PAM調(diào)控土壤養(yǎng)分元素遷移與流失試驗(yàn)研究

張艷艷, 唐澤軍

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 北京 100083)

PAM調(diào)控土壤養(yǎng)分元素遷移與流失試驗(yàn)研究

張艷艷, 唐澤軍

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院,北京100083)

[目的] 研究聚丙烯酰胺(PAM)對(duì)氮磷鉀素在砂土中的遷移和淋溶損失的影響，為探索PAM對(duì)控制養(yǎng)分元素的遷移、淋溶損失，提高水肥利用率的作用機(jī)制提供理論依據(jù)。 [方法] 采用室內(nèi)土柱模擬淋溶試驗(yàn)，共設(shè)置5個(gè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平(0，0.02%，0.05%，0.1%和0.2%)的陰離子型聚丙烯酰胺處理組，觀察PAM對(duì)氮磷鉀淋溶和遷移的影響。 [結(jié)果] PAM能降低土壤淋溶液中的氮濃度，各PAM處理組與對(duì)照組相比，土壤淋溶液中氮濃度降低了28.8%～45.5%，同時(shí)能抑制土壤中的氮向下遷移；PAM促進(jìn)了土壤對(duì)氮的吸附與固定，各處理組土壤中的氮含量與對(duì)照組相比增加了135.2%～285.7%；PAM能夠降低土壤淋溶液中的鉀濃度，各PAM處理組與對(duì)照組相比，土壤淋溶液中鉀濃度降低了33.2%～51.8%，同時(shí)能抑制土壤中的鉀向下遷移；PAM促進(jìn)了土壤對(duì)鉀的吸附與固定，各處理組土壤中的鉀含量與對(duì)照組相比增加了42.5%～65.7%；PAM不能減少土壤溶液中磷的淋溶損失，對(duì)土壤吸附固定磷沒有明顯的作用，反而減弱了土壤對(duì)磷的吸附固定能力。 [結(jié)論] 土壤中施加PAM能有效減少氮、鉀在土壤中的淋溶損失，增加土壤對(duì)氮、鉀的保持固定作用，但對(duì)磷的作用效果并不理想。

聚丙烯酰胺(PAM); 氮; 磷; 鉀; 養(yǎng)分遷移; 淋溶損失

文獻(xiàn)參數(shù)： 張艷艷, 唐澤軍.PAM調(diào)控土壤養(yǎng)分元素遷移與流失試驗(yàn)研究[J].水土保持通報(bào)，2017,37(4)：33-39.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.006； Zhang Yanyan, Tang Zejun. Regulation and control of PAM on vertical transport and leaching loss of soil nutrient[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：33-39.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.006

數(shù)據(jù)[1]表明，從1980年起，我國(guó)化肥供應(yīng)量每年以4%的速度增長(zhǎng)，目前，中國(guó)已是世界上最大的化肥消費(fèi)國(guó)。作為糧食的“糧食”，肥料特別是化學(xué)肥料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前肥料的淋溶損失，不但造成了環(huán)境面源污染同時(shí)也是肥料利用率低的主要原因。提高肥料利用率提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，減少由于肥料損失帶來的環(huán)境污染一直是人們關(guān)注的課題。聚丙烯酰胺(PAM)作為一種土壤改良劑，目前對(duì)其的研究主要是集中在對(duì)土壤的物理性質(zhì)以及入滲率、土坡侵蝕和徑流的影響上[2-8]，關(guān)于PAM與肥料、土壤的相互影響程度及其機(jī)理，還有對(duì)土壤養(yǎng)分流失及作物的生長(zhǎng)的影響的相關(guān)研究并不多。PAM通過改變施加養(yǎng)分元素的環(huán)境來控制養(yǎng)分流失，主要表現(xiàn)在隨著地表徑流的流失、垂直方向上的遷移和淋溶損失以及土壤對(duì)肥料離子吸附特性等三方面的影響。本文通過室內(nèi)土柱模擬淋溶試驗(yàn)，在土壤中施加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PAM，通過提取分層土壤溶液和淋溶液，研究氮磷鉀素垂直方向上的遷移情況和淋溶損失情況，為進(jìn)一步揭示PAM對(duì)養(yǎng)分保持的作用機(jī)制，控制養(yǎng)分元素的遷移和淋溶損失以及提高水肥利用率提供可靠的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土樣與材料

