集約經(jīng)營雷竹林土壤磷素狀況及流失潛能

陳 聞，吳家森，許開平，姜培坤

（1.浙江農(nóng)林大學(xué) 亞熱帶森林培育國家重點(diǎn)實驗室培育基地，浙江 臨安311300；2.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 臨安311300）

目前，農(nóng)業(yè)面源污染已成為水體污染的重要污染源，它對水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)已超過了城市和工業(yè)點(diǎn)源污染［1］。2010年中國主要污染物排放總量中，總氮和總磷分別為472.89萬t和42.32萬t［2］；其中，來自農(nóng)業(yè)面源的分別達(dá)270.46萬t和28.47萬t，占到總量的57.19%和67.27%。馬立珊等［3］和王玉梅等人［4］的研究均表明，部分地區(qū)農(nóng)田當(dāng)中氮、磷養(yǎng)分流失對水體富營養(yǎng)化的影響程度已經(jīng)占了首位。磷是水體富營養(yǎng)化的限制因子，當(dāng)水質(zhì)總磷質(zhì)量濃度大于0.02 mg·L－1，即視為富營養(yǎng)化［5］。土壤磷能以地表徑流和滲漏流失的方式向水體遷移，因此，治理水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵就在于減少土壤養(yǎng)分流失，尤其是關(guān)于磷素流失過程、機(jī)制以及防治措施等方面的研究日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重視［6－7］。研究表明［8］：在土壤有效磷含量較低的情況下，其流失量也往往較小，而當(dāng)有效磷含量超過某一臨界值時，磷的流失量則顯著增加。Langmuir等溫方程可以用來表征土壤磷吸附解吸特性，通過此方程可以計算得到土壤對磷的最大吸附量（xmax），磷吸附飽和度（DPS），易解吸磷（RDP），磷零點(diǎn)吸附平衡濃度（CEPC0），流失“閾值”等參數(shù)，從而對土壤磷素流失的風(fēng)險進(jìn)行評價。雷竹Phyllostachys praecox是中國優(yōu)良的筍用竹，在長江以南多個省市均有分布［9］。近十幾年來，雷竹集約化栽培過程中，肥料用量相當(dāng)大，化肥和有機(jī)肥（廄肥）的用量分別高達(dá) 3 t·hm－2·a－1和 100 t·hm－2·a－1［10］。超量施肥已使竹林土壤養(yǎng)分嚴(yán)重積累，磷素積累尤為突出［11］。研究指出［12］，覆蓋雷竹園的土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)436.67 mg·kg－1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出南京市郊集約化蔬菜地土壤的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（67.89～86.78 mg·kg－1）［13］。目前，有關(guān)土壤磷素流失的研究大多集中在水稻Oryza sativa和蔬菜地等農(nóng)田土壤，而對于高投入、高產(chǎn)出的林地土壤則很少有報道。前人已經(jīng)對集約經(jīng)營雷竹林土壤磷素的時空變化以及對周邊水體的影響進(jìn)行了研究，但關(guān)于雷竹林土壤磷素發(fā)生流失的“閾值”以及流失潛能，尚不清楚。因此，本試驗從浙江省臨安市太湖源鎮(zhèn)5個村采集了10份有代表性的雷竹林地土壤樣品，對磷素的流失潛能進(jìn)行了分析，為指導(dǎo)雷竹林地合理施肥和減少周邊水體污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣區(qū)概況

采樣區(qū)設(shè)在浙江省臨安市太湖源鎮(zhèn)，屬北亞熱帶季風(fēng)氣候。年平均降水量為1 628 mm，多年平均氣溫為15.8℃，7月平均氣溫為28.1℃，1月平均氣溫為3.4℃，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別為41.9和－13.3℃，平均日照時數(shù)為1 939 h，無霜期為234 d。土壤類型為發(fā)育于砂頁巖的紅壤，土壤質(zhì)地適中，土層疏松，保水保肥能力強(qiáng)。采樣地基本情況見表1。

表1 土壤采樣地基本情況Table 1 Basic properties of soil of Phyllostachys praecox sampling fields

