降雨量对不同质地土壤外源Cl-淋洗效率及其空间分布的影响

孙 磊，原 琳，符 强，聂 鑫，于洪涛，汤金融，董 乐

（1.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农业科学院绥化分院，黑龙江 绥化 152052）

氯是植物必需微量元素之一[1]，植物体内氯含量达到0.1%即可满足正常生长需求[2]，一般达到10%也不受影响，马铃薯、烟草等“氯敏感作物”吸收过量Cl-，会因氯中毒降低产量和品质[3-4]。植物体内氯主要来源于土壤，Cl-在土壤中极为活跃，不易形成稳定复合物，也不易被土壤吸附，但易随灌溉或降雨迁至下层土壤[5]，同位素示踪法模拟稻田施用氯化铵研究表明，21 d后外源Cl-约有51.61%随水淋失，仅27.02%残留在土壤中[6]，长期定位试验表明Cl-在土壤剖面分布受降雨量影响较大，土壤中Cl-残留量随施肥量增加而增加，但仅10% Cl-残留在0～20 cm土壤层[7]，60% Cl-随降水淋洗至100 cm以下土层[8-9]。目前研究多集中于含氯肥料对作物产量或品质影响，虽然Cl-在土壤中极易淋洗，但更关注作物收获后土壤中Cl-残留情况，缺少Cl-在不同降雨量条件下在耕层土壤空间分布情况。

黑龙江省是我国马铃薯主产区之一，雨量充沛且雨热同季，因此马铃薯生产多以雨养为主。因缺乏灌溉，在生产中氯化钾应用比例不足全部钾肥用量6%[10]，明确Cl-在土壤中的行为特征，可为“氯敏感作物”合理施用含氯肥料提供参考。以黑龙江省马铃薯主产区4种质地土壤为研究对象，通过模拟试验研究降雨量对Cl-淋洗效率、残留Cl-在土壤耕层分布的影响，确定土壤Cl-残留量与降雨量、施氯量和土壤质地关系。研究结果可对不同质地土壤根据降雨量和施氯量估算土壤Cl-残留量，或根据降雨量、土壤Cl-阈值确定含氯肥料施用量，为氯敏感作物以及雨养地区不同质地土壤确定含氯化肥施用量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自黑龙江省马铃薯主产区克山、绥化、牡丹江和齐齐哈尔马铃薯种植田块0～30 cm耕层土壤，土壤颗粒分级及土壤质地采用国际制确定[11]，基本理化性质见表1。

1.2 模拟试验设计

1.2.1 淋溶装置

采用自制内径5 cm，高35 cm玻璃柱进行降雨模拟试验。玻璃柱底部用滤纸-石英砂-滤纸三明治方式防漏，根据不同土壤容重（见表1）先装入25 cm供试土壤，再填充2 cm混有肥料的土壤，最后用3 cm土壤覆盖，为防止降雨过程中产生优势流，土壤表层覆盖直径4.7 cm滤纸。每个土柱填装完毕后用蠕动泵从底部注水至表层见水，排除土壤中空气，土壤老化48 h，用去离子水进行降雨模拟试验（见图1）。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

图1 土柱淋溶装置Fig.1 Soil column leaching device

1.2.2 施肥量

供试肥料为尿素（N 46%）、磷酸氢二铵（N 18%，P2O546%）、氯化钾（K2O 60%，氯含量45%）和硫酸钾（K2O 50%），每种土壤设置5个氯化钾不同用量处理，每个处理3次重复。为便于观察模拟试验淋洗效果，肥料用量为田间试验施肥2倍，每个土柱肥料用量根据土柱表面积计算，具体肥产用量见表2。

表2 试验各处理养分用量Table 2 Nutrient usage of each treatment in the experiment

1.2.3 模拟降雨量

根据黑龙江省近18年5～9月最小至最大降雨量区间，分别设置55、110、220和440 mm 4个降雨量，每个降雨量平均分成10次淋洗，即每次为5.5、11、22和44 mm，用蠕动泵以10 mL·h-1流速进行降雨模拟，每个降雨量试验周期为1个月，每次淋洗间隔3 d。

