大沽河流域農(nóng)田土壤磷有效性及全磷淋失影響因素試驗

李利霞，武桂芝，于宗民，劉耀輝

(青島理工大學環(huán)境與市政工程學院，山東 青島 266520)

大沽河位于膠東半島，是青島市的重要飲用水水源地，大沽河流域也是青島市重要的糧食、蔬菜、水果基地。為了使農(nóng)作物獲得高產(chǎn)，常年大量施用化肥導致大沽河流域農(nóng)田土壤酸化，大部分施入的磷素易被土壤中的鐵、鋁、鈣氧化物及黏土礦物等固定為難溶性的磷酸鹽，從而導致土壤全磷含量較高的情況下有效磷缺乏，磷素利用率低。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，導致土壤磷素大量累積，土壤中盈余的磷素可通過地表徑流、侵蝕、淋溶的途徑遷移到水環(huán)境中，造成水體富營養(yǎng)化。因此，對于提高農(nóng)田土壤磷素有效性、減少土壤磷素淋失的研究對提高農(nóng)作物磷肥利用率、降低農(nóng)民的生產(chǎn)成本、減少因磷素淋失造成的磷面源污染具有一定的意義。土壤中Olsen—P是能夠被植物根系直接吸收的磷的主要形態(tài)，向土壤中施肥可以提高土壤磷素的有效性。周婕等研究發(fā)現(xiàn)，施加有機肥和磷肥能有效提高土壤Olsen—P含量；郭玉冰研究發(fā)現(xiàn)，有機肥對土壤有效磷積累的貢獻率大于磷肥；朱婧等研究了生物炭和沸石聯(lián)合施用對潮土有效性的影響發(fā)現(xiàn)，生物炭的含量和比例是影響潮土中磷素有效性的重要因素；占亞楠等整合分析了生物炭對土壤有效磷的影響發(fā)現(xiàn)，無論什么試驗條件，添加生物炭均能使土壤有效磷含量顯著提高；張博凱等研究了不用有機肥(雞糞、豬糞、牛糞)對礦區(qū)復墾土壤Olsen—P含量的影響。農(nóng)田土壤磷的淋失風險主要受土壤磷素庫容大小、形態(tài)轉(zhuǎn)化及有效性的影響。有研究指出，CaCl—P可用以表征土壤磷素流失風險。根據(jù)土壤Olsen—P與CaCl—P含量之間的關(guān)系，借助土壤Olsen—P含量進行土壤磷淋失風險評價是目前主要的研究手段。代銀分等研究了秸稈生物炭對施有機肥土壤磷流失的影響；尹俊慧等研究了不同類型生物炭混施對土壤磷素淋失的影響；Recena等進行了小麥和向日葵輪作的磷饑餓試驗，研究了土壤特質(zhì)對Olsen—P閾值的影響。而對不同類型的農(nóng)田土壤在單一理化性質(zhì)影響下磷素有效性和全磷淋失的研究鮮有報道。本文以大沽河沿岸3種農(nóng)田土壤為研究對象，通過室內(nèi)土柱試驗，探究溫度、pH、含水率、氮肥和生物炭配施等因素對大沽河沿岸3種農(nóng)田土壤有效磷和全磷淋失的影響，為提高農(nóng)田土壤磷素有效性、減少全磷淋失和磷素面源污染提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

2020年9月4日，結(jié)合前期調(diào)查，沿青島市大沽河下游干流與支流共布置了3個采樣點，選取3種典型土壤(砂壤、河潮土、砂姜土)作為供試土壤。土樣采集時沿著土壤剖面自上而下分層采樣，土壤層次分別為0—20，20—40，40—60 cm，將采集的土樣剔除雜質(zhì)后置于聚乙烯瓶內(nèi)保存?zhèn)溆谩９┰囃寥阑拘再|(zhì)見表1。

表1 供試土壤基本性質(zhì)

1.2 試驗裝置

試驗同時采用3個土柱，每個柱子裝有不同類型的土壤。試驗土柱高72 cm、內(nèi)徑12 cm，材質(zhì)為有機玻璃，為防止試驗過程中水沿內(nèi)壁直接流下產(chǎn)生優(yōu)先流，內(nèi)壁采用磨砂面。

