再生水灌溉對土壤團聚體中有機碳、氮和磷的形態及分布的影響

鄭順安,陳 春*,鄭向群,李 松 (.農業部環境保護科研監測所,農業部產地環境與農產品安全重點開放實驗室,天津市農業環境與農產品安全重點開放實驗室,農業部農產品質量安全環境因子風險評估實驗室,天津3009；.中國石油冀東油田公司油氣集輸公司,河北 唐山 063004)

再生水灌溉對土壤團聚體中有機碳、氮和磷的形態及分布的影響

鄭順安1,陳 春1*,鄭向群1,李 松2(1.農業部環境保護科研監測所,農業部產地環境與農產品安全重點開放實驗室,天津市農業環境與農產品安全重點開放實驗室,農業部農產品質量安全環境因子風險評估實驗室,天津300191；2.中國石油冀東油田公司油氣集輸公司,河北 唐山 063004)

為了解再生水灌溉對砂質紫色土土壤有機碳、氮和磷的形態及其在不同粒級團聚體中分布的影響,比較了四川省彭州市灌溉年限分別為3a和8a的2個再生水灌溉區土壤中不同粒徑團聚體中有機碳、氮和磷的分布及化學形態.結果表明,再生水灌溉區土壤有機碳、氮和磷主要分布在＞2mm和＜0.053mm的團聚體中.相比采用地下水灌溉的對照區,再生水灌溉區土壤的 pH值和顆粒組成并無顯著改變,而＞2mm的大粒徑團聚體所占比例下降,向較小粒徑轉化;＞0.25mm團聚體中有機碳和氮含量顯著上升,在所有5個粒級的團聚體中磷素含量都有顯著提高.再生水灌溉還有利于紫色土重顆粒態有機碳和顆粒態氮的形成,且灌溉時間越長,效果越明顯.在除＜0.053mm的其它4個粒級團聚體中,再生水灌溉區土壤中交換態磷及鈣結合態磷比例上升,而鐵鋁結合態磷比例下降.綜上,再生水灌溉有效的改善了砂質紫色土土壤的有機碳庫、氮庫和磷庫,長期灌溉可以減少人工施肥量.

再生水灌溉；砂質紫色土；有機碳；氮；磷；土壤團聚體

為緩解水資源短缺的現狀,對城市污水進行再生處理并回用于農業灌溉已成為解決農業缺水的重要選擇.相對于常規的灌溉用水(地表水、地下水),再生水的營養物質較豐富,總固體含量較高,合理回用可以提高土壤肥力,減少化肥使用量,促進農作物生長[1].碳、氮和磷是營養元素生物地球化學循環的重要組成部分,其數量和形態對土壤的物理、化學和生物學特征有很大的影響,并直接影響和控制著植物的生物產量,同時它們也是土壤質量評價和土地可持續利用管理必須考慮的重要指標.

研究表明,再生水灌溉可以顯著影響土壤的功能和性質,并使土壤有機碳貯量和土壤養分發生顯著的變化.超過8a的再生水灌溉可以顯著提高0～10cm土壤表層的有機質、總碳和總磷含量,但短期再生水灌溉的效果不顯著[2];再生水灌溉條件下隨著NO3--N濃度的增加、土壤含氧量的減少,更加有利于發生反硝化作用,反硝化作用可以增強2～50倍[3-5];再生水灌溉還會增加土壤有效磷的含量,土壤中磷的含量主要與土壤的吸附量、作物提取量與污水帶入量密切相關,通過收獲可以把磷帶出土壤-植物系統[6-8].四川省彭州市是我國西南地區重要的農產品生產區,同時又是我國再生水回灌農田的典型地區.長期以來,該區農業水資源較為缺乏,利用城市污水、生活污水等再生水灌溉農田現象較為普遍.為了解再生水灌溉對這一地區土壤的有機碳、氮和磷的影響,本研究比較了灌溉年限分別為3a和8a的2個再生水灌溉區土壤中不同粒級團聚體有機碳、氮和磷的化學形態和分布規律,以探明再生水灌溉條件下土壤碳、氮和磷的動態變化過程及影響因素.

1 材料與方法

1.1 研究區概況及灌溉水質

研究地點位于中國農業科學院彭州農產品產地環境野外觀測試驗站.該試驗站于1999年建立,承擔著西南典型農業地區再生水灌溉條件下農產品產地環境質量現狀與變化趨勢的長期觀測、跟蹤監測任務,位于彭州農業科技示范園(30°57′N,103°76′E),地處彭州市境東南部,南距市區約 12km,占地面積 5334m2,屬成都平原,海拔520m.試驗站內土壤主要為砂質紫色沖積土,黏粒及粉粒含量較低,種植有糧、油、蔬菜等多種作物.本研究選取了試驗站中2個不同年限再生水灌溉的地區,分別為試驗區A(再生水灌溉時間為8a)和試驗區B(再生水灌溉時間為3a),對照區CK采用地下水灌溉.每個土樣由采樣地(試驗區)5～10個分樣混合而成,采集深度為0～20cm.每個處理設置4個重復小區.