試驗(yàn)土樣取自內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗庫爾其沙漠，根據(jù)美國(guó)制土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)確定試驗(yàn)土壤為砂土，容重1.58 g/cm3，pH值8.26。土壤中的氮磷鉀3種養(yǎng)分元素分別由尿素，過磷酸鈣和硝酸鉀提供。試驗(yàn)選用300萬分子量陰離子型聚丙烯酰胺(PAM)，由廣東西隴化工股份有限公司生產(chǎn)，市場(chǎng)采購(gòu)。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前先將土樣過2 mm篩，剔除土壤中的雜物，然后自然風(fēng)干待用。選用內(nèi)徑為15 cm，高70 cm的有機(jī)玻璃土柱，外側(cè)壁設(shè)有土壤溶液采集器陶土頭的埋設(shè)孔，頂端和底部設(shè)有進(jìn)出水口。土樣填裝時(shí)，以2 cm為一層，層間打毛，均勻夯實(shí)，共5層進(jìn)行填裝，填裝高度50 cm。出水口以上每隔3 cm鋪設(shè)有粒徑從大到小的礫石，共三種粒徑防止土壤顆粒滲漏，填裝完成后在頂部覆蓋3 cm粒徑為5 mm左右的礫石，防止水流對(duì)土壤的沖刷破壞，每間隔10 cm在土柱側(cè)壁埋設(shè)陶土頭，利用真空壓力泵抽取土壤中的溶液。

填裝時(shí)設(shè)計(jì)干容重為1.5 g/cm2，根據(jù)氮肥、磷肥、鉀肥通常的施用量，尿素、過磷酸鈣和硝酸鉀與風(fēng)干土樣均按0.2 g/kg設(shè)計(jì)比例混合均勻[9-11]，填裝土樣中尿素，過磷酸鈣和硝酸鉀分別施加13 g，折合純N 6 g，P2O52.1 g，純鉀5 g。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)PAM(0，0.02%，0.05%，0.1%，0.2%)施用水平，以不添加PAM的土柱作為對(duì)照組，分別記為DZ，P1，P2，P3，P4，試驗(yàn)共2次重復(fù)。將處理后土壤經(jīng)去離子水充分潤(rùn)濕后靜置24 h后填裝，以2 cm為一層，層間打毛，均勻夯實(shí)，共5層進(jìn)行填裝，填裝高度50 cm。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始前先從底部供水，令土柱自下而上逐漸飽和，當(dāng)土柱頂部出現(xiàn)積水時(shí)停止底部供水。開始從土柱頂部供水，待出流穩(wěn)定后開始取樣。試驗(yàn)采用定水量供水間歇淋溶法，每次收集淋溶液時(shí)，向每一個(gè)土柱注入1 000 ml的水量，然后對(duì)每個(gè)土柱進(jìn)行土壤溶液分層取樣，最后進(jìn)行淋溶液的收集，每個(gè)土柱共收集1個(gè)淋溶水樣和4個(gè)分層土壤水樣。試驗(yàn)7 d為一個(gè)周期，對(duì)每一個(gè)周期收集到的水樣進(jìn)行速效氮，速效磷和速效鉀含量的測(cè)定。設(shè)計(jì)觀察周期為35 d，35 d后停止供水，令水分自由落干2 d后將土壤分層取出，測(cè)定其質(zhì)量含水率以及土壤中的速效氮，速效磷和速效鉀的含量。速效氮采用流動(dòng)與分析儀測(cè)定法，速效磷采用鉬銻抗比色測(cè)定法，速效鉀采用火焰光度計(jì)測(cè)定法。

2 結(jié)果與分析

2.1 PAM對(duì)土壤含水率的影響

取樣結(jié)束后，待水分自由落干2 d，然后將土壤分層取出測(cè)得各層土壤的質(zhì)量含水率，圖1反映的是不同土柱分層土壤含水率的變化情況，盡管在不同深度的土壤剖面的土壤含水率的大小和PAM的施用質(zhì)量分?jǐn)?shù)水平?jīng)]有呈現(xiàn)正比關(guān)系，但從大體趨勢(shì)來看，隨著施加PAM質(zhì)量的分?jǐn)?shù)增加，土壤含水率較對(duì)照組都有明顯的增加。利用SPSS 23.0分別對(duì)不同深度的土壤含水率隨PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化進(jìn)行方差分析，各深度處的p值均小于0.05，具有顯著差異，說明PAM濃度的變化對(duì)土壤含水率的影響具有顯著相關(guān)性。

