滇池流域不同利用方式下红壤磷素渗漏环境风险评价

刘惠见 ，邓 洪 ，黄维恒 ，杨浩瑜 ，张乃明 ，包 立 *

（1．云南农业大学资源与环境学院，云南 昆明 650201；2．云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201）

滇池是中国西南地区最大的淡水湖泊，滇池水体富营养化已成为国际社会共同关注的水环境污染问题［1-2］。磷是水生生物必需的营养元素［3-5］，水生生物所需C∶N∶P一般为105∶15∶1，相对于碳、氮来说对磷的要求很低，磷含量达到约20～35μ g/L就能引起水体富营养化，因此一般将磷作为水体富营养化的限制因子［6-8］。土壤磷素向水体流失的途径主要有地表径流和地下淋失［9］。国内外大量研究结果表明，地表径流是农田土壤磷素流失导致水体富营养化的主要方式［10-11］，但近期的一些研究发现，渗漏淋失也是磷向水体迁移的重要途径之一［12-14］。滇池流域磷肥施用量的成倍提高及大棚种植面积的增加使得磷素径流损失量减少，渗漏危害的比重增加。磷肥当季利用率一般为15%～25%，长期大量施用磷肥必然导致磷在土层中大量积累，降低土壤对外源磷的固持能力［15-16］，而滇池流域不同利用方式下红壤中的磷素累积量达到多少才会产生渗漏淋失风险，尚需筛选合适的指标进行准确评价。

目前关于磷的渗漏淋失研究主要针对土壤磷素的淋失进行风险评估，土壤Olsen-P与CaCl2-P含量是常用的评价指标［14，17］。有效磷（Olsen-P）是土壤磷贮库中对作物最为有效的部分，可以为作物直接吸收利用，是评价土壤供磷能力的一项重要指标［18］。然而研究发现不同地区、不同土壤条件土壤磷渗漏淋失Olsen-P临界值范围差异很大，因此，单独对Olsen-P的含量进行分级不能准确地评价土壤磷对水环境的潜在影响。近年来有学者提出用一些表征土壤磷吸附解吸特性的指标作为农田磷素的环境风险评价指标，其中包括土壤磷吸附饱和度（DSSP）和磷吸持指数（PSI）等。戚瑞生等［19］通过室内模拟试验得到的土壤磷素淋失突变点值与15%的Qm（即DSSP15%）值极为吻合，其均值t检验不显著，表明DSSP也可以用作土壤磷素淋失风险评价指标。

本试验采集滇池流域不同利用方式下的红壤，通过测定土壤各形态磷含量，作土柱模拟试验测定渗滤液中各形态磷含量，选择土壤Olsen-P和PSI为主要评价指标，利用相关性分析和聚类分析对流域不同利用方式下的主要土壤类型—红壤进行水体富营养化风险评价，为滇池流域设施农业磷肥的合理施用和科学管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

滇池位于昆明市西南部，属金沙江水系。流域气候为中亚热带湿润季风气候，多年平均降水量为1 000 mm左右，集中在5～10月，流域面积2 920 km2。滇池流域红壤为地带性土壤，主要分布于山区和丘陵地区，整个流域红壤分布面积最广。

1.2 供试土壤

根据流域土地3种主要利用方式—草地（简写为CD）、露天菜地（简写为LD）和大棚（简写为DP）采集0～ 20、20～ 40、40～ 60 cm不同土层红壤（3种利用方式下红壤含磷水平大致分为低磷、中磷、高磷3个水平），供试土壤的主要理化特征见表1，各项理化性质按土壤农化常规方法分析。土壤样品风干后过1 mm筛备用。

表1 土壤基本性质

1.3 试验方案

试验装置：用内径7 cm、长度60 cm的PVC管（模拟土柱），内壁均匀涂抹凡士林，用尼龙绳将透性良好的棉布固定于柱底封住柱口，在土柱底层装入约2 cm厚的石英砂，砂上放置一张0.48 mm的纱网，纱网上由上往下分0～20、20～40和40～60 cm 3个土层，按照田间实际土壤容重，每层对应放入所采相同土层深度的供试土壤，每层土中间用尼龙网隔开，土柱底部打一个直径为0.5 cm的小孔，用橡皮塞固定排水管，将土柱直立架于三角瓶瓶口上方以便收集渗滤液［20］。

