土壤磷素淋溶研究進(jìn)展

鄒慧芳，李麗君，劉 平，白光潔，普錦成

（1.山西大學(xué)生物工程學(xué)院，山西太原030006；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與資源研究所，山西太原030031）

隨著人們對(duì)蔬菜需求量的增加，蔬菜種植已成為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)蔬菜種植面積在2014年已達(dá)到2 140.5萬hm2[1]，其中，設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)386萬hm2[2]。為追求高產(chǎn)帶來的經(jīng)濟(jì)效益，菜農(nóng)經(jīng)常增加肥料投入，單季化肥純養(yǎng)分使用量為普通大田作物的數(shù)倍甚至數(shù)十倍[3]，長(zhǎng)期大量施肥導(dǎo)致土壤磷素積累過多。當(dāng)土壤對(duì)磷的固定能力達(dá)到飽和后，水溶性磷和吸附磷就會(huì)通過土壤空隙下移[4]。淋溶流失是土壤磷素進(jìn)入到水體中的重要途徑之一[5]。土壤中過量磷的遷移和流失對(duì)地下水體和生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的威脅。

筆者綜合國(guó)內(nèi)外有關(guān)磷素淋溶方面的研究報(bào)道，闡述了影響磷素淋溶的因素和結(jié)果，以期為提高農(nóng)田磷肥利用率、減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面效應(yīng)提供參考依據(jù)。

1 土壤磷素淋溶的研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)磷淋溶的研究開展得較早，1995年，HECKRATH[6]找出土壤磷素淋溶的土壤耕層Olsen-P含量的“突變點(diǎn)”，用來預(yù)測(cè)土壤磷素的淋溶趨勢(shì)。對(duì)土壤磷的分級(jí)最早是FRAPS在20世紀(jì)初提出的，當(dāng)時(shí)主要用于研究土壤中不同形態(tài)的磷素轉(zhuǎn)化以及對(duì)植物有效性的影響[7]。隨后，通過大量學(xué)者的集中研究探討，出現(xiàn)了多種磷素分級(jí)方法。目前，對(duì)磷的流失檢測(cè)方法主要有：田間原位磷檢測(cè)、排水管檢測(cè)、地下水檢測(cè)以及地表水檢測(cè)等，其中，根據(jù)所用材料的不同又可將每類檢測(cè)方法分為多種，最常用的方法有滲漏地試驗(yàn)、人工模擬降雨、徑流場(chǎng)試驗(yàn)等[8]。

國(guó)內(nèi)外對(duì)磷素在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化、循環(huán)及污染控制等方面的研究頗多。近年來，廣大研究者對(duì)土壤磷素行為與無機(jī)有機(jī)肥料協(xié)同之間的關(guān)系等方面的關(guān)注度越來越高[9]。我國(guó)對(duì)有機(jī)肥磷流失方面的研究大多集中于對(duì)畜禽糞便排放量、發(fā)生量的統(tǒng)計(jì)[10]，關(guān)于有機(jī)肥對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化的影響方面的研究大多數(shù)都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬降雨條件下土壤磷素地表徑流流失特征方面的研究，在田間原位條件下進(jìn)行的研究較少[11]。土壤磷的積累及引起的水環(huán)境問題已得到普遍關(guān)注，合理有效地進(jìn)行磷素資源的管理，既能提高經(jīng)濟(jì)效益和充分利用土壤中的磷，又不會(huì)造成磷資源的浪費(fèi)和水環(huán)境污染是目前值得關(guān)注的問題。