試驗站內采用的再生水引自彭州污水處理廠處理的達標水,為二級再生水,水質穩定可靠,用水時現取現澆.灌溉用再生水及對照地下水的性質見表1.

表1 灌溉用再生水及地下水性質Table 1 Chemical properties of regenerated water and ground water used in plot experiments

1.2 土壤團聚體分組

由于土壤養分的水溶性較大,任何涉及化學物質的預處理都可能對養分狀況產生很大的影響,為了避免分組對土壤氮和磷組分的影響,本研究采用干篩法對團聚體進行分組,方法如下:把孔徑分別為2,0.25,0.125,0.053mm的4個系列土篩由上至下套合,放置在無孔的底盆上,稱一定量的風干于最上面的土篩中,加蓋后用人工手篩方法把風干土篩分為 5個粒組,即＞2.00mm、2～0.25mm、0.25～0.125mm、0.125～0.053mm 和＜0.053mm.經篩分的各類團聚體分別稱重,用于土壤有機碳、氮和磷的分析.

1.3 顆粒態有機質的測定

顆粒態有機質(POM)是指粒徑在 0.053mm以上的有機質,采用懸浮法分離,方法如下:稱土樣100g于1000mL塑料瓶中,加蒸餾水500mL,并加入20顆玻璃珠,加蓋在25℃,240r/min下振蕩16h進行機械分散后,用0.053mm土篩把土粒分為＞0.053mm和＜0.053mm兩部分.根據 POM與土壤礦物質密度的差異,用蒸餾水反復懸浮POM,把POM從＞0.053mm粒級中與礦質部分分離.分離得到的POM樣品經45℃以下烘干后分別計重.

1.4 土壤性質測定

土壤顆粒組成用吸管法測定.土壤 pH值采用pH計(梅特勒FE-20K)測定(土水比為1:2.5).土壤和POM組分中有機碳與總氮含量采用德國Jena公司multi N/C 3100總有機碳/氮分析儀測定.對土壤和團聚體中有機碳和氮的分析結果表明,根據各粒徑團聚體百分組成和各粒徑團聚體中碳、氮含量計算的土壤碳和氮含量(計算值)接近于土壤中實測的碳和氮含量(回收率分別為98.21%和 102.89%),為了便于比較,在計算碳和氮素在各團聚體中分配時,以各粒徑團聚體中碳和氮加權和(即土壤有機碳和氮素的計算值)為基礎.

土壤磷素分級采取方法參照文獻[9-10].各形態及提取方法見表 2.土壤全磷使用 HClO4-H2SO4消解鉬銻抗比色法測定.

表2 土壤磷素各形態及提取方法Table 2 Sequential fractionation procedure of phosphorus in tested calcareous purple soils

1.5 統計分析

使用單因素方差分析-最小顯著差(ANOVA/LSD)法考察再生水灌溉對土壤理化性質的影響.統計軟件為 Minitab(版本號為16.0,美國Minitab公司).

2 結果與討論

2.1 土壤pH值與顆粒組成

試驗區A、B的土壤pH值與對照區之間沒有顯著差別(表 3).已有的研究表明,再生水灌溉地區土壤的pH值變化不明顯[11-13],或有輕微上升[14],可能與再生水中含有比較豐富的鹽分有關.

3個試驗區土壤顆粒組成比較接近,砂粒(0.02～2mm)、 粉 粒 (0.002～0.02mm)和 黏 粒(＜0.002mm)平均含量分別為 731.3,155.0,113.8 g/kg(表3).再生水灌溉對土壤顆粒組成影響不顯著.

表3 土壤pH值和顆粒組成Table 3 pH and particle size distribution of the tested soil samples

2.2 土壤干團聚體的分布

供試土壤的干篩團聚體主要為 0.25～2mm顆粒組成,所占的比例在 40%以上(表 4).雖然再生水灌溉對于供試土壤的顆粒組成無顯著的影響,但對于土壤干團聚體組成仍有一定的影響,＞2mm團聚體所占比例依次為對照區＞試驗區B＞試驗區A,0.125～0.25mm和0.25～2mm這2個粒徑所占比例依次為試驗區 A＞試驗區 B＞對照區,0.053～0.125mm和＞0.053mm粒徑團聚體所占比例3個試驗區內無顯著差異.這一結果表明,再生水灌溉的耕層土壤中＞2mm的大粒徑團聚體向較小粒徑轉化,但對于粒徑＜0.125mm的微團聚體影響不大.

