文章信息
- 韩晓飞, 谢德体, 高明, 王子芳, 陈晨
- HAN Xiaofei, XIE Deti, GAO Ming, WANG Zifang, CHEN Chen.
- 减磷配施有机肥对水旱轮作紫色水稻土磷素淋失的消减效应
- Effects of reduced-phosphorus fertilizer and combinations of organic fertilizers on phosphorus leaching in purple paddy soil with conventional paddy-upland rotation tillage
- 生态学报. 2017, 37(10): 3525-3532
- Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(10): 3525-3532
- http://dx.doi.org/10.5846/stxb201602210304
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文章历史
- 收稿日期: 2016-02-21
- 网络出版日期: 2017-02-17
2. 西南大学资源环境学院, 重庆 400715;
3. 辽宁省发展与改革委员会农业资源区划研究所, 沈阳 110034
2. College of Resources and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
3. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Liaoning Province Development and Reform Commission, Shenyang 110034, China
磷素不仅是植物生长发育所必需的大量营养元素[1], 同时也是湖泊水体富营养化限制性因子[2-5]。植株所需的磷主要从土壤本身磷库和外界所施入土壤的磷肥中获得的。磷肥施入农田容易被土壤固定难以被植物所利用, 当季利用率一般仅为10%—25%[6]。为了维持农业高产稳产, 势必每年要向土壤中施加大量磷肥与生物有机肥, 过量施肥的结果使得土壤耕层中磷素大量累积[7-10], 农田土壤中过量的磷素可以通过地表径流、侵蚀和淋溶的方式进入地表水体和地下水体, 从而造成农业面源污染[11-12], 进而给环境带来一系列问题, 农田生态系统中磷的流失已经成为水体富营养化的重要来源[13]。
国内外对磷素在土壤中的迁移、转化、循环及污染控制进行了较多研究[14-27], 同时土壤磷素行为与有机无机肥料协同之间关系也越来越被广大研究者所关注, 我国有机肥磷流失研究大多集中在对畜禽粪便排放量、发生量的统计[28], 即使进行有机肥对水体富营养化影响研究也大多数是在实验室利用模拟土柱采用排水收集的方法, 田间原位条件下研究较少, 而磷肥减量配施不同有机肥对水旱轮作原位稻田土壤磷素渗漏淋失的影响还未有深入研究[29]。本研究采用渗漏池长期定位监测试验, 选择长江三峡地区常见的紫色土为研究对象, 对不同施磷水平以及磷肥减量配施不同有机肥条件下水旱轮作稻季土壤磷素淋溶规律进行了原位定点研究, 发现了秸秆还田和猪粪有机肥配施化肥条件下紫色土渗漏水中磷素淋溶规律, 分析了磷素淋失特征, 探讨了不同有机肥对土壤磷素淋失的影响, 对控制稻田磷素流失对地下水的污染、制定施磷消减优化方案和评价秸秆还田、猪粪有机肥的生态效应具有重要的实践意义, 同时也为控制农田面源污染和农业生产省本增效提供了科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验地点与材料试验地点设在国家紫色土土壤肥力与肥料效益长期监测基地, 位于重庆市北碚区西南大学试验农场, 地处东经106°26′, 北纬30°26′, 属紫色丘陵区, 方山浅丘坳谷地形, 海拔266.3 m, 年均气温18.4℃, 年日照1276.7 h, 全年降水1105.5 mm, 为亚热带季风气候。试验土壤为侏罗纪沙溪庙组紫色泥页岩发育形成的紫色土, 中性紫色土亚类, 灰棕紫泥土属。长江三峡流域多分布此类土壤, 因此, 用作供试土壤具有广泛的代表性。试验田种植方式为水稻-油菜轮作。供试土壤基本理化性质为pH 6.34, 有机质14.8 g/kg, 全氮1.4 g/kg, 全磷0.729 g/kg, 全钾14.9 g/kg, 碱解氮60.3 mg/kg, 有效磷41.2 mg/kg, 速效钾217 mg/kg。