2 土壤磷素淋溶的影響因素

2.1 施肥量

近年來，我國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積日益增長(zhǎng)，生產(chǎn)者則為了追求高產(chǎn)量、高利潤(rùn)而大量施用肥料[12]。據(jù)研究報(bào)道，設(shè)施蔬菜栽培土壤肥料用量為大田土壤的4～10倍[13]，而在實(shí)際生產(chǎn)中，磷肥施用量遠(yuǎn)高于蔬菜生長(zhǎng)實(shí)際需要量[14]。磷肥容易被土壤固定，因此，當(dāng)季利用率一般僅為10%～25%[15]。韋高玲等[16]研究發(fā)現(xiàn)，減量20%和30%施肥處理均能降低菜地耕層土壤中磷素淋溶，且效果顯著。張英鵬等[17]以山東三大主要土類為研究對(duì)象，利用室內(nèi)土柱模擬試驗(yàn)研究了平均年降雨量條件下不同施磷量對(duì)磷素有效性以及在土體中淋溶風(fēng)險(xiǎn)的影響，結(jié)果表明，三大土類表層0～20 cm土層的速效磷的含量隨著施磷量的增加均有明顯的提高。王濤等[18]研究發(fā)現(xiàn)，隨著有機(jī)肥施用量的增加，農(nóng)田中各形態(tài)磷素的平均濃度有相應(yīng)提高。龔蓉等[19]通過研究發(fā)現(xiàn)，與常量過磷酸鈣相比，磷肥減量10%，20%，30%處理的總磷徑流損失量分別降低了4.18%，10.31%和24.30%，且磷肥減量30%后，總磷流失量降低呈極顯著水平。

2.2 肥料種類

2.2.1 有機(jī)無機(jī)肥配施 有機(jī)肥具有緩效性，前期釋放少，養(yǎng)分含量低但比較全面，宜作基肥；而無機(jī)肥則溶解快、釋放快，養(yǎng)分含量高但相對(duì)單一，可作基肥但更宜作追肥，二者配合施用能滿足作物的生長(zhǎng)需求[20]。習(xí)斌等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在等氮條件下，施入有機(jī)肥會(huì)造成農(nóng)田土壤磷素大量積累。韓曉飛等[22]研究發(fā)現(xiàn)，減磷配施有機(jī)肥對(duì)紫色土旱坡地地表徑流磷素含量影響顯著，減磷配施豬糞和秸稈有機(jī)肥對(duì)土壤磷素地表徑流損失具有一定的消減效應(yīng)。田雁飛等[23]研究發(fā)現(xiàn)，水稻減量化肥配施有機(jī)肥處理能夠通過有機(jī)物循環(huán)利用，提高土壤磷素活化度，改善土壤磷素供肥特性，進(jìn)而促進(jìn)水稻對(duì)磷的吸收利用。有機(jī)無機(jī)肥配施能夠提高肥料的利用率，改善土壤結(jié)構(gòu)，但是也會(huì)一定程度上增加土壤磷素淋溶。有機(jī)肥與無機(jī)肥同時(shí)施用時(shí)應(yīng)合理控制有機(jī)肥施用數(shù)量，將速效緩效有機(jī)肥合理搭配，充分發(fā)揮其供肥和改土的雙重效應(yīng)。

2.2.2 緩/控釋肥 緩釋肥料和控釋肥料在術(shù)語(yǔ)上是并存使用的，但是在技術(shù)上來講，它們是不同的肥料類型，并且在肥料的發(fā)展階段、肥料性能以及含義等方面都存在一定的差異[24]。緩釋肥料施于土壤后其有效養(yǎng)分比常規(guī)水溶性肥料釋放緩慢，而控釋肥料則是通過采用包膜工藝、控制釋放技術(shù)等使肥料養(yǎng)分按照一定的模式在作物生長(zhǎng)季節(jié)釋放出來[25]。高曰鑫等[26]研究發(fā)現(xiàn)，腐植酸緩釋磷肥的養(yǎng)分釋放率在作物生長(zhǎng)過程中先緩慢增加，達(dá)到高峰后又逐漸下降。幼苗期需肥少，緩釋肥養(yǎng)分釋放少，不會(huì)產(chǎn)生燒苗現(xiàn)象。作物大量需肥時(shí)，緩釋肥穩(wěn)定地釋放養(yǎng)分，不僅能滿足作物需求，而且保證作物的穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)。雖然緩/控釋肥料的生產(chǎn)已有超過40 a的歷史，但是由于生產(chǎn)成本高，其價(jià)格一般相當(dāng)于普通化肥的2～8倍，因此，影響了其推廣使用。我國(guó)是研究包膜肥較早的國(guó)家之一，并且在包膜緩/控釋肥料研究方面也取得了一定的進(jìn)展[27]。目前，存在的問題是無機(jī)包膜養(yǎng)分控釋性能較差且釋放期短，但有機(jī)聚合物包膜不僅成本高且膜材降解較困難，同時(shí)大量使用有機(jī)溶劑不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，更重要的是會(huì)危害環(huán)境以及人體健康[28]。

