磷肥不同施用量對紫色土坡面膠體態磷流失的影響

仲金平，鄭子成，李廷軒，何曉玲

磷肥不同施用量對紫色土坡面膠體態磷流失的影響

仲金平1，鄭子成1，李廷軒1，何曉玲2

1四川農業大學資源學院，成都 611130；2西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌 712100

【目的】農田磷流失風險與磷肥用量密切相關，鑒于土壤膠體在土-水界面磷素遷移轉化過程中的重要作用，探討施用磷肥對紫色土坡面膠體態磷流失的影響及其與產流產沙之間的關系，為從土壤膠體視角認識磷素遷移機制提供科學依據。【方法】試驗采用人工模擬降雨和室內分析相結合的方法，開展4個磷肥施用量0（P0）、20（P20）、40（P40）和100（P100）mg·kg-1下紫色土坡面產流產沙及膠體態磷流失特征研究。【結果】地表徑流量受磷肥施用量影響較小, 侵蝕產沙量受磷肥施用量影響較大，施磷后坡面初始產沙量顯著降低了49.3%—68.7%，P100處理累積產沙量較其他施磷處理顯著降低了26.5%—30.9%。地表徑流是紫色土坡面水分散性總磷（WTP）和膠體態磷（CP）的主要流失途徑，其流失比例分別占總流失量的57.5%—93.9%和62.3%—94.8%，且CP是地表徑流WTP流失的主要形態，占WTP流失量的72.1%—80.7%。施磷顯著增加了磷素流失風險，與P0處理相比，施磷后地表徑流WTP、CP、DP（溶解態磷）累積流失負荷量分別提高了2.56—20.97倍、2.72—22.21倍、1.17—10.40倍，侵蝕泥沙WTP、CP、DP的累積流失負荷量分別提高了0.24—0.92倍、0.05—1.09倍、0.47—0.76倍。【結論】紫色土坡面膠體態磷流失的主要途徑為地表徑流，膠體態磷流失與產流過程密切相關，流失負荷量主要取決于磷肥施用量。水分散性總磷與膠體態磷呈極顯著相關關系,膠體態磷是紫色土坡面磷素流失主要形態，可以通過調控地表徑流，合理減施磷肥以減少坡面CP流失。

