劉 娟，張乃明，張淑香

潮土磷素累積流失風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境閾值

劉 娟1,3，張乃明2,3※，張淑香4

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，昆明 650201；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明 650201；3. 云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201；4. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081）

潮土是中國(guó)分布比較廣、施肥強(qiáng)度大的典型耕作土壤，潮土中磷素累積與流失對(duì)區(qū)域水環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。該研究在潮土面積最大的河南省采集磷素水平不同的典型潮土作為供試土壤，采用人工模擬降雨及土柱模擬試驗(yàn)方法，通過(guò)測(cè)定土壤中Olsen-P和溶解態(tài)活性磷CaCl2-P含量以及徑流或淋濾液中各形態(tài)磷濃度，研究了潮土中磷素隨地表徑流和下滲流失特征，并通過(guò)分段線性模型對(duì)潮土的磷素環(huán)境閾值進(jìn)行擬合。結(jié)果表明：1）不同形態(tài)磷在潮土土壤剖面中均有一定程度的累積，土壤Olsen-P和CaCl2-P含量表現(xiàn)為高磷最大，中磷次之，低磷最小，而磷吸持指數(shù)值表現(xiàn)為低磷最大，中磷次之，高磷最小。從磷素的剖面分布來(lái)看，低磷和中磷水平潮土Olsen-P和CaCl2-P含量隨著土壤深度的增加而降低，而高磷水平的潮土Olsen-P和CaCl2-P含量在20～40 cm土層含量最高。2）不同磷水平潮土徑流中總磷（Total Phosphorus，TP）、可溶性總磷（Total Dissolved phosphorus，TDP）和顆粒磷（Particulate Phosphorus，PP）濃度和流失量大小表現(xiàn)為高磷最高，中磷和低磷水平土壤次之，潮土徑流流失以PP為主。3）低磷和中磷水平潮土淋濾液中的各形態(tài)磷濃度和流失量隨著土層深度的增加而降低，而在高磷水平的潮土淋濾液中，20～40 cm土層淋濾液中磷濃度和流失量要顯著高于其他土層，在整個(gè)土壤剖面磷素濃度隨著土層深度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，潮土淋濾流失以TDP為主，其中，高磷和低磷水平潮土以可溶性有機(jī)磷占主導(dǎo)，而中磷水平潮土以鉬酸鹽反應(yīng)磷占主導(dǎo)。4）通過(guò)分段回歸模型將不同含磷水平潮土的水溶性磷與土壤中Olsen-P含量進(jìn)行擬合，得出潮土土壤磷素環(huán)境閾值為24.65 mg/kg，研究還表明徑流和滲漏液中TP濃度與土壤CaCl2-P含量呈顯著正相關(guān)，因此可通過(guò)測(cè)定CaCl2-P來(lái)預(yù)測(cè)并判斷土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。

磷；土壤；徑流；潮土；環(huán)境閾值；流失風(fēng)險(xiǎn)

0 引 言

潮土是中國(guó)北方重要耕地土壤，面積約1 267萬(wàn)hm2，占中國(guó)耕地面積的9.39%[1]。潮土區(qū)最普遍的種植制度為夏玉米-冬小麥一年兩熟制[2]，這種復(fù)種指數(shù)高、利用強(qiáng)度大的種植模式對(duì)潮土本身養(yǎng)分消耗量很大[3]。其次，由于潮土區(qū)雨量分布不均，易受旱、澇、和次生鹽漬化威脅，同時(shí)由于黃河多次泛濫和改道沉積的作用，導(dǎo)致潮土肥力水平低[4]。在各項(xiàng)肥力指標(biāo)中，土壤磷素是潮土生產(chǎn)力最重要的限制因子。雖然潮土全磷含量較高，但有效磷在大部分地區(qū)含量較低，為了使小麥和玉米獲得高產(chǎn)，需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用磷肥，而高頻率、過(guò)量的施肥使得潮土區(qū)土壤形成了巨大的磷庫(kù)，潮土本身屬于輕質(zhì)屬性，且潮土區(qū)屬于暖溫帶半濕潤(rùn)型季風(fēng)氣候，雨季多集中于7—9月[5]，磷素累積引起的環(huán)境問(wèn)題不容忽視。

土壤中磷素遷移到水體中主要包括3種途徑，即地表徑流、侵蝕和淋濾，而地表徑流和淋濾通常被認(rèn)為是農(nóng)田土壤中磷素遷移到水環(huán)境最主要的途徑[6-7]。由于農(nóng)田土壤磷素流失為主的農(nóng)田非點(diǎn)源污染已成為水環(huán)境污染的一個(gè)重要來(lái)源[8-9]，使得磷素非點(diǎn)源污染研究的重要性更加凸顯[10-11]。過(guò)去在黃淮海地區(qū)的潮土中，雖然土壤全磷含量較高，但有效磷在大部分地區(qū)呈虧缺狀態(tài)，在第二次土壤普查時(shí)潮土有效磷甚至不足5 mg/kg，磷素流失的風(fēng)險(xiǎn)小，因此人們對(duì)潮土的研究主要集中在潮土不同肥力土壤的基礎(chǔ)地力、長(zhǎng)期施肥對(duì)潮土磷素利用與累積、長(zhǎng)期不同施肥模式潮土肥力演變規(guī)律及其持續(xù)利用以及夏玉米-冬小麥輪作系統(tǒng)下，玉米和小麥兩大主要作物的Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值研究等方面[5,12-13]。但是隨著施磷量提高以及磷肥不斷投入，土壤中的磷素含量逐漸由虧轉(zhuǎn)為盈，導(dǎo)致土壤磷素大量累積[14]，潮土區(qū)土壤有效磷平均值已經(jīng)上升到了27.9 mg/kg[15]，且在潮土區(qū)小麥-玉米輪作體系下，小麥和玉米Olsen-P農(nóng)學(xué)閾值分別為13.1和7.5 mg/kg[12]，這就表明潮土區(qū)大多數(shù)土壤中的Olsen-P含量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)作物生長(zhǎng)的需要，繼續(xù)施肥不僅不能提高作物產(chǎn)量，還會(huì)增加土壤磷素隨徑流和淋濾到水環(huán)境中的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)環(huán)境造成潛在威脅[16]。