2.3 施肥時(shí)期及施肥措施

不同種類蔬菜種植養(yǎng)分需求差異大，因此，要實(shí)現(xiàn)不同種類在不同季節(jié)及不同區(qū)域均達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，則必須重視其營(yíng)養(yǎng)需求[20]。磷以多種方式參與植物體內(nèi)的代謝過程[29]，作物在生長(zhǎng)早期吸收磷最快，因此，這個(gè)時(shí)期需要的磷最多[30]。楚雯瑛等[31]研究發(fā)現(xiàn)，如果磷含量無法滿足植株早期生長(zhǎng)需求，會(huì)導(dǎo)致植株嚴(yán)重缺磷，且溫室光照強(qiáng)度以及溫度較高，會(huì)使植株缺磷效應(yīng)加重，可能會(huì)致使植株死亡。

長(zhǎng)期實(shí)施不同培肥措施會(huì)導(dǎo)致土壤性質(zhì)以及土壤肥力的差異。趙慶雷等[32]研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期采用不同的施肥方式會(huì)使0～20 cm土層的土壤磷素肥力特征發(fā)生顯著改變：NPK化肥配施與未施肥對(duì)照組相比，耕層土壤有效磷和全磷含量均有顯著提高。慶遠(yuǎn)紅等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在酸性菜園中應(yīng)選擇鈣鎂磷肥，既可以減少磷素淋溶損失，也可以改良土壤酸堿度，還能夠?yàn)槭卟说纳L(zhǎng)發(fā)育提供鈣、鎂等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

2.4 灌溉水平

農(nóng)田灌溉方式以降水為主，加以漫灌、滴灌等滿足作物生長(zhǎng)發(fā)育對(duì)水的需求。而設(shè)施菜田灌溉方式可由人工控制，大多采用滴灌、穴灌以及壟灌等方式調(diào)節(jié)灌水量。項(xiàng)大力[34]通過研究3個(gè)灌溉水平對(duì)土壤磷素淋失的影響發(fā)現(xiàn)，即使淋溶到120 cm土體以下時(shí)，隨著灌溉量的增加，磷素淋溶量也會(huì)增加。劉暢等[35]研究發(fā)現(xiàn)，不同灌溉方式對(duì)土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)影響有差異，其中，溝灌處理影響最大，滲灌次之，滴灌最小。

2.5 土壤結(jié)構(gòu)與質(zhì)地以及耕作制度

土壤結(jié)構(gòu)和土壤質(zhì)地與土壤肥力水平以及保水保肥能力有密切關(guān)系。土壤質(zhì)地以及土壤膠體含量影響土壤透水性[36]。曹克麗等[37]研究發(fā)現(xiàn)，土壤黏粒含量與對(duì)磷的最大吸附量以及土壤全磷含量均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，土壤有效磷占磷提取總量的比例與土壤pH關(guān)系密切。

土地利用及耕作制度會(huì)影響土壤擾動(dòng)程度以及殘留物存在，進(jìn)而會(huì)對(duì)土壤養(yǎng)分淋溶造成影響[38]。耕作會(huì)增加土壤表面粗糙程度，增大土壤飽和導(dǎo)水率，從而使磷素的淋溶損失量增加；耕作時(shí)農(nóng)機(jī)輪子會(huì)使土壤形成一些裂縫，容易形成優(yōu)先流促進(jìn)淋溶。此外，耕作還能將亞表層土壤壓實(shí)，從而促進(jìn)土壤磷素淋溶等[39]。陳琨等[40]研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)耕作方式相比，秸稈還田更能使氮磷流失量有效減少。

2.6 種植年限

隨著種植年限的增加，長(zhǎng)期大量施肥導(dǎo)致土壤中磷素富集，淋溶風(fēng)險(xiǎn)不斷加大。王輝等[41]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中速效磷含量隨著種植年限的增加而逐漸增加。鄭杰等[42]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中不同形態(tài)磷含量隨著種植年限的增加逐年遞增。但也有研究表明，溫室土壤速效磷含量隨種植年限的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。施南芳[43]研究發(fā)現(xiàn)，土壤中有效磷等含量隨著大棚種植年限增長(zhǎng)有明顯上升趨勢(shì)，且以8 a大棚含量最高，達(dá)83.13%，但10 a大棚土壤與8 a相比，有效磷含量有所下降。劉曉軍等[44]研究發(fā)現(xiàn)，0～20，20～40 cm溫室土壤有效磷含量隨著栽培年限增加而顯著增加，但10 a溫室土壤有效磷含量有所下降。這意味著在一定時(shí)間限度內(nèi)，土壤淋溶風(fēng)險(xiǎn)隨種植年限的增加而增加。