1.3 田间试验

2021年在黑龙江省绥化市北林区进行田间试验，供试马铃薯为早熟品种‘尤金’，生育期65～70 d，采用随机区组排列，每个小区6垄，垄长12 m，垄宽0.8 m，小区面积57.6 m2，供试肥料尿素（N 46%）、磷酸氢二铵（N 18%，P2O546%）、氯化钾（K2O 60%，氯含量45%）和硫酸钾（K2O 50%），肥料用量分别为N 160 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 200 kg·hm-2，分别设置氯化钾用量125 kg·hm-2（施氯量为56 kg·hm-2）和氯化钾用量250 kg·hm-2（施氯量为112 kg·hm-2）2个处理，3次重复。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 淋出液

如图1所示，每次降雨模拟时在淋溶装置下方收集淋出液，称量淋出液重量，用溶质氯度仪（CLS-10A）测定淋出液中Cl-浓度，火焰光度计测定淋出液中K+浓度。

1.4.2 土壤

降雨模拟结束，用真空泵将土柱完整取出，按照0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm分成3部分，田间试验取耕层（0～30 cm）土壤，自然风干后磨细过1 mm筛，去离子水（水土比5∶1）浸提，溶质氯度计（CLS-10A）测定各层土壤浸提液中Cl-含量。

1.4.3 田间取样日期

2021年于5月3日播种，5月31日追肥，分别在播种后降雨量62.8、79.4、159.2和212.1 mm，追肥后降雨量94.6、147.6 mm进行取土。

1.5 数据处理与分析

第i次离子淋出量（mg）=第i次淋出液离子浓度×第i次淋出液体积

采用Excel 2016软件处理数据和绘图，采用SPSS 21.0软件分析数据。

图2 黑龙江省2001～2018年（62站）平均降雨量Fig.2 Average rainfall in Heilongjiang Province from 2001-2018(62 stations)

2 结果与分析

2.1 降雨量和土壤质地对淋出液体积的影响

如图3所示，为不同降雨量和不同质地土壤经10次淋洗获得平均淋出液体积。不同降雨量条件下，不同质地土壤淋出液体积均表现为砂土＞砂质壤土＞壤土＞黏壤土。降雨量为55、110、220和440 mm条件下，淋洗液体积分别为1.7～2.0 mL、11.9～14.1 mL、35.0～38.7 mL和74.9～77.1 mL，分别占降雨量17.1%、60.3%、85.3%以及88.0%。结果表明，降雨量少时，土壤本身保水能力强，液体不易淋出。其中在不同降雨量条件下，淋出液体积与土壤砂粒含量呈正相关（P＜0.01），相关系数为0.903。这是因砂粒含量越多土壤持水能力越弱导致。

图3 淋出液体积Fig.3 Volume of leaching solution

2.2 不同质地土壤中外源Cl-的淋洗动态

降雨强度为11 mm·次-1条件下（见图4），降雨量达到110 mm时，4种质地土壤淋出液中Cl-淋出量持续增加，其中砂土在第6次、砂质壤土和壤土在第7次、黏壤土在第8次Cl-淋出量显著增加（P＜0.05），并未出现拐点；当降雨强度为22 mm·次-1时，黏壤土、壤土和砂质壤土Cl-淋出量在第6次淋洗时Cl-单次淋出量达到峰值，砂土在第5次时Cl-单次淋出量达到最高值；降雨强度为44 mm·次-1时，砂土和砂质壤土在第5次，黏壤土和壤土在第6次淋洗后不再有大量Cl-淋出。结果表明，不同质地土壤中Cl-分别在降雨量为66 mm（砂土）、77 mm（壤土和砂质壤土）和88 mm（黏壤土）时开始淋出，降雨量为110 mm（砂土）和132 mm（黏壤土、壤土和砂质壤土）时单次淋出量达到最大值，降雨量为220 mm（砂土和砂质壤土）和264 mm（黏壤土和壤土）时累计淋出量达到最大值，继续增加降雨量，施氯处理土壤中Cl-淋出液浓度与Cl0处理无显著差异。

图4 不同质地土壤中外源Cl-淋洗动态Fig.4 Leaching dynamics of exogenous Cl-in soils with different textures