磷素在土壤中累積引起磷素流失的報(bào)道很多，目前關(guān)于農(nóng)田磷素流失的研究主要是以地表徑流流失規(guī)律的探究為主，在一些富磷的砂土或結(jié)構(gòu)發(fā)育良好的黏土中也有磷淋濾的報(bào)道[17]。已有研究表明，土壤中磷的流失不僅受到土壤有效磷含量的影響，還受到土壤理化性質(zhì)，例如土壤有機(jī)質(zhì)、pH、孔隙度、陽(yáng)離子交換量，土壤容重、交換性鈣、鎂、土壤質(zhì)地以及土壤中鐵、鋁和碳酸鈣含量的影響[18]。其中，土壤磷素水平是影響耕地土壤磷素流失的重要原因之一，當(dāng)土壤有效磷含量超過(guò)其環(huán)境閾值時(shí)，土壤徑流和滲漏液中磷含量將明顯增加，從而對(duì)水環(huán)境構(gòu)成威脅[19]。關(guān)于坡耕地紅壤、紫色土等磷素遷移與流失規(guī)律以及太湖流域水稻土徑流和滲濾液中磷素組分的研究已經(jīng)有大量報(bào)道[17]，而針對(duì)潮土在土壤中累積引起的徑流和淋濾遷移和土壤磷素環(huán)境閾值以及徑流或淋濾液中全磷含量與土壤CaCl2-P之間的關(guān)系方面的研究還很少。本文選取潮土作為研究對(duì)象，通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)和土柱淋濾試驗(yàn)方法，探討不同磷水平潮土徑流和淋濾液磷素流失狀況，并在此基礎(chǔ)上提出土壤磷素環(huán)境閾值，為潮土區(qū)水環(huán)境保護(hù)和土壤磷素管理提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

土壤樣品取自河南省鄭州市農(nóng)科院試驗(yàn)地（34o47′25"N，113o 40′42" E），該區(qū)域?qū)儆跍貛駶?rùn)、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，冬春干旱少雨、夏季炎熱濕潤(rùn)，年平均降水量665 mm，雨季多集中在7—9月。分析該區(qū)域降雨資料發(fā)現(xiàn)，潮土地區(qū)最大降雨強(qiáng)度為78 mm/h[20]。該區(qū)域地形較為平坦，坡度在5°～15°之間，試驗(yàn)所用土壤為潮土（淡半水成土），成土母質(zhì)為黃河沖積物，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏土，于2017年4月，按照“隨機(jī)”多點(diǎn)混合的原則，采集耕層（0～20 cm）及剖面土壤樣品，土壤剖面按層次采樣，自下而上分層采取，每個(gè)層次分為0～20、>20～40、>40～60和>60～80 cm共4個(gè)層面。

根據(jù)耕層（0～20 cm）土壤磷素含量狀況，將采集的潮土大致分為低、中、高3種磷素水平的土壤。低磷水平潮土連續(xù)27 a每年平均施磷肥（普通過(guò)磷酸鈣，P2O5含量12.05%，下同）75 kg/hm2，中磷水平潮土每年平均施磷肥175 kg/hm2，而高磷水平潮土每年平均施磷肥265 kg/hm2；磷肥施用量是根據(jù)潮土區(qū)施肥現(xiàn)狀進(jìn)行設(shè)置，在研究區(qū)域內(nèi)具有典型性和代表性。將采集回來(lái)的土壤樣品，剔除土樣中的石塊、粗有機(jī)物和侵入體等，風(fēng)干、磨碎，過(guò)2?mm孔徑篩，分層充分混勻后備用。供試土壤的主要基本性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤0～20 cm土層的理化性質(zhì)

1.2 徑流試驗(yàn)設(shè)計(jì)