1.2 试验设计试验设6个处理, 3次重复, 分别为不施磷肥(P0)、优化施肥(P)、优化施肥+秸秆还田(SP)、优化施肥+猪粪有机肥(MP)、优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)、优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP), M代表猪粪有机肥(猪粪经过1周左右腐熟), 其中的大量营养元素全氮、磷、钾含量分别为1.34%、1.3%、0.8%, 施用量每年22500 kg/hm2, S代表稻草秸秆还田, 其中的营养元素含量折合成N、P2O5、K2O分别为0.49%、0.18%、0.75%, 施用量每年7500 kg/hm2。水稻品种为汕优63号。优化施肥量按每公顷施N、P2O5、K2O分别为150 kg、60 kg、75 kg进行。氮肥用尿素(含N 46%), 磷肥用过磷酸钙(含P2O5 12%), 钾肥用硫酸钾(含K2O 50%)。磷、钾肥作基肥一次性施用, 氮肥基肥和追肥各占50%。有机肥作为底肥与土壤混合均匀施用。渗漏池小区面积2 m×1 m, 深1.5 m, 砖混结构, 渗漏池池底采用C20钢筋混凝土现浇(掺防水剂);渗漏池墙体采用M7.5浆砌砖砌筑;墙体表面采用2 cm厚1:2.5防水砂浆抹面。小区修筑完成后按原装土层回填(至今已进行了5季的稻油水旱轮作种植), 在距地面40、60、100 cm深处平铺3 cm厚粗砂砾, 用0.15 mm尼龙网覆盖并安装陶土管和排水塑料管, 每个小区之间都用12 cm浆砌砖墙(防水砂浆抹面)隔开, 使之互不渗漏, 并能够进行独立的排灌。塑料管与池外的排水收集瓶相连以收集淋溶渗漏液。田间随机排列。
1.3 样品采集与测定2014年5月15日进行水稻移栽, 5月7日施用基肥, 8月20日水稻收获。水稻整个生长期除了成熟期排水烤田外始终调节保持5 cm左右的田面水, 分别在水稻施用基肥后第7、14、21、28、35、45、55、65、75天和第85天各测量并取一次40、60、100 cm土壤剖面的渗漏淋溶水样, 每次获得淋溶水后收集于200 mL塑料瓶中[30-31], 当日分析测定其中的总磷TP、总可溶性磷TDP、可反应性无机磷MRP。同时水稻生育期内降雨和灌溉的水样也同时采集, 测试指标同淋溶水样。水稻收获后分别用土钻采集各处理小区40、60、100 cm剖面土壤样品。测定其全磷及其有效磷含量。总磷TP采用H2SO4-HClO4消解, 钼锑抗比色法;总可溶性磷TDP采用先真空泵0.45μm滤膜过滤, 再H2SO4-HClO4消解, 钼锑抗比色法;可反应性无机磷MRP采用直接真空泵0.45μm滤膜过滤, 然后钼锑抗比色法;颗粒态磷PP=TP-TDP;可溶性有机磷DOP=TDP-MRP。稻田磷素渗漏淋失量P累积量(kg/hm2)计算公式
数据处理采用SPSS 17.0进行统计分析, 作图采用Microsoft Excel 2007、SigmaPlot 12.0处理, 各处理均值多重比较采用LSD法, 显著性水平为0.05。
2 结果与分析 2.1 水稻生长期内不同处理土壤剖面淋溶水中各形态磷素动态变化从图 1可以看出, 水稻生长期内, 0—40 cm和40—60 cm土层, 无论是只施用化肥还是有机无机肥配施处理的土壤淋溶水中TP浓度变化趋势大体一致, 都是前一周浓度含量最高, 其中0—40、40—60 cm淋溶水中TP平均含量分别达到了0.363 mg/L、0.306 mg/L, 均大幅超过了水体富营养化的临界浓度0.02 mg/L[33], 可能原因是本试验田是水稻-油菜水旱轮作土壤, 油菜收获之后土壤较为干燥, 并且土壤中有很多裂缝、动物洞穴和植物腐烂的根茎孔隙, 在水田灌水施肥之后, 大量的可溶态磷就顺着这些通道(优先流)快速到达土壤下部, 从而导致前一周内各处理淋溶水中总磷浓度很高。之后就整体出现波动下降的趋势, 这是因为一方面磷素进入土壤会被其中的矿物和无定型氧化物吸附固定, 另一方面水稻生长发育过程中也吸收了部分磷素, 这都导致土壤淋溶水中磷素浓度的降低。其中前55d淋溶水中TP浓度波动幅度最大, 0—40、40—60 cm各处理淋溶水中TP平均浓度分别在0.024—0.504 mg/L、0.016—0.473 mg/L之间波动, 不施磷肥(P0) 处理波动幅度和下降幅度都是最小的。值得注意的是60—100 cm土层渗漏水中TP浓度变化很小。10次取样检测数据显示, 随着土层深度的增加, 各处理淋溶水中TP浓度总体呈现波动下降的态势, 说明磷素在土壤剖面中的移动迁移能力弱, 但在施肥初期40—60 cm与0—40 cm渗漏水中TP浓度几乎相当, 说明此时土壤中磷素还是有明显的向下迁移的趋势。
