理,而累積淋出的磷量則在第9次取樣時就明顯的高于后者。

圖1 不同灌溉處理累積滲濾液量與累積全磷量的變化Fig.1 Changes of cumulative leachate and TP of the irrigation treatments

2.2 不同灌溉水平對滲濾液中各形態磷濃度和累積量的影響

不同灌溉水平土體中鉬酸鹽反應磷(MRP)、可溶性全磷(TDP)、顆粒磷(PP)和可溶性有機磷(DOP)等都有不同程度的淋移(表 1)。灌溉量為 1200 m3/hm2處理滲濾液中各個形態磷的濃度低于600和900 m3/hm2處理;900 m3/hm2處理的變幅略高于600 m3/hm2處理;各處理MRP的變幅總體上高于DOP和PP,后兩者較接近(表1)。

不同灌溉處理各形態磷累積量在不同采樣次數(時間)時的變化趨勢(圖2)看出,各形態磷的淋失量在試驗開始階段(第一季作物生長期)處理間差異很小,后期則隨灌溉水平的提高而升高,即:灌溉量1200 m3/hm2處理＞900 m3/hm2處理＞600 m3/hm2處理。3個處理的MRP(圖2A)和PP(圖2C)在前20次沒有差異,而后1200和900 m3/hm2處理明顯高于600m3/hm2處理;而累積淋失的DOP在前8次(第一季作物生長期)處理間無明顯區別,之后則隨灌溉量的增加而明顯升高(圖2D)。兩個高灌溉水平處理的TDP和DOP隨試驗時間的延長其累積淋失量差異較大,但MRP和PP的差異較小。

表1 滲濾液中各形態磷的濃度(mg/L)Table 1 Phosphorus concentrations of the fractions in the leachates

2.3 滲濾液中磷形態的比率及累積淋失量

為了更清楚地說明土壤磷素淋失的主要形態,表2列出了不同灌溉水平滲濾液中各形態磷的累積淋失量以及其與累積淋失的全磷或可溶性磷量的比率。淋失到120 cm以下土體的磷大部分為可溶態(TDP),約占66.4%～74.9%,且隨灌溉量增加而增加。在TDP中MRP和DOP約各占一半;MRP、DOP和PP分別占全部淋失磷總量的大概三分之一。灌溉量為900和1200 m3/hm2處理的滲濾液中MRP較600 m3/hm2處理高,而600 m3/hm2處理中PP占全磷量的比率高于其他兩個處理。可溶性磷在全磷中的份額有隨灌溉量增加而增加的趨勢。

圖2 不同灌溉處理滲濾液中各個形態磷累積量的變化Fig.2 Changes of cumulative amounts of the phosphorus fractions in the leachates under the irrigation treatments

表2 滲濾液中各形態磷累積淋失量及其在全磷(可溶性磷)中的比率Table 2 The amounts of the P forms and their ratios to TP or TDP in the lysimeter leachates

表2還看到,試驗期間各形態磷的累積淋失量均隨灌溉量增加而增加,900和1200 m3/hm2處理的TDP和MRP顯著高于600 m3/hm2處理(P＜0.05),但900 m3/hm2處理的DOP和600 m3/hm2處理沒有顯著差異。3個處理的PP均沒有顯著差別。試驗期間3個處理累積淋失的全磷量分別為83.4、164.0和209.4 g/hm2,900 m3/hm2處理較600 m3/hm2處理顯著增加(P＜0.05),而1200 m3/hm2處理則達到極顯著水平(P＜0.01)。

圖3看出,600 m3/hm2處理DOP、PP和MRP等3個形態磷累積淋失量很接近,DOP略高于PP和MRP(圖3A)。900 m3/hm2處理在第1季作物以后(第5次取樣)DOP高于PP和MRP;從第27次取樣后MRP高于PP,甚至在最后幾次取樣時間的累積量高于DOP(圖3B)。1200 m3/hm2處理也是在第1季作物種植后DOP開始明顯高于其他形態;自第24次取樣后MRP高于PP(圖3C)。

2.4 土壤剖面Olsen P的分布

圖4表明,經過6季作物的種植施肥,2007年玉米收獲后土壤耕層(0—20 cm)Olsen-P的分布已高于70mg/kg,平均每年大約增加20 mg/kg;20—40 cm土層也增加了約6 mg/kg,但在0—100 cm土壤剖面中的各個層次,灌水處理間均沒有顯著差異。