土柱上端敞口，填充完土壤后在頂部設置布水板，使入滲水流均勻，中間布設3個土壤取樣口，取樣口直徑為2 cm，分別距離土柱上端10，30，50 cm，土柱底部鋪設1層粒徑大約為2～3 cm石子，并在石子上面鋪設1層孔徑為1 mm的紗網(wǎng)將土壤與石子分隔。土柱底端預留1個出水孔，出水孔處安裝出水軟管以便收集淋濾液。試驗過程中取樣口用橡膠塞封閉。試驗裝置見圖1。

注：1為有機玻璃；2為取樣孔；3為法蘭底座；4為出水口。

1.3 試驗方法

1.3.1 土壤理化性質(zhì)單因素試驗

(1)pH：分別向3個試驗土柱加入配置好的NaOH和HCl溶液調(diào)節(jié)土壤pH，從取樣口取土樣測定其pH并記錄，24 h后取土樣檢測有效磷含量；同樣按照上述方法調(diào)節(jié)土壤pH，土壤pH調(diào)節(jié)分為5個處理過程，分別記為P1、P2、P3、P4、P5。其中P1為加酸處理，P2不做處理，P3～P5為加堿處理，且加堿的量依次增多，然后用蠕動泵向土柱內(nèi)加純凈水，在出水口處收集淋濾液，3 h后檢測其全磷含量。

(2)含水率：調(diào)節(jié)蠕動泵輸出功率5%，10%向土柱內(nèi)加入純凈水，用濕度儀測定土壤實際含水率，24 h后取土樣檢測有效磷含量。

(3)溫度：在土柱外層包裹電熱毯，通過調(diào)節(jié)電熱毯的擋位來控制土柱溫度，24 h后取土樣檢測有效磷含量；同樣按照上述方法調(diào)節(jié)土柱溫度，然后用蠕動泵向土柱內(nèi)加純凈水，在出水口處收集淋濾液，3 h后檢測其全磷含量。

每個影響因素設置1組對照試驗。

1.3.2 生物炭和氮肥配施試驗 每種類型的土樣試驗分別設置8個處理，即T0～T7，3個土柱生物炭和氮肥的施加情況見表2。試驗所施加的肥料皆一次性施入。其中T0為對照組，不進行施肥處理。土壤每個處理設置3個重復，施肥24 h后取土壤樣品檢測其有效磷含量。全磷淋失檢測前期處理與有效磷檢測方案一致，然后調(diào)節(jié)蠕動泵向土柱內(nèi)加純凈水，在出水口處收集淋濾液，3 h后檢測其全磷含量。

表2 不同處理的施肥情況

1.4 測定方法

土壤pH：稱取10.0 g土壤樣品于500 mL燒杯中，以水土比2.5∶1浸提，放置在磁力攪拌器上攪拌1 h后靜置約30 min，用pH計測定。

有效磷(Olsen—P)：采用NaHCO浸提-鉬藍比色法(HJ 704—2014)，取2.5 g試樣于150 mL具塞錐形瓶中，加入50.0 mL濃度為0.5 mol/L的浸提劑，于恒溫反復振蕩器上振蕩30 min，振蕩頻率為180 r/min，過濾，取10 mL濾液于50 mL容量瓶中，用鉬藍比色法測定。

全磷(TP)：采用鉬酸氨分光光度法(GB 11893—89)，量取25 mL淋濾液于50 mL具塞刻度管中采用過硫酸鉀法進行消解后，用鉬酸氨分光光度法測定。

含水率：采用SMAWS016型濕度測32定儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 pH對土壤有效磷及全磷淋失的影響

pH對土壤中Olsen—P含量的影響見圖2。3種土壤表層土壤(0—20 cm)的Olsen—P等濃度線比中層土壤(20—40 cm)的等濃度線更密集，表明淺層土壤中Olsen—P的變化幅度比深層土壤大，且Olsen—P隨土層深度增加降低明顯。隨著pH的增大，砂壤中Olsen—P含量表現(xiàn)為先升高后降低。表層土壤pH為6.5和8.2時，Olsen—P出現(xiàn)2個極大值，Olsen—P最大值為102.4 mg/kg。表明弱堿或弱酸性條件下，土壤中的Olsen—P含量較高。河潮土有效磷含量等濃度圖變化趨勢與砂壤一致。河潮土表層土壤(0—20 cm)在pH為8.0時，Olsen—P含量最大，為98.1 mg/kg，與砂壤相比，河潮土中各土層Olsen—P最大值出現(xiàn)的位置更偏堿性。砂姜土Olsen—P含量的等濃度線的變化趨勢砂壤一致，pH在6.5～8.2磷素有效性較高。