徑流試驗(yàn)于2017年6—7月在云南省農(nóng)業(yè)節(jié)水工程技術(shù)研究中心模擬降雨大廳進(jìn)行，設(shè)備采用NLJY?10型室內(nèi)人工模擬降雨控制系統(tǒng)（南林電子生產(chǎn)），噴頭高度為16 m，噴頭類(lèi)型為散噴型，有效降雨面積約40 m2。該人工模擬降雨控制系統(tǒng)的精度主要是通過(guò)雨滴分布（小、中、大雨滴所占比例數(shù)）及雨滴降落終速來(lái)控制，采用色斑法測(cè)定雨滴直徑大小，采用高速攝影法校驗(yàn)雨滴降落終速；在進(jìn)行徑流試驗(yàn)以前，進(jìn)行降雨均勻度的測(cè)定及降雨強(qiáng)度的標(biāo)定，其主要是通過(guò)計(jì)算降雨期間地面設(shè)置的雨量筒（8個(gè)）觀測(cè)到的降雨量的平均值實(shí)現(xiàn)，率定后降雨均勻系數(shù)大于95%，雨滴降落終速可達(dá)到自然雨滴的99%，降雨特性接近于天然降雨。

試驗(yàn)采用70 cm（長(zhǎng)）×28 cm（寬）×22 cm（高）的土槽作為盛土容器，然后向土槽中填裝等量0～20 cm耕層土，為了確保填裝土壤的均勻，采用分層填裝的方法即每隔5 cm填裝一層，在填裝下層之前，抓毛上一層已填進(jìn)土壤的表層，以防止各土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象，同時(shí)，通過(guò)分層填裝與壓實(shí)相結(jié)合的方法控制土壤容重，確保填裝好的土壤容重保持在1.3 g/m3左右?；诔蓖羺^(qū)坡耕地現(xiàn)狀及降雨發(fā)生頻率，本試驗(yàn)坡度設(shè)計(jì)為8°，降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為30 mm/h，每7 d降雨1次，每次降雨32 min，每4 min用徑流桶收集1次徑流，并測(cè)定徑流體積，降雨試驗(yàn)結(jié)束后取各時(shí)段采集的徑流樣進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)磷素水平設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3 淋濾試驗(yàn)設(shè)計(jì)

淋濾試驗(yàn)于2017年8—10月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)樓進(jìn)行，將PVC管（長(zhǎng)80 cm，直徑10 cm）截取為4段，每段20 cm，用尼龍網(wǎng)包裹每段PVC管的底端，然后分別將3種含磷水平的潮土分層填充到土柱中，為了可以方便地分離和恢復(fù)完整的土柱，該研究采用PVC接口（直徑為11 cm）將每段土柱連接成高80 cm的土柱桶。土柱桶底部填充約2 cm厚的石英砂，石英砂和土壤之間由1張48m的紗網(wǎng)分隔，然后用PVC封蓋（直徑為11 cm）蓋住土柱底部。為了能夠方便地收集淋濾液，在每個(gè)封蓋上鉆1個(gè)小孔，小孔直徑約0.5 cm，用橡膠塞將排水管固定在封蓋上收集淋濾液，最后將土柱直立地放在架子上。淋濾試驗(yàn)開(kāi)始以前，向土壤中加入超純水達(dá)到飽和持水量后靜置24 h，淋濾試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行42 d，每7 d灌水1次，每次灌水約300 mL，在灌水后的24 h內(nèi)收集淋濾液，測(cè)定淋濾液體積。為避免土壤受到干擾，在土壤表面放置1張無(wú)磷濾紙，同時(shí)，濾紙還可使水樣勻速下滲，避免產(chǎn)生邊際效應(yīng)，每個(gè)磷素水平潮土設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.4 分析項(xiàng)目與方法

溶液中總磷（Total Phosphorus，TP）濃度采用過(guò)硫酸鉀?鉬藍(lán)比色法（GB 11893—89）測(cè)定；可溶性總磷（Total Dissolved Phosphorus，TDP）濃度采用0.45m濾膜過(guò)濾，過(guò)硫酸鉀?鉬藍(lán)比色法（GB 11893—89）測(cè)定；鉬酸鹽反應(yīng)磷（Molybdate Reactive Phosphorus，MRP）采用0.45m濾膜過(guò)濾，鉬藍(lán)比色法測(cè)定；顆粒磷（Particulate Phosphorus，PP）為T(mén)P與TDP的差值；可溶性有機(jī)磷（Dissolved Organic Phosphorus，DOP）為T(mén)DP與MRP的差值；

土壤pH值采用酸度計(jì)（NY-T 1121.2—2006）測(cè)定；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-容量法（NY-T 1121.6—2006）測(cè)定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；有效磷（Olsen-P）采用鉬銻抗比色法（HJ704-2014）測(cè)定；速效鉀采用1 mol/L的中性NH4OAc（pH值為7）溶液浸提，火焰光度法測(cè)定；全磷采用堿熔?鉬銻抗比色法（HJ632-2011）測(cè)定；溶解態(tài)活性磷（CaCl2-P）采用0.01 mol/L氯化鈣溶液浸提（土水質(zhì)量比1∶5），鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤磷吸持指數(shù)（Phosphate Sorption Index，PSI）：在水土質(zhì)量比為10∶1的條件下，按每克土中加入1.5 mg磷酸鹽，平衡后測(cè)得土壤吸磷量與平衡溶液磷濃度，采用計(jì)算式（1）[21]計(jì)算。

PSI=100/lg（1）

式（1）中為土壤吸磷量，mg/g；為平衡溶液中磷濃度，mol/L。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法

采用Excel 2007和Sigmaplot 10.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)軟件SPSS 19.0對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和顯著性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法采用ANOVA法，采用OriginPro 9.0進(jìn)行作圖，所有結(jié)果數(shù)據(jù)均采用3個(gè)重復(fù)試驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)的平均值。