1.2 土樣采集及分析方法

于2008年10月，用自制采樣器S形法多點(diǎn)采集土壤樣品，采樣深度為30 cm。土樣經(jīng)風(fēng)干過篩后備用。分析方法如下：土壤pH采用水浸提酸度計法（土∶水 =1∶5）；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法；堿解氮采用擴(kuò)散法；有效磷采用HCl-NH4F浸提，CaCl2-P用0.01 mol·L－1氯化鈣溶液浸提，鉬銻抗比色法；速效鉀采用醋酸銨浸提，火焰光度計法［14］。所得試驗數(shù)據(jù)采用Excel和DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

1.3 等溫吸附試驗

上述10份土樣過2 mm篩后，稱取2.5 g（各7份）于100 mL離心管中，分別加入含磷量為0，5，10，20，30，50，75 mg·L－1的 0.01 mol·L－1氯化鈣溶液 50 mL，同時加入 3 滴甲苯，抑制微生物活動，在 25 ℃下振蕩24 h，過濾后測定平衡溶液的磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（C）。根據(jù)試驗前后溶液磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化計算土壤對磷的吸附量（X）及平衡液磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤磷吸附量的比值（C/X），用Langmuir等溫吸附方程：C/X=C/Xmax+1/（k·Xmax）來擬合，得到磷的最大吸附量 Xmax，根據(jù)曲線在 y 軸上的截距 1/（k·Xmax），可求得與結(jié)合能有關(guān)的常數(shù)k。k·Xmax稱為最大緩沖能力CMB（maximum buffering capacity）。另外，根據(jù)曲線方程和上述參數(shù)，還可以求得易解吸磷RDP，磷零點(diǎn)吸附平衡質(zhì)量濃度CEPC0，磷吸附飽和度DPS等評價指標(biāo)，其中，RDP是用來描述土壤磷在水土界面遷移能力的指標(biāo)，即本試驗中加磷量為0，直接用0.01 mol·L－1氯化鈣溶液提取的磷數(shù)量；DPS是指土壤有效磷含量與最大吸附量的比值，是磷的土壤環(huán)境容量；CEPC0是土壤溶液中的磷在達(dá)到吸附與解吸動態(tài)平衡時的質(zhì)量濃度，即等溫吸附曲線與X軸的交點(diǎn)［15］。

2 結(jié)果與分析

2.1 集約經(jīng)營雷竹林土壤磷素積累特征

對臨安市太湖源鎮(zhèn)5個村10塊雷竹林地土壤磷素積累狀況分析結(jié)果表明（表1）：土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 18.5～286.0 mg·kg－1，平均為 169.3 mg·kg－1。10 塊雷竹林地中，有效磷超過 100 mg·kg－1的占到調(diào)查總數(shù)的80%，其中有3塊雷竹林地的有效磷超過200 mg·kg－1，質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高的2號樣地是質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低的4號樣地的15.5倍。除了4號樣地，其他樣地土壤的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出土壤養(yǎng)分分級的一級標(biāo)準(zhǔn)（40 mg·kg－1），其中2號樣地更是達(dá)到了一級標(biāo)準(zhǔn)的7.2倍。可見，雷竹林地在長期大量施肥和冬季覆蓋的集約經(jīng)營模式下，土壤磷素嚴(yán)重盈余。如此高的有效磷水平，不僅會降低雷竹筍品質(zhì)，而且對周邊水體環(huán)境也將造成威脅。