2.3 不同质地土壤中外源Cl-淋洗效率

为了解外源氯用量对不同质地土壤中Cl-淋洗影响，根据2.2分析结果，选取降雨量为220 mm、淋洗量为22 mm·次-1的处理为主进行深入探讨。如图5所示，为不同质地土壤中Cl-淋出率。由图5可见，不同质地土壤中Cl-在第4～8次大量淋出，此阶段Cl-淋出量可占总淋出量91.5%（黏壤土）、90.7%（壤土）、93.4%（砂质壤土）和90.4%（砂土）。在不同质地土壤中，Cl-单次淋出率均随降雨量增加呈先升后降趋势，表明即使在黏壤土中，Cl-也极易发生淋洗。同一质地土壤中，不同氯用量对Cl-淋出率无显著影响，但淋洗液中Cl-浓度均随施入量增加而增加。

图5 不同质地土壤中Cl-淋出率（以220 mm为例）Fig.5 Leaching rate of Cl-in soils with different textures(Taking 220 mm as an example)

由表3可见，不同质地土壤中Cl-最大淋出速率表现为黏壤土＜壤土＜砂质壤土和砂土，平均淋出速率表现为砂土≈砂质壤土＞壤土＞黏壤土。砂土最大淋出速率低于砂质壤土，因砂土中Cl-较早开始淋出，砂质壤土中Cl-淋洗比砂土更为集中，结果见图4。

表3 不同质地土壤中Cl-淋出速率（以降雨量220 mm，氯用量以300 kg·hm-2为例）Table 3 Leaching rate of Cl-in soils with different textures（The rainfall is 220 mm,and the chlorine dosage is 300 kg·hm-1 as an example）

如图6所示，在黏壤土中，降雨强度为11和22 mm·次-1时，在110 mm降雨量时，土壤Cl-累计淋出率分别为16.40%和28.91%（P＜0.05），降雨强度为22和44 mm·次-1时，在132 mm降雨量时，土壤Cl-累计淋出率分别为56.54%和77.10%（P＜0.05）。壤土、砂质壤土和砂土中外源Cl-在不同降雨强度下累计淋出率变化趋势与黏壤土相似且均高于黏壤土。结果表明，降雨量相同时，增加降雨强度可加速不同质地土壤中Cl-淋出。

图6 不同质地土壤中Cl-累计淋出率Fig.6 Cumulative leaching efficiency of Cl-in soils with different textures

土壤质地对外源Cl-累计淋出率影响随降雨量变化而不同，结果见表4。降雨量为55 mm时，不同质地土壤Cl-累计淋出率差异显著（P＜0.05）；当降雨量达到110 mm时，土壤中Cl-大量淋出，土壤质地影响较为明显，不同质地土壤Cl-累计淋出率差异极显著（P＜0.01），且4种质地土壤中Cl-累计淋出率表现为砂土＞砂质壤土≈壤土＞黏壤土；当降雨量达到220 mm时，土壤中大部分Cl-已淋出耕层，土壤质地影响开始减弱，不同质地土壤Cl-累计淋出率差异不显著，仍表现为黏壤土Cl-累计淋出率低于壤土、砂质壤土和砂土；当降雨量达到440 mm时，土壤质地影响基本消失，4种质地土壤中外源Cl-均达到累计最大淋出率，且4种质地土壤Cl-累计淋出率差异不显著。结果表明，土壤质地仅在土壤外源Cl-大量淋洗过程中影响Cl-淋出，不同质地土壤Cl-淋出率与Cl-大量淋出的降雨量区间呈显著正相关（P＜0.05），相关系数为0.957（黏壤土），0.913（壤土），0.958（砂质壤土）和0.952（砂土），只要有足够降雨量（264 mm），4种质地土壤中外源Cl-累计淋出率均可达到92%以上。

表4 外源Cl-累计淋出率在不同降雨量下与土壤质地相关性分析Table 4 Correlation analysis of cumulative exogenous Clleaching efficiency with soil texture under different rainfall amounts

2.4 降雨量和氯用量对不同质地土壤中K+淋出率的影响

不同降雨量条件下，不同质地土壤中淋出液中K+淋出率如表5所示，K+淋出率均随降雨量增加而增加，K+累计淋出率与降雨量相关系数为0.904（黏壤土）、0.976（壤土）、0.977（砂质壤土）和0.978（砂土）（P＜0.05）。降雨量达到220 mm时，土壤中Cl-淋出率达到92%以上，但除砂土中K+淋出率达到10.7%～12.4%，其他3种土壤K+淋出率均在1.5%～6.0%之间，说明氯用量增加不显著提高K+淋洗。