對(duì)于在10 cm深度剖面土壤含水率出現(xiàn)對(duì)照組土壤含水率大于P1和P2處理組，這很有可能是因?yàn)殡S著試驗(yàn)的進(jìn)行，一部分PAM隨著水分的入滲而減少，同時(shí)10 cm層的土壤最容易受陽光和溫度的影響，使其土壤中的PAM降解。最后都會(huì)導(dǎo)致P1和P2處理組的PAM濃度過低難以發(fā)揮作用，使10 cm深度處土壤含水率和對(duì)照組相差無幾。從本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，施加PAM處理組與對(duì)照組相比，土壤含水率有不同程度的增幅，這可能與試驗(yàn)所用土壤類型有關(guān)，試驗(yàn)用土采用的是砂土，結(jié)構(gòu)較差且土壤中缺乏能夠分解的顆粒，在加入PAM后，當(dāng)濃度過低時(shí)，PAM水溶液呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，隨著施加PAM量的增加，溶液中的鏈—鏈接觸點(diǎn)增加，使PAM水溶液呈凝膠狀，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和凝膠狀結(jié)構(gòu)對(duì)土壤持水能力會(huì)產(chǎn)生不同的影響。

對(duì)照組的土壤平均含水率最低，為11%，P1，P2，P3和P4處理組的土壤平均含水率分別較對(duì)照組提高了7%，22%，33%和56%。PAM能夠增強(qiáng)土壤對(duì)水分的保持，目前普遍認(rèn)為的作用機(jī)理是由于PAM具有水合作用，在水的濕潤(rùn)下，PAM開始反應(yīng)，由顆粒狀變成多枝纖維狀，將顆粒緊緊纏繞保持土壤表層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，土壤溶液在高分子聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)內(nèi)外形成離子濃度差，水分子在滲透壓的作用下進(jìn)入網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成網(wǎng)孔水，隨著外界水分的散失，網(wǎng)孔水逐漸釋放出來。PAM通過延伸至土壤液相分子鏈上的酰胺基和羧鈉基對(duì)偶極化水分子的強(qiáng)烈吸附和分子滯留形成以水分子為中心的水動(dòng)力學(xué)體積，縮小了多孔介質(zhì)中水流通道的有效直徑，使得土壤孔隙中的堵塞作用提高了土壤溶液的黏度，減緩?fù)寥浪诌\(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，作物所需的營(yíng)養(yǎng)元素只有溶解在水中，才能比較容易被作物的根系吸收利用，水分與養(yǎng)分的遷移有很密切的關(guān)系，水分充足，能使PAM更有效的發(fā)揮它的作用，同時(shí)養(yǎng)分元素越多溶解在水中，就越有利于作物的吸收利用，而水分缺乏，會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分元素和施加的PAM無法充分溶解發(fā)揮它的作用，同時(shí)造成肥料利用率低。

圖1 不同PAM施用水平分層土壤含水率變化

2.2 PAM對(duì)土壤溶液中氮濃度的影響

土壤溶液中氮濃度的高低反映了土壤淋溶損失的程度。圖2反映了淋溶液中氮濃度的變化情況，淋溶液中的氮濃度隨著PAM施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高，基本呈現(xiàn)施加0.2%PAM處理組淋溶液中氮濃度最低的趨勢(shì)。整個(gè)試驗(yàn)過程，P1，P2，P3和P4處理組淋溶液中氮濃度淋溶損失累積量較對(duì)照組分別降低了28.8%，35.8%，38.5%和45.5%。利用SPSS 23.0分別對(duì)不同周期內(nèi)的淋溶液氮濃度隨PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化進(jìn)行方差分析，發(fā)現(xiàn)每個(gè)周期的p值均小于0.05，具有顯著差異，說明PAM濃度的變化對(duì)土壤淋溶液氮濃度的影響具有顯著性。第1周期的土壤淋溶液氮濃度隨PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化雖然也具有顯著差異，但其相關(guān)性不是很強(qiáng)，p值接近于0.05，這很有可能在試驗(yàn)開始的初期，因?yàn)镻AM是和土壤混施，PAM還沒有充分溶解于水中，沒能在試驗(yàn)初期發(fā)揮作用，造成第一周期PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)淋溶液內(nèi)氮濃度的變化沒有產(chǎn)生特別強(qiáng)的顯著相關(guān)性。