膠體態磷；磷肥；地表徑流；侵蝕泥沙；紫色土

0 引言

【研究意義】磷素不僅是農業生態系統的限制性養分元素，也是引發水體富營養化的關鍵制約因子[1-3]。作物生長所需磷素一般通過土壤磷庫和外施磷肥獲得，但磷肥施入土壤后極易被吸附固定，導致土壤磷素的生物有效性極低[4-5]。土壤膠體是粒徑1 nm至1 μm的顆粒，具有比表面積大、吸附性能強等特點，其對磷的吸附固定能力高達單位重量不可移動土壤基質的5 000倍，故被視為吸收儲存磷素的重要場所，而通過吸附、絮凝和沉積形成的土壤膠體態磷（CP）不僅是土壤磷庫的重要組分，也是磷素遷移流失的主要載體[6-9]。川中紫色土區是四川玉米、小麥等糧食作物的主要生產區，但其土層淺薄，結構松散，易形成大量膠結能力差的松散碎屑物，膠體穩定性差，加之該區域降雨充沛且集中，極易引發水土流失，加劇了土壤膠體及膠體態磷的流失[10-14]。因此，明確紫色土膠體態磷的流失特征對于促進川中紫色土丘陵區農業生態可持續發展具有重要意義。【前人研究進展】土壤磷素在固液界面遷移機制較為復雜，已有研究表明，土壤膠體是溶解性有機物、重金屬元素和營養元素進行遠距離遷移的載體[15-19]，膠體概念的引入為研究磷素遷移轉化機制提供了新視角。膠體態磷相較于溶解態磷（DP）而言，內部結構及其表面性質具有固體特性，有利于吸附溶質；與顆粒態磷（PP）相比，其粒徑小，受重力沉降作用較小，更易遷移進入水體[16,20]。孫小靜等[21]通過切向流超濾技術發現太湖水體膠體態磷占總磷（TP）的39%以上，膠體是水體中營養鹽的重要載體，而陸源輸入是水體膠體態磷的主要來源[22-23]。因此，磷素在土壤膠體表面的吸附是導致磷流失的主要原因，土壤膠體態磷的含量也成為表征膠體態磷流失潛力的常用指標[24-26]。目前，針對農田土壤膠體態磷的遷移機制已展開大量研究，土壤膠體態磷主要受到土壤理化性質、施肥及降雨的影響，其形成及遷移機制具有特殊性和復雜性[27-30]。土壤理化性質會直接影響土壤膠體態磷的形成環境及遷移機制[29-30]。施肥會影響膠體態磷的含量，有研究表明施用無機磷肥會使土壤膠體磷含量顯著提高，而沼液和糞肥還會提高膠體態磷的流失量[31-33]。此外，施肥還會改變土壤膠體表面電化學特性[34-35]，BAKEN等[36]發現在不同磷濃度條件下，膠體態磷的穩定性存在較大差異，低磷濃度下膠體與磷的結合更為穩定，而磷濃度較高時由吸附產生的膠體態磷絕大多數在短期內從膠體表面釋放。土壤膠體態磷在降雨、灌溉等因素作用下進入下游水體，在降雨-徑流-入滲過程中會使大量土壤可移動膠體釋放，為磷素流失提供載體[37-38]。此外，降雨也會通過降低徑流pH來增加膠體態磷的流失貢獻[14]。紫色土顆粒分散性高，張維等[39]針對坡地尺度紫色土膠體釋放與遷移機制展開研究，發現紫色土膠體顆粒遷移速率比產流速率更快，且膠體濃度峰值的主要決定因子是雨強，說明在暴雨頻發的紫色土區，土壤膠體對坡面磷素遷移的潛在作用不容忽視。【本研究切入點】紫色土作為一種重要的農業土壤，礦質膠體含量豐富，但其抗侵蝕能力弱，為紫色土膠體態磷流失提供載體及動力。目前紫色土區磷素流失的特征及規律方面的研究，大多關注溶解態磷和顆粒態磷，對于膠體態磷的流失及其與施磷量、產流產沙等之間的關系亟待深入研究，以明晰紫色土區磷素流失的本質特征。因此，本研究采用人工模擬降雨和室內分析相結合的方法，對裸露坡面不同施磷量下紫色土膠體態磷的流失特征展開研究，探明不同形態磷素對磷流失的貢獻，明確膠體態磷流失與施磷量和產流產沙的關系。【擬解決的關鍵問題】本研究針對紫色土區膠體含量豐富、膠體態磷流失潛力大的特點，探討紫色土膠體態磷的流失特征，解析膠體態磷在磷素流失中的作用及貢獻，以期為紫色土磷素流失防控提供理論依據，促進該區域農業可持續發展。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省資陽市雁江區松濤鎮，地處四川盆地中部，長江上游沱江水系花椒溝支流上游。屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫17℃，多年平均降雨量為966 mm，年內降雨充沛但時空分布不均，夏季（6—8月）降雨量為517 mm，暴雨頻發。該區土壤為侏羅紀遂寧組紅棕紫泥，采樣深度為0—40 cm。供試土壤pH為8.1、有機質8.08 g·kg-1、全氮1.27 g·kg-1、全磷1.16 g·kg-1、全鉀31.29 g·kg-1、堿解氮130.82 mg·kg-1、有效磷179.67 g·kg-1、速效鉀182.98 mg·kg-1，土壤膠體含量為389.07 g·kg-1。

1.2 研究方法

（1）供試土壤：在研究區分層（0—10、10—20和20—40 cm）采集供試土壤，風干后過1 cm篩備用[6,34]。

（2）試驗設計：根據當地無機磷肥（KH2PO4）施用習慣，試驗設0（P0）、20（P20）、40（P40）、100（P100）mg·kg-14個施肥處理，每個處理重復3次。