2.7 其他因素

2.7.1 生物炭 生物炭孔隙度結(jié)構(gòu)、表面負(fù)電荷以及表面積都比較高，與土壤或是水體混合后，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性[45]。在水體中，生物炭能夠作為吸附劑，吸附去除各類污染物；在土壤中，生物炭能夠作為土壤改良劑，不僅對(duì)土壤理化性質(zhì)有所改善，而且能提高土壤質(zhì)量并吸附土壤中的一些污染物[46]。李際會(huì)等[47]研究發(fā)現(xiàn)，添加經(jīng)FeCl3改性的秸稈生物炭，有效磷的淋失量顯著降低，并且隨著添加生物炭量的增加而顯著下降。生物炭可以通過影響其陰離子交換或與磷產(chǎn)生相互作用的陽(yáng)離子的活性進(jìn)而改變磷的有效性。李江舟等[48]研究發(fā)現(xiàn)，在云南煙區(qū)3種不同的土壤上施用生物炭后，紫色土和赤紅壤淋溶液中總磷濃度減少明顯，而黃棕壤淋溶液中總磷濃度減少不明顯。曾愛等[49]研究發(fā)現(xiàn)，隨著生物炭施用量的增加，土壤有效磷含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。關(guān)連珠等[50]研究發(fā)現(xiàn)，施用玉米秸稈生物炭的土壤可減少對(duì)磷的固定，促進(jìn)磷素的有效化，提高磷肥的利用率。由此可見，生物炭的種類與添加量以及土壤類型等與磷素淋失關(guān)系密切。2.7.2土壤改良劑——碳酸鈣與脫硫石膏含Al3+，F(xiàn)e3+和Ca2+的鹽一般能夠有效地減少土壤磷素的移動(dòng)及徑流，碳酸鈣與石膏等含Ca2+的礦物質(zhì)經(jīng)常用作土壤改良劑[51]。郭堃梅等[52]研究發(fā)現(xiàn)，施用碳酸鈣、石膏均可以降低土壤磷素以及磷肥的淋溶，但是施用石膏后溶解有機(jī)碳的淋溶程度加劇，碳酸鈣可以作為經(jīng)濟(jì)有效的土壤添加劑，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)土壤酸度確定碳酸鈣的用量。張峰舉等[53]研究發(fā)現(xiàn)，隨著脫硫石膏用量的增加，土壤中有效磷的含量明顯下降，而無機(jī)磷含量增加，尤其是難溶性磷酸鈣鹽增加顯著。在堿性土壤中施用脫硫石膏后，Ca2+不僅能夠置換土壤膠體上的Ca2+，還能與PO43+作用后轉(zhuǎn)化為磷酸鈣鹽，將土壤中的磷轉(zhuǎn)化為固定態(tài)的磷，因而降低磷的淋溶。

3 展望

綜上所述，近年來，關(guān)于設(shè)施蔬菜磷素淋溶的研究已涉及到施肥、灌溉水平、土壤結(jié)構(gòu)質(zhì)地、耕作管理制度以及種植年限等方面，但有些方面的研究仍存在許多不足，今后應(yīng)加強(qiáng)以下幾方面的研究：（1）現(xiàn)有對(duì)影響農(nóng)田磷素淋溶損失的研究多集中在單一因素，而多種因素同時(shí)產(chǎn)生影響的結(jié)果必然有所不同，因此，針對(duì)多種因素共同作用下對(duì)磷素淋溶損失的影響有待進(jìn)一步研究。（2）目前，關(guān)于土壤干燥—濕潤(rùn)過程中磷素淋溶的研究是熱點(diǎn)問題，但有關(guān)這方面的模擬研究很少，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究。（3）由于在土壤改良以及固碳減排等方面應(yīng)用潛力很大，生物炭技術(shù)受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注，但施用生物炭在增加土壤磷素有效性以及改善土壤肥力等方面研究較少。