圖2 不同PAM施用水平淋溶液中氮濃度變化

圖3反映的是整個(gè)試驗(yàn)周期，不同深度的土壤溶液中平均氮濃度與第一層土壤溶液相比的升降幅度的百分比，各個(gè)處理組在不同試驗(yàn)周期，土壤溶液中的氮濃度隨著深度的增加而變化的程度反映了可溶性氮隨著土壤水的入滲而遷移的情況，可以發(fā)現(xiàn)PAM處理組土壤溶液中的氮濃度隨著深度的增加而提高的幅度明顯小于對(duì)照組，而且從圖形的斜率來看，除了加入0.02%PAM處理組，其他PAM處理組的氮下移率明顯小于對(duì)照組。其中當(dāng)施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%和0.05%的處理組的增幅程度和對(duì)照組相差不大，說明PAM施加量太少，不會(huì)對(duì)土壤對(duì)氮的吸附與固定產(chǎn)生太大的影響，作用效果不明顯，當(dāng)施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%和0.2%時(shí)，PAM的作用效果很顯著，說明土壤中施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%和0.2%的PAM加強(qiáng)了土壤對(duì)氮的吸附和固定，降低土壤溶液中的氮濃度，能在一定程度上減少可溶性氮隨著土壤水分的向下遷移。

圖3 不同PAM施用水平土壤溶液平均氮濃度隨深度變化

2.3 PAM對(duì)土壤中氮含量的影響

土壤中氮含量的多少反映了土壤固定氮能力的大小。在試驗(yàn)結(jié)束后，水分自由落干2 d將土壤分層取出，圖4反映了不同土柱各層土壤中氮含量的變化情況。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)不同土柱的土壤總氮含量進(jìn)行測(cè)定，與土壤溶液中氮濃度隨著PAM施加水平提高而降低相比，土壤中的氮含量隨著PAM施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加(除了P2和P3處理組)，各處理組土壤中的氮含量較對(duì)照組分別增加了135.24%，230%，204.7%和285.7%。說明PAM增強(qiáng)土壤對(duì)氮的吸附與固定效果十分顯著，能有效減少可溶性氮的淋失。P2和P3處理組土壤中的氮含量相差不大，可以認(rèn)為在施加PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%和0.1%時(shí)，PAM對(duì)土壤的作用效果沒有產(chǎn)生很明顯的差異?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素的影響和當(dāng)施加過高的PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)時(shí)，濃度過高，溶液含有很多鏈—鏈接觸點(diǎn)會(huì)使PAM水溶液呈凝膠狀，黏度很大，土壤表面的水土過程的封閉作用會(huì)降低土壤的入滲率，同時(shí)會(huì)影響作物的呼吸和對(duì)肥料的吸收，所以施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.1%PAM對(duì)于砂土保持土壤中氮的不流失是最合理的。

利用SPSS 23.0對(duì)不同剖面土壤中的氮含量與PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)和深度進(jìn)行主效應(yīng)的兩因素方差分析，發(fā)現(xiàn)PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)和深度的p值都小于0.05，對(duì)土壤氮含量具有顯著影響。10—40 cm深處土壤中的氮含量都隨著施加PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，在50 cm深處的土壤中，施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的PAM的土壤氮含量出現(xiàn)了小于施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%和0.1%PAM的土壤氮含量的現(xiàn)象，這很有可能和氮在土柱中的遷移情況有關(guān)，施加PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的土壤能夠有效增強(qiáng)對(duì)氮的固定，在一定的程度上抑制氮在垂直方向的遷移，導(dǎo)致在最深層土壤中氮累計(jì)含量減少，才出現(xiàn)了在50 cm處PAM施加量越多，土壤中氮含量反而小于其他兩組土壤中氮含量的現(xiàn)象。

