紅壤植蔗區(qū)施磷的淋溶風(fēng)險評估

朱曉暉，黃金生，曾 艷，區(qū)惠平，周柳強，謝如林，譚宏偉

(1. 廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院資源與環(huán)境研究所，廣西 南寧 530007；2. 廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣西 南寧 530007)

【研究意義】廣西是我國最大的產(chǎn)糖區(qū)，甘蔗產(chǎn)業(yè)為廣西主要支柱產(chǎn)業(yè)之一，1995年至2015年間，甘蔗種植面積由454.3×103hm2增加到973.7×103hm2[1]；而同期內(nèi)全區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中磷肥施用量由28.76×104t上升至63.14×104t[1]。廣西不同甘蔗種植區(qū)土壤有效磷含量地域差別較大，且磷肥連年施用，其累加對土壤磷的固定與富集造成影響。每年的5月至9月是廣西主要的降雨季，甘蔗大培土?xí)r期通常在雨季(5月)前完成，研究此時段內(nèi)肥用量、土壤磷含量以及蔗田流失磷量之間的相互關(guān)系，對科學(xué)合理施用磷肥，減少農(nóng)田磷流失和評價流失風(fēng)險具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有關(guān)研究表明長期過量施用肥料，當(dāng)其供給的養(yǎng)分超出農(nóng)作物所需的最大量時，會使氮、磷等營養(yǎng)元素在土壤中的過量富集。如遇降雨則將隨雨水進入周邊水體，引起污染地下水，引起水體富氧化等農(nóng)業(yè)面源污染問題[2-4]。磷是淡水系統(tǒng)中水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化的主要限制因素[5-7]。當(dāng)水體中的總氮濃度>0.20 mg/L 時，正磷酸鹽濃度僅需達到0.01～0.02 mg/L 即可引起水體富營養(yǎng)化[8-9]。有關(guān)研究表明農(nóng)田耕層土壤總磷的1/3至1 /2來源于磷肥施用[10-12]。魯如坤等研究我國南方6省(自治區(qū))農(nóng)田土壤磷素平衡表明農(nóng)田土壤磷素平衡均處于盈余狀態(tài)，土壤磷素已出現(xiàn)積累現(xiàn)象[13]。譚宏偉等[14]指出廣西的農(nóng)田施用氮磷鉀肥極不平衡，旱地耕作生態(tài)體系磷(P2O5)肥每年實際施用量比作物需要量高3606.8 t。土壤磷素的積累增加磷淋溶流失風(fēng)險，謝如林等[15]蔗地徑流研究表明磷肥的徑流流失系數(shù)為1.104 %～1.428 %。Lyu 等[16]在對英國洛桑試驗站小麥連作的試驗地65 cm下排水管中排出水進行分析發(fā)現(xiàn)，水中含磷濃度可達2.35 mg/L?！颈狙芯壳腥朦c】當(dāng)前關(guān)于紅壤地區(qū)種植甘蔗施用磷肥的磷淋溶流失風(fēng)險評估的研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以廣西植蔗紅壤為研究對象，通過大田磷肥試驗和模擬降雨試驗，對甘蔗產(chǎn)量、土壤磷素以及淋溶流失磷濃度與總量的變化，從農(nóng)藝和環(huán)境方面揭示磷肥施用—土壤磷—蔗田磷淋溶流失風(fēng)險的之間關(guān)系，為科學(xué)評估紅壤地區(qū)種植甘蔗施用磷肥的磷淋溶流失提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

田間試驗于 2014-2015年在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院武鳴里建基地進行試驗，試驗地屬南方典型的紅壤區(qū)，南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，平均氣溫 21.6 ℃，年降水量1650 mm，年均日照1800 h。供試土壤為砂頁巖發(fā)育的紅壤。供試土壤0～30 cm土層有機質(zhì)含量16.5 g/kg，pH 5.32，全氮0.9 g/kg，全磷 0.5 g/kg，全鉀4.5 g/kg，堿解氮70.0 mg/kg，有效磷19.9 mg/kg，速效鉀 180 mg/kg。供試甘蔗品種新臺糖22號，供試氮肥為尿素(河南心連心化肥有限公司產(chǎn)，N 46 %)，磷肥為鈣鎂磷肥(廣西鹿寨化肥有限責(zé)任公司產(chǎn)，P2O518 %)，鉀肥為氯化鉀(中國中化集團公司產(chǎn)，K2O 60 %)。

