足球场草坪不同施肥条件下的养分渗漏流失状况

张宝军，熊东红，Charlotte Moerkerke，杨 丹，Donald Gabriels , Wim Cornelis

(1．中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；2．中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3．中国科学院大学，北京 100049；4．比利时根特大学，比利时 根特 B-9000)



足球场草坪不同施肥条件下的养分渗漏流失状况

张宝军1,2,3，熊东红1,2*，Charlotte Moerkerke4，杨 丹1,2,3，Donald Gabriels4, Wim Cornelis4

(1．中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；2．中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；3．中国科学院大学，北京 100049；4．比利时根特大学，比利时 根特 B-9000)

合理施肥是促进足球场地草皮生长的有效方式，进而影响球场比赛质量，但施肥可能导致地表水及地下水质恶化，减少可饮用水资源。本文采用随机排列小区试验的方法，研究了矿物肥料、有机肥料、矿物-有机混合肥等3种肥料类型对草皮养分元素的流失及其地上、地下生物量的影响效果，并探讨了造成草皮对各肥料类型吸收利用率不同的主要原因。结果表明，①各肥料类型处理小区渗出物中N、P浓度均无显著性差异，且均显著低于相应元素的容许限；而3种肥料类型的K浓度都超过了环境容许限度，即施用K量超过草皮吸收利用的能力；②植物可利用水量、土壤排水孔大小及渗透性的差异是导致各肥料类型处理小区渗出物中养分浓度差异的主要原因；③不同肥料类型处理小区的根系密度(地下生物量)无显著差异，而草皮地上部分的生物量大小按照以下顺序排列：有机肥料处理>矿物肥料处理>矿物-有机肥处理，但差异不显著。

生物量；施肥类型；养分浓度；土壤物理参数；足球场；比利时

足球场草皮状况是影响比赛质量的重要因素之一，然而随着足球运动员踩踏、磨损破坏草皮，比赛质量会逐渐下降[1]。肥料可以提供草皮生长所需要的常量营养元素N、P和K，施肥可以有效促进草皮生长，使其保持良好生长状态，并提高其根系密度[2-3]，可施用的肥料类型主要包括矿物肥料、有机肥料、矿物—有机混合肥3类。与无机肥相比较，有机肥可以向土壤添加更多的有机物质，增强土壤持水性，但其溶解性较低，养分释放速率缓慢，而矿物—有机混合肥可以很好的将二者结合[4]。然而，并非施用的所有营养元素都能被草皮直接吸收，多余的营养元素会随水流失，增加土壤渗出物养分含量[5-6]，造成水体富营养化，污染水源并构成环境威胁[7-8]，施肥机制、肥料溶解性、灌溉频率、根系生长情况及草皮年龄都会影响养分元素的流失[9]。

本文评估了比利时根特大学足球场地在3种不同施肥类型和自然降雨条件下，渗漏水中氮、磷、钾 3种营养元素的含量、土壤物理性质参数及其草皮生长状况，旨在探讨不同施肥类型下土壤养分流失状况及其影响因素，明确各施肥类型对草皮生长的作用，以期为如何改善足球场地草皮状况、提高比赛质量提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计与处理

本试验主要在比利时根特大学足球场地进行(51°3′N，3°41′E)，该区属温带海洋性气候，年平均降水量为726 mm，年平均温度9.5 ℃，年温差为14.4 ℃。在该足球场随机选取了9个2.5 m×1.2 m试验小区，采用完全随机排列。每个试验小区设置为3个土层，最上层设置为厚度10 cm的耕作土壤层(L1，含48 %砂粒、42 %粉粒和10 %黏粒)，中间为厚度20 cm的砂层(L2，含98 %砂粒和2 %粉粒)，最下部为厚度10 cm的卵石层(粒径14～32 mm)。各试验小区底部通过排水管与容积32 L木桶相连接，用以收集小区渗漏水。试验小区于2010年4月10日混合播种黑麦草(Perennialryegrass)和肯塔基青草(Kentuckybluegrass)(比例为3∶1)，除冬季(2010/10～2011/02)外，草皮每周割草2次，每次刈割高度25 mm。试验期间均为自然降雨，无灌溉发生。