圖4 不同PAM施用水平土壤中氮含量變化

2.4 PAM對(duì)土壤溶液中磷濃度的影響

土壤溶液中磷濃度的高低反映了土壤中磷的淋溶損失程度。圖5反映了淋溶液中磷濃度的變化情況，在相同的淋溶周期內(nèi)，與對(duì)照組相比，其他處理組的磷濃度基本都比對(duì)照組高；淋溶液中的磷濃度隨著PAM施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提高，其中在施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)磷素淋溶損失最嚴(yán)重。整個(gè)試驗(yàn)過程，P1，P2，P3和P4處理組淋溶液中磷濃度淋溶損失累積量較對(duì)照組分別增加了13.7%，27.7%，83.7%和55.8%。利用SPSS 23.0分別對(duì)不同周期內(nèi)的淋溶液磷濃度隨PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化進(jìn)行方差分析，第1周期內(nèi)p=0.087>0.05，說明在第1周期內(nèi)，PAM對(duì)磷在土壤中的淋溶情況沒有產(chǎn)生顯著影響，不具有相關(guān)性。這很有可能是因?yàn)榱自谕寥乐械囊苿?dòng)性小，易發(fā)生化學(xué)固定，尤其是在試驗(yàn)開始的初期，因?yàn)镻AM是和土壤混施，當(dāng)?shù)谝恢芷陂_始進(jìn)行淋溶液取樣時(shí)，PAM還沒有充分溶解于水中，沒能在試驗(yàn)初期發(fā)揮作用，造成第1周期PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)淋溶液內(nèi)磷濃度的變化沒有產(chǎn)生顯著相關(guān)性。PAM在水平方向上增加了磷的淋溶損失量，才導(dǎo)致PAM處理組土壤溶液中磷濃度高于對(duì)照組，以不同處理組各自的第一層土壤溶液中磷濃度作為參照值，計(jì)算得出的磷濃度隨深度增加的幅度百分比，發(fā)現(xiàn)PAM處理組土壤溶液中的磷濃度隨著深度的增加而升高的幅度比對(duì)照組的增幅百分比小。土壤經(jīng)PAM處理后，增強(qiáng)了對(duì)磷的淋溶損失能力，這和其他研究者得到相同的結(jié)論[12-15]但是PAM在一定程度上能控制土壤中的可溶性磷隨著水分向下遷移與PAM促進(jìn)土壤磷的垂直方向上的淋溶損失并不矛盾。因?yàn)镻AM作為一種高分子聚合物，能夠改善土壤的物理性質(zhì)，增加土壤團(tuán)聚體，當(dāng)PAM遇水時(shí)疏水集團(tuán)轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)，通過延伸至土壤水分子鏈上的酰胺基和羧鈉基對(duì)偶極化水分子的強(qiáng)烈吸附，造成水分滯留，縮小了多孔對(duì)介質(zhì)中水流通道的有效直徑，使得土壤孔隙中的堵塞作用提高了土壤溶液的黏度，抑制土壤水分的下移，減緩?fù)寥浪值倪\(yùn)移也間接影響?zhàn)B分元素隨土壤水分的淋失。溶液中的磷則主要與土壤發(fā)生物理化學(xué)吸附，聚丙烯酰胺主要降低了土壤對(duì)磷的物理吸附，不僅使吸附量降低，而且使被吸附的磷有利于解吸。雖然PAM結(jié)網(wǎng)阻礙了水分和養(yǎng)分向下遷移，但這種阻力小于PAM降低土壤磷的吸附強(qiáng)度，即使在垂直方向上PAM阻礙了水分和磷的向下遷移，但是每單位的土壤溶液中的磷濃度基數(shù)很大，使得土壤淋溶液中的磷濃度呈現(xiàn)增加的現(xiàn)象。

圖5 不同PAM施用水平淋溶液中磷濃度變化

圖6反映的是整個(gè)試驗(yàn)周期，不同深度的土壤溶液中平均磷濃度與第一層土壤溶液相比較的升降幅度的百分比，各個(gè)處理組在不同試驗(yàn)周期，土壤溶液中的磷濃度隨著深度的增加而變化的程度反映了可溶性磷隨著土壤水的入滲而遷移的情況，可以發(fā)現(xiàn)PAM處理組土壤溶液中的磷濃度隨著深度的增加而提高的幅度明顯小于對(duì)照組，說明施加PAM的土壤能在一定程度上有效抑制可溶性磷向下遷移。

2.5 PAM對(duì)土壤中磷含量的影響

土壤中磷含量的多少反映了土壤固持磷能力的大小。圖7反映了不同土柱各層土壤中磷含量的變化情況。試驗(yàn)結(jié)束后，待水分自由落干2 d，將土壤分層取出，對(duì)不同處理土柱的土壤總磷含量進(jìn)行測(cè)定，土壤中的磷含量隨著PAM施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加沒有呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(shì)，反而隨著PAM施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，土壤中磷含量低于對(duì)照組。各PAM處理組的土壤中磷含量較對(duì)照組分別減少了6.5%，1.4%，14.3%和8.6%。這與土壤淋溶液中不同處理組磷淋失情況相對(duì)應(yīng)從而為磷的輸入與輸出形成互補(bǔ)。