模擬降雨試驗于田間試驗結(jié)束后取各處理0～30 cm的耕層土壤進行。實施地點為廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院院部試驗基地。供試磷肥分別是KH2PO4(分析純，P2O552 %，用于代表易溶性磷肥)和鈣鎂磷肥(廣西鹿寨化肥有限責(zé)任公司產(chǎn)，P2O518 %，用于代表枸溶性磷肥)。

1.2 試驗方法

試驗設(shè)大田試驗和模擬降雨試驗，其中大田試驗設(shè)置5個施磷水平處理(P0～P4)：P0～P4磷肥施用量依次為0、75、150、300 和600 kg P2O5/hm2，其中P2處理為當(dāng)?shù)亓?xí)慣施磷量； 每處理設(shè)3個重復(fù)。每處理氮鉀肥用量一致，氮肥用量為420 kg N/hm2，鉀肥為300 kg K2O/hm2。磷肥總量的1/2以及氮、鉀肥總量的 1/3于甘蔗苗期均勻撒施于各小區(qū)；余下1/2 磷肥以及2/3氮、鉀肥于甘蔗拔節(jié)旺長期(大培土)開溝施入。甘蔗試驗于2014年2月20日播種，行距為120 cm。小區(qū)面積30 m2，完全隨機區(qū)組設(shè)計，于2015年1月14日采收。除施肥措施外，各小區(qū)其它農(nóng)事操作完全一致，并與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)相一致。

模擬降雨試驗。在甘蔗采收后，分別采集各處理0～30 cm的耕層土壤風(fēng)干過80目篩待用。將每處理土壤均勻裝滿至高30 cm，半徑3 cm的PVC管中，用200目篩網(wǎng)封底，每處理裝3管，其中2管進行混肥處理，施磷量的基準(zhǔn)為每公頃0～30 cm的耕層土壤投入180 kg P2O5：一管混入鈣鎂磷肥，實際施用量為0.2827 g，另一管混入KH2PO4，實際施用量為0.0975 g。剩余一管不做混肥處理，為原處理土。以2000-2015年間廣西南寧5-9月的月平均降雨量作為模擬降雨試驗的降雨量，分批次對上述土柱管進行模擬降雨，通過收集淋溶液，分析淋溶液中磷濃度與流失總量，對不同施磷量下土壤磷淋溶流失進行風(fēng)險評價?？偨涤炅繛?91.76 mm。為模擬不同降雨強度，將5月至9月的月均降雨量分別按35.0 %、27.5 %、20.0 %、12.5 %、5.0 %進行分配，共進行了25次降雨，每隔3 d進行1次人工降雨，降雨后產(chǎn)生淋溶流失液10次。

表1 不同施磷量對甘蔗的生物量效應(yīng)

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5 %顯著水平，下同。

Note：Different letters in the same column indicated significant difference at the 0.05 level.The same as below.

1.3 測定項目與方法

甘蔗收獲后，每小區(qū)多點(20點)采集0～30 cm土樣制備混合樣，測定土壤CaCl2-P、Olsen-P含量。在甘蔗采收前，每小區(qū)調(diào)查甘蔗有效莖數(shù)，隨機多點采集20株有代表性的、成熟的蔗株，收集蔗葉和蔗莖的鮮重數(shù)據(jù)，分蔗葉和蔗莖兩部分混合制樣；每小區(qū)甘蔗采收后稱取全部蔗葉和蔗莖的鮮重(計入甘蔗采收前采集的20株甘蔗的鮮重)；測定甘蔗植株中磷的含量，求算甘蔗對磷的吸收狀況。土壤Olsen-P用0.5 mol/L NaHCO3提取，全自動間斷化學(xué)分析儀測定磷含量；CaCl2-P用0.01 mol/L CaCl2提取，全自動間斷化學(xué)分析儀測定磷含量。植株樣品采用H2SO4-H2O2法消煮，釩鉬黃比色法測全磷。流失液總磷用5 %過硫酸鉀消解，全自動間斷化學(xué)分析儀測定磷含量。模擬降雨試驗中需測定淋失液體積，及水溶性總磷含量。

1.4 統(tǒng)計分析

試驗采用Excel 2007、DPS7.05等軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施磷量對甘蔗的生物量效應(yīng)