表4 再生水灌溉對土壤干團聚體分布的影響Table 4 Effect of reclaimed water irrigation on the soil aggregate composition

2.3 團聚體中土壤有機碳和氮分布

圖1 不同粒徑團聚體中有機碳和總氮含量及C/NFig.1 Contents of organic C and total, N, and C/N ratio in aggregates with different size

試驗區A、B及對照區中土壤有機碳平均含量分別為24.70,19.46,15.75g/kg,全氮的平均含量分別為 2.85,2.45,1.58g/kg.與采用地下水灌溉的對照區相比,3a的再生水灌溉區中有機碳和全氮含量平均分別上升了23.56%和60.76%,8a的再生水灌溉區中土壤有機碳和總氮含量平均上升下降了56.83%和80.38%.再生水灌溉會給

土壤提供持久的、低劑量的速效養分,國內外對再生水灌溉后土壤的肥力水平進行了大量研究,得出了比較一致的結論,即再生水灌溉可以顯著地改善土壤的肥力,長期灌溉可以減少人工施肥量[1,15-17].再生水灌溉區中總氮的上升幅度更大,可能與氮素在土壤中的吸附、轉化有關.再生水中銨態氮的含量較高(表1),灌溉后銨態氮進入表土,由于 NH4+是交換性陽離子,在土壤水由上至下的運動過程中容易被土壤組分吸附,與Ca2+、Mg2+等發生陽離子交換作用,使土壤含氮量增加[18].Kevin等[19]認為再生水灌溉土壤能為土壤提供營養元素,尤其是氮肥,采用普通灌溉方式可增加24.5～97.8kg/hm2氮肥.

圖 1表明,有機碳和氮的含量以＞2mm和＜0.053mm粒徑最高.＜0.053mm團聚體中含較高的有機碳和氮,可能與該組分有較高的黏粒,易與有機碳形成復合體有關;而＞2mm團聚體中含有較多的碳和氮可能與該組團聚體包含較多的半分解有機殘體有關.一般認為,大團聚體可能是土壤養分供給的主要來源,而小團聚體則是保持土壤養分的場所[20].再生水灌溉對有機碳和氮在＞0.25mm團聚體中的分布有較大影響.在＞0.25mm的團聚體中,有機碳含量為試驗區A＞試驗區B＞對照區,這與土壤全碳變化一致,在＜0.25mm的團聚體中,3個試驗區有機碳含量無顯著差別.土壤全氮變化趨勢與有機碳相同.在＞ 0.25mm的大粒徑團聚體中,對照區的C/N比顯著高于再生水灌溉區,而＜0.25mm的微團聚體中,3個試驗區的C/N相差不大(圖1).

不同粒級團聚體中有機碳和氮的分布因灌溉水不同而有所變化(表5).地下水灌溉的對照區中,土壤有機碳和氮主要分布在＞2mm 和 2～0.25mm 2個粒級團聚體中,該2個粒級團聚體中的有機碳和氮的含量總和占土壤總有機碳和氮的比例分別為 68.48%和 74.58%.再生水灌溉區中,＞2mm粒徑的團聚體中有機碳和氮所占比例下降,而 2～0.25mm粒徑的團聚體中有機碳及氮的比例顯著上升,分別超過土壤總有機碳和總氮的55%和60%.

表5 不同粒徑團聚體中碳和氮占土壤總碳和氮的分布 (%)Table 5 Contribution of C and N in different size aggregates to total C and N in soils (%)

2.4 土壤顆粒態有機質

顆粒態有機碳是一類腐殖化程度較低、活性較高和更新速率較快的有機碳庫,在土壤碳、氮和硫循環中有著重要的作用,其數量可較好地反映人類活動對土壤有機質的影響[21].與土壤總有機碳相似,顆粒態有機質含量也是試驗區 A＞試驗區 B＞對照區.研究表明,再生水可以給表層土壤帶來較高的顆粒態有機質(POM),溶解性有機質(DOC)及膠體有機質(COM)[22-23].用物理方法分離獲得的試驗區A、B及對照區顆粒態有機質的平均含量分別為 24.42,17.93,13.24g/kg(表 6),對應的土壤顆粒態有機質形式的碳平均含量分別為10.28,7.53,3.48g/kg,顆粒態氮的含量分別為0.86,0.56,0.16g/kg.對照區土壤顆粒態有機質的C/N顯著高于再生水灌溉地區.顆粒態有機質形式碳(POM-C)和顆粒態有機質形式氮(POM-N)占土壤總有機碳和氮的比例為試驗區A＞試驗區B＞對照區(表 6).這一結果說明,再生水灌溉有利于紫色土顆粒態有機碳和顆粒態氮的形成,且灌溉時間越長,效果越明顯.