利用SPSS 23.0對(duì)不同剖面土壤中的磷含量與PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)和深度進(jìn)行主效應(yīng)的兩因素方差分析，發(fā)現(xiàn)在加入10 cm深度處的土壤磷含量時(shí)，PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)和深度的p值都大于0.05，對(duì)土壤磷含量沒有顯著影響。但在去除10 cm土壤剖面數(shù)據(jù)再進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)和深度的p值都小于0.05，具有顯著相關(guān)性。磷在土壤中的遷移受多方面的影響，包括土壤質(zhì)地，土壤含水率，溫度，土壤有機(jī)質(zhì)，pH值，土壤磷含量等。本次試驗(yàn)10 cm剖面層是最頂層土壤，首先暴露在空氣與陽光中，再加上每次淋溶時(shí)加水對(duì)土壤的沖刷，都很有可能最后導(dǎo)致PAM不是影響土壤磷含量的最主要因素。

圖6 不同PAM施用水平土壤溶液平均磷濃度隨深度變化

圖7 不同PAM施用水平土壤中磷含量變化

如果僅僅從施入磷的生物有效性看，可能會(huì)增加磷的生物有效性，但如果從環(huán)境的角度看，可能會(huì)增加磷的淋溶損失，造成非點(diǎn)源面源污染。所以，以生產(chǎn)實(shí)際為出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)該從磷的形態(tài)比如顆粒磷還是水溶性磷和損失途徑(徑流損失、淋溶損失)分析PAM對(duì)磷損失的影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磷主要是以水溶液形式通過淋溶而損失，施用PAM不僅不能減少磷淋溶損失，反而還會(huì)加重磷損失，依據(jù)本次試驗(yàn)結(jié)果來看，PAM在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的研究與分析。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤磷淋溶問題，我們研究的唯一目的是在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，減少土壤中磷的淋溶損失，增加土壤磷的作物有效利用率，達(dá)到增產(chǎn)和防治磷造成的環(huán)境污染。磷在土壤中很容易被固定然后被積累在土壤中，土壤中磷的累積是發(fā)生淋溶損失的先決條件，這是一顆“化學(xué)炸彈”，因此應(yīng)該積極推廣平衡施肥和計(jì)劃施肥。同時(shí)水分是磷淋溶的介質(zhì)，減少多余的水分向土壤下部及土體外滲透，是減少磷淋溶的根本舉措，推行節(jié)水灌溉，加強(qiáng)土壤水分管理，進(jìn)行合理灌溉，減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的排水量，這些都是控制土壤中磷淋溶損失的根本性舉措。

2.6 PAM對(duì)土壤溶液中鉀濃度的影響

可以發(fā)現(xiàn)，PAM對(duì)土壤中氮和鉀的淋溶和遷移的影響具有很大程度的相同之處。土壤溶液中的鉀濃度的高低反映了土壤淋溶損失的程度。圖8反映了淋溶液中鉀濃度的變化情況，整個(gè)試驗(yàn)過程，P1，P2，P3和P4處理組淋溶液中鉀濃度淋溶損失累積量較對(duì)照組分別減少了33.2%，36.2%，47.1%和51.8%。利用SPSS 23.0分別對(duì)不同周期內(nèi)的淋溶液鉀濃度隨PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化進(jìn)行方差分析，每一周期內(nèi)的p值均小于0.05，具有顯著差異，說明PAM濃度的變化對(duì)土壤淋溶液鉀濃度的影響具有顯著相關(guān)性。第1周期所取得的土壤淋溶液鉀濃度隨PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化雖然也具有顯著差異，但其相關(guān)性不是很強(qiáng)，這很有可能在試驗(yàn)開始的初期，因?yàn)镻AM是和土壤混施，當(dāng)?shù)?周期開始進(jìn)行淋溶液取樣時(shí)，PAM還沒有充分溶解于水中，沒能在試驗(yàn)初期發(fā)揮作用，造成第1周期PAM質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化對(duì)淋溶液內(nèi)鉀濃度的變化沒有產(chǎn)生特別強(qiáng)的顯著相關(guān)性。