（3）試驗小區：試驗裝置為坡度可調節的鋼制土槽（2.0 m×1.0 m×0.5 m），槽內填土深度為40 cm，大約裝土1 040 kg。填土時為保證土面平整并模擬研究區各土層自然容重，采取分層填土法，按照自然容重1.31 g·cm-3（0—10 cm）、1.34 g·cm-3（10—20 cm）、1.40 g·cm-3（20—40 cm）從下至上依次填充。根據當地農耕習慣，按照不同施磷量將磷肥（KH2PO4）溶于蒸餾水中，均勻噴灑于0—10 cm原狀土樣上，用于填充徑流土槽最上層（0—5 cm）以模擬施磷土層。填土完成后立即用塑料薄膜密封土槽上部，靜置4周后開展試驗。基于野外實地調查及研究區典型坡耕地坡度占比，土槽坡度設置為15°。

（4）模擬降雨：土槽人工模擬降雨實驗在四川農業大學人工降雨場進行。人工降雨裝置采用SR 型野外移動式人工模擬降雨器，包括供水和降雨兩個系統（圖1）。根據研究區多年降雨資料設計典型雨強為1.5 mm·min-1，降雨持續60 min。模擬降雨前進行降雨強度校正，降雨均勻系數在85%以上，降雨高度為6 m，以確保模擬降雨條件與自然降雨接近[40]。降雨開始后，采用染色劑示蹤法每隔10 min分別在上、中、下部坡面多次測定流速[41]。

圖1 模擬降雨裝置圖

1.3 樣品采集與分析

（1）樣品采集：產流開始后，每隔3 min用塑料桶收集一次泥水混合樣品，直至產流結束，并用秒表記錄降雨產流開始及結束時間。降雨試驗結束后，將塑料桶套上保鮮膜防止水分蒸發，待泥水混合樣品放置澄清后，用體積法測定徑流體積，隨后用250 mL塑料瓶收集上清液，加硫酸調節pH≤1，存放于冰箱（-21 ℃）中保存。隨后將塑料桶中的泥沙于105 ℃烘箱中烘干、稱重后過篩（＜2 mm）備用。

（2）樣品測定：徑流水分散性總磷（WTP）和溶解態磷（DP）：用真空泵分別抽濾出徑流樣品中＜2 μm和＜0.1 μm的液體，經121 ℃、酸性過硫酸鉀消解30 min后，用鉬銻抗比色法測得磷濃度。膠體態磷（CP）濃度為WTP與DP之差。泥沙樣品以水土比1﹕8加入去離子水，在25 ℃條件下以180 r/min振蕩24 h后靜置2 h，移取上清液以3 000離心10 min，然后用真空泵分別抽濾浸提液中＜2 μm和＜0.1 μm部分液體，樣品磷含量測定方法同徑流一致[42]。

1.4 數據處理及分析

（1）徑流剪切力（Pa）=sin[43]

式中，為水體密度（kg·m-3）；為重力加速度（N·kg-1）；是徑流深度（m）；為坡度（°）。

（2）磷流失表觀系數（%）={[某施磷處理磷素投入量（mg·kg-1）-未施磷處理下磷素流失量（mg·kg-1）]/該施磷處理磷素投入量（mg·kg-1）}×100[44]。

所有數據測定結果均為3次重復試驗的平均值。采用Excel 2018和SPSS 22.0進行數據的統計分析和擬合，用最小顯著差異法（least significant difference, LSD）進行不同處理間的顯著性分析（＜0.05）。采用Arcmap10.5和Origin 2023進行圖的制作。

2 結果

2.1 不同施磷處理紫色土坡面產流產沙特征

徑流及泥沙是坡面磷素流失的載體，降雨是引起坡面侵蝕的動力因子，明確降雨過程中產流產沙特征是探討膠體態磷流失機制的前提[45]。不同施磷處理下坡面產流總量及產沙總量如圖2所示，坡面產流總量63.61—69.50 mm，各處理之間差異不顯著。而坡面產沙總量則有別于產流總量，P100處理下的產沙總量較其他處理顯著降低了26.5%—30.9%，其余各處理間差異不顯著。施用化肥能夠調控土壤團粒結構的組成，過量施用磷肥后可能會促進小團聚體向大團聚體轉變，反而降低了坡面侵蝕產沙量[46]。

圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著（P＜0.05）。P0、P20、P40、P100分別代表施無機磷肥量分別為0、20、40、100 kg·hm-2。下同

由圖3可知，在降雨過程中，各處理坡面徑流產流率為0.12—1.59 mm·min-1，產流趨勢基本一致，在降雨初期迅速增大，之后隨著降雨時間的延長呈現緩慢增長后趨于穩定。產流迅速增長期在0—24 min，且在降雨持續到36 min左右時坡面產流趨于穩定。而產沙率為1.48—11.62 g·min-1，隨著降雨時間的延長呈不規則波動變化趨勢，在降雨初期產沙率波動較大，后期趨于穩定。在24 min左右，各處理產沙率均有一個谷點，隨后會不斷增加，并在39 min之后基本穩定，由此可見，加強降雨初期的抗侵蝕能力可有效減少紫色土侵蝕。P0處理下產沙率在降雨前期的變化幅度最明顯，且在降雨延續至21 min時達到最大，此時產沙率為11.62 g·min-1；在27 min時最小，為1.48 g·min-1。P20、P40和P100的初始產沙量分別為（9.26±4.50）、（5.86±1.04）和（5.83±1.39）g。施磷后初始產沙量較P0處理顯著降低了49.3%— 68.7%，主要是因為紫色土抗侵蝕能力弱，P0處理下坡面團聚體穩定性較其他處理更差，所以施磷對于減少坡面侵蝕產沙具有積極作用。徑流剪切力變化范圍為1.61—12.12 Pa，其變化趨勢與產流率相似，在降雨前期逐漸增加，36 min左右徑流剪切力逐漸平緩，各施磷處理下徑流剪切力差異不顯著。降雨初期，紫色土坡面土質疏松，抗侵蝕能力弱，土壤團聚體穩定性遭到持續破壞，產流率迅速增加使產沙量也提高，剪切力最小；而在降雨后期，土壤表面產流率逐漸平穩，其對土壤的侵蝕沖刷作用減弱，土壤表層孔隙堵塞后會形成土壤結皮，產沙率減少；隨著降雨量超過坡面入滲量時，徑流深度增加，徑流剪切力增強；當坡面細溝形成后，徑流沿細溝流動，細溝發育較為穩定，徑流剪切力趨于平緩，且在降雨結束時剪切力達到最大值。

圖3 不同施磷處理下紫色土坡面產流率、產沙率及徑流剪切力隨降雨時間的變化

2.2 不同施磷處理地表徑流中膠體磷流失特征

圖4為地表徑流中各形態磷素的流失濃度。由圖可知，P0處理下WTP濃度的變化趨勢為單峰變化曲線，峰值出現在第15分鐘左右，施磷后WTP濃度的峰值出現在第21分鐘左右，較P0處理延遲。P0處理下土壤膠體吸附磷飽和度較低，解吸能力較差，土壤膠體吸附磷穩定性高，不易被徑流攜帶流失[9]。P0、P20、P40和P100處理下徑流中WTP平均濃度分別為0.04、0.118、0.254和0.775 mg·L-1，施磷顯著提高了徑流中WTP濃度，P20、P40和P100處理的平均濃度較P0處理分別提高了2.0倍、1.8倍和2.9倍。徑流中WTP、CP、DP濃度與地表產流量變化相似，隨降雨時間的延續先迅速上升，緩慢下降，后趨于穩定。P0、P20、P40和P100處理下徑流中CP平均濃度分別為0.028、0.094、0.199和0.595 mg·L-1，施磷處理徑流中CP平均濃度是P0處理的3.3—20.9倍，流失濃度顯著提高。P0、P20、P40和P100處理徑流中DP平均濃度分別為0.003、0.007、0.018和0.035 mg·L-1，P0與P20之間差異不顯著，但施磷處理下徑流中DP平均濃度是P0處理的2.1—10.3倍。總體而言，徑流WTP的流失以CP為主，各施磷處理CP流失平均濃度高于DP，主要是因為膠體顆粒能夠長期以分散相懸浮于徑流中，說明CP相較于DP而言遷移能力更強[14]。