圖2 不同pH下土壤的Olsen—P含量變化

由圖3可知，相對于砂壤和河潮土，砂姜土的全磷淋失最為嚴重。在P1處理下，全磷淋失量最大，為1.05 mg/L，P2處理下，全磷淋失量最小，為0.97 mg/L。在P3～P5處理下，隨堿量的增加，砂姜土中的全磷淋失沒有明顯變化。砂壤全磷淋失量稍大于河潮土，在P1處理下，全磷淋失同樣最為嚴重。在P3～P5處理下，全磷淋失量隨堿量的增大呈先降低后增高趨勢，在P3處理下全磷淋失量最小。河潮土與砂壤的全磷淋失規(guī)律類似，但P3～P5處理下，全磷淋失量隨堿量的增加先升高后降低。表明在加酸處理時，土壤全磷淋失更為嚴重，加堿處理時，不同土質(zhì)表現(xiàn)出不同的變化趨勢。

圖3 不同pH下土壤的全磷淋失量

2.2 含水率對土壤有效磷的影響

由圖4可知，砂壤表層土壤(0—20 cm)中有效磷含量隨含水率增加而升高，含水率>10%時，砂壤中Olsen—P含量增大幅度減小，最大值為102 mg/kg，比對照組增加30.5%；中層土壤(20—40 cm)中，當含水率提高40%和80%，Olsen—P含量分別提高10.2%和17.3%，深層土壤(40—60 cm)中Olsen—P含量更容易隨含水率提高而增加。河潮土表層土壤的Olsen—P含量隨含水率的增加表現(xiàn)為先升高后降低。當含水率為16%時，Olsen—P含量最大，為75.2 mg/kg，比對照組增加19%。中、下層土壤隨著含水率提高，磷素有效性持續(xù)增大。砂姜土表層土壤(0—20 cm)的Olsen—P隨含水率的變化規(guī)律不同于砂壤和河潮土，隨含水率提高，砂姜土的Olsen—P含量不斷增大，最高值為100.4 mg/kg，比對照組增加39%，變化幅度大于砂壤和河潮土，表明砂姜土中磷素有效性對含水率的變化更加敏感。中、下層土壤砂姜土Olsen—P含量的變化趨勢與砂壤和河潮土一致。

圖4 不同含水率下土壤的Olsen-P含量變化

2.3 溫度對土壤有效磷及全磷淋失的影響

由圖5可知，隨著溫度的提高，砂壤各土層磷素有效性均有所增加。可能是因為溫度提高，增強土壤中微生物的活性，促進土壤中有效磷的轉(zhuǎn)化。

圖5 不同溫度下土壤的Olsen-P含量變化

26 ℃條件下，表層土壤(0—20 cm)Olsen—P含量最大，為88.2 mg/kg。河潮土與砂姜土的有效磷隨溫度的變化趨勢與砂壤一致，在26 ℃時磷素有效性達到最大。

由圖6可知，河潮土的全磷淋失量最小，且隨溫度的升高，全磷淋失量逐漸減小。砂壤與砂姜土全磷淋失規(guī)律與河潮土類似。但在19 ℃時，砂姜土中的全磷淋失量下降幅度明顯大于河潮土，一方面可能與砂姜土土質(zhì)有關(guān)，另一方面可能是因為對照組試驗時間與本次試驗存在一定時間差，土壤性質(zhì)發(fā)生改變，所以在改變溫度條件下全磷淋失量降低的幅度較大。

圖6 不同溫度下土壤的全磷淋失量

2.4 生物炭與氮肥配施對土壤有效磷的影響

由圖7可知，表層土壤(0—20m)中，T0～T7處理下，3種土壤的Olsen—P的變化規(guī)律相同，即T0處理下的Olsen—P含量最低。T1～T3處理下，3種土壤的Olsen—P含量隨著施氮量的增加逐漸升高，T4～T6處理下，3種土壤中的Olsen—P含量均高于T1～T3處理，且隨著氮肥和生物炭施加比例的增加呈現(xiàn)上升的趨勢。相對于T0處理，T4～T6處理下，砂壤Olsen—P含量分別提高7.5%，9.8%，10.1%，河潮土分別提高11.5%，13.7%，14.7%，砂姜土分別提高14.6%，16.7%，17.7%。T7處理下的Olsen—P含量介于T1～T3和T4～T6處理。說明單獨施加氮肥、單獨施加生物炭與氮肥和生物碳配施均會提高土壤磷素有效性，生物炭和氮肥配施對提高土壤Olsen—P含量的效果更顯著。