圖8 不同PAM施用水平淋溶液中鉀濃度變化

圖9反映的是整個(gè)試驗(yàn)周期，不同深度的土壤溶液中平均鉀濃度與第一層土壤溶液相比的升降幅度的百分比，各個(gè)處理組在不同試驗(yàn)周期，土壤溶液中的鉀濃度隨著深度的增加而變化的程度反映了可溶性鉀隨著土壤水的入滲而遷移的情況，可以發(fā)現(xiàn)PAM處理組土壤溶液中的鉀濃度隨著深度的增加而提高的幅度明顯小于對(duì)照組，而且從圖形的斜率來看，PAM處理組的鉀下移率明顯小于對(duì)照組，說明土壤施加PAM之后，加強(qiáng)了土壤對(duì)鉀的吸附和固定，能在一定程度上減少可溶性鉀隨著土壤水分的向下遷移。

圖9 不同PAM施用水平土壤溶液平均鉀濃度隨深度變化百分比

2.7 PAM對(duì)土壤中鉀含量的影響

土壤中鉀含量的多少反映了土壤保持固定鉀能力的大小。在試驗(yàn)結(jié)束后，待水分自由落干2 d，將土壤分層取出，圖10反映了不同土柱各層土壤中鉀含量的變化情況，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)不同土柱的土壤總鉀含量進(jìn)行測(cè)定，與土壤溶液中鉀濃度隨著PAM施加水平提高而降低相比，除了P4處理組，土壤中的鉀含量與PAM施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)正比關(guān)系，具有很強(qiáng)的二次相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.92，各處理組土壤中的鉀含量較對(duì)照組分別增加了42.5%，51.5%，65.7%和47.8%。說明PAM能有效增強(qiáng)土壤對(duì)鉀的吸附與固定，減少可溶性鉀的淋失。在施加0.05%和0.1%的PAM時(shí)，土壤對(duì)鉀的固定效果最佳。根據(jù)此次試驗(yàn)結(jié)果，可以看出在砂土中施加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%PAM最適宜，能有效控制鉀的淋溶損失，增強(qiáng)土壤對(duì)鉀的吸附與固定。

圖10 不同PAM施用水平分層土壤中鉀含量變化

在第4次與第5次淋溶周期時(shí)發(fā)現(xiàn)對(duì)照組土壤溶液中鉀濃度低于PAM處理組，這很有可能是因?yàn)殁浰睾苋菀妆凰至苁У?，試?yàn)開始施加的鉀是一定量的，因?yàn)樗┾浻邢蓿谇皫状瘟苋苤芷趦?nèi)，對(duì)照組土柱內(nèi)的鉀已經(jīng)達(dá)到了它的淋溶損失的最大值，而施加過PAM的土壤能減少鉀素的淋失所以在接下來的淋溶周期內(nèi)，溶液中的鉀濃度就出現(xiàn)了低于PAM處理組的現(xiàn)象?？梢钥闯鰶]有施加PAM的對(duì)照組鉀淋溶損失很嚴(yán)重，土壤中的鉀含量也很少。鉀素在土壤中一般以K+形態(tài)存在，易被土壤中的膠體吸附或置換而出。土壤鉀素在運(yùn)移過程中會(huì)與土壤發(fā)生吸持反應(yīng)，對(duì)其運(yùn)移產(chǎn)生阻滯作用，阻滯作用的大小與土壤質(zhì)地有關(guān)，淋溶性較強(qiáng)的砂質(zhì)土壤上，固鉀作用不明顯，鉀肥施用后容易損失。這主要是因?yàn)橥寥李w粒在表面電場(chǎng)和剩余力場(chǎng)的作用下形成非自由態(tài)膜狀水，土壤顆粒愈細(xì)，顆粒含量愈高，水膜越厚，膜狀水越多，擴(kuò)散阻力越大，吸附解吸阻力越小，鉀運(yùn)移速率越小[16]。對(duì)于多數(shù)土壤，施鉀后大部分有效鉀轉(zhuǎn)為非交換性鉀，鉀的固定導(dǎo)致植物有效鉀離子濃度降低，只有小部分可被當(dāng)季作物利用。尤其是在固鉀能力較強(qiáng)的土壤上，施用的鉀肥只有先滿足土壤的固定需要以后，余下的部分才能發(fā)揮增產(chǎn)作用[17]。Cassman等[18]認(rèn)為施入的鉀被固定可能是有益的，因?yàn)樗档土艘蛄苋芎妥魑锷莩尬斩斐傻拟浀膿p失，有利于保存肥力和提高肥效、這部分被固定的鉀將是一個(gè)潛在的有效鉀庫。通過長(zhǎng)期施肥建立起來土壤養(yǎng)分庫，對(duì)作物的增產(chǎn)作用常常超過當(dāng)季施用足量肥料的效果，所以應(yīng)該利用PAM對(duì)土壤固鉀的顯著有效性進(jìn)行培肥，盡量保持當(dāng)季土壤中的鉀含量，減少淋溶損失。