WTP:Water-dispersible total phosphorus; CP: Colloidal

2.3 不同施磷處理泥沙中膠體磷流失特征

圖5為泥沙中各形態磷素流失量。P0、P20、P40和P100處理泥沙中WTP平均流失量分別為7.87、10.75、15.53和22.92 mg·kg-1，P20、P40和P100處理相較于P0處理分別增加了0.37、0.97和1.9倍。泥沙中WTP含量在各施磷處理下均隨降雨時間的延續呈先下降后趨于平穩的趨勢，泥沙中CP含量變化趨勢與WTP較為相似。P0、P20、P40和P100處理泥沙中CP平均含量分別為5.77、6.74、12.41和18.19 mg·kg-1，P20、P40和P100處理相較于P0處理分別增加了0.17、1.2和2.2倍。泥沙中DP含量除P100處理有明顯峰值外，其余各處理變化趨勢較為穩定。P0、P20、P40和P100處理泥沙中DP平均含量分別為2.09、4.01、3.12和4.73 mg·kg-1，P20、P40和P100處理相較于P0處理分別增加了0.91、0.49和1.3倍。因此，施肥處理均增加了泥沙中WTP和CP含量，泥沙WTP的流失以CP為主，且在降雨初期流失量較高，這主要是因為磷素被大量吸附于膠體表面，降雨初期表層土壤在雨滴濺蝕的作用下被剝蝕，沖刷效應使得土壤膠體被大量剝離，加之此時徑流含沙量較高，產流率卻較低，水流對WTP的浸提作用較弱；而隨著坡面水分不斷飽和，產流率不斷提高，WTP會向地表徑流中釋放，泥沙中WTP和CP含量隨之減少。而DP相較于CP而言分子量更小，更容易通過地表徑流流失，泥沙對其攜帶能力較CP弱。

圖5 不同施磷處理下降雨過程中泥沙中水分散性總磷、膠體態磷和溶解態磷流失特征

磷素的表觀流失系數，是表征投入磷肥流失的常用指標之一[44]。地表徑流及泥沙中各形態磷流失表觀系數結果如圖6所示。隨著施磷量的增加，地表徑流中各形態磷流失表觀系數增加，而泥沙中各形態磷流失表觀系數不同于地表徑流。地表徑流中CP的流失系數為0.18%—0.29%，遠遠高于DP，說明膠體態磷是徑流中磷流失的主要形態。泥沙攜帶的CP流失較少，流失系數在0.002%—0.01%，遠低于地表徑流，降雨產流過程中，在水流沖刷作用下磷素向徑流中釋放，而泥沙顆粒所吸附磷素也會解吸于徑流水中，因此泥沙中CP流失系數較地表徑流而言更低。但泥沙中CP較DP而言流失系數也更高，泥沙在磷素流失中的作用不可忽視。總體而言，坡面CP流失的主要途徑是地表徑流，其CP流失量占總流失量的62.3%—94.8%。

圖6 不同施磷處理地表徑流（A）及泥沙（B）中各形態磷素的表觀流失系數

2.4 產流產沙與膠體態磷流失之間的相關關系

圖7-A為地表徑流中WTP、CP、DP流失與各因子之間的相關性分析。結果表明，施肥是徑流中各形態磷流失的來源，地表徑流中各形態磷的流失量都受到磷肥施用量的影響，且關系顯著。過量施磷后土壤磷吸附飽和度高于土壤磷吸持能力，在水流作用下大量可移動水分散性膠體剝離并攜帶磷素遷移。徑流中磷素流失量與磷肥用量之間的相關性比與降雨時間、產流率和徑流剪切力的相關性更高。降雨時間與各形態磷素流失濃度之間呈負相關關系，這主要是因為降雨時間與產流率及徑流剪切力之間呈極顯著正相關關系，隨著降雨時間的延長，產流率不斷提高，稀釋了徑流中各形態磷素的濃度。徑流中各形態磷素之間也具有一定的相關關系，CP流失與WTP之間呈極顯著正相關關系，相較于DP而言，CP同WTP之間的相關性更高，說明CP是徑流磷素流失的主要形態。CP具有膠體特性，相較于DP而言，不僅能夠以分散相存在于徑流中，還能吸附于泥沙等顆粒物上，在徑流攜帶泥沙遷移過程中，泥沙中的水分散膠體被徑流反復浸提，致使大量CP釋放到徑流中。因此，過量施磷會導致大量磷素流失，其中CP是主要流失形態，徑流除了對其流失發揮載體作用以外，還會促進土壤膠體釋放，是CP流失的重要影響因素。