试验选择草地、露地、大棚3种利用方式下3个不同含磷水平的不同土层深度的土壤样品，每个土样设3个重复，共计27个样品。试验在恒温培养室进行，室内温度25℃，用质量法控制灌水量（土壤饱和持水量），灌水量大小以田间持水量为准，持续培养时间为4周，每周灌水一次，每次灌水约275 mL，同时在当天收集三角瓶中的滤液立即测定其体积和各形态磷含量。

1.4 测定项目与方法

土壤和渗滤液中各形态磷的指标分析方法（滤液中的各磷指标为4次灌水培养后的平均值）［20］：

土壤中溶解态活性磷（CaCl2-P）：土壤中溶解态活性磷采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提（土水比为1∶5，振荡30 min），浸提溶液采用异丁醇萃取-钼蓝比色法测定。土壤中藻类可利用总磷（NaOH-P）：0.1 mol/L NaOH溶液浸提-钼蓝比色法测定（土水比为1∶500，振荡16 h），包括水溶性磷和部分藻类可以利用的固相态磷。土壤磷吸持指数PSI：在水土比为10∶1的条件下，按每克土加入磷酸盐1.5 mg P，平衡后测得的土壤吸磷量X（mg/g）与平衡溶液中磷浓度C（μmol/L）的对数值之比为PSI，即PSI=100X/lgC。

滤液中全磷（TP）：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5 mL加热溶解，然后用钼锑抗法显色分析。滤液中钼酸盐反应磷（MRP）：取一定量用0.45μ m微孔滤膜过滤后的滤液，用钼锑抗直接显色分析样品磷含量，所得结果为钼酸盐反应磷，一般多为无机磷。滤液中可溶性全磷（TDP）：取一定量用0.45μ m微孔滤膜过滤后的滤液，采用与全磷相同的方法消化测定。滤液中可溶性有机磷（DOP）：TDP与MRP的差值。滤液中颗粒磷（PP）：TP与TDP的差值。

1.5 数据处理方法

用Excel 2010对数据进行基本处理，利用SPSS 19.0进行显著性方差分析、相关性分析与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式下红壤中各形态磷含量

不同的土地利用方式会显著改变红壤中各形态磷的含量。草地Olsen-P含量在8.27～9.18 mg/kg之间，在0～20、20～40和40～60 cm土层的均值分别为8.33、8.94和8.94 mg/kg；露地Olsen-P含量在10.27～33.45 mg/kg之间，在0～20、20～40和40～60 cm土层的均值分别为31.72、24.39和11.06 mg/kg； 大 棚 Olsen-P 含 量 在 65.45 ～ 94.35 mg/kg之间，在0～20、20～40和40～ 60 cm土层的均值分别为87.02、81.96和67.45 mg/kg。由图1可知，草地中CaCl2-P的含量在0.14～0.32 mg/kg之间，0～20 cm土层中CaCl2-P的平均值为0.29 mg/kg，20 ～ 40 cm 土层的均值为 0.15 mg/kg，40 ～ 60 cm 土层中均值为0.23 mg/kg，草地各土层之间CaCl2-P含量无显著性差异，但与大棚和露地均存在显著性差异；露地中CaCl2-P最大值为3.37 mg/kg，最小值为2.13 mg/kg，各土层间CaCl2-P含量存在差异，与草地和大棚存在显著差异；大棚中CaCl2-P最大值为 9.43 mg/kg，最小值为 8.03 mg/kg，大棚各土层间CaCl2-P含量存在差异，与草地和露地存在显著性差异。3种不同利用方式下红壤中CaCl2-P含量存在着大棚＞露地＞草地的规律，与Olsen-P的含量趋势相一致（P＜0.05）。