施磷可提高蔗莖及甘蔗地上部的生物量(表1)。施磷比不施磷處理的蔗莖、地上部生物量分別提高了3.0 %～8.3 %和2.4 %～7.1 %。其中，施磷量在150 kg P2O5/ hm2及以上水平時，甘蔗蔗莖增加效果明顯，但施磷處理間增加效果不明顯； P2處理的地上部生物量最大，且顯著高于不施磷處理，其余施磷處理與不施磷處理間差異均不顯著(P>0.05，下同)。施用磷肥對蔗葉生物量的影響小，各處理間蔗葉生物量差異不顯著。

表2不同施磷量下的甘蔗磷素養(yǎng)分吸收

Table 2 Nutrient uptake of phosphorus under different phosphorus application rates

處理Treatment地上部磷素養(yǎng)分吸收量(kgP2O5/hm2)Nutrientuptakeofphosphorus蔗莖Canestalk蔗葉Sugarcaneleaves地上部AerialpartP025.7b13.1b38.8cP126.7b18.3a45.0bP230.4a19.0a49.4abP331.0a17.9a48.9abP432.4a18.1a50.5a

2.2 不同施磷量對甘蔗磷素吸收的影響

施磷處理可增加蔗莖和蔗葉的磷素吸收量(表2)，施磷處理比對照的地上部的磷素吸收量顯著提高16.1 %～30.1 %。其中P2、P3和P4處理間蔗莖磷素吸收量差異不顯著，且均顯著高于P0和P1處理；施磷處理蔗葉磷含量均顯著高于對照處理，其中P2處理最高，但與其他施磷處理差異不顯著；施磷處理甘蔗地上部磷素吸收量均顯著高于對照處理，其中P4處理最高，但其與P2、P3處理間無顯著差異。

2.3 不同施磷量對土壤磷素的影響

甘蔗采收后分析各處理土壤表明，土壤CaCl2-P和Olsen-P含量隨施磷量的增加而顯著提高(表3)。施磷比不施磷處理的土壤CaCl2-P和Olsen-P含量分別提高了35.9 %～778.6 %和25.8 %～230.2 %。當(dāng)施磷量達到150 kg P2O5/hm2及以上水平時，土壤CaCl2-P和Olsen-P含量顯著增加，且施磷處理間存在顯著差異。

表3 植后土壤CaCl2-P和Olsen-P與施磷量的關(guān)系

表4 模擬降雨試驗的淋溶液的淋失量與淋失率

表5 淋溶液中磷濃度與總量

注：同行數(shù)據(jù)后不同字母表示處理間差異達5 %顯著水平。

Note：Different letters in the same row indicated significant different at the 0.05 level.

2.4 不同施磷量下土壤磷流失風(fēng)險評價

2.4.1 模擬降雨試驗淋溶液的淋失量與淋失率 從模擬降雨試驗的淋溶液的淋失量與淋失率可以看出(表4)，從土體滲漏出的淋溶液總量最少為327.15 mm，最多為393.29 mm，各處理間差異均不顯著；降雨淋失率最少為33.92 %，最多為44.10 %，各處理間差異同樣均不顯著，可見不同處理對淋溶液的淋失量與淋失率的影響不大。

2.4.2 不同處理淋溶液中磷濃度與總量 如表5所示，加入鈣鎂磷肥和磷酸二氫鉀的處理與比不施磷處理相比，淋溶液磷濃度分別增加13.66 %和13.12 %；磷總量分別增加24.10 %和21.23 %，差異均達顯著水平；且施用易溶性磷肥(磷酸二氫鉀)對淋溶液中磷濃度的增加效果更為顯著，比枸溶性磷肥(鈣鎂磷肥)處理增幅高10.44 %。淋溶液磷的濃度和總量都表現(xiàn)為隨土壤有效磷含量的增加而增加。從P1～P4處理淋溶出的磷的濃度和總量分別比P0處理增加了10.37 %、26.38 %、32.69 %、53.68 %和13.19 %、23.67 %、53.27 %、49.70 %，且處理間增幅差異均達顯著水平。

2.4.3 土壤Olsen-P與流失磷濃度增量的關(guān)系 以土壤Olsen-P含量作為橫坐標(biāo)，以施用鈣鎂磷肥和磷酸二氫鉀較不施磷處理模擬降雨產(chǎn)生的淋溶液的磷濃度的增量分別作為縱坐標(biāo)，對土壤Olsen-P與施磷處理模擬降雨產(chǎn)生淋溶液總磷濃度的增加量的相關(guān)關(guān)系進行回歸擬合。擬合方程如下：鈣鎂磷肥Y=-0.00003X2+0.00359X-0.03237(R2=0.99582)；磷酸二氫鉀Y=-0.00005X2+0.00492X-0.02767(R2=0.99894)，當(dāng)土壤Olsen-P含量為59.83 mg/kg時 鈣鎂磷肥處理淋溶液總磷濃度的增加量最大，為0.08 mg/L；當(dāng)土壤Olsen-P含量為49.20 mg/kg時磷酸二氫鉀處理淋溶液總磷濃度的增加量最大，為0.09 mg/L(圖1)。