圖7-B為泥沙中WTP、CP、DP流失與各因子之間的相關性分析。結果表明，除WTP和CP含量同施磷量之間呈極顯著正相關關系外，其余各指標與磷肥用量之間無相關關系。降雨時間同WTP、CP流失量呈顯著負相關關系，含沙量同WTP、CP流失量呈顯著正相關關系，二者同DP均無相關關系。此外，含沙量與降雨時間之間呈顯著負相關關系。隨著降雨時間的延長，土壤表面產流率和徑流剪切力逐漸平穩，土壤表層孔隙堵塞后會形成土壤結皮，徑流通過穩定發育的細溝流動，對土壤的侵蝕沖刷作用減弱，同時徑流稀釋泥沙使得含沙率降低。泥沙作為土壤顆粒態磷的重要載體，攜帶有礦物膠體-磷結合體，促進了WTP和CP的流失，這也導致了含沙量與WTP、CP流失負荷呈顯著正相關關系。泥沙中磷素流失負荷與磷肥用量之間的相關關系較徑流更低，主要是因為徑流在攜帶泥沙遷移時，水流浸提作用將泥沙中水分散性膠體向徑流中釋放，而泥沙顆粒也會將磷素解吸于徑流中。泥沙CP流失負荷同WTP流失負荷之間呈極顯著正相關關系，相較于DP與WTP之間的相關性更高，說明泥沙中CP是主要流失形態。雖然施磷量對泥沙中CP的流失影響較徑流中更小，但CP是泥沙磷素流失的主要形態，泥沙不僅能攜帶膠體顆粒遷移，還能在徑流-泥沙遷移過程中向徑流中釋放CP，其對磷素流失的作用不容忽視。紫色土坡耕地水土流失是當前制約該區域農業生態可持續發展不容忽視的問題，有必要針對不同流失途徑實施各形態磷流失調控措施，關鍵在于提高磷肥利用率，同時注重保水保土，減少CP的流失。

P：磷肥用量；T：降雨時間；R：徑流率；τ：徑流剪切力；R-CWTP：WTP濃度；R-LWTP：WTP流失負荷；R-CCP：CP濃度；R-LCP：CP流失負荷；R-CDP：DP濃度；R-LDP：DP流失負荷；S：含沙量；S-CWTP：WTP含量；S-LWTP：WTP流失負荷；S-CCP：CP含量；S-LCP：CP流失負荷；S-CDP：DP含量；S-LDP：DP流失負荷。*P＜0.05, **P＜0.01

3 討論

3.1 施磷對紫色土坡面產流產沙的影響

水土流失造成的面源污染已經演變成亟需解決的生態環境問題。水土流失侵蝕了耕作表層，土壤養分大量流失，使得坡耕地土壤肥力下降。本試驗研究表明，不同施磷處理下產流總量差異不顯著，產流量隨著降雨歷時的變化先逐漸增加后趨于平緩，這與土壤水分含量密切相關。不同施磷處理下產沙總量差異較大，產沙量隨著降雨歷時的變化呈不規則變化趨勢。在降雨過程中，由于降雨初期紫色土坡面的表土土質較為松散，抗蝕性能差，土壤團聚體的穩定性隨著降雨時間的延長而遭到破壞，土壤顆粒隨水流沖刷不斷流失，導致初始產沙量較大；但施磷后有利于提高紫色土團聚體穩定性，使得坡面初始產沙量較P0處理顯著減少了49.3%—68.7%。在降雨后期，土壤表面會形成較為穩定的徑流，徑流剪切力減弱，產沙量趨于穩定。此外，坡耕地沉積結皮也會抑制坡面產沙[47]。由此可見，施磷可以減少坡面產沙量，從而降低水土流失，保護耕地土壤。郭甜等[48]的研究發現增施化肥顯著減少產沙量，對產流量影響不大，這與本研究結果相似。而吳小雨等[49]的研究則表明過量施肥會促進徑流率提高，但通過改變耕作措施，即使長期施肥，也能對徑流的產生起到抑制作用，橫坡壟作措施能增大地表水流阻力，有效阻攔地表徑流。就紫色土坡耕地水土流失現狀而言，有機肥配施無機肥、改變耕作措施等調控措施較單施無機肥而言效果更好[40-41, 48-49]。