2.2 集約經(jīng)營雷竹林土壤磷素等溫吸附特征

用Langmuir方程來擬合各土壤的等溫吸附特征，其相關(guān)性均達(dá)到極顯著水平（R2=0.987～0.999），說明用該方程來表征雷竹林土壤磷素吸附特征并據(jù)此計算其他相關(guān)參數(shù)是可行的。表2是各樣地土壤磷素的流失風(fēng)險評價指標(biāo)。由表2可看出，各土壤的Xmax為285.7～714.3 mg·kg－1，平均為 433.1 mg·kg－1，4號樣地的Xmax值最大，土壤固磷能力的大小可用Xmax來表征；k值的變化范圍為0.051 0～0.353 8，平均為0.162 5，其大小主要與土壤性質(zhì)、磷素形態(tài)及溫度有關(guān)，k值越大，代表土壤吸附性能越強(qiáng)；CMB值最小的是 2 號樣地土壤，為 18.28 mg·kg－1，最大的 7 號樣地，為 196.08 mg·kg－1，平均為 73.09 mg·kg－1；RDP值的變化范圍為 1.910～9.940 mg·kg－1，平均為 5.175 mg·kg－1； CEPC0為 0.07～1.81 mg·L－1，平均為 0.77 mg·L－1，這兩者都可以用來評價磷素流失的風(fēng)險大小，RDP和CEPC0的值越大，表明磷素進(jìn)入土壤溶液越容易，流失的風(fēng)險越大；各樣地土壤的DPS為2.59%～82.94%，平均為46.18%，DPS值不僅表明了當(dāng)前土壤磷吸附的飽和程度，也可以用來預(yù)測磷素釋放的潛能。從本試驗結(jié)果來看，RDP，CEPC0和DPS值隨土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，其中2號樣地土壤的RDP，CEPC0和DPS值均為最高。

有研究認(rèn)為［16］：平衡質(zhì)量濃度為0.2 mg·L－1時土壤的吸磷量可以作為磷肥用量的參考標(biāo)準(zhǔn)，稱為指導(dǎo)施磷量或標(biāo)準(zhǔn)需磷量（PSR）。通過Langmuir方程求得各雷竹林土壤的標(biāo)準(zhǔn)需磷量在8.14～64.66 kg·hm－2，平均為 27.41 kg·hm－2（按 1.00 mg·kg－1相當(dāng)于 2.25 kg·hm－2計算［15］），同時，還可以看出，CMB值較大的 5號和7號土樣，其需磷量也較其他樣地土壤要大。目前，雷竹生產(chǎn)上，施入林地的復(fù)合肥用量為2 250 kg·hm－2·a－1左右，折合純磷用量約為 157 kg·hm－2·a－1（N ∶P2O5∶K2O=16 ∶16 ∶16）［17］，約為標(biāo)準(zhǔn)需磷量的2.43～19.29倍。因此，應(yīng)該根據(jù)雷竹林土壤本身的磷素狀況來確定施肥量，這樣不僅可以避免磷素過多積累，同時也能夠降低對環(huán)境污染的風(fēng)險。

表2 雷竹林地土壤磷素等溫吸附特征Table 2 Phosphorus isotherm sorption characteristics of soil of Phyllostachys praecox stands

2.3 集約經(jīng)營雷竹林土壤磷素流失潛能分析

土壤磷素的流失臨界值因土壤性質(zhì)而異。鐘曉英等［18］對中國23個土壤磷素流失的研究表明：不同土壤的磷素流失臨界值差異很大，發(fā)生磷流失的Olsen-P為29.96～156.78 mg·kg－1。Hesketh等研究認(rèn)為［19］：不同土壤的磷素流失的臨界值可為 10～119 mg·kg－1。劉利花等［20］研究了土磷素的流失特征，當(dāng)土壤耕層中Olsen-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)23 mg·kg－1時，磷素開始流失。水稻土磷環(huán)境敏感臨界值在好氣條件下，為Olsen-P 50～75 mg·kg－1，Bray-P 90～140 mg·kg－1； 而在厭氣條件下，則為 Olsen-P 35～45 mg·kg－1，Bray-P 75～115 mg·kg－1［21］。蔬菜地土壤磷素發(fā)生流失的 Olsen-P 閾值為 56.00～76.19 mg·kg－1［22－23］。

研究認(rèn)為［24－25］：土壤Olsen-P與CaCl2-P之間有著非常好的相關(guān)性，可以用0.01 mol·L－1氯化鈣溶液浸提磷來估算土壤磷的解吸量，從而來評價磷素流失的風(fēng)險。據(jù)王彩絨等［26］報道：土壤Bray-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時，CaCl2-P幾乎為0，當(dāng)Bray-P超過某一數(shù)值時，CaCl2-P開始急劇增加，與Bray-P呈極顯著線性關(guān)系，用CaCl2-P為非0的數(shù)據(jù)與Bray-P建立回歸方程，求方程在X軸上的截距，得到土壤發(fā)生磷素淋失的 Bray-P 臨界值為 60 mg·kg－1。