土壤淋溶水中TP含量受到磷肥施用及有机肥的影响。同等条件下, 猪粪有机肥处理和秸秆处理的土壤渗漏水中TP浓度都要高于不施猪粪和秸秆处理, 化肥施用量大的TP浓度也高于化肥施用量小的。6个处理土壤淋溶水中TP含量大小情况为, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)>优化施肥+秸秆还田(SP)>优化施肥(P)>优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)>优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)>不施磷肥(P0)。土壤渗漏水中TP含量结果总体可以说明, 随着化学无机磷肥用量的增加和施用猪粪与秸秆都会提高土壤磷素的淋失风险, 其中施用猪粪有机肥的风险要高于秸秆还田。
由图 2可知, 磷肥施用和有机肥配施对土壤淋溶水中TDP含量影响也比较明显。整体上, 各处理0—100 cm土层淋溶水中TDP含量与TP含量的动态变化趋势较为一致, 都是随着基肥施入天数的增加淋溶水中TDP含量呈降低趋势, 同样条件下, 随着化学磷肥的施用增加和有机肥的施入, 土壤淋溶水中TDP含量都比较高。唯一不同的是40—60 cm土层中的TDP含量在45天之前大于0—40 cm土层, 其中施入基肥第7天时优化施肥+猪粪有机肥(MP)和优化施肥+秸秆还田(SP)处理40—60 cm土层中淋溶水TDP浓度比0—40 cm土层浓度分别高出0.114mg/L和0.146 mg/L, 这可能就是与之前所说的水旱轮作土壤中磷素淋溶损失优先流(或大孔隙流)作用的结果。以上试验结果同样说明, 化学磷肥的施用量增加会提高土壤中磷素的活性, 增施有机肥对土壤磷素淋失贡献最大。
图 3所示, 淋溶水中MRP浓度变化与TP、TDP动态变化不尽一致。在基肥施入后的14d里, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)和优化施肥+秸秆还田(SP)处理的0—100 cm渗漏水中可反应无机磷MRP浓度是增加的, 之后随着时间的增加逐步降低。相同条件下整体MRP含量大小表现为优化施肥+猪粪有机肥(MP)>优化施肥+秸秆还田(SP)>优化施肥(P)>优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)>优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)>不施磷肥(P0)。其中不施磷肥(P0) 处理土壤各个剖面淋溶水中MRP浓度都很低, 且几无波动。
由图 1—图 3都可以明显的看出, 60 cm以下土层各施肥处理淋溶水中的TP、TDP、MRP浓度都波动不大, 虽然土壤中有优势流的存在, 但是一般认为优先流可以影响的最低深度在地表下60 cm左右[34]。所以60—100 cm土壤淋溶水中磷素浓度受优先流影响较小, 加之磷素在土壤中容易被吸附固定不易迁移, 故其含量较低且波动不大。
2.2 水稻生长期内不同施肥处理总磷淋失量水稻在生长期各处理3个土壤层次总磷TP淋失量如图 4所示。各处理各层总磷TP淋失量范围在0.068—0.224 kg/hm2。三层总磷淋失负荷在0.295—0.493 kg/hm2之间。0—100 cm土层, 不施磷肥(P0) 处理与其他施磷处理之间总磷淋失量差异显著, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)处理、优化施肥+秸秆还田(SP)处理与优化施肥(P)处理、优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)、优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)处理间总磷淋失量差异显著, 但是它们两组处理间差异不显著。其中优化施肥+猪粪有机肥(MP)处理三层总磷淋失量最多, 为0.493 kg/hm2, 不施磷肥(P0) 处理三层总磷淋失量最少, 为0.295 kg/hm2, 比优化施肥(P)处理总磷淋失量降低39%。优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)和优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)处理比优化施肥+猪粪有机肥(MP)和优化施肥+秸秆还田(SP)处理三层总磷淋失量分别降低21.7%和19.6%。土壤剖面总磷淋失的变化趋势是随着土层深度的增加, 淋失量有所减少, 60—100 cm土层与0—40 cm土层相比, 处理优化施肥+猪粪有机肥(MP)和优化施肥+秸秆还田(SP)减少了59.8%和58.2%, 对照不施磷肥(P0) 处理减少了40%。0—40 cm土层各施磷肥处理间总磷淋失量差异不显著, 与不施磷肥处理总磷淋失量之间差异显著。40—60 cm土层有机无机肥配施处理与其他处理间总磷淋失量差异显著, 有机肥处理之间差异不显著。60—100 cm土层各处理间总磷淋失量差异均不显著。