3 討論

圖4 不同灌溉處理Olsen-P在土壤剖面的分布Fig.4 The distribution of Olsen-P in the soil profile under the irrigation treatments

水分運動和土壤磷素狀況是決定土壤磷向土壤深層移動的最基本的兩個條件。本研究土壤滲濾液量和灌溉量相一致,但移出土體的磷總量卻并不完全與滲濾液的趨勢一致,尤其是900和1200 m3/hm2兩個處理在第5季作物之前(第23次取樣)全磷累積淋失量基本接近,之后兩處理間差異增大。其中原因可能與較厚的土層可以貯存較多的灌水,造成了試驗前期3個處理淋出土體的滲濾液量沒有差異,因而磷總量也沒有差異(圖1);另外也可能是由于土壤磷含量在此之前相對較低,處于臨界點以下,盡管滲濾液量有差異,但并未明顯影響到磷移動的總量。因為第4季作物收獲后耕層土壤Olsen-P平均為68.6 mg/kg,第6季后為72.5 mg/kg,據此估計第5季作物收獲后大體上在70 mg/kg左右,這較有關報道的“轉折點”高出約10 mg/kg[9,17-18],這也可能是造成PP和MRP在前5季作物期間相對平緩的原因。在第5季作物之后,也同樣觀察到MRP和PP累積量的一個“躍遷”式增加,表明磷淋失臨界點的形成。

不同灌溉水平磷素淋失的形態都以可溶性為主,這與Heckrath等[9]在英國Broadbalk長期肥料試驗地排水管(埋深65 cm)中排水的結果一致;也與楊學云等[11]的原狀土柱模擬試驗和張翠榮等[19]用盆栽試驗所得結果也較一致。所不同的是,在模擬試驗中,可溶性MRP隨取樣時間延長升高,平均MRP占了淋失總量的三分之二[11],其原因可能是模擬試驗土壤長期處于高含水狀態,水分與土壤作用時間長,還有相對處于較強的還原條件下,所以估計的結果可能會偏高。本試驗以顆粒態磷淋失的比重也較模擬試驗大,這可能是滲漏池是回填土壤,和原位土壤相比仍然存在一定的差異所致,也可能與模擬試驗過高估計了可溶性磷降低了顆粒磷有關。

不同灌水處理都觀察到了磷素被淋到120 cm土體,盡管其淋失總量不到施入土壤總磷量的0.02%(表2),沒有任何農學意義;在短期內也不可能通過土壤剖面的化學分析(如土壤全磷和Olsen-P等)而感知其移動和下層累積(圖4)。但是其平均濃度卻達到了0.03 mg/L以上,最高甚至達到了0.6 mg/L。而引發湖水富營養化的磷(P)的臨界濃度只有0.02～0.035 mg/L[20-21]。實際上,滲漏池試驗有可能低估了淋失量,因為本試驗灌溉次數雖然較大田稍多,但一方面由于滲漏池本身的“邊際效應”,使其土壤蒸發增加;另一方面由于土體在池的底部出現斷層和空氣接觸,而非自然土壤的連續體,從而失去了自然土體中下層土壤的毛管作用,水分有可能被空氣“托”在底部不能下移。因而從滲漏池淋出土體的滲濾液量就有可能低于自然條件下的淋失量。

盡管1200 m3/hm2處理的總淋失量高于其他兩個處理,但是其滲濾液中全磷和各形態磷的平均濃度都較其他兩個處理低,只有總滲濾液量高于600和900 m3/hm2處理,這可能是因為1200 m3/hm2處理的部分土壤水是通過優先流途徑下移的。比較而言,水分和土體接觸時間較短,因此溶解的土壤(肥料)磷較低。

土壤磷的淋失或向下的淋移是一個緩慢的過程,肥料和水資源的管理對磷的淋失有極其重要的影響,因為水的管理在一定情況下是不可控的,如強降雨情況。因而加強磷肥特別是有機肥的管理,是減少磷素淋失的重要手段,尤其是在地下水位較淺地區,對于需水較多的作物,在肥水兩方面都要加強協調管理。

4 結論

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