3.2 施磷對紫色土坡面膠體態磷流失的影響

施磷能夠增加土壤磷含量，提高土壤磷吸附飽和度[9]。在降雨后，磷素隨水土流失進而增加徑流中磷濃度。此外，施用磷肥還可能會增加土壤溶液中的離子強度、改變土壤pH，影響膠體表面電化學性質，促使膠體發生絮凝作用，與土壤磷素形成較大粒徑的顆粒態磷進而沉淀[50]。因此，整個降雨過程中DP濃度普遍較低，徑流中磷流失形態以CP為主，其對水體中總磷的貢獻率為72.1%—80.7%，遠超過了DP的貢獻率，可能就是降雨-徑流過程中膠體顆粒發生絮凝，加上紫色土含有大量松散碎屑物，為土壤CP絮凝提供來源[13-16]。坡面CP流失的主要途徑是徑流，在泥沙中流失負荷較少，磷流失表觀系數也遠低于徑流。雖然土壤具有較強的固磷能力，但在降雨沖刷后，土壤磷素隨著膠體顆粒被剝離搬運，而吸附在泥沙顆粒的磷素也可能會在水流作用下會重新釋放于徑流水中[9,14,20]。而且由于泥沙中依舊存在大量非活性磷，石灰性紫色土的大量礦質元素同磷素結合，WENG等[51]發現土壤弱堿性時，土壤對磷酸根離子的吸附可以通過靜電斥力形成鈣離子橋鍵礦物-Ca-P絡合物，在化學擾動和物理擾動過程中易被釋放，成為水體環境磷面源污染潛在來源。HE等[27]對玉米季徑流及泥沙中CP流失進行研究也發現，地表徑流是CP流失的主要途徑，此外，壤中流中CP流失不可忽視的問題，紫色土微細裂隙發育，易形成大孔隙流，促進膠體顆粒遷移。閆大偉等[14]對稻田田面水與排水徑流中膠體態磷的研究得出，施肥可以改變土壤電導率和離子強度，促進CP絮凝，易形成大粒徑顆粒，在稻田生態系統中易在重力作用下沉降，進而減少稻田徑流中CP的流失。而在本研究中，過量施磷促進了土壤CP的形成，但強降雨沖刷作用下大顆粒磷釋放于徑流中，且由于地形坡度的存在，反而會促進CP的流失。由于CP具有吸附性強的特點，且布朗運動強于重力作用，成為長期穩定存在的磷污染源，再加上紫色土抗侵蝕能力弱，降雨侵蝕過程中表土釋放的膠體態磷穩定存在于徑流水中，極易通過大孔隙流流失[16,37,39]。而CP的靜電斥力較強，其遷移速度較DP而言更快，所以徑流中大量CP的存在是下游水體環境不可忽視的威脅。

本研究通過模擬降雨試驗研究了紫色土坡面膠體態磷的遷移特征，同時對其影響因素進行探討，但在研究深度及相關機理探討方面仍有不足，還需在以下方面繼續深入研究。（1）土壤膠體態磷的流失是復雜的物理化學過程，本研究主要探討了施肥、降雨和產流產沙對紫色土坡面膠體態磷流失特征的影響，缺乏對于土壤化學等因素的探討，應充分研究土壤化學擾動條件下膠體態磷的流失機制；（2）磷素的粒徑大小與其環境行為息息相關，缺乏對不同粒徑膠體態磷流失特征的探討，應借助膜過濾、場流分離等方法進一步探討不同粒徑膠體態磷的環境行為；（3）本研究采用室內模擬降雨試驗，具有一定的局限性，應進一步開展自然降雨條件下紫色土坡耕地膠體態磷流失特征研究。