试验设置3种施肥处理，每种处理设置3次重复，3种不同肥料类型：矿物-有机混合肥(MOF)(试验小区A1、A2和A3)、矿物肥料(MF)(试验小区B1、B2和B3)和有机肥料(OF)(试验小区C1、C2和C3)。9个试验小区在播种后3个月，按照相同的施肥率同时进行施肥，各小区共施肥6次，施肥总量为170 kgN·hm-2、55 kgP2O5·hm-2(OF处理小区为60 kgP2O5·hm-2)、170 kgK2O·hm-2，具体的施肥方案见表1。

图1 试验小区布局(a)和结构图(b)Fig.1 Layout and structure of experimental plots

施肥阶段Applicationperiod施肥处理及养分量(kg/hm2)FertilizertypesandapplicationratesMOFMFOFNP2O5K2ONP2O5K2ONP2O5K2O1(2010/07/15)42.0012.0024.0042.2412.0223.9245.0015.0015.002(2010/08/27)12.804.8019.2012.664.8219.2413.307.6022.803(2010/09/30)12.804.8019.2012.664.8219.2413.307.6022.804(2010/11/10)18.009.0060.0017.969.0060.068.000.0080.005(2011/02/28)42.0012.0024.0042.2412.0223.9245.0015.0015.006(2011/03/25)42.0012.0024.0042.2412.0223.9245.0015.0015.00总量Total169.6054.60170.40170.0054.68170.30169.6060.20170.60

1.2 样品采集与测定方法

草被地上生物量：对试验小区草皮进行刈割时，于每个小区内随机选取5个20 cm×20 cm的样方，收集被割下的草被，之后在65 ℃下烘干24小时至恒重，测量其生物量。分别于2010/10/5、2010/10/22、2010/11/15 和2011/03/29测量4次。

1)煤粉燃烧工况设定。试验在空气分级燃烧条件下进行，将煤粉与外加脱硫剂混合，将钙硫比分别配比成0(不添加脱硫剂)、1.0、1.5、2.0、3.0，总过量空气系数1.23，一次风比例5%，二次风比例80%，三次风比例15%。主燃区温度1 100 ℃，燃尽区温度1 000 ℃。

根系密度：原状土样采用直径为4.2 cm、长度为26 cm的土钻获取，每个小区分别在L1和L2土层重复取样2次，然后利用滤网和水流将根系与土壤分离，收集的根系在60 ℃下烘干24 h至恒重，然后测定干重，最后测定其根系密度。

入渗率和累计入渗量采用双环法测定。圆筒直径分别为28和30 cm。土壤渗透阻力采用土壤锥入度仪从表面至30 cm深度测量10次获得，其中圆锥体探针顶角为60 °，横截面积为1 cm2。

所有数据均采用Excel 2007和SPSS17.0进行统计分析，LSD进行样本平均值差异显著性比较。

2 结果与分析

2.1 渗漏水中养分流失状况

比利时规定地下水中各营养元素的最高容许限度为N 11.3 mg·L-1，P 2.18 mg·L-1，K 12 mg·L-1[10]。从图2(a)可以看出，在施肥期间3种施肥处理下渗漏水中N浓度均低于其容许浓度，说明草皮对N具有较强的吸收能力，以维持其生长。在整个试验期间，各施肥处理和施肥阶段渗漏水中N浓度，除OF施肥处理的第5次试验渗出物N浓度稍高外，其它各处理并无显著性差异。此外，第4、5次施肥后，N浓度有增加的趋势，主要是由于进入冬季后降雨量增加，导致更多N元素流失。图2(b)为P元素随施肥阶段的浓度变化特征，可以看出，对草皮进行多次施肥后，渗漏水中的P浓度有所增加，但增加不明显且有波动。说明P肥的施加并没有显著改变渗出物的P含量，施加的磷肥基本被草皮所吸收，基本不会对地下水富营养化造成威胁。图2(c)为K元素随施肥阶段的浓度变化特征，发现各施肥阶段渗漏水中K浓度均超过了其容许限，说明球场草皮施用K元素超过了其吸收能力。然而，K浓度在整个施肥试验期间呈现降低趋势，特别在前4次施肥期间降低较为明显，说明尽管施肥量在增加，草皮对K的吸收能力随着时间逐渐增大。