图1 不同利用方式下各土层的CaCl2-P含量

不同土地利用方式下红壤中NaOH-P含量具有显著性差异，草地和露地的平均值分别为62.26和156.36 mg/kg，草地和露地的各土层之间无显著差异，而大棚各土层之间NaOH-P含量具有显著差异，土层从上往下依次为369.81、324.97和214.90 mg/kg，呈现降低的趋势，直观地反映了磷在土壤中向下迁移的形式。不同利用方式下红壤的NaOH-P含量都具有显著性差异，呈现与Olsen-P相同的趋势（P＜0.05）（图 2）。

图2 不同磷水平下各土层的NaOH-P含量

由图3可知，不同土地利用方式及各自不同土层的磷吸持指数（PSI）大致在20～48之间，大致呈：草地＞露地＞大棚的趋势，这一现象与流域设施土壤长年施肥习惯有关。草地各土层PSI基本一致，说明在草地土壤中磷素各层分布均匀；大棚和露地则呈现PSI由表层向下逐渐降低的趋势，与Olsen-P含量由上层到下层逐渐减少相一致，且大棚土壤由于常年密集种植作物使得其土层中PSI比露地低。PSI与土壤自身的磷含量密切相关，也可以在一定程度上反映磷素流失风险。

图3 不同磷水平下各土层的磷吸持指数

2.2 不同利用方式下土柱渗滤液中各形态磷含量

对不同土地利用方式红壤渗滤液磷的含量状况（表2）进行分析，草地、露地和大棚渗滤液各形态磷含量在同一土地利用方式下存在TP＞TDP＞PP＞MRP＞DOP的规律。不同利用方式下红壤渗滤液的各形态磷含量具有一定规律，其中TP、TDP和PP呈现大棚＞露地＞草地规律，与土壤Olsen-P含量规律相一致；MRP和DOP呈现大棚＞露地=草地的规律。不同利用方式下红壤滤液中TP和PP含量存在差异，总体趋势为大棚＞露地＞草地，这与土壤中Olsen-P含量具有一致性；MRP和TDP的含量在3种土地利用方式下都存在显著性差异（P＜0.05）；DOP的含量不存在显著性差异。

表2 不同土地利用方式红壤渗滤液磷的含量状况 （mg/L）

2.3 土壤Olsen-P与渗滤液中各形态磷的相关性分析

用SPSS分析滇池流域红壤中Olsen-P与滤液中各形态磷之间的双侧相关性可知，土壤中Olesn-P与土柱渗滤液的TP、TDP、PP和DOP的平均值具有极显著相关性，因此列出Olsen-P与它们的相关性，而略去了MRP。由图4可以得出：

图4 渗滤液中各形态磷浓度与土壤耕层Olsen-P的含量相关性

2.4 滇池流域设施红壤磷素渗漏淋失风险分析

用SPSS把红壤和土柱渗滤液中各形态磷含量进行聚类分析得到表3和图5。根据聚类分析结果将不同土地利用方式下的红壤分为4类：第一类：Olsen-P的含量在8.27～ 11.55 mg/kg之间，其中包含所有的草地类型和少量含Olsen-P低的露地；第二类：Olsen-P的含量在23.00～33.45 mg/kg之间，包含剩余的所有露地处理；第三类：Olsen-P的含量在65.45～ 68.54 mg/kg之间，包含大棚中的3个处理；第四类：Olsen-P的含量在80.28～94.35 mg/kg之间，包含剩余的6个大棚处理。

滇池的水体TP含量已经达到0.59 mg/kg左右［21］，根据相关性公式 TP=0.002 1Olsen-P+0.441 1（R=0.626 9），可以算出此时土壤中Olsen-P含量为71 mg/kg。对应以上4种分类可知：当滇池流域红壤中 Olsen-P＜40 mg/kg、PSI＞50 时，对流域水体富营养化没有显著的影响；当Olsen-P为40～71 mg/kg、PSI＞40时，对流域水体富营养化有一定的影响；当 Olsen-P＞71 mg/kg、PSI＜30 时，对流域水体富营养化具有显著影响，应将大棚土壤和部分种植蔬菜的露地作为磷素渗漏流失的重点防范对象。