3 討論與結(jié)論

(1) PAM能夠降低土壤淋溶液中的濃度，各PAM處理組與對(duì)照組相比使土壤淋溶液中氮濃度降低了28.8%～45.5%；PAM加強(qiáng)了土壤對(duì)氮的吸附與固定，各處理組土壤中的氮含量與對(duì)照組相比增加了135.2%～285.7%，效果十分顯著。施加PAM能夠抑制土壤中的氮向下遷移。

(2) PAM控制土壤溶液中的磷淋溶損失效果并不理想，與對(duì)照組相比并不能減少土壤溶液中的磷濃度。PAM對(duì)土壤吸附固定磷沒有明顯的作用，反而減弱了土壤對(duì)磷的吸附固定能力。

(3) PAM能夠降低土壤淋溶液中的鉀濃度，各PAM處理組與對(duì)照組相比使土壤淋溶液中鉀濃度降低了33.2%～51.8%。PAM加強(qiáng)了土壤對(duì)鉀的吸附與固定，各處理組土壤中的鉀含量與對(duì)照組相比分別增加了42.5%～65.7%。施加PAM能夠抑制土壤中的鉀向下遷移，當(dāng)施加0.1%的PAM時(shí)，土壤對(duì)鉀的固定效果最佳。

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Regulation and Control of PAM on Vertical Transport and Leaching Loss of Soil Nutrient

ZHANG Yanyan, TANG Zejun

(College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083， China)

[Objective] The effects of polyacrylamide(PAM) on the migration and leaching loss of nitrogen, phosphorus and potassium in sandy soil were investigated to provide a more accurate scientific basis about how PAM acts in the migration and leaching loss of soil nutrient and for the improvement of water and fertilizer use efficiency. [Methods] A laboratory soil column experiment was conducted in the study. Four PAM application rates, 0.02%, 0.05%, 0.1% and 0.2% were tested against the control of containing no PAM. [Results] PAM effectively reduced the nitrogen leaching loss in soil. The leachate soluble N concentration was reduced by 28.8%～45.5% in comparison with the value of the control. The effectiveness of this action increased with the increasing rate of applied PAM. PAM clogged the natural flow path of soil solutions and therefore restrained nitrogen migration. PAM enhanced nitric absorption and immobility in the soil. The N concentration increased by 135.2%～285.7% when compared with the control value. PAM effectively reduced the potassium leaching loss in soil. The leachate soluble K concentration was reduced by 33.2%～51.8% in comparison with control value. PAM clogged the natural flow path of soil solutions, and therefore restrained potassium migration. PAM enhanced potassium absorption and its immobility in the soil. The K concentration increased by 42.5%～65.7% in comparison with the control value. The effectiveness of this action was increased with the increasing application rate of PAM. The 0.1% PAM treatment generated better results than those of others. In contrast, PAM did not reduce leachate soluble P concentration in comparison with the control. PAM affected both the phosphorus absorption and the immobility in the soil and the P concentration was decreased by 1.4%～14.3% in comparison with the control. [Conclusion] PAM effectively reduced the nitrogen and potassium leaching loss, and restrained nitrogen and potassium migration in soil. The effect of PAM on the reducing of phosphorus leaching loss was not observed.

polyacrylamide(PAM);nitrogen;phosphorus;soilnutrientmigration;leachingloss

A

： 1000-288X(2017)04-0033-07

： S153.3， S27

2016-10-19

：2016-12-21

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“沙漠固結(jié)層與植被復(fù)構(gòu)條件下風(fēng)蝕調(diào)控機(jī)理研究”(51379211)

張艷艷(1992—),女(漢族),河南省鄭州市人,碩士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水土工程。Email:zyy_yvonne@126.com。

唐澤軍(1958—),男(漢族),湖南省湘潭市人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事水土保持與荒漠化防治工程以及水文水資源研究。E-mail:tangzejun@sina.com。