尽管不同施肥处理下，渗漏水中N浓度无显著性差异(P<0.05)，但在绝对值上表现为MOF

综合来看，对比3种元素的流失状况，可以确定MF均不是施肥的最佳选择，可以考虑OF或MOF，但难以确定何种肥料类型为最佳选择，因为施用OF虽然流失较少的P和K，但N流失量明显高于MOF处理。

图2 各施肥处理下渗漏水中养分元素的浓度变化Fig.2 Mean N (a), P (b) and K (c) concentration (mg·L-1) in the leachate over the plots per fertilizer type and per application period

施肥处理ApplicationN平均浓度(mg/L)MeanconcentrationsofNP平均浓度(mg/L)MeanconcentrationsofPK平均浓度(mg/L)MeanconcentrationsofKMOF0.533(0.152)a0.313(0.015)a36.372(15.085)aMF0.867(0.089)a0.352(0.166)a26.317(6.916)aOF0.830(0.410)a0.216(0.097)a29.763(8.145)a

注：数据括号中为标准差，且同一列中相同字母表示在0.05水平上不存在显著性差异，下同。 Note:With standard deviation in between brackets. Numbers followed by the same letter are not significantly different within each column according to Fisher’s Least Significant Difference (P=0.05). The same as below.

表3 不同施肥处理小区土层容重及有效含水量

2.2 施肥处理对土壤物理性质的影响

2.2.1 土壤容重及有效含水量 通过对各试验小区L1和L2土层土壤容重和有效水含量进行均值比较(表3)，结果表明不同土层的容重及有效水含量均值无显著差异。在OF处理下，L1中土壤容重要稍高于L2，然而，Gaudreau(2002)长期田间观测发现，施用有机肥会降低土壤容重[11]，这与本研究发现不一致。L1中有效水含量要比L2稍高，主要由于L2孔隙度大所致。但OF处理下，L1有效含水量却高于L2，说明施用OF可以增强土壤持水能力。

2.2.2 土壤孔隙度 土壤孔隙度为土壤饱和含水量减去田间持水量[12]。从表4可以看出，各施肥处理小区L1和L2孔隙度大小之间差异同样并不显著，但L1孔隙度大小顺序为：MOF>MF>OF，L2孔隙度大小顺序为：OF>MF>MOF。此外，同一施肥处理小区L2孔隙度要明显高于L1，这是由L2砂土的土壤质地决定，砂土颗粒较大，导致其孔隙度大。

表4 各种施肥处理小区各层(L1、L2)孔隙度

图3 各施肥处理小区L1(a)和L2(b)的孔隙总体积及其均值Fig.3 Total and mean volume of drainage pores in L1 (a) and L2 (b) of each plot and each fertilizer type

图4 各施肥处理小区的平均累积入渗量(a)和入渗率(b)Fig.4 Mean cumulative infiltration (a) and mean infiltration rate (b) over the plots per fertilizer application

当考虑各土层厚度时，可以计算出各施肥处理小区L1和L2孔隙总体积及其平均值(图3)。L2孔隙总体积要明显高于L1，L1总孔隙度低于0.02 m3，而L2孔隙总体积均在0.1～0.2 m3。此外，比较各施肥处理L1和L2孔隙总体积均值可以看出，MF处理小区L1和L2孔隙度都较高，特别是L1中要明显高于OF和MOF处理小区，这导致养分元素更易流失，可以解释MF处理小区渗漏水中养分元素浓度较高的原因。