表6 再生水灌溉對土壤顆粒態有機質、顆粒態有機碳及顆粒態氮的影響Table 6 Effect of reclaimed water irrigation on POM, POC and PON in tested soil samples

2.5 土壤磷素

與有機碳和氮有所不同,3個試驗區土壤全磷含量并無顯著差別(表 7),但各粒級團聚體中磷含量均是試驗區A＞試驗區B＞對照區.在研究的5個粒徑的團聚體中,＞2mm和＜0.053mm等2類團聚體中磷含量最高.＜0.053mm團聚體中含較高的磷素與該組分包含較高的黏粒和有機碳有關,而＞2mm粒組中較高的磷含量可能與該組分含較高的有機碳及因施肥生成的石膏有關.該地區普遍使用硫酸鉀等復合肥料,硫酸根易與土壤中的鈣離子生成不容易溶解的硫酸鈣(石膏).有機碳和石膏都是砂質土壤磷素固定的重要組分[24-25].

在＜0.053mm粒徑團聚體中,各試驗區磷素的形態分布無顯著性差別.在除＜0.053mm的其它4個粒級團聚體中,再生水灌溉區土壤中交換態磷(KCl-P)及鈣結合態(HCl-P)顯著高于對照區(圖 2),而鐵鋁結合態 P(NaOH-P)顯著低于對照區,且隨著灌溉年限的增長,這兩個趨勢更加明顯.殘渣態P(Res-P)在各個試驗區之間無顯著 性差別.

表7 土壤及不同粒級團聚體中全磷的含量Table 7 Total soil P and P content in soil aggregates with different size

圖2 再生水灌溉對不同粒級團聚體磷形態的影響Fig.2 Effects of reclaimed water irrigation on P forms in aggregates with different size

3 結論

3.1 再生水灌溉可顯著地影響砂質紫色土有機碳、氮和磷庫.再生水灌溉區土壤有機碳、氮和磷主要分布在＞2mm和＜0.053mm的團聚體中.相比采用地下水灌溉的對照區,再生水灌溉區土壤中＞2mm的大粒徑團聚體向較小粒徑轉化,有機碳、氮和磷素含量顯著上升.

3.2 再生水灌溉還有利于紫色土重顆粒態有機碳和顆粒態氮的形成,且灌溉時間越長,效果越明顯.

3.3 在除＜0.053mm的其他4個粒級團聚體中,再生水灌溉區土壤中交換態磷及鈣結合態磷比例上升,而鐵鋁結合態磷比例下降.

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Effect of reclaimed water irrigation on the distribution of organic carbon, nitrogen and phosphorus in different size of aggregates in sandy purple soil.

ZHENG Shun-an1, CHEN Chun1*, ZHENG Xiang-qun1, LI Song2(1.Key Laboratory of Production Environment and Agro-product Safety, Ministry of Agriculture, Tianjin Key Laboratory of Agro-environment and Agro-product Safety, Laboratory of Quality and Safety Risk Assessment for Agro-product on Environmental Factors, Ministry of Agriculture, Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China；2.Petrochina Jidong Oilfield Company, Tangshan 063004, China). China Environmental Science, 2012,32(11)：2053～2059

Effect of reclaimed water irrigation on the organic carbon (C), nitrogen (N) and phosphorus (P) distribution regarding different size of aggregates in sandy purple soils was investigated. The studied soils in Pengzhou City had been irrigated with reclaimed water for varying lengths of time (3 and 8 years, respectively). In purple soil irrigated with reclaimed water, organic C, total N and total P were mainly distributed in the ＞2mm and ＜0.053 mm aggregate fractions. Compared with controls, pH and texture of soils irrigated with reclaimed water barely changed, whereas the proportions of ＞2 mm aggregate fractions of those increased markedly. Besides, organic C and N in ＞0.25 mm aggregate fraction in irrigated soils significantly rose, whereas P in all 5 aggregate fractions distinctly increased. Furthermore, reclaimed water irrigation was favorable for formation of particulate organic C and particulate N in irrigated purple soils, and such effect was increasingly greater over irrigation time. In aggregate fractions (except for ＜0.053mm), the proportions of exchangeable P and HCl-P increased, whereas NaOH-P diminished correspondingly. The study concluded that reclaimed water irrigation can improve the composition of organic carbon, nitrogen and phosphorus in purple soils.

reclaimed water irrigation；sandy purple soil；organic carbon；nitrogen；phosphorus；soil aggregates

2012-03-19

中央級公益性科研院所基本科研業務費專項(農業部環境保護科研監測所);公益性行業(農業)科研專項(200903015)

* 責任作者, 助理研究員, chennchun@yahoo.com

X131.3

A

1000-6923(2012)11-2053-07

鄭順安(1981-),男,安徽合肥人,博士,助理研究員,主要從土壤環境方面的研究.發表論文10余篇.