表5 降雨量和氯用量对不同质地土壤中K+淋出率的影响Table 5 Effects of rainfall and chlorine dosage on K+leaching from soils with different textures

2.5 降雨量对不同质地土壤中Cl-空间分布的影响

淋洗结束后对土壤中Cl-含量测定表明，不同质地土壤中外源Cl-残留率分别为98.1%～99.2%（55 mm），52.5%～83.6%（110 mm），7.6%～12.4%（220 mm）和6.1%～6.9%（440 mm），外源Cl-在土壤中最大残留率为6.9%，外源Cl-残留量与降雨量相关系数为-0.628（黏壤土）、-0.583（壤土）、-0.647（砂质壤土）和-0.633（砂土）（P＜0.05），结果见表6。

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降雨量为55 mm时，在黏壤土、壤土和砂质壤土中不同土层Cl-含量差异不显著，砂土在20～30 cm土层中Cl-含量均显著高于0～10 cm、10～20 cm土层（P＜0.05），说明土壤中Cl-虽已明显开始下移，但未淋出耕层；降雨量为110 mm时，不同质地土壤Cl-已开始部分淋出，20～30 cm土层中Cl-含量均显著高于0～10 cm土层（P＜0.05），但0～20 cm土层中Cl-分布不同，黏壤土和壤土中10～20 cm土层中Cl-含量显著高于0～10 cm（P＜0.05），砂土两个土层中Cl-含量差异不显著。Cl-在耕层土壤残留率仍较高，分别为83.6%（黏壤土）、76.6%（壤土）、75.6%（砂质壤土）和52.5%（砂土）；降雨量为220 mm时，土壤中Cl-大量淋出，不同质地土壤中残留率约为7.6%～12.4%，黏壤土和壤土3个土层中Cl-含量仍有差异显著（P＜0.05），20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm土层，砂土和砂质壤土土层中Cl-含量与不施氯处理间差异均不显著；降雨量为440 mm时，土壤可淋出Cl-已淋出耕层，施氯土壤与不施氯土壤中Cl-含量无显著差异，由不施氯土壤Cl-含量继续降低可知，土壤中原有Cl-也发生淋洗。

2.6 建立线性回归方程、获得通径系数

表7表明随自变量被逐步引入回归方程，回归方程相关系数和决定系数逐渐增加，说明增加自变量对土壤中Cl-含量作用增加。

表7 模型汇总Table 7 Model summary

表8为各自变量回归系数、截距、标准回归系数（直接通经系数）、标准误差及相对显著性检验结果，可得线性回归方程为：Y=38.518-0.219X1+0.143X2+0.557X3。由通径系数可见自变量X1（降雨量）、X2（施氯量）和X3（土壤黏粒含量）对Y（土壤Cl-含量）的直接作用分别为-0.578、0.545和0.149（P＜0.05），说明自变量与因变量间存在显著差异，具有统计学意义，应留在方程中。可根据降雨量、含氯肥料施用量和土壤质地估算土壤Cl-残留量。

表8 回归参数估计及其显著性Table 8 Regression parameter estimation and its significance

由表9可知，自变量对Y（土壤Cl-含量）直接作用表现为施氯量（X2）＞土壤黏粒含量（X3）＞降雨量（X1），施氯量和土壤黏粒含量对土壤Cl-含量有正向作用，降雨量与土壤Cl-含量有负向作用，间接作用影响较小。

表9 简单相关系数的分解Table 9 Decomposition of simple correlation coefficient

2.7 田间验证模拟试验回归方程

根据线性回归方程Y=38.518-0.219X1+0.143X2+0.557X3，利用降雨量、施氯量和土壤黏粒含量估算土壤中Cl-含量，及绥化壤土（黏粒含量为12.89%）田间试验实测土壤中Cl-含量见表10。

由表10可知，在降雨量为55～220 mm内，实测结果与估算结果土壤中Cl-含量误差范围在[-9.5%,21.3%]，说明该方程可用于估算田间土壤为Cl-含量。

表10 计算结果与实际土壤Cl-含量变化对比Table 10 Comparison between the content measured by the regression equation and the actual soil Cl-content