表3 红壤和渗滤液中各形态磷聚类分析结果

图5 渗滤液中各形态磷浓度与土壤耕层数据聚类分析

3 讨论

目前国内外针对土壤磷素渗漏淋失风险仍没有统一的评价模型及方法，大多数学者直接将土壤Olsen-P淋失临界值作为判断依据，根据样品有效磷含量超过该临界值的具体情况划分风险等级。杨文等［22］通过空间插值分析发现小流域土壤P淋失风险相对较高的区域为旱地，尤其是菜地分布区，36.4%的旱地土壤达中等以上淋失风险，而99.8%的稻田土壤均为弱淋失风险。赵伟明等［23］以Olsen-P和CaCl2-P为主要指标对临安山核桃林地土壤进行磷素淋失风险分析，结果表明岛石镇和湍口镇有30%和45%的土壤存在淋失风险。樊慧慧等［24］采用Kriging 插值模拟与实测得到土壤磷素淋失临界值为18.388 mg/kg，对巢湖流域耕地、菜地及林地进行风险评估发现超过该临界值样本数占总数的16.6%。

本试验将红壤Olsen-P含量作为横坐标，渗滤液中TP作为纵坐标作出相关性曲线，可知当土壤Olsen-P＞71 mg/kg、PSI＜30 时存在较大的磷素渗漏淋失风险，会显著影响水体环境的富营养化水平。这一结论与Hesketh［25］利用MRP与Olsen-P含量的相关性得出的结论相似。黄东风等［26］对福州市郊菜地土壤样品的测定值分别进行线性回归分析，发现当 Olsen-P＞56.96 mg/kg、DPS＞25% 时，该地土壤磷素具有很高的流失潜能。土壤质地和土地利用方式的不同可能是造成试验结论差异的主要原因。

笔者曾尝试根据土壤Olsen-P和滤液中各形态磷含量，通过相关性分析计算出滇池流域磷素渗漏淋失的“突变点”，但在各相关性曲线上未出现明显的“拐点”，这可能是由于采样点土壤磷素累积水平普遍较低，超过该流域土壤磷素淋失环境阈值的点位较少。但本试验采用Olsen-P与PSI作为评价指标，通过聚类分析结果可初步对滇池流域不同利用方式下红壤的渗漏淋失风险等级进行划分，对土壤磷素渗漏淋失风险评价模型指标体系构建及方法的探索有一定借鉴意义。

4 结论

滇池流域红壤的Olsen-P含量因土地利用方式的不同大致分为低磷（草地）9 mg/kg、中磷（露天菜地）30 mg/kg和高磷（大棚）90 mg/kg 3 种水平；红壤中的CaCl2-P和NaOH-P含量与Olsen-P含量一致，呈现大棚＞露地＞草地的趋势，PSI值存在草地＞大棚＞露地的趋势。

土柱模拟试验中，草地、露地和大棚 3种利用方式下滤液中TP含量平均值依次为0.46、0.49和0.61 mg/L，呈现大棚＞露地＞草地的趋势；3种利用方式下TDP含量差异不显著，和TP趋势相同；MRP在草地和露地滤液中均值都为0.14 mg/L，大棚中略高；PP在3种不同土地利用方式下呈现大棚＞露地＞草地的趋势；可溶性有机磷DOP在大棚滤液中平均值为0.18 mg/L，草地和露地的均值都为0.13 mg/L。

由Olsen-P与渗滤液中各形态磷的相关性分析可知，土壤Olsen-P与滤液中TP、TDP、PP和DOP具有显著相关性。

由聚类分析结果及湖泊可承接的全磷量可推断：当滇池流域红壤中 Olsen-P＜40 mg/kg、PSI＞50时对流域水体富营养化无显著影响；当Olsen-P为40 ～ 71 mg/kg、PSI＞40时对流域水体富营养化有一定影响；当 Olsen-P＞71 mg/kg、PSI＜30 时对流域水体富营养化具有显著影响。