為了計(jì)算場(chǎng)降雨徑流磷素流失量，采用公式

式中為磷素流失量，mg/m2；為取樣次數(shù)；c為各時(shí)段采集徑流樣的磷素濃度，mg/L；v為各時(shí)段采集徑流樣的體積，L；S為土槽的面積，m2。

采用分段線性模型（Split-line Model）計(jì)算潮土磷素流失的環(huán)境閾值。根據(jù)Olsen-P與CaCl2-P之間的關(guān)系圖，采用數(shù)學(xué)方法，以不偏離突變點(diǎn)為基礎(chǔ)，分別擬合低和高Olsen-P含量與CaCl2-P之間的分段線性回歸方程，2個(gè)方程的交點(diǎn)即為土壤磷素環(huán)境閾值[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 潮土中有效磷和易溶解態(tài)磷及吸持指數(shù)

不同磷水平潮土中Olsen-P累積狀況如圖1a所示，由圖可知，3個(gè)磷素水平潮土在土壤剖面中Olsen-P含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）分別為3.0～8.5、11.0～52.5和8.2～33.4 mg/kg，不同磷水平潮土Olsen-P含量在各土層中表現(xiàn)出一致規(guī)律，即高磷水平最高，中磷水平次之，而低磷水平最低，3個(gè)磷素水平之間呈顯著性差異。從土壤剖面分布來(lái)看，低磷和中磷土壤中Olsen-P含量隨著土壤剖面深度的增加呈降低趨勢(shì)，而高磷水平土壤在20～40 cm土層最高。全國(guó)第二次土壤普查養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將土壤中Olsen-P含量分為6個(gè)等級(jí)，將3個(gè)磷素水平潮土表層土壤（0～20 cm）中的Olsen-P含量與全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，高磷水平潮土達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Olsen-P極高；中磷水平潮土達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Olsen-P很高；低磷水平潮土達(dá)到四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Olsen-P中等，這說(shuō)明潮土表層均出現(xiàn)了一定程度的累積。

注：不同大寫(xiě)字母表示同一土層不同磷素水平間P累積差異顯著（P<0.05），不同小寫(xiě)字母表示同一磷素水平不同土層間P累積差異顯著（P<0.05）。

不同磷水平潮土中CaCl2-P累積狀況如圖1b所示，由圖可知，土壤剖面中CaCl2-P含量范圍為1.01～4.20 mg/kg。不同磷水平潮土CaCl2-P含量在各土層中存在差異，在0～20 cm土層，高磷和中磷水平土壤CaCl2-P含量顯著高于低磷水平土壤，而高磷和中磷水平土壤之間差異不顯著；在20～40 cm土層，3個(gè)磷素水平土壤之間CaCl2-P含量高磷最高，中磷次之，低磷最低，且各磷水平之間呈顯著性差異；而在40～60 cm和60～80 cm土層，3個(gè)磷素水平土壤之間CaCl2-P含量未達(dá)到顯著性差異。從土壤剖面分布來(lái)看，低磷土壤CaCl2-P含量雖然隨著土壤剖面深度的增加呈降低趨勢(shì)，但各層次土壤中的CaCl2-P含量差異性不顯著。中磷土壤在整個(gè)土壤剖面CaCl2-P隨著土壤剖面深度的增加，CaCl2-P含量降低，在40～60 cm和60～80 cm土層中CaCl2-P含量差異不顯著。高磷土壤中CaCl2-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍為1.15～4.20 mg/kg，CaCl2-P含量在20～40 cm土層最高，而在40～60 cm和60～80 cm土層CaCl2-P含量未達(dá)到顯著性差異，在整個(gè)剖面上CaCl2-P含量呈現(xiàn)先上升，再下降的趨勢(shì)。

土壤PSI反映了土壤磷吸持或釋放潛力，一般用于表征土壤固相磷向液相釋放的可能性。對(duì)不同磷水平潮土的PSI值進(jìn)行分析計(jì)算得出，各層次土壤的PSI值的范圍為4.38～22.42，其中，低、中、高磷水平潮土在土壤剖面中的PSI值分別為4.66～22.42、6.22～10.58和4.75～9.30，在整個(gè)土壤剖面中，低磷水平土壤磷吸持指數(shù)最大，中磷水平土壤次之，高磷水平土壤磷吸持指數(shù)最小，PSI越大，說(shuō)明土壤吸持磷的能力越強(qiáng)，而PSI越小，說(shuō)明土壤中的磷越容易發(fā)生遷移。從土壤剖面來(lái)看，不同磷水平潮土PSI值隨著土壤剖面深度的增加表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)，高磷和低磷水平潮土在整個(gè)土壤剖面隨著土壤深度的增加，PSI值降低，而中磷水平潮土在整個(gè)土壤剖面變化幅度整體較小，大致呈先下降再上升，再下降的趨勢(shì)（圖2）。