2.3 不同施肥处理对不同层次土壤全磷和有效磷含量影响表 1所示, 水稻收获后不同施肥处理土壤中的全磷和有效磷含量也存在一定的差异, 不同处理不同层次之间的差异程度也不尽相同。0—40 cm土层, 土壤全磷含量大小是, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)(0.721 g/kg)>优化施肥(P)(0.719 g/kg)>优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)(0.711 g/kg)>优化施肥+秸秆还田(SP)(0.681 g/kg)>优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)(0.669 g/kg)>不施磷肥(P0)(0.621 g/kg)。其中SDP与SP处理之间差异性不显著, MDP、MP、P之间差异也不显著, 但是猪粪有机肥处理与秸秆及单纯施用化肥处理之间差异显著, 且施肥处理与不施磷肥处理之间差异显著。在40—60 cm土层, 土壤中全磷含量与0—40 cm土层大致一样的规律。其中优化施肥+秸秆还田(SP)、优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)与不施磷肥(P0) 之间差异都不显著, 但是与施用化肥和猪粪有机肥处理的差异显著。60—100 cm土层, 各处理之间全磷含量变化不大, 没有显著性差异。
处理 Treatment |
全磷Total phosphorus/(g/kg) | 有效磷Available phosphorus/(mg/kg) | |||||
0—40 cm | 40—60 cm | 60—100 cm | 0—40 cm | 40—60 cm | 60—100 cm | ||
P0 | 0.621±0.007c | 0.592±0.005c | 0.628±0.002a | 39.1±0.64c | 30.6±0.5d | 23.8±0.39c | |
SDP | 0.669±0.005b | 0.607±0.003bc | 0.631±0.007a | 42.9±0.71ab | 31.9±0.46cd | 24.9±0.64c | |
MDP | 0.711±0.002a | 0.665±0.001a | 0.634±0.001a | 43.1±0.79ab | 32.4±0.66c | 25.1±0.67c | |
P | 0.719±0.003a | 0.679±0.004a | 0.630±0.002a | 42.6±1.02b | 32.7±0.71c | 25.0±0.78c | |
SP | 0.681±0.001b | 0.610±0.007bc | 0.629±0.004a | 43.8±0.89a | 34.7±0.68b | 28.3±1.05b | |
MP | 0.721±0.003a | 0.683±0.008a | 0.641±0.007a | 44.0±1.34a | 36.8±1.54a | 30.5±1.36a | |
P0:不施磷肥without phosphate;SDP:优化施肥量磷减20%+秸秆还田optimized fertilizer with phosphorus reduced by 20% + straw return;MDP:优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥optimized fertilizer with phosphorus reduced by 20% + pig manure application;P:优化施肥optimized fertilizer;SP:优化施肥+秸秆还田optimized fertilizer + straw return;MP:优化施肥+猪粪有机肥optimized fertilizer + pig manure application; 同列不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05) |