2.2.3 土壤入渗率 通过对各施肥处理小区的平均累积入渗量和入渗率的比较(图4)可以看出，各施肥处理小区的平均累积入渗量顺序为：OF>MOF>MF，入渗率大小顺序与累积入渗量一致。OF处理小区平均累积入渗量和入渗率最高，表明更容易渗出水分，因而渗漏水中养分元素浓度相对较低；相反，MF处理小区平均累积入渗量和入渗率均较低，导致渗漏水中养分元素浓度相对较高(图2)。

2.3 施肥处理对草皮生物量的影响

2.3.1 根系密度 于2010/10/15、 2010/11/10和2011/03/29对根系密度进行3次测定，图5为各种施肥处理下小区L1和L2中根系密度的大致变化趋势。可以看出，各施肥处理小区L1和L2中根系密度的变化趋势大致相同(除MOF处理小区L2外)，都是先降低后增加。这是因为2010/10至2011/02为冬季，降雨量增多，养分流失加剧，导致根系密度减少；之后从晚冬至早春，根系密度逐渐增加。

通过对图5(a)和(b)的比较，可以看出L1中根系密度要明显高于L2，遵循单样本t分布检验(P=0.05)。这是因为L1中有效水分含量较高(表3)，根系可以吸收利用更多养分。从图5(a)可以看出，最后一次测定中OF和MOF处理小区L1的根系密度较高，因为OF和MOF处理小区渗出物中N和P的浓度较低[图2(a)和(b)]，使得土层保留更高的养分含量，便于草皮吸收利用。从图5(b)看出，MF处理小区L2中根系密度总是很高，因为MF具有更高的溶解性，导致MF处理小区L2中的养分含量高于OF和MOF处理小区。

图5 各施肥处理小区L1(a)和L2(b)的平均根系密度Fig.5 Mean root density over the fertilizer types in L1 (a) and L2 (b)

图6 各施肥处理小区的平均渗透阻力(MPa)Fig.6 Mean penetration resistance (MPa) over the treatments

根系密度不仅受有效水分含量和养分浓度制约，而且受土壤渗透阻力的影响。渗透阻力越高，养分越不容易渗出，有利于草皮的吸收利用。从图6可以看出，与OF和MOF处理相比，MF处理小区平均渗透阻力较高，导致其根系密度也较高(图5b)。此外，L1土层的渗透阻力比L2土层明显要高，这是由其土壤质地所决定，这也是L1中根系密度明显高于L2的原因之一。

2.3.2 地上生物量 整个试验期间(包括最后一次施肥后的一个月)，共计割草40次，并进行4次称重(2010/10/5，2010/10/22，2010 /11/15和2011/04/29)。其中冬季(2010/10-2011/02)期间，未进行割草。由于2010/11/15测定的数值与其它3次有较大差异，因此仅采用其它3次测定值计算均值。通过将该平均值与割草次数相乘，可以获得草皮累积生长情况。假定剪除草皮部分中含有3.5 %～4 % N[4]，可以进一步计算得到各施肥处理小区草皮生长的累积N含量(表5)。从表5可以看出，草皮生长累积N含量顺序为：MOF

3 结 论

(1)按照170 kgN·hm-2yr-1、55 kgP2O5·hm-2·yr-1(OF施用小区为60 kgP2O5·hm-2)和170 kgK2O·hm-2·yr-1的施肥率施用MOF、MF和OF，不会导致渗漏水中N、P浓度超过其容许限度，而K的浓度都将超过其容许限度，而且会对地下水造成污染，表明施用的K量超过草皮吸收利用的能力。

表5 草皮生长的累计N含量(剪下部分干重)

(2)渗漏水中N的浓度在MOF处理小区中最低(但不显著)，而P的浓度在OF处理小区中最低(但不显著)，而矿物质肥料MF处理小区渗出物中N、P浓度都要高于MOF和OF处理小区，因此不建议施用MF。