圖2 不同磷水平潮土各土層磷吸持指數(shù)（PSI）

2.2 不同磷水平潮土徑流中各形態(tài)磷濃度及流失量

不同磷水平潮土徑流中各形態(tài)磷濃度如圖3a所示，表層徑流中TP濃度為0.146～0.416 mg/L，可溶性總磷TDP濃度為0.032～0.086 mg/L，顆粒磷PP濃度為0.109～0.330 mg/L，不同磷水平潮土TP、TDP和PP濃度大小表現(xiàn)為高磷水平潮土最高，中磷和低磷水平潮土次之。通過(guò)方差分析得出，在第1場(chǎng)降雨和第2場(chǎng)降雨中，高磷水平潮土徑流中TP濃度要顯著高于低磷和中磷水平，而低磷和中磷水平之間TP濃度未達(dá)到顯著性差異；在第3場(chǎng)和第4場(chǎng)降雨中，3種磷水平潮土徑流中TP濃度均達(dá)到了顯著性差異。從徑流中各形態(tài)磷占TP的比例來(lái)看，不同磷水平潮土TDP占TP的比例為9.76%～34.02%，而PP占TP的比例為65.98%～90.24%，PP所占比例明顯高于TDP，說(shuō)明3種磷水平潮土徑流流失都以顆粒態(tài)為主。

不同磷水平潮土徑流中各形態(tài)磷流失量如圖3b所示，3種磷水平潮土徑流中TP流失量為2.05～6.05 mg/m2，TDP流失量為0.31～1.29 mg/m2，PP流失量為1.48～5.16 mg/m2，不同磷水平潮土徑流TP、TDP和PP流失量大小表現(xiàn)為高磷水平土壤最大，中磷和低磷水平土壤次之，3種磷素水平潮土徑流中TP流失量的大小順序與土壤表層有效磷含量具有一致性，這說(shuō)明土壤表層磷素累積狀況可能會(huì)影響徑流磷素流失量的大小。從各形態(tài)磷占總磷的比例來(lái)看，不同磷水平潮土TDP流失量占TP流失量的10.31%～37.46%，PP流失量占TP流失量的62.54%～89.69%，由此可見(jiàn)，潮土徑流中土壤表層磷素流失以顆粒態(tài)為主。

注：Ⅰ～Ⅳ代表不同降雨場(chǎng)次；不同小寫(xiě)字母表示同一降雨場(chǎng)次不同磷水平之間潮土徑流液中磷素濃度或流失量差異顯著（P<0.05）。

2.3 不同磷水平潮土淋濾液中各形態(tài)磷濃度及流失量

不同磷水平潮土淋濾液中各形態(tài)磷濃度如圖4a所示，由圖可知，不同磷水平潮土淋濾液中各形態(tài)磷濃度差異大，TP、TDP、PP、MRP和DOP濃度分別為0.114～0.995、0.084～0.660、0.031～0.335、0.027～0.378和0.050～0.321 mg/L，潮土淋濾流失以TDP為主，在TDP中，高磷和低磷水平土壤以DOP為主，而中磷水平土壤以MRP為主。從淋濾液中各形態(tài)磷的剖面分布來(lái)看，低磷和中磷水平潮土淋濾液中的各形態(tài)磷濃度隨著剖面深度的增加磷素濃度降低，在表層（0～20 cm）淋濾液中的磷素濃度最高；而在高磷水平的潮土淋濾液中，各形態(tài)磷濃度在20～40 cm土層最高。3種磷素水平潮土底層（60～80 cm）土壤淋濾液中的磷素濃度普遍較低，但3種磷水平土壤淋濾液中TP濃度均超過(guò)了水體富營(yíng)養(yǎng)化閾值（0.02 mg/L）[22]。

注：不同大寫(xiě)字母表示同一土壤剖面不同磷水平之間差異顯著（P<0.05）；不同小寫(xiě)字母代表同一磷素水平不同剖面之間差異顯著（P<0.05）；

不同磷水平潮土淋濾液中各形態(tài)磷流失量如圖4b所示，由圖可知，不同磷水平潮土淋濾液中TP、TDP、PP、MRP和DOP流失量分別為1.97～14.84、1.29～12.48、0.41～2.99、0.42～7.60和0.51～4.92 mg/m2。潮土淋濾液中以TDP為主，在TDP中，不同含磷水平土壤占主導(dǎo)的磷形式又存在差異，其中，高磷和中磷水平潮土淋濾流失以MRP為主，而低磷水平潮土淋濾流失以DOP為主。從淋濾液中各形態(tài)磷的剖面分布來(lái)看，低磷和中磷水平潮土淋濾液中的各形態(tài)磷流失量隨著剖面深度的增加而降低，而在高磷水平的潮土淋濾液中，20～40 cm土層的磷流失量要顯著高于其他土層。

2.4 土壤磷素的環(huán)境閾值擬合

為了更好地預(yù)測(cè)磷的損失潛力，利用分段線性模型（Split-line Model），將不同含磷水平潮土的Olsen-P含量與土壤中CaCl2-P進(jìn)行回歸擬合（如圖5），得出潮土Olsen-P含量與CaCl2-P之間并不是1條直線關(guān)系，而是2線斜率明顯不同的直線，其相關(guān)方程如下：

式中x為Olsen-P含量，mg/kg；y為土壤中CaCl2-P含量，mg/kg。

通過(guò)計(jì)算得出，研究區(qū)域內(nèi)潮土土壤磷素環(huán)境閾值為24.65 mg/kg。當(dāng)土壤Olsen-P含量小于或等于土壤磷素環(huán)境閾值時(shí)，CaCl2-P含量隨Olsen-P增加而增加的幅度小，而當(dāng)土壤中Olsen-P的含量大于土壤磷素環(huán)境閾值時(shí)，CaCl2-P含量隨Olsen-P增加而增加的幅度大。

