土壤磷素淋溶研究進展

鄒慧芳，李麗君，劉 平，白光潔，普錦成

（1.山西大學生物工程學院，山西太原030006；2.山西省農業科學院農業環境與資源研究所，山西太原030031）

隨著人們對蔬菜需求量的增加，蔬菜種植已成為農村經濟發展的支柱產業。據統計，全國蔬菜種植面積在2014年已達到2 140.5萬hm2[1]，其中，設施蔬菜種植面積達386萬hm2[2]。為追求高產帶來的經濟效益，菜農經常增加肥料投入，單季化肥純養分使用量為普通大田作物的數倍甚至數十倍[3]，長期大量施肥導致土壤磷素積累過多。當土壤對磷的固定能力達到飽和后，水溶性磷和吸附磷就會通過土壤空隙下移[4]。淋溶流失是土壤磷素進入到水體中的重要途徑之一[5]。土壤中過量磷的遷移和流失對地下水體和生態環境造成了嚴重的威脅。

筆者綜合國內外有關磷素淋溶方面的研究報道，闡述了影響磷素淋溶的因素和結果，以期為提高農田磷肥利用率、減少對生態環境的負面效應提供參考依據。

1 土壤磷素淋溶的研究現狀

國外對磷淋溶的研究開展得較早，1995年，HECKRATH[6]找出土壤磷素淋溶的土壤耕層Olsen-P含量的“突變點”，用來預測土壤磷素的淋溶趨勢。對土壤磷的分級最早是FRAPS在20世紀初提出的，當時主要用于研究土壤中不同形態的磷素轉化以及對植物有效性的影響[7]。隨后，通過大量學者的集中研究探討，出現了多種磷素分級方法。目前，對磷的流失檢測方法主要有：田間原位磷檢測、排水管檢測、地下水檢測以及地表水檢測等，其中，根據所用材料的不同又可將每類檢測方法分為多種，最常用的方法有滲漏地試驗、人工模擬降雨、徑流場試驗等[8]。

國內外對磷素在土壤中的遷移、轉化、循環及污染控制等方面的研究頗多。近年來，廣大研究者對土壤磷素行為與無機有機肥料協同之間的關系等方面的關注度越來越高[9]。我國對有機肥磷流失方面的研究大多集中于對畜禽糞便排放量、發生量的統計[10]，關于有機肥對水體富營養化的影響方面的研究大多數都是在實驗室內模擬降雨條件下土壤磷素地表徑流流失特征方面的研究，在田間原位條件下進行的研究較少[11]。土壤磷的積累及引起的水環境問題已得到普遍關注，合理有效地進行磷素資源的管理，既能提高經濟效益和充分利用土壤中的磷，又不會造成磷資源的浪費和水環境污染是目前值得關注的問題。

2 土壤磷素淋溶的影響因素

2.1 施肥量

近年來，我國設施蔬菜種植面積日益增長，生產者則為了追求高產量、高利潤而大量施用肥料[12]。據研究報道，設施蔬菜栽培土壤肥料用量為大田土壤的4～10倍[13]，而在實際生產中，磷肥施用量遠高于蔬菜生長實際需要量[14]。磷肥容易被土壤固定，因此，當季利用率一般僅為10%～25%[15]。韋高玲等[16]研究發現，減量20%和30%施肥處理均能降低菜地耕層土壤中磷素淋溶，且效果顯著。張英鵬等[17]以山東三大主要土類為研究對象，利用室內土柱模擬試驗研究了平均年降雨量條件下不同施磷量對磷素有效性以及在土體中淋溶風險的影響，結果表明，三大土類表層0～20 cm土層的速效磷的含量隨著施磷量的增加均有明顯的提高。王濤等[18]研究發現，隨著有機肥施用量的增加，農田中各形態磷素的平均濃度有相應提高。龔蓉等[19]通過研究發現，與常量過磷酸鈣相比，磷肥減量10%，20%，30%處理的總磷徑流損失量分別降低了4.18%，10.31%和24.30%，且磷肥減量30%后，總磷流失量降低呈極顯著水平。