圖7 表層土壤的Olsen-P含量變化

由圖8可知，中層土壤(20—40 cm)中，3種土壤T0處理下的Olsen—P含量依然最低，且砂壤>砂姜土>河潮土。T1～T3處理下，砂壤中Olsen—P含量隨氮肥施加量的增加逐漸減小，T4～T6處理下砂壤中Olsen—P含量隨氮肥和生物炭施加比例的增大先升高后降低，而河潮土和砂姜土在T1～T3處理和T4～T6處理均表現(xiàn)出相反的變化趨勢。T7處理下，砂壤、河潮土、砂姜土中Olsen—P含量分別增加5.2%，5.8%，8.5%，高于單獨施加氮肥，低于生物炭和氮肥配施處理。

圖8 中層土壤的Olsen-P含量變化

由圖9可知，深層土壤(40—60 cm)中，T1～T3處理下3種土壤的Olsen—P隨氮肥的增加先升高后降低，說明少量的氮肥促進土壤中有效磷的轉(zhuǎn)化，但超過一定的閾值后則不再起作用。T4～T6處理下，3種土壤的Olsen—P含量仍然高于T1～T3處理，T7處理介于T1～T3處理和T4～T6處理之間。

圖9 深層土壤的Olsen-P含量變化

2.5 生物炭和氮肥配施對土壤全磷淋失的影響

由圖10可知，3種土壤中砂姜土中全磷的淋失量最大，為0.89 mg/L，砂壤和河潮土的全磷淋失量分別為0.72，0.68 mg/L。T1～T3處理下，砂壤中全磷淋失量分別為0.70，0.71，0.71 mg/L，變化不明顯，河潮土全磷淋失量分別為0.63，0.62，0.61 mg/L，砂姜土全磷淋失量為0.89，0.88，0.90 mg/L，表明單獨施加氮肥基本不會影響砂壤中的全磷淋失，對河潮土全磷的淋失有一定的抑制作用，但不明顯，對砂姜土不僅不能抑制全磷淋失，還會增加磷素的淋失風險。T7處理下，砂壤、河潮土、砂姜土全磷淋失量分別降低8.3%，11.8%，19.1%，說明單獨施加生物炭可以有效抑制土壤中全磷的淋失，且生物炭對不同土壤全磷淋失的抑制效果也不同。T4、T5、T6處理下，砂壤全磷淋失量隨生物炭含量的增加分別降低9.7%，13.9%，11.1%，河潮土分別降低14.7%，16.2%，13.2%，砂姜土分別降低32.6%，31.5%，32.6%，表明生物炭和氮肥聯(lián)合施用對抑制土壤磷素淋失的效果更加顯著。因此，T1～T7處理下對土壤全磷淋失的抑制效果為生物炭和氮肥聯(lián)合施加>單獨施加生物炭>單獨施加氮肥。