圖1 土壤Olsen-P與流失磷濃度增量的關(guān)系Fig.1 Relationship between Increment of P concentration in leachate and soil Olsen-P

3 討 論

本研究表明，磷肥對甘蔗蔗莖與蔗葉的施肥效應(yīng)是蔗莖>蔗葉，因此，通過提高磷肥用量并不能有效提高甘蔗的生物量。施用磷肥可提高甘蔗蔗莖及地上部的生物量，但從增加效果上看，磷肥用量在150 kg P2O5/hm2時生物量增加最為顯著。當(dāng)施磷量超過該用量時，蔗莖與地上部生物量雖顯著高于不施磷處理，但增加的幅度與P2處理相近。譚宏偉等[17]研究結(jié)果表明，甘蔗磷肥最佳施用量為150～225 kg P2O5/hm2。大田試驗當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的磷肥習(xí)慣用量150 kg P2O5/hm2在其推薦的施肥量的范圍內(nèi)，說明當(dāng)前甘蔗施磷量已趨于合理化。

施磷促進甘蔗地上部磷素的吸收，但高磷(>150 kg P2O5/hm2)處理間增加效果無明顯差異。通過計算發(fā)現(xiàn)，隨施磷量的增加甘蔗各部位的磷素吸收效率不斷下降，說明供磷量大于甘蔗的吸磷量。試驗供試土壤為紅壤，具有酸、粘、瘦、pH值低且富含鐵、鋁氧化物等特點[18]，磷肥施入土壤后極易與鐵、鋁結(jié)合形成溶解度很低的鐵、鋁磷酸鹽[19]，造成土壤磷素固定。過量投入磷肥，在局部范圍內(nèi)使土壤中鐵、鋁磷酸鹽達到飽和后，剩余的磷素會富集于耕層土壤中，顯著提高土壤Olsen-P的含量，本研究結(jié)果表明，當(dāng)施磷量達到150 kg P2O5/hm2，土壤Olsen-P含量為21.70 mg/kg(>14.50 mg/kg)，參考相關(guān)文獻，已達到高磷土標(biāo)準(zhǔn)[20]。

本研究模擬降雨試驗結(jié)果表明，施磷能明顯提高耕層土壤淋溶磷的濃度和總量，且施用磷酸二氫鉀的淋溶磷濃度增幅比鈣鎂磷肥處理高10.44 %。說明肥料種類對土壤磷流失有一定影響，施用易溶性磷肥比施用枸溶性磷肥更容易造成磷流失。此外土壤Olsen-P含量也是影響土壤淋溶磷的關(guān)鍵因素之一。當(dāng)土壤Olsen-P含量達到21.70 mg/kg后，土壤淋溶磷的濃度和總量隨Olsen-P含量的增加而顯著提高。磷是水體富營養(yǎng)化的敏感因子，在其他條件滿足的情況下，水體正磷酸鹽濃度僅需達到0.01～ 0.02 mg/L 即可引起水體富營養(yǎng)化，形成污染[5-7]。可見，即便當(dāng)前磷肥已控制在能有效率的顯著增加甘蔗產(chǎn)量的用量(150 kg P2O5/hm2)上，但仍存在很大程度磷淋溶風(fēng)險。然而，本研究進行的模擬降雨試驗忽略了甘蔗的養(yǎng)分吸收和降雨沖刷形成的地表徑流帶走的作物殘體磷、土壤顆粒磷等因素，僅從0～30 cm耕層土壤中的磷素入手，探討磷潛在淋溶風(fēng)險，研究具有一定局限性，應(yīng)繼續(xù)進行田間試驗，結(jié)合實際的地表徑流與淋溶，進一步研究磷肥施用量、甘蔗磷吸收量和土壤流失磷之間的關(guān)系。

4 結(jié) 論

施磷量為150 kg P2O5/hm2對紅壤地區(qū)甘蔗生長較好，但可使土壤淋溶液總磷濃度的提高0.03～0.05 mg/L，施用易溶性磷肥比枸溶性磷肥淋溶液中磷濃度高10.44 %，磷淋溶風(fēng)險更大。

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