灌溉水平对土磷素淋失的影响

项大力,杨学云,孙本华,张树兰,古巧珍

(西北农林科技大学资源环境学院,陕西杨凌712100)

磷素的面源污染已成为影响许多国家和地区的地表水质,导致水环境恶化和水体富营养化的主要因素。资料表明,太湖流域农田面源磷对水体磷的贡献率高达19%[1],美国农田面源排放的磷约占各种污染源总排放磷量的50%[2],水体污染问题已成为环境研究的热点[3]。农田土壤中磷向地表和地下水体迁移的主要途径包括地表径流、土壤侵蚀和亚地表径流(淋失或渗漏)。由于土壤有很强的磷固定能力,而磷肥主要施在耕层,含磷量很低的下层土壤是一个吸持磷素的巨大的容量库,所以一般认为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]。但随着磷肥和有机肥的长期大量施用,土壤磷素在耕层土壤大量累积甚至在一些局部地区接近饱和,最终可能发生较强的淋溶,特别是在大量施用有机肥时尤其如此[7-8]。

磷素淋失的形态一般为可溶性全磷(Total dissolved phosphorus,简写为TDP)和颗粒磷(Particulate phosphorus,简写为PP),可溶性磷包括钼酸盐反应磷(Molybdate reactive phosphorus,简写为MRP)和可溶性有机磷(Dissolved organic phosphorus,简写为DOP)。有报道认为,磷素淋失主要以可溶性形态为主[9-11],而另有报道则认为以颗粒态磷为主[12-13]。磷素主要以何种形态迁移,取决于气候因子、土壤因子、水文地理因子、农作管理因子(如灌溉水平)等[11,14]。目前国内外在施肥、土壤类型等对磷素淋失的影响方面做了很多研究,但对不同灌溉水平的影响报道极少。

大型渗漏池与各种各样的土柱模拟试验相比更接近于田间实际情况;比较大田试验而言,更便于控制实验条件,也使得收集土壤溶液更加容易和便捷,因此是研究养分(溶质)运移的一种非常有效的手段。本研究利用设在“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”的渗漏池群,研究土大量施用有机肥导致的土壤磷素快速累积条件下磷素能否淋出作物根区以及不同灌溉水平对土磷素淋失影响的程度和以何种形态为主,以期为该地区磷肥和灌溉水资源合理管理,有效防止农业非点源污染提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验设在“国家黄土肥力与肥料效益监测基地”的渗漏池群上。该基地位于黄土高原南部的陕西省“杨凌国家农业高新技术产业示范区”渭河三级阶地,海拔524.7 m,年均气温13℃,年平均降水量550～600 mm。渗漏池建于1989年,为钢筋混凝土结构,内径100 cm,深度120 cm,为扰动回填土,按自然土壤发生层次和容重分层装土,底部为石英砂颗粒,其上覆盖一层石棉布,装有PVC管(直径为约2.5 cm)导流并用容器承接收集渗滤液,到本试验开始已历经15年种植,可以认为已基本接近自然土壤状态。供试土壤属褐土类土亚类,红油土属,厚层红油土种,为粉砂粘壤土,黄土母质。试验为冬小麦-夏玉米一年两熟制。试验开始时表层0—20 cm土壤有机质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处有粘化层,剖面性质参见文献[15]。

1.2 试验设计

本试验始于2004年10月,设灌溉量为600(当地大田生产常用灌水定额)、900、1200m3/hm23个处理水平;3个处理施肥相同,施肥量为N 180 kg/hm2(尿素,含 N 46%)、P2O5144 kg/hm2(过磷酸钙,含P2O516%)、135 t/hm2有机肥(牛粪)。化肥每季施,有机肥每年在秋季小麦种植前一次施入;小麦季灌溉2～3次,一般在12月底冬灌一次,翌年3月春灌一次,或根据天气在5月补充灌溉一次。玉米季灌溉3～4次,根据墒情而定。由于该深度只有8个渗漏池,除了 1200 m3/hm2重复2次外,其余均重复 3次。共种植7季作物,其中冬小麦4季。

1.3 渗滤液采集与分析

根据降水和灌溉不定期采集渗滤液,量其体积,并取400 mL水样于当天分析或4℃贮存。2004年10月至2008年5月底共采样分析34次。

取一定量渗滤液,经0.28 μ m微孔滤膜过滤,用钼锑抗直接显色分析[9]样品磷含量,所得结果为钼酸盐反应磷(MRP),一般多为无机磷。全磷(TP)测定用一定体积未经过滤的渗滤液,采用改进的Brookes等的方法[16],即:加入分析纯高氯酸(70%～72%)2 mL和0.25 mL饱和氯化镁溶液,高温消化至近干,用0.6 mol/L稀盐酸5mL加热溶解,然后用钼锑抗法显色分析。取一定体积经过0.28 μ m微孔滤膜过滤的渗滤液,采用与全磷相同的方法消化测定,所得结果为可溶性全磷(TDP)。可溶性全磷与钼酸盐反应磷的差值为可溶性有机磷(DOP)。全磷与可溶性全磷的差值为颗粒磷(PP)。