本試驗10塊樣地的土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.5～286.0 mg·kg－1，CaCl2-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.096～0.497 mg·kg－1（去除了CaCl2-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0的4號土樣），以有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為X軸，CaCl2-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Y軸，進(jìn)行線性回歸分析，得到回歸方程：y=0.002 1x－0.110 3，R2=0.835 2**，n=9（圖1）。結(jié)果表明：雷竹林土壤的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與CaCl2-P質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈極顯著線性相關(guān)，求上述方程與X軸的交點(diǎn)，為52.52 mg·kg－1，該值即為供試?yán)字窳滞寥腊l(fā)生磷素流失的有效磷“閾值”，同時，可以看出，90%的樣地土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于流失臨界值，其中最高的2號樣地已達(dá)到該“閾值”的5.5倍。

從10塊雷竹林地的土壤CEPC0值看，有60%的樣地遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水體總磷濃度富營養(yǎng)化限值0.02 mg·L－1。這表明雷竹林土壤磷素在一定條件下，可以成為產(chǎn)區(qū)周邊水體磷的重要來源。由此可見：雷竹林土壤磷素具有很大的流失潛能，長期大量施肥，不僅導(dǎo)致土壤磷素積累，并且會降低土壤對磷的吸附能力，從而增加土壤的滲漏率［27］。

有研究指出［28－29］：當(dāng)土壤磷吸附飽和度（DPS）超過25%時，磷流失的風(fēng)險將大大增加。據(jù)此，一些國家把DPS為25%作為土壤磷素流失的臨界值，而一般認(rèn)為各種土壤的DPS臨界值為25%～40%。從本試驗結(jié)果來看，磷吸附飽和度隨著土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而呈極顯著線性增加，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.850（圖2）。10塊樣地土壤的磷吸附飽和度平均值為46.18%，最高的達(dá)到82.94%，有7塊土壤的DPS值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了流失閾值25%。這也進(jìn)一步說明，雷竹林地磷庫飽和程度普遍較高，存在較高的流失風(fēng)險。

圖1 土壤有效磷與CaCl2-P的關(guān)系Figure 1 Relationship between CaCl2-P and Bray-P in soil of Phyllostachys praecox stands

圖2 土壤有效磷與磷吸附飽和度的關(guān)系Figure 2 Relationship between Bray-P and DPSin soil of Phyllostachys praecox stands

3 結(jié)論

雷竹林地在集約經(jīng)營模式下，土壤磷素普遍嚴(yán)重積累。10塊雷竹林調(diào)查樣地的土壤有效磷平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為169.25 mg·kg－1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出有效磷養(yǎng)分一級標(biāo)準(zhǔn)（40 mg·kg－1），最高的達(dá)到一級標(biāo)準(zhǔn)的 7.2倍。用Langmuir等溫方程來擬合，相關(guān)性達(dá)到極顯著水平（R2=0.987～0.999），有6塊樣地的磷零點(diǎn)吸附平衡質(zhì)量濃度（CEPC0）值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了水體磷質(zhì)量濃度富營養(yǎng)化限值（0.02 mg·L－1），磷吸附飽和度（DPS）平均值為46.18%，最高的達(dá)82.94%，有7塊樣地的磷吸附飽和度值已經(jīng)顯著高于吸附飽和度的臨界值25%。土壤有效磷與CaCl2-P呈極顯著線性相關(guān)，通過兩者的回歸方程，求得雷竹林土壤發(fā)生磷素流失的有效磷“閾值”為52.52 mg·kg－1，有9塊樣地的有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過了該臨界值，其中最高的已達(dá)到該閾值的5.5倍。以平衡質(zhì)量濃度為0.2 mg·L－1時的磷吸附量作為磷肥施用量的依據(jù)。通過Langmuir方程求得各雷竹林土壤的標(biāo)準(zhǔn)需磷量在8.14～64.66 kg·hm－2，平均為27.41 kg·hm－2。因此，雷竹林地具有很高的磷素流失潛能，應(yīng)加強(qiáng)對林地經(jīng)營措施的管理，控制施肥量，減少磷素進(jìn)入水體的風(fēng)險。

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