進(jìn)一步分析潮土徑流液或淋濾液中TP濃度與土壤CaCl2-P之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)線性方程可以較好地?cái)M合潮土徑流或淋濾液中TP濃度與土壤CaCl2-P含量之間的關(guān)系，通過(guò)線性回歸分析得出徑流液和淋濾液中TP濃度與土壤CaCl2-P關(guān)系如圖6所示。

徑流中TP濃度與土壤CaCl2-P含量的相關(guān)方程為

=0.06+0.11 (2=0.80，<0.01，樣本量為12) （4）

淋濾液中TP濃度與土壤CaCl2-P含量的相關(guān)方程為

=0.21+0.03(2=0.79，<0.01，樣本量為36) （5）

式中為土壤CaCl2-P含量，mg/kg；為土壤中TP濃度，mg/L。

由擬合方程發(fā)現(xiàn)，土壤中CaCl2-P含量與徑流或淋濾液TP濃度存在正相關(guān)關(guān)系，隨著土壤中CaCl2-P含量增加，徑流或淋濾液TP濃度也隨之增加。通過(guò)測(cè)定土壤中CaCl2-P來(lái)預(yù)測(cè)徑流或淋濾液中TP濃度，可以評(píng)估土壤磷素流失對(duì)水體的造成的污染。

圖6 潮土徑流液和淋濾液中總磷濃度（TP）與CaCl2-P之間的關(guān)系

3 討 論

3.1 不同磷水平潮土磷素累積流失特征

潮土區(qū)是中國(guó)重要的小麥-玉米主產(chǎn)區(qū)，這種復(fù)種指數(shù)高、利用強(qiáng)度大的種植模式對(duì)潮土本身養(yǎng)分消耗量很大，需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量施用磷肥，而高頻率、過(guò)量的施肥使得潮土區(qū)土壤形成了巨大的磷庫(kù)。在本研究中發(fā)現(xiàn)，潮土表層土壤（0～20 cm）已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的磷素累積，將3個(gè)磷素水平潮土表層土壤（0～20 cm）中的Olsen-P含量與全國(guó)第二次土壤普查的養(yǎng)分分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，高磷水平潮土達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Olsen-P極高；中磷水平潮土達(dá)到二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Olsen-P很高；低磷水平潮土達(dá)到四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，土壤Olsen-P中等，這說(shuō)明潮土表層均出現(xiàn)了一定程度的累積。當(dāng)土壤中磷素累積超過(guò)環(huán)境閾值，土壤中磷素可以通過(guò)地表徑流、侵蝕以及淋濾等途徑遷移到水體環(huán)境中，進(jìn)而加劇水環(huán)境污染負(fù)荷。

在本研究中，3種磷水平表層徑流中TP濃度為0.146～0.416 mg/L，TDP濃度為0.032～0.086 mg/L，PP濃度為0.109～0.330 mg/L，不同磷水平潮土TP、TDP和PP濃度大小表現(xiàn)為高磷水平潮土最高，中磷和低磷水平潮土次之，這與崔力拓等[23]先前通過(guò)天然降雨徑流試驗(yàn)得到的褐土地表徑流中不同形態(tài)磷的含量隨土壤磷素水平的提高也相應(yīng)地增加的結(jié)論一致，并且在其他土壤類(lèi)型如黃壤、紫色土等也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的觀察結(jié)果[24-25]，這說(shuō)明徑流液中磷素濃度與土壤本身磷素累積狀況有密切關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)室還通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，比較了黑土、潮土和紅壤中磷素隨地表徑流流失的特征，發(fā)現(xiàn)黑土、潮土和紅壤表層徑流中磷素濃度和磷素流失量均表現(xiàn)為潮土最大，紅壤次之，黑土最小[26]。磷素在潮土中的擴(kuò)散性要強(qiáng)于其他2種土壤，主要是因?yàn)槌蓖了趨^(qū)域?yàn)橹袊?guó)主要的農(nóng)耕區(qū)，磷肥的逐年投入及施磷量的提高，加劇土壤中磷素累積狀況，潮土為砂質(zhì)黏土，土壤中黏粒含量較黑土和紅壤少，所以當(dāng)徑流發(fā)生時(shí)，潮土比其他2種土壤更容易發(fā)生遷移。從各形態(tài)的比例來(lái)看，本研究得出顆粒態(tài)磷是潮土徑流流失的主要形態(tài)，這與秦華等[27]研究得出徑流作用下PP濃度占總磷濃度80%以上以及左繼超等[28]研究得出的地表徑流磷素輸出以PP為主的結(jié)論相同，在降雨的過(guò)程中，徑流中磷素的流失不僅與土壤本身含磷狀況密切相關(guān)，還可能與坡度、降雨強(qiáng)度、徑流量等因素相關(guān)，所以，在季風(fēng)區(qū)，應(yīng)結(jié)合土壤本身性質(zhì)以及該區(qū)域降雨條件，對(duì)養(yǎng)分流失進(jìn)行管理。