各处理之间有效磷含量也差异明显。0—40 cm土层, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)处理的土壤中速效磷含量最高, 达到了44 mg/kg, 不施磷肥处理的速效磷含量最低仅为39.1 mg/kg。优化施肥+秸秆还田(SP)处理的土壤中有效磷的含量也达到了43.8 mg/kg。即使优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)和优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)处理土壤中有效磷含量也都高于优化施肥(P)处理。40—60 cm土层, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)、优化施肥+秸秆还田(SP)、优化施肥(P)处理之间有效磷含量达到了显著性差异水平。60—100 cm土层, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)与优化施肥+秸秆还田(SP)之间差异显著, 且他们与其他处理之间也都达到了显著性差异, 但是其他处理间并没有显著性差异, 这说明猪粪有机肥和秸秆还田对土壤中磷素有一定的活化作用, 促进了磷素在土壤中的迁移, 且猪粪有机肥对土壤磷素活化作用更强, 李学平[20]的研究也证实了这一点。
3 讨论土壤磷素淋失受到诸如土壤性质、气候条件、施肥方式和施肥量、土地利用类型等因素的影响[35-36]。本试验主要是在固定其他变量条件的情况下, 研究化学磷肥不同施用量及减量化肥配施不同有机肥对土壤磷素淋失的影响。本研究结果表明, 同等条件下化肥减量可以降低淋溶水中磷素含量, 从而减少磷素的渗漏淋失, 龚蓉[37]在中南丘陵旱地磷肥减量对不同形态磷素养分淋失的影响中指出, 磷肥减量10%—30%后渗漏水中总磷及可溶性渗漏淋失量均显著减少。胡宏祥[26]在秸秆还田配施化肥对黄褐土氮磷淋失、Wang[38]在秸秆配施化肥对稻田土壤中氮磷淋失等研究都得出类似结论。
本研究结果表明, 猪粪有机肥和秸秆还田对土壤磷素淋溶具有一定的促进作用, 且猪粪有机肥的作用比秸秆作用要大。这是因为猪粪和稻草秸秆与化肥配合施用可以显著地促进5—0.5 mm水稳性团聚体的形成和提高土壤团聚体的稳定性, 并且能够降低土壤容重和土粒密度, 提高土壤中的孔隙度[39], 更加有利于土壤中优势流的形成, 而且在水稻生长初期刚施入基肥, 这时候施入土壤中的磷还未被土壤矿物和无定型氧化物固定, 此时可溶性磷肥就随优势流有向深层地下水迁移的风险。再者, 有很多学者认为施用有机肥料提高磷素的活性是有机肥影响了土壤磷的吸附解吸而起作用的。有机无机肥配施模式下, 有机肥在分解作用下产生有机酸, 有机酸与磷酸根之间竞争吸附, 从而会降低土壤矿物仅仅对磷酸根的吸附, 同时有机酸根离子与土壤中各种金属离子可以发生络合反应, 可以在一定程度上屏蔽掉土壤磷的吸附位点, 这样一来磷素在土壤中的迁移就会变得相对容易。李想[40]研究了有机无机肥配合对土壤磷素吸附、解吸和迁移的影响, 发现了有机无机肥配施可以减少磷素的固定, 可以促进磷素在土壤中迁移。另外也有研究[41]表明, 某些有机物料施入土壤后, 土壤磷素可以与其有机质的功能团(如羟基)等发生螯合作用, 从而能够降低磷素在土壤溶液中的迁移能力。是否是因为稻草秸秆施入土壤中同时发生了类似的化学变化过程导致对土壤磷素的活化作用比猪粪有机肥作用要弱, 这个问题还需要进一步研究。
随着农田中化学肥料的长期施用, 土壤中磷素出现盈余, 尤其在施用化肥的同时配施有机肥可以使磷素在土壤中显著累积, 并出现向下迁移的趋势, 农田土壤磷素对水环境影响的潜能明显提高。因此在施用有机肥的同时要考虑有机肥磷带入量以及土壤中多余累积的磷素的去向问题。
4 结论(1) 水稻生长期内稻田土壤淋溶水中磷素含量呈现波动下降趋势。淋溶水中TP和TDP浓度变化趋势一致, 均在施用基肥7天达到最大值, 然后就逐渐下降;淋溶水中TP浓度随着土层深度增加而降低。
(2) 施用猪粪有机肥和稻草秸秆提高了淋溶水中的磷素含量, 促进了土壤中磷素的淋失, 猪粪有机肥的促进作用比秸秆大。同一时期各处理同一土层中各形态磷素含量大小依次为, 优化施肥+猪粪有机肥(MP)>优化施肥+秸秆还田(SP)>优化施肥(P)>优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)>优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)>不施磷肥(P0)。
(3) 化学磷肥减量有利于降低土壤淋溶水中磷素含量。不施磷肥(P0) 处理比优化施肥(P)处理总磷淋失量降低39%。优化施肥量磷减20%+猪粪有机肥(MDP)和优化施肥量磷减20%+秸秆还田(SDP)处理比优化施肥+猪粪有机肥(MP)和优化施肥+秸秆还田(SP)处理三层总磷淋失量分别降低21.7%和19.6%。
(4) 施用猪粪有机肥和稻草秸秆可以显著提高土壤中有效磷的含量, 但对土壤全磷含量影响不大。
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