试验数据的统计分析用SPSS软件的One-Way ANOVA进行,1200m3/hm2处理由于只有2次重复,按缺省值对待。

2 结果分析

2.1 不同灌溉水平对渗滤液量和累积淋失全磷的影响

不同灌溉条件下,各处理渗滤液和全磷累积量在不同采样时间的变化(图1)看出,累积渗滤液量随灌溉水平的提高而升高,并且在试验初期差别较小,随试验时间的延长差异逐渐变大。至最后一次采样(2008年5月底),灌溉量为900 m3/hm2渗滤液累积总量达193.8 mm,较600 m3/hm2处理(121.0 mm)处理增加了60.2%;而1200 m3/hm2处理则高达266.6 mm,分别比600和900 m3/hm2处理提高了120.3%和37.6%。累积淋失的全磷与渗滤液量有相似的趋势,也随着灌溉量的增加而增加,但增加幅度要小。1200 m3/hm2处理在前23次取样(前5季作物)和900 m3/hm2处理相差很小;900 m3/hm2处理累积淋出120 cm土层的渗滤液量自第23次以后才明显的高于600 m3/hm2处理,而累积淋出的磷量则在第9次取样时就明显的高于后者。

图1 不同灌溉处理累积渗滤液量与累积全磷量的变化Fig.1 Changes of cumulative leachate and TP of the irrigation treatments

2.2 不同灌溉水平对渗滤液中各形态磷浓度和累积量的影响

不同灌溉水平土体中钼酸盐反应磷(MRP)、可溶性全磷(TDP)、颗粒磷(PP)和可溶性有机磷(DOP)等都有不同程度的淋移(表 1)。灌溉量为 1200 m3/hm2处理渗滤液中各个形态磷的浓度低于600和900 m3/hm2处理;900 m3/hm2处理的变幅略高于600 m3/hm2处理;各处理MRP的变幅总体上高于DOP和PP,后两者较接近(表1)。

不同灌溉处理各形态磷累积量在不同采样次数(时间)时的变化趋势(图2)看出,各形态磷的淋失量在试验开始阶段(第一季作物生长期)处理间差异很小,后期则随灌溉水平的提高而升高,即:灌溉量1200 m3/hm2处理＞900 m3/hm2处理＞600 m3/hm2处理。3个处理的MRP(图2A)和PP(图2C)在前20次没有差异,而后1200和900 m3/hm2处理明显高于600m3/hm2处理;而累积淋失的DOP在前8次(第一季作物生长期)处理间无明显区别,之后则随灌溉量的增加而明显升高(图2D)。两个高灌溉水平处理的TDP和DOP随试验时间的延长其累积淋失量差异较大,但MRP和PP的差异较小。

表1 渗滤液中各形态磷的浓度(mg/L)Table 1 Phosphorus concentrations of the fractions in the leachates

2.3 渗滤液中磷形态的比率及累积淋失量

为了更清楚地说明土壤磷素淋失的主要形态,表2列出了不同灌溉水平渗滤液中各形态磷的累积淋失量以及其与累积淋失的全磷或可溶性磷量的比率。淋失到120 cm以下土体的磷大部分为可溶态(TDP),约占66.4%～74.9%,且随灌溉量增加而增加。在TDP中MRP和DOP约各占一半;MRP、DOP和PP分别占全部淋失磷总量的大概三分之一。灌溉量为900和1200 m3/hm2处理的渗滤液中MRP较600 m3/hm2处理高,而600 m3/hm2处理中PP占全磷量的比率高于其他两个处理。可溶性磷在全磷中的份额有随灌溉量增加而增加的趋势。

图2 不同灌溉处理渗滤液中各个形态磷累积量的变化Fig.2 Changes of cumulative amounts of the phosphorus fractions in the leachates under the irrigation treatments

表2 渗滤液中各形态磷累积淋失量及其在全磷(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还看到,试验期间各形态磷的累积淋失量均随灌溉量增加而增加,900和1200 m3/hm2处理的TDP和MRP显著高于600 m3/hm2处理(P＜0.05),但900 m3/hm2处理的DOP和600 m3/hm2处理没有显著差异。3个处理的PP均没有显著差别。试验期间3个处理累积淋失的全磷量分别为83.4、164.0和209.4 g/hm2,900 m3/hm2处理较600 m3/hm2处理显著增加(P＜0.05),而1200 m3/hm2处理则达到极显著水平(P＜0.01)。