在本研究中，不同磷水平潮土淋濾液中TP濃度為0.114～0.995 mg/L，TDP濃度為0.084～0.660 mg/L，PP濃度為0.031～0.335 mg/L，MRP濃度為0.027～0.378 mg/L，DOP濃度為0.050～0.321 mg/L。低磷和中磷水平潮土淋濾液中的各形態(tài)磷含量隨著剖面深度的增加，磷素濃度降低，而高磷水平潮土淋濾液中磷素濃度隨著土層深度的增加，呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與土壤中Olsen-P含量的高低密切相關(guān)，在高磷土壤中，20～40 cm土層徑流液中的磷素濃度要高于土壤表層，主要是因?yàn)楸旧硎┝姿捷^高，作物吸收不了過(guò)多的磷，在降雨的作用下，由磷素向下淋溶所致。本試驗(yàn)室還通過(guò)土柱淋溶試驗(yàn)[1]，比較黑土、潮土、紅壤和水稻土淋溶流失差異，發(fā)現(xiàn)不同類(lèi)型土壤TP流失量以潮土最大，水稻土和黑土次之，紅壤最小，這主要是由于長(zhǎng)期耕作條件下，潮土本身磷含量累積過(guò)高，以及潮土砂質(zhì)黏土的土壤質(zhì)地，黏粒含量比其他幾種土壤少造成的。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同磷水平潮土淋濾流失以TDP為主，這與項(xiàng)大力等[29]在塿土以及陸欣欣等[30]的得出的淋濾流失以TDP為主的結(jié)論一致，這主要是因?yàn)榱転V與徑流磷素流失不同，淋濾流失受外部因素（坡度、降雨強(qiáng)度、徑流量等）的影響要小于土壤本身性質(zhì)的影響，土壤中磷素含量、土壤質(zhì)地等在潮土淋濾過(guò)程中發(fā)揮著極其重要的作用。

3.2 潮土土壤磷素環(huán)境閾值的科學(xué)性及應(yīng)用

不同類(lèi)型土壤磷素環(huán)境閾值差異很大，鐘曉英等[31]通過(guò)土壤培養(yǎng)試驗(yàn)，得出中國(guó)11種土壤類(lèi)型23個(gè)土壤的土壤磷素環(huán)境閾值在29.96～156.78 mg/kg之間變化。聶敏等[32]通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)中國(guó)16種可變電荷土壤（紅壤、黃壤等）的土壤磷素環(huán)境閾值在56～123 mg/kg之間變化，同時(shí)，趙小蓉等[33]還通過(guò)研究土壤磷素環(huán)境閾值與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，土壤磷素環(huán)境閾值與土壤pH呈拋物線關(guān)系，當(dāng)pH值大于6時(shí)，土壤磷素環(huán)境閾值隨著pH的升高而減小。在本研究中，利用分段回歸模型（Split-line Model），將不同含磷水平潮土的水溶性磷與土壤中Olsen-P含量進(jìn)行回歸擬合，分析得出潮土的土壤磷素環(huán)境閾值為24.65 mg/kg，潮土本身為石灰性土壤，土壤pH值在8.01～8.25之間，所以與其他土壤類(lèi)型相比，潮土土壤磷素環(huán)境閾值可能偏低，而潮土中土壤有機(jī)質(zhì)、土壤質(zhì)地、無(wú)定形氧化鐵、鋁含量、碳酸鈣等是否對(duì)土壤磷素環(huán)境閾值造成影響還需要進(jìn)一步深入研究。

一般而言，當(dāng)水體中的含磷量超過(guò)了水體富營(yíng)養(yǎng)化閾值（0.02 mg/L）就可能造成水體中藻類(lèi)的大量繁殖。在本研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)潮土Olsen-P含量超過(guò)土壤磷素環(huán)境閾值（即：24.65 mg/kg）時(shí)，從土體中排出的水進(jìn)入河流或湖泊中，極可能對(duì)水體造成污染。因此，在潮土區(qū)域，應(yīng)該根據(jù)潮土目前的磷素累積狀況，適當(dāng)減少施磷量，在維持作物產(chǎn)量的同時(shí)，降低P對(duì)水環(huán)境造成污染的風(fēng)險(xiǎn)，在保證作物不減產(chǎn)的條件下，適當(dāng)減少施磷量還可以在一定程度提高土壤中已累積磷素的再利用[34]，這對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究中，還建立了徑流或淋濾液中總磷與CaCl2-P之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)潮土徑流或淋濾液TP濃度與土壤中CaCl2-P含量存在正相關(guān)關(guān)系，徑流或淋濾液TP濃度會(huì)隨著土壤CaCl2-P含量的增大迅速增加，因此，可以通過(guò)測(cè)定土壤中CaCl2-P的含量來(lái)預(yù)測(cè)徑流和淋濾液中TP濃度，從而對(duì)土壤磷素遷移對(duì)水環(huán)境造成的污染進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4 結(jié) 論

1）土壤剖面中的Olsen-P含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為3.0～33.4 mg/kg，溶解態(tài)活性磷（CaCl2-P）含量為1.01～4.20 mg/kg，土壤磷吸持指數(shù)（PSI）值為4.38～22.42，Olsen-P和溶解態(tài)活性磷（CaCl2-P）含量表現(xiàn)為高磷最高，中磷次之，低磷最低，而PSI值表現(xiàn)為低磷最高，中磷次之，高磷最低。