2.2 肥料種類

2.2.1 有機無機肥配施 有機肥具有緩效性，前期釋放少，養分含量低但比較全面，宜作基肥；而無機肥則溶解快、釋放快，養分含量高但相對單一，可作基肥但更宜作追肥，二者配合施用能滿足作物的生長需求[20]。習斌等[21]研究發現，在等氮條件下，施入有機肥會造成農田土壤磷素大量積累。韓曉飛等[22]研究發現，減磷配施有機肥對紫色土旱坡地地表徑流磷素含量影響顯著，減磷配施豬糞和秸稈有機肥對土壤磷素地表徑流損失具有一定的消減效應。田雁飛等[23]研究發現，水稻減量化肥配施有機肥處理能夠通過有機物循環利用，提高土壤磷素活化度，改善土壤磷素供肥特性，進而促進水稻對磷的吸收利用。有機無機肥配施能夠提高肥料的利用率，改善土壤結構，但是也會一定程度上增加土壤磷素淋溶。有機肥與無機肥同時施用時應合理控制有機肥施用數量，將速效緩效有機肥合理搭配，充分發揮其供肥和改土的雙重效應。

2.2.2 緩/控釋肥 緩釋肥料和控釋肥料在術語上是并存使用的，但是在技術上來講，它們是不同的肥料類型，并且在肥料的發展階段、肥料性能以及含義等方面都存在一定的差異[24]。緩釋肥料施于土壤后其有效養分比常規水溶性肥料釋放緩慢，而控釋肥料則是通過采用包膜工藝、控制釋放技術等使肥料養分按照一定的模式在作物生長季節釋放出來[25]。高曰鑫等[26]研究發現，腐植酸緩釋磷肥的養分釋放率在作物生長過程中先緩慢增加，達到高峰后又逐漸下降。幼苗期需肥少，緩釋肥養分釋放少，不會產生燒苗現象。作物大量需肥時，緩釋肥穩定地釋放養分，不僅能滿足作物需求，而且保證作物的穩產和高產。雖然緩/控釋肥料的生產已有超過40 a的歷史，但是由于生產成本高，其價格一般相當于普通化肥的2～8倍，因此，影響了其推廣使用。我國是研究包膜肥較早的國家之一，并且在包膜緩/控釋肥料研究方面也取得了一定的進展[27]。目前，存在的問題是無機包膜養分控釋性能較差且釋放期短，但有機聚合物包膜不僅成本高且膜材降解較困難，同時大量使用有機溶劑不僅會造成資源浪費，更重要的是會危害環境以及人體健康[28]。

2.3 施肥時期及施肥措施

不同種類蔬菜種植養分需求差異大，因此，要實現不同種類在不同季節及不同區域均達到優質高產，則必須重視其營養需求[20]。磷以多種方式參與植物體內的代謝過程[29]，作物在生長早期吸收磷最快，因此，這個時期需要的磷最多[30]。楚雯瑛等[31]研究發現，如果磷含量無法滿足植株早期生長需求，會導致植株嚴重缺磷，且溫室光照強度以及溫度較高，會使植株缺磷效應加重，可能會致使植株死亡。

長期實施不同培肥措施會導致土壤性質以及土壤肥力的差異。趙慶雷等[32]研究發現，長期采用不同的施肥方式會使0～20 cm土層的土壤磷素肥力特征發生顯著改變：NPK化肥配施與未施肥對照組相比，耕層土壤有效磷和全磷含量均有顯著提高。慶遠紅等[33]研究發現，在酸性菜園中應選擇鈣鎂磷肥，既可以減少磷素淋溶損失，也可以改良土壤酸堿度，還能夠為蔬菜的生長發育提供鈣、鎂等營養物質。

2.4 灌溉水平

農田灌溉方式以降水為主，加以漫灌、滴灌等滿足作物生長發育對水的需求。而設施菜田灌溉方式可由人工控制，大多采用滴灌、穴灌以及壟灌等方式調節灌水量。項大力[34]通過研究3個灌溉水平對土壤磷素淋失的影響發現，即使淋溶到120 cm土體以下時，隨著灌溉量的增加，磷素淋溶量也會增加。劉暢等[35]研究發現，不同灌溉方式對土壤磷素淋失風險影響有差異，其中，溝灌處理影響最大，滲灌次之，滴灌最小。

2.5 土壤結構與質地以及耕作制度

土壤結構和土壤質地與土壤肥力水平以及保水保肥能力有密切關系。土壤質地以及土壤膠體含量影響土壤透水性[36]。曹克麗等[37]研究發現，土壤黏粒含量與對磷的最大吸附量以及土壤全磷含量均呈顯著正相關關系，土壤有效磷占磷提取總量的比例與土壤pH關系密切。