4 結論

磷肥用量對產流量影響較小，而對產沙量影響較大，施磷后坡面初始產沙量顯著降低49.3%—68.7%。徑流中水分散性總磷、膠體態磷的變化特征與產流過程密切相關，坡面磷素流失形態主要為膠體態磷，徑流是土壤膠體態磷流失的主要途徑，徑流中膠體態磷流失對磷流失量貢獻率達到62.3%—94.8%。由于徑流對泥沙中水分散性膠體具有浸提作用，泥沙磷流失表觀系數均低于徑流。徑流及泥沙中膠體態磷含量與磷肥用量呈極顯著正相關關系，通過調控產流產沙量，減少磷肥用量，可以有效控制坡面土壤膠體態磷流失。

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Effect of Phosphorus Fertilizer Application Rates on the Loss of Colloidal Phosphorus on Purple Soil Slopes

1College of Resources, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130;2College of Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi

【Objective】The risk of phosphorus loss from farmland is closely related to the amount of phosphorus fertilizer. Given the important role of soil colloids in the process of phosphorus transport and transformation at the soil-water interface, the effect of phosphorus fertilizer application on the loss of phosphorus from colloidal state on purple soil slopes and its relationship with runoff and sand production were explored, in order to provide the scientific basis for the understanding of phosphorus transport mechanism from the soil colloid point of view. 【Method】Combining artificial simulated rainfall with laboratory analysis, the experiment was conducted to study the characteristics of abortion sediment production and colloid phosphorus loss on purple soil slope under the dosage of phosphorus fertilizer 0 (P0), 20 (P20), 40 (P40) and 100 (P100) mg·kg-1. 【Result】Surface runoff was less affected by phosphorus fertilizer application, and erosion sand production was more affected by phosphorus fertilizer application. The initial sand production of the slope was significantly reduced by 49.3%-68.7% after phosphorus application, and the cumulative sand production was significantly reduced by 26.5%-30.9% under P100 treatment compared to the other phosphorus treatments. Surface runoff was the main loss pathway of water-dispersible total phosphorus (WTP) and colloidal phosphorus (CP) from purple soil slopes, which accounted for 57.5%-93.9 and 62.3%-94.8% of the total loss, respectively; CP was the main form of WTP loss from surface runoff, which accounted for 72.1%-80.7% of the WTP loss. Phosphorus application significantly increased the risk of phosphorus loss. Compared with P0 treatment, the cumulative loss loads of surface runoff WTP, CP, and DP (dissolved phosphorus) under phosphorus fertilizer application treatments were increased by 2.56-20.97, 2.72-22.21, and 1.17-10.40 times after phosphorus application, respectively, and the cumulative loss loads of eroded sediment WTP, CP, and DP were increased by 0.24-0.92 times, 0.05-1.09 times, 0.47-0.76 times, respectively.【Conclusion】The main pathway of colloidal phosphorus loss from purple soil slopes was surface runoff, and the characteristics of concentration change were closely related to the flow production process, while the loss load mainly depended on the phosphorus content of slope soil and the amount of phosphorus fertilizer applied. Total water dispersible phosphorus and colloidal phosphorus showed a highly significant correlation, colloidal phosphorus was the main form of phosphorus loss on purple soil slopes, and CP loss on slopes could be reduced by regulating surface runoff and reducing the amount of phosphorus fertilizer.

colloidal phosphorus; phosphorus fertilizer; surface runoff; erosion sediment; purple soil

10.3864/j.issn.0578-1752.2024.08.010

2023-05-31；

2023-10-06

國家自然科學基金（41271307）

仲金平，E-mail：2021206015@stu.sicau.edu.cn。通信作者鄭子成，E-mail：zichengzheng@aliyun.com

（責任編輯 李云霞）