2）不同磷水平潮土徑流中總磷、可溶性總磷和顆粒磷濃度和流失量大小為高磷最高，中磷和低磷水平土壤次之，潮土徑流流失以顆粒態(tài)為主。

3）低磷和中磷水平潮土淋濾液中的各形態(tài)磷濃度和流失量隨著土層深度的增加而降低，而在高磷水平的潮土淋濾液中，20～40 cm土層淋濾液中磷濃度和流失量要顯著高于其他土層，潮土淋濾流失以可溶態(tài)為主。

4）通過(guò)分段回歸模型將不同含磷水平潮土的水溶性磷與土壤中Olsen-P含量進(jìn)行擬合，得出潮土土壤磷素環(huán)境閾值為24.65 mg/kg。同時(shí)還得出，徑流液和淋濾液中總磷濃度與土壤中CaCl2-P含量呈顯著正相關(guān)，可通過(guò)測(cè)定CaCl2-P來(lái)預(yù)測(cè)從土體排出水的磷濃度。

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Accumulative loss risk of phosphorus and its environmental threshold in fluvo-aquic soil

Liu Juan1,3, Zhang Naiming2,3※, Zhang Shuxiang4

(1.,,650201,; 2.,,650201,; 3.,650201,; 4.,,100081,)

Fluvo-aquic soil is a typical cultivated soil with the widely distribution and high intensity of fertilization in China. However, the accumulation and loss of phosphorus in fluvo-aquic soil cannot be ignored as the ecological changes. In this study, the typical fluvo-aquic soils were collected as the test soils with different phosphorus levels (high, medium, and low) in Henan province, China, in order to explore the characteristics of phosphorus loss from fluvo-aquic soil induced by surface runoff and leaching. Simulation experiments of an artificial rainfall and a soil column were conducted to measure the content of Olsen-P and soluble active phosphorus (CaCl2-P) in soils, and the concentrations of different forms of phosphorus in runoff or leaching. In a split-line model, the relationship between soil Olsen-P content and Total Phosphorus (TP) in solution was used to evaluate P risk from black soil in surface runoff and leaching. The results showed that: 1) The contents of Olsen-P and CaCl2-P in fluvo-aquic soil profiles were in the order of high, medium and low phosphorus level, whereas, the soil phosphorus sorption index value were in the order of low, medium and high phosphorus level. In the profile distribution of phosphorus, the content of Olsen-P and CaCl2-P in fluvo-aquic soil with low and medium phosphorus level decreased with increasing soil profile, while the content of Olsen-P and CaCl2-P in fluvo-aquic soil with high phosphorus level was the highest in the 20-40 cm soil layer. 2) The concentration and losses of TP, Total Dissolved Phosphorus (TDP) and particulate phosphorus (PP) in the runoff from fluvo-aquic soils with different phosphorus levels were in the order of high > medium > low phosphorus level, and the PP dominated in fluvo-aquic soil runoff. 3) The concentration and loss of various forms of phosphorus in the leachate of low- and medium-phosphorus level from fluvo-aquic soil decreased with the increasing soil depth. However, in the leachate of high phosphorus level, the concentration and loss of phosphorus in the 20-40 cm soil profile were significantly higher than those of in other soil profiles, where the phosphorus concentration in the whole profile increased first and then decreased with the increasing soil profile, whereas, the profile of high phosphorus level presented the distribution pattern that upper and lower was low, and middle was high. The leaching loss of fluvo-aquic soil was dominated by TDP. The high- and low-phosphorus fluvo-aquic soil was dominated by Dissolved Organic Phosphorus (DOP), while the medium-phosphorus fluvo-aquic soil was dominated by Molybdate Reactive Phosphorus (MRP). 4) The relationship between CaCl2-P and Olsen-P were characterized using split-line models, identifying the thresholds at 24.65 Olsen-P mg/kg for the fluvo-aquic soil. It was also pointed out that the TP concentration in runoff and leachate was positively correlated with the CaCl2-P content in soil, and that CaCl2-P can be used to predict the phosphorus concentration of water discharged from soil. The outcomes derived from these experimental conditions regarding the determination of P loss in runoff by the artificially simulated rainfall experiment. The P loss in leaching by the soil column method and P environmental thresholds also need further verification in the field. This finding can help to assess phosphorus loss from fluvo-aquic soil under different phosphorus levels, and further to provide a scientific basis for water environment protection and soil phosphorus management in fluvo-aquic soil areas.

phosphorus; soils; runoff; fluvo-aquic soil; environmental threshold; loss risk

劉娟，張乃明，張淑香. 潮土磷素累積流失風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境閾值[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(20)：8-16.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.002 http://www.tcsae.org

Liu Juan, Zhang Naiming, Zhang Shuxiang. Accumulative loss risk of phosphorus and its environmental threshold in fluvo-aquic soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 8-16. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.002 http://www.tcsae.org

2020-06-01

2020-10-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0201208-2）；云南省對(duì)外科技合作計(jì)劃院士工作站（2015IC022）

劉娟，博士生，主要從事農(nóng)用化學(xué)物質(zhì)與環(huán)境方面的研究。Email：15587214232@163.com

張乃明，博士，教授，主要從事土壤培肥與污染修復(fù)方面的研究。

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.002

S158.5；X522

A

1002-6819(2020)-20-0008-09