土地利用及耕作制度會影響土壤擾動程度以及殘留物存在，進而會對土壤養分淋溶造成影響[38]。耕作會增加土壤表面粗糙程度，增大土壤飽和導水率，從而使磷素的淋溶損失量增加；耕作時農機輪子會使土壤形成一些裂縫，容易形成優先流促進淋溶。此外，耕作還能將亞表層土壤壓實，從而促進土壤磷素淋溶等[39]。陳琨等[40]研究發現，與常規耕作方式相比，秸稈還田更能使氮磷流失量有效減少。

2.6 種植年限

隨著種植年限的增加，長期大量施肥導致土壤中磷素富集，淋溶風險不斷加大。王輝等[41]研究發現，土壤中速效磷含量隨著種植年限的增加而逐漸增加。鄭杰等[42]研究發現，土壤中不同形態磷含量隨著種植年限的增加逐年遞增。但也有研究表明，溫室土壤速效磷含量隨種植年限的增加呈先上升后下降的趨勢。施南芳[43]研究發現，土壤中有效磷等含量隨著大棚種植年限增長有明顯上升趨勢，且以8 a大棚含量最高，達83.13%，但10 a大棚土壤與8 a相比，有效磷含量有所下降。劉曉軍等[44]研究發現，0～20，20～40 cm溫室土壤有效磷含量隨著栽培年限增加而顯著增加，但10 a溫室土壤有效磷含量有所下降。這意味著在一定時間限度內，土壤淋溶風險隨種植年限的增加而增加。

2.7 其他因素

2.7.1 生物炭 生物炭孔隙度結構、表面負電荷以及表面積都比較高，與土壤或是水體混合后，具有很強的穩定性[45]。在水體中，生物炭能夠作為吸附劑，吸附去除各類污染物；在土壤中，生物炭能夠作為土壤改良劑，不僅對土壤理化性質有所改善，而且能提高土壤質量并吸附土壤中的一些污染物[46]。李際會等[47]研究發現，添加經FeCl3改性的秸稈生物炭，有效磷的淋失量顯著降低，并且隨著添加生物炭量的增加而顯著下降。生物炭可以通過影響其陰離子交換或與磷產生相互作用的陽離子的活性進而改變磷的有效性。李江舟等[48]研究發現，在云南煙區3種不同的土壤上施用生物炭后，紫色土和赤紅壤淋溶液中總磷濃度減少明顯，而黃棕壤淋溶液中總磷濃度減少不明顯。曾愛等[49]研究發現，隨著生物炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈現先增加后降低的趨勢。關連珠等[50]研究發現，施用玉米秸稈生物炭的土壤可減少對磷的固定，促進磷素的有效化，提高磷肥的利用率。由此可見，生物炭的種類與添加量以及土壤類型等與磷素淋失關系密切。2.7.2土壤改良劑——碳酸鈣與脫硫石膏含Al3+，Fe3+和Ca2+的鹽一般能夠有效地減少土壤磷素的移動及徑流，碳酸鈣與石膏等含Ca2+的礦物質經常用作土壤改良劑[51]。郭堃梅等[52]研究發現，施用碳酸鈣、石膏均可以降低土壤磷素以及磷肥的淋溶，但是施用石膏后溶解有機碳的淋溶程度加劇，碳酸鈣可以作為經濟有效的土壤添加劑，在實際應用時，應根據土壤酸度確定碳酸鈣的用量。張峰舉等[53]研究發現，隨著脫硫石膏用量的增加，土壤中有效磷的含量明顯下降，而無機磷含量增加，尤其是難溶性磷酸鈣鹽增加顯著。在堿性土壤中施用脫硫石膏后，Ca2+不僅能夠置換土壤膠體上的Ca2+，還能與PO43+作用后轉化為磷酸鈣鹽，將土壤中的磷轉化為固定態的磷，因而降低磷的淋溶。

3 展望

綜上所述，近年來，關于設施蔬菜磷素淋溶的研究已涉及到施肥、灌溉水平、土壤結構質地、耕作管理制度以及種植年限等方面，但有些方面的研究仍存在許多不足，今后應加強以下幾方面的研究：（1）現有對影響農田磷素淋溶損失的研究多集中在單一因素，而多種因素同時產生影響的結果必然有所不同，因此，針對多種因素共同作用下對磷素淋溶損失的影響有待進一步研究。（2）目前，關于土壤干燥—濕潤過程中磷素淋溶的研究是熱點問題，但有關這方面的模擬研究很少，今后應加強這方面的研究。（3）由于在土壤改良以及固碳減排等方面應用潛力很大，生物炭技術受到國內外廣泛關注，但施用生物炭在增加土壤磷素有效性以及改善土壤肥力等方面研究較少。