图3看出,600 m3/hm2处理DOP、PP和MRP等3个形态磷累积淋失量很接近,DOP略高于PP和MRP(图3A)。900 m3/hm2处理在第1季作物以后(第5次取样)DOP高于PP和MRP;从第27次取样后MRP高于PP,甚至在最后几次取样时间的累积量高于DOP(图3B)。1200 m3/hm2处理也是在第1季作物种植后DOP开始明显高于其他形态;自第24次取样后MRP高于PP(图3C)。

2.4 土壤剖面Olsen P的分布

图4表明,经过6季作物的种植施肥,2007年玉米收获后土壤耕层(0—20 cm)Olsen-P的分布已高于70mg/kg,平均每年大约增加20 mg/kg;20—40 cm土层也增加了约6 mg/kg,但在0—100 cm土壤剖面中的各个层次,灌水处理间均没有显著差异。

3 讨论

图4 不同灌溉处理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

水分运动和土壤磷素状况是决定土壤磷向土壤深层移动的最基本的两个条件。本研究土壤渗滤液量和灌溉量相一致,但移出土体的磷总量却并不完全与渗滤液的趋势一致,尤其是900和1200 m3/hm2两个处理在第5季作物之前(第23次取样)全磷累积淋失量基本接近,之后两处理间差异增大。其中原因可能与较厚的土层可以贮存较多的灌水,造成了试验前期3个处理淋出土体的渗滤液量没有差异,因而磷总量也没有差异(图1);另外也可能是由于土壤磷含量在此之前相对较低,处于临界点以下,尽管渗滤液量有差异,但并未明显影响到磷移动的总量。因为第4季作物收获后耕层土壤Olsen-P平均为68.6 mg/kg,第6季后为72.5 mg/kg,据此估计第5季作物收获后大体上在70 mg/kg左右,这较有关报道的“转折点”高出约10 mg/kg[9,17-18],这也可能是造成PP和MRP在前5季作物期间相对平缓的原因。在第5季作物之后,也同样观察到MRP和PP累积量的一个“跃迁”式增加,表明磷淋失临界点的形成。

不同灌溉水平磷素淋失的形态都以可溶性为主,这与Heckrath等[9]在英国Broadbalk长期肥料试验地排水管(埋深65 cm)中排水的结果一致;也与杨学云等[11]的原状土柱模拟试验和张翠荣等[19]用盆栽试验所得结果也较一致。所不同的是,在模拟试验中,可溶性MRP随取样时间延长升高,平均MRP占了淋失总量的三分之二[11],其原因可能是模拟试验土壤长期处于高含水状态,水分与土壤作用时间长,还有相对处于较强的还原条件下,所以估计的结果可能会偏高。本试验以颗粒态磷淋失的比重也较模拟试验大,这可能是渗漏池是回填土壤,和原位土壤相比仍然存在一定的差异所致,也可能与模拟试验过高估计了可溶性磷降低了颗粒磷有关。

不同灌水处理都观察到了磷素被淋到120 cm土体,尽管其淋失总量不到施入土壤总磷量的0.02%(表2),没有任何农学意义;在短期内也不可能通过土壤剖面的化学分析(如土壤全磷和Olsen-P等)而感知其移动和下层累积(图4)。但是其平均浓度却达到了0.03 mg/L以上,最高甚至达到了0.6 mg/L。而引发湖水富营养化的磷(P)的临界浓度只有0.02～0.035 mg/L[20-21]。实际上,渗漏池试验有可能低估了淋失量,因为本试验灌溉次数虽然较大田稍多,但一方面由于渗漏池本身的“边际效应”,使其土壤蒸发增加;另一方面由于土体在池的底部出现断层和空气接触,而非自然土壤的连续体,从而失去了自然土体中下层土壤的毛管作用,水分有可能被空气“托”在底部不能下移。因而从渗漏池淋出土体的渗滤液量就有可能低于自然条件下的淋失量。

尽管1200 m3/hm2处理的总淋失量高于其他两个处理,但是其渗滤液中全磷和各形态磷的平均浓度都较其他两个处理低,只有总渗滤液量高于600和900 m3/hm2处理,这可能是因为1200 m3/hm2处理的部分土壤水是通过优先流途径下移的。比较而言,水分和土体接触时间较短,因此溶解的土壤(肥料)磷较低。

土壤磷的淋失或向下的淋移是一个缓慢的过程,肥料和水资源的管理对磷的淋失有极其重要的影响,因为水的管理在一定情况下是不可控的,如强降雨情况。因而加强磷肥特别是有机肥的管理,是减少磷素淋失的重要手段,尤其是在地下水位较浅地区,对于需水较多的作物,在肥水两方面都要加强协调管理。

4 结论

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