(3)3种处理小区渗出物中养分浓度存在的差异可以通过一些土壤物理性质解释： OF处理小区的土壤有效水分含量较高，从而导致渗出物中养分浓度较低；MF处理小区渗出物中养分浓度较高，可能是由于小区排水孔总体积较大的原因；OF处理小区的入渗率最高，而MF处理小区最低，这也会导致OF和MOF处理小区渗出物中的养分浓度较低，而MF处理小区养分浓度较高。

(4)最后一次测定显示OF处理小区，根系密度最高。然而，随时间推移，MOF处理小区的根系密度更高更持久。OF处理小区草皮要比MF肥料处理小区生长的要好，甚至要好于MOF处理小区。

4 讨 论

综上所述，如果仅把养分流失的数量作为评价标准，建议施用MOF和OF，并不建议施用MF。而MOF和OF哪种更适合施用，还难于定论。如果把草皮地上和地下生物量也考虑在内，施用OF可以获得更高更浓密的草皮；而施用MOF，则可以获得持续的根系生长。另外，本研究采取了相同的施肥率进行施肥，对于同一肥料不同施肥率对草皮养分流失的影响如何，还需要进一步的研究。同时，试验小区内均为年轻草皮，对于不同肥料类型对成熟草皮养分流失的影响也需要在以后的试验中进一步研究。

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(责任编辑 李 洁)

Nutrient Leaching Loss from Using Different Fertilizers Types on Soccer Field Turf

ZHANG Bao-jun1, 2, 3, XIONG Dong-hong1, 2*, Charlotte Moerkerke4, YANG Dan1, 2, 3, Donald Gabriels4, Wim Cornelis4

(1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Sichuan Chengdu 610041,China; 2.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Sichuan Chengdu 610041,China; 3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 4.Department of Soil Management and Soil Care, Ghent University, Coupure links 653, B-9000 Ghent, Belgium)

Applying fertilizer is an effective way to provide a dense turf growth, which has a great impact on a soccer game. However, the application of fertilizers can potentially lead to a reduction of the available water resource and the pollution of surface and ground water. The objective of this study was to evaluate the effects of three fertilizers types on nutrient leaching, and above and below ground biomass of turf grass. Small 2.5×1.9 m non-weighing lysimeters with artificial profile layering of coarse material underlying a 10 cm organic layer were treated with six doses of mineral, an organic and a mineral-organic fertilizer at a recommended rate of 170 kgN·hm-2, 55 kg P2O5·hm-2(except 60 kg P2O5·hm-2for organic fertilizer), 170 kgK2O·hm-2each, and exposed to natural conditions prevailing in a temperate maritime climate from 6.91 ℃ to 14.21 ℃. The results indicated that:(i) the mean N and P concentrations measured in the leachate of the plots over the total measuring period were not significantly different over the fertilizer types, and the means were all significantly lower than the tolerance of 11.3 mg·L-1for N and 2.183 mg·L-1for P. In contrast, the mean K concentrations of the three fertilizer types were all higher than the maximum allowable limit 12 mg·L-1, indicating that the applied K content of three fertilizer types all exceeded the upper limit of turf grass. (ii)The difference of the plant available water content, the volume of drainage pores and the infiltration rates were the main reasons causing the difference of the nutrient concentrations in the leachate of the plots. (iii)The above and below ground biomasses (root density) of the turf grass were both not significantly different over the three fertilizer types.

Biomass; Fertilizer type; Nutrient concentrations; Soil physical parameters; Soccer field; Belgium

1001-4829(2016)11-2669-07

10.16213/j.cnki.scjas.2016.11.029

2015-12-21

中国科学院“西部之光”人才培养计划重点项目(Y4R2060060) ；国家重点基础研究发展计划项目(2015CB452704)；国家自然科学基金项目(41571277)

张宝军(1990-)，男，山东临沂人，博士研究生，主要从事土壤侵蚀与土壤物理方面研究，E-mail：zhangbaojunaixiao@163.com；*为通讯作者：熊东红(1974-)，男，江西奉新人，研究员，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持、土壤物理方面研究，E-mail：dhxiong@imde.ac.cn。

S147.2

A