水肥耦合條件下小麥田根系層土壤總磷遷移特征

蘇 欣，李強(qiáng)坤，王軍濤，胡亞偉

(黃河水利科學(xué)研究院，鄭州 450003)

大量研究[1～6]表明，農(nóng)業(yè)非點源污染已成為當(dāng)前影響水體環(huán)境質(zhì)量的主要因子。我國農(nóng)業(yè)非點源污染的局面也非常嚴(yán)峻。世界銀行的報道指出，中國地下水有將近50%被農(nóng)業(yè)非點源污染，中國受農(nóng)業(yè)非點源污染影響的耕地面積已近2 000 萬hm2。據(jù)中國農(nóng)業(yè)信息網(wǎng)公布數(shù)據(jù)核算，2007年我國使用化肥5 107 萬t(折純)，按當(dāng)年農(nóng)作物播種面積計算，農(nóng)作物的平均化肥施用量為209.1 kg/hm2，是世界化肥平均用量的3倍之多。但我國化肥的利用率很低，其中磷肥為10%～20%[7]。目前，農(nóng)田土壤中富集的磷以及當(dāng)年施入的化肥是農(nóng)業(yè)非點源污染形成的“源庫”，而農(nóng)田灌溉過程中的水分垂向運動，是磷從土壤圈向地下水圈遷移擴(kuò)散的主要動力。因此，研究水肥耦合作用下小麥總磷運移特征，將為合理制定灌溉施肥措施提供科學(xué)依據(jù)，對提高農(nóng)田水肥利用效率，減少總磷排放具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

本次試驗選擇在黃河水利科學(xué)研究院節(jié)水試驗基地進(jìn)行。該基地位于河南省新鄉(xiāng)市，地處河南省北部，北緯35°18′，東經(jīng)113°54′。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫14℃，年均濕度68%，最大凍土深度280 mm。多年平均降雨656.3 mm，年蒸發(fā)量1 748.4 mm，年平均風(fēng)速為2.45 m/s。無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h。新鄉(xiāng)地處黃河、海河兩大流域，平原占地總面積78%，土地肥沃、光熱充沛。試驗區(qū)地下水埋深3 m上下，地下水礦化度一般為2 g/L左右，土體含鹽量0.2%左右，土壤容重按1.3～1.4 g/cm3控制，質(zhì)地屬于粉砂壤土。

1.2 試驗設(shè)計

試驗小區(qū)位于黃科院節(jié)水試驗基地院內(nèi)。每個試驗小區(qū)面積為2 m×3.3 m，密度為60 000 株/hm2，行距66.7 cm，株距25 cm，隨機(jī)區(qū)組排列，試驗作物為冬小麥，品種為矮抗58。田間管理按高產(chǎn)田進(jìn)行。

灌溉水采用當(dāng)?shù)氐叵滤┓什捎脧?fù)合肥(江蘇心實肥業(yè)集團(tuán)有限公司)，其中含氮17%，含磷17%，則每50 kg含純氮量8.5 kg，純磷量8.5 kg。常規(guī)試驗量是100 kg/hm2。試驗中設(shè)置2個試驗要素，即灌溉定額、施肥量。灌水設(shè)置2個處理，即：高水(7.6 mm)、低水(6.1 mm)，施肥設(shè)置2個處理，即：高肥(125 kg/hm2)、低肥(75 kg/hm2)，共計4個處理，各處理重復(fù)3次，各處理的各重復(fù)只測1次。2011-2012年度試驗過程中控制地下水位在1.5 m。

根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植習(xí)慣，冬小麥只進(jìn)行一次底肥處理，在播種前直接翻到土里，在小麥生育期內(nèi)視情況還會有2次追肥。小麥生育期內(nèi)共灌水、施肥3次，試驗于2011年10月14日播種，分別于2011年10月18日、2012年11月22日和2012年3月31日灌溉、施肥。

1.3 觀測指標(biāo)和方法

(1)土壤含水量：采用TRIME～I(xiàn)PH測量。其中0～20 cm表層土壤的平均含水量采用插針式水分測量儀(便攜式)測量；20～110 cm深層土壤含水量通過TRIME探測儀器測量，分層深度為20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 cm。觀測日期從2011年12月26日-2012年5月2日，每周測量1次。

(2)土壤中總P含量：利用黃科院節(jié)水與農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗室的地下水抽取系統(tǒng)，抽取0～100 cm范圍內(nèi)每20 cm的土壤溶液及150 cm處地下水，采用鉬酸銨分光光度法測量總磷P的含量，觀測日期從2012年3月26日-2012年5月29日。每隔10 d觀測一次，灌水前后各加測。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel、SPSS軟件。項目實施過程中應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)的統(tǒng)計分析，試驗數(shù)據(jù)計算以及圖表制作等利用Microsoft Excel軟件完成。顯著性水平為0.05(LCD)，所有數(shù)據(jù)在分析前均進(jìn)行了方差同質(zhì)性和正態(tài)性的檢驗。

2 結(jié)果分析

2.1 不同灌水量下土壤總磷運移特征研究

(1)高肥。0～100 cm范圍內(nèi)土壤總磷平均濃度動態(tài)變化過程見圖1。從圖1中可以看出，土壤總磷濃度呈現(xiàn)波浪形的變化趨勢；低水處理的總磷濃度高于高水處理，測量期內(nèi)平均高0.18 mg/L。