3 讨论与结论

3.1 土壤质地对土壤中Cl-淋失与残留的影响

土壤理化性质与土壤中离子含量具有协同作用[12-13]，土壤中黏粒含量越多，其Cl-积累量越高[14]，本研究结果也表明，黏粒含量远高于其他3种质地土壤的黏壤土，在相同降雨量条件下，其最大累计淋出率与其他3种质地土壤间虽无显著差异，但Cl-平均淋出速率和最大淋出速率均小于其他土壤，且达到最大淋出速率和最大累计淋出率所需降雨量高于其他土壤。这是因土壤黏粒含量越多，土壤保水能力越强[15]，土壤水分垂直迁移速度越慢。而相同降雨量条件下，不同质地土壤淋出液体积表现为砂土＞砂质壤土＞壤土＞黏壤土，是因质地黏重土壤中细小孔隙构成的复杂孔径以及带电团聚体对离子吸附作用在一定程度上阻碍Cl-迁移[16]，要达到同样淋洗效果，黏壤土所需时间和降水量/灌溉量更多。砂土因土壤孔隙多且连通性好，更有利于Cl-淋洗，砂土Cl-淋出量达到峰值较早，达到峰值时所需降雨量较少。

3.2 降雨量对土壤中Cl-淋失与残留的影响

李金刚等指出，降雨量约为220 mm时，Cl-与砂质土壤胶体之间吸附作用弱，因此Cl-随水分迁移能力较强，在砂土耕层土壤中表现较强淋洗效果，黏壤土和壤土则需264 mm降雨量才可保证Cl-大量淋出[17]，与本试验结果相同。不同质地土壤中Cl-淋出量和淋出率均与降雨量呈显著正相关（P＜0.05），4种质地土壤中Cl-淋出量和降雨量相关系数为0.913～0.958，与王鹏山和关共凑的离子淋出量和降雨量相关系数为0.968～0.970和0.891～0.944一致[18-19]。由于Cl-易被淋洗，阎相奎等指出在降雨量为200 mm以下施用含氯化肥不会明显增加耕层土壤中氯含量[20]。本试验中同样发现，氯用量在75～300 kg·hm-2内，264 mm降雨量情况下4种质地土壤耕层中外源Cl-残留率不足10%，土壤中Cl-残留量与降雨量呈显著负相关（P＜0.01），相关系数为-0.647～-0.583。

3.3 降雨量对不同质地土壤中Cl-空间分布的影响

Reynolds等采用同位素示踪法测定收获后土壤中不同土层氯含量，在0～80 cm土层中残留率为4%～40%，土壤在0～60 cm几乎无残留[21]，本试验测定随降雨量变化土壤中氯含量，降雨量为55 mm时，土壤中Cl-分布位置已开始下移，垂直迁移距离不超过20 cm；降雨量为110 mm时，不同质地土壤中部分Cl-垂直迁移距离超过25 cm，耕层土壤中Cl-残留率高达52.5%～83.6%；降雨量为220 mm时，不同质地耕层土壤中Cl-残留率仅为7.6%～12.4%，均表现为20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm土层，与降雨量达到200 mm，土壤中Cl-集中在土层15 cm以下的结论接近[22]；降雨量为440 mm时，4种质地土壤中Cl-均达到最大淋洗量，与蔡毅等研究结果接近，作物采收后，施用与未施用氯化钾处理0～40 cm土壤Cl-总含量无差异，说明耕层土壤中无氯积累，可能是氯已淋洗到更深层土壤中[23]。

3.4 含氯化肥的合理施用

种植马铃薯土壤氯适宜浓度为60～70 mg·kg-1，增产10%[24]，所以种植马铃薯土壤施氯量不能超过225 kg·hm-2。控制土壤氯含量在安全阈值范围内是氯敏感作物安全施用含氯肥料重要依据，根据模拟试验结果建立土壤氯残留量与降雨量、施氯量和土壤黏粒之间回归方程。2021年绥化壤土（土壤黏粒含量12.89%）田间试验结果表明在55～220 mm降雨量范围内，测定值和计算值间误差范围在[-9.5%,21.3%]，因此可利用降雨量或灌溉量、含氯肥料施用量及土壤黏粒含量估算土壤Cl-残留量，或根据土壤黏粒含量、降雨量或灌溉量以及土壤氯临界值确定含氯肥料施用量。本田间试验仅在壤土中进行验证，后续将增加不同质地土壤田间验证试验，确定误差范围，提高预测精度，为氯敏感作物安全施用含氯肥料用量提供参考依据。