圖10 氮肥和生物炭配施作用下土壤的全磷淋失量

3 討 論

3.1 土壤理化性質(zhì)對土壤磷有效性及全磷淋失的影響

土壤有效磷與全磷含量的變化是由土壤pH、含水率、溫度等因子共同作用的結(jié)果，且各變化因子存在復雜的交互作用。有研究表明，土壤pH能夠影響土壤磷元素的化學形態(tài)，是影響磷循環(huán)的主要環(huán)境因子。在低pH的酸性土壤中，磷酸鹽易于被土壤中大量的Fe、Al、Mn氧化物表面吸附或被土壤中游離的鋁離子沉淀，從而導致土壤磷素有效性低。在高pH的堿性或石灰性土壤中，磷酸根易與土壤中的Ca形成沉淀。在中性土壤中，土壤中的磷酸鹽易于被Fe、Al、Mn的水化氧化物吸附。本試驗結(jié)果表明，將土壤pH調(diào)節(jié)至偏中性時，土壤中的Olsen—P含量較高，pH偏酸性時，土壤磷素有效性較低，全磷淋失量較大。也有研究表明，溫度升高降低植物磷含量，提高磷元素吸收效率，植物Olsen—P含量增加。通過增加土壤溫度改變微生物生物量，刺激土壤磷酸酶活性，加速土壤磷循環(huán)，從而提高土壤Olsen—P含量。Yang等研究青藏高原凍土區(qū)高山莎草葉片對增溫的響應發(fā)現(xiàn)，適度的增溫降低葉片磷濃度，更大程度的增溫增加根系磷濃度，提高磷元素吸收效率，與本文的結(jié)論基本一致。而Ren等在荒漠草地研究干、濕年份養(yǎng)分吸收對增溫的響應發(fā)現(xiàn)，在濕潤年份，增溫顯著提高土壤和植物體的磷含量；在干旱年則沒有影響，說明土壤磷素有效性除溫度影響外還受到土壤水分影響；何園球等的研究結(jié)果表明，紅壤Olsen—P含量基本上隨紅壤水分含量增加而提高，這與本文研究結(jié)果相同。因此，在農(nóng)作物的種植中，可以通過改變土壤條件，如在酸性土壤中施用堿度較高的有機肥，中和土壤酸堿度，增強土壤緩沖酸化的能力；升溫和增加土壤水分也會促進農(nóng)作物對土壤中Olsen—P的吸收，以提高土壤磷肥利用率。

3.2 生物炭和氮肥配施對土壤磷有效性及全磷淋失的影響

有研究表明，生物炭和氮肥與改善土壤肥力、提高作物產(chǎn)量及提高土壤磷素有效性密切相關(guān)。生物炭為植物和土壤微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)和能量，改善土壤結(jié)構(gòu)，促進土壤磷素循環(huán)，提高土壤有效磷含量，抑制土壤磷素淋失。一方面由于生物炭中含有的元素Ca、Mg、K等溶于水中，提高土壤的鹽基飽和度，從而影響土壤的酸堿度；另一方面，生物炭對磷具有明顯的吸附作用，生物炭中的有機質(zhì)對磷的封存減小其淋失的風險。施用氮肥也是提高作物產(chǎn)量的關(guān)鍵措施之一，然而大量施氮不僅容易造成土壤硝酸鹽積累，導致土壤質(zhì)量退化，還影響作物對其他元素的吸收性能。本試驗中，與T0處理相比，T1～T7處理均會提高土壤中的Olsen—P含量，抑制土壤全磷淋失。但在T1～T3處理下，3種土壤的中層和深層土壤中Olsen-P含量隨施氮量的增加表現(xiàn)為不同變化趨勢，表明少量的氮肥會促進土壤中有效磷的轉(zhuǎn)化，但超過一定的閾值后不再與土壤有效磷有明顯的相關(guān)性，甚至會增加磷素淋失的風險。這與朱浩宇等對紫色土坡耕地磷素流失定點觀察中得到的結(jié)論一致。出現(xiàn)這種變化的原因一方面與土壤性質(zhì)有關(guān)，另一方面也可能是氮肥過量施加，導致土壤中H含量增加，從而對Olsen—P含量的增加產(chǎn)生削弱作用。因此，在農(nóng)作物種植中，施加磷肥之后，可以采用氮肥和生物碳配施的措施來改善和提高農(nóng)田土壤的磷素有效性，降低農(nóng)田土壤全磷的淋失作用，從而提高農(nóng)作物對磷肥的利用率。

4 結(jié) 論

(1)土壤理化性質(zhì)如pH、含水率、溫度等均會直接或間接影響土壤的磷素有效性和全磷淋失，且不同土壤對土壤理化性質(zhì)變化的響應不同，3種土壤中，砂姜土對pH、含水率、溫度的變化更為敏感。

(2)單獨施加生物炭或生物炭與氮肥配施都能提高土壤磷素有效性，但生物炭與氮肥聯(lián)合施用的效果更加明顯。當生物炭和氮肥的比例為2∶1時，土壤Olsen—P含量最大，磷素有效性最高。生物炭與氮肥聯(lián)合施加對土壤全磷淋失的抑制效果優(yōu)于單獨施加生物炭，氮肥對全磷淋失的抑制效果不明顯。