圖1 0～100 cm土壤總磷平均濃度動態(tài)變化過程

圖2 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

0～100 cm各層土壤總磷濃度分布見圖2。從圖2中可以看出，受灌溉及下滲等的影響，不同灌水處理的土壤總磷濃度在不同深度的變化范圍較大，低水處理的變化范圍更大。

0～100 cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結(jié)果見表1。從檢驗結(jié)果來看，施肥處理相同時，不同灌水量對60～80、80～100 cm土壤總磷濃度有顯著影響。可以得出：隨著灌水量的增加，總磷濃度變小，總磷濃度與灌水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2)低肥。0～100 cm范圍內(nèi)土壤總磷平均濃度動態(tài)變化過程見圖3。從圖3中可以看出，土壤總磷濃度呈現(xiàn)波浪形變化趨勢；低水處理的總磷濃度高于高水處理，測量期內(nèi)平均高0.13 mg/L。

0～100 cm范圍不同深度土壤總磷濃度變化過程見圖4。從圖4中可以看出，土壤總磷濃度隨深度的增加逐漸降低，表層濃度較高，深層濃度較低。

表1 0～100 cm不同深度配對土壤總磷濃度t檢驗結(jié)果(顯著水平=0.05)

圖3 0～100 cm土壤總磷平均濃度變化過程

圖4 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

0～100 cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結(jié)果見表2。從檢驗結(jié)果來看，施肥處理相同時，不同灌水量對0～20、20～40cm處土壤總磷濃度有顯著影響。通過相同施肥量下的總磷濃度實測數(shù)據(jù)可以得出：隨著灌水量的增加，總磷濃度變小，總磷濃度與灌水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 0～100 cm不同深度配對土壤總磷濃度t檢驗結(jié)果(顯著水平=0.05)

2.2 不同施肥量下土壤總磷運移特征研究

(1)高水。小麥高水情況0～100cm土壤總磷平均濃度動態(tài)變化過程見圖5。從圖5中可以看出，不同施肥處理土壤總磷濃度變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)波浪形的變化趨勢，前期變化幅度比較大，后期逐漸減小趨于平穩(wěn)。高肥、低肥條件下總磷濃度均值分別約為0.95、0.61mg/L。

圖5 0～100 cm土壤總磷平均濃度動態(tài)變化過程

高水情況0～100cm不同深度土壤總磷濃度分布見圖6。從圖6中可以看出，總磷濃度在各土層中差異比較明顯，不同施肥條件亦有很大差異。

圖6 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

0～100cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結(jié)果見表3。從檢驗結(jié)果來看，灌水處理相同時，不同施肥量對0～100cm內(nèi)各層土壤總磷濃度有顯著影響?？梢缘贸觯弘S著施肥量的增加，總磷濃度變大，總磷濃度與施肥量呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)低水。低水情況下0～100cm土壤總磷平均濃度變化過程見圖7。從圖7中可以看出，不同施肥處理土壤總磷均呈波浪形變化趨勢，不同處理間差距較小，高肥處理的土壤總磷濃度最高。

表3 0～100 cm不同深度配對土壤總磷濃度t檢驗結(jié)果(顯著水平=0.05)

圖7 0～100 cm土壤總磷平均濃度變化過程

圖8 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

低水情況下0～100 cm各層土壤總磷濃度分布見圖8?？梢钥闯觯偭诐舛仍诟魍翆又凶兓容^大，兩種施肥條件下在20～40 cm、60～80 cm深度范圍內(nèi)差異較明顯。0～100 cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結(jié)果見表4。從檢驗結(jié)果來看，不同施肥量對40～60、60～80、80～100 cm深度范圍內(nèi)土壤總磷濃度有顯著影響。

2.3 水肥耦合對不同土層總磷量的影響

土壤中磷素及各種存在形態(tài)與作物生長有密切關(guān)系。通常用全磷量作為土壤對作物供磷的潛力指標(biāo)或土壤磷素的基礎(chǔ)肥力。由圖9可以看出，不同水肥耦合處理對小麥在不同土層的總磷量具有一定影響。不同深度處高肥比低肥條件下的總磷濃度稍高；高水條件下，土壤總磷量隨土層的加深呈先降低后增加再降低的趨勢，可能是水的沖刷作用將磷素淋溶到土層下部；根據(jù)實驗結(jié)果可以得出，總磷主要富集在0～20、40～60、60～80 cm土層處。

表4 0～100 cm不同深度土壤總磷濃度配對t檢驗結(jié)果(顯著水平=0.05)

圖9 0～100 cm各層土壤總磷平均濃度分布

3 結(jié) 論

(1)灌水量的多少與0～100 cm土壤(水)總磷平均濃度呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，施肥量的高低與0～100 cm土壤(水)總磷平均濃度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系。

(2)不同水肥耦合處理對小麥在不同土層的總磷量具有一定影響。不同深度處高肥比低肥條件下的總磷濃度稍高；高水條件下，土壤總磷量隨土層的加深呈先降低后增加再降低的趨勢，總磷主要富集在0～20、40～60、60～80 cm土層處。

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