土壤优先流对磷素垂直迁移贡献的研究

赵牧秋，陈 欣，史云峰

(1.琼州学院生物科学与技术学院，海南三亚572022;2.中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁沈阳110016)

土壤磷素流失有地表流失和土体内流失两种方式，而土体内流失又包括基质流和优先流两种主要类型［1］。基质流一般发生在土壤剖面较为致密、孔径细小的部位。土壤水发生下渗时，基质流流速缓慢，流经面积大，实际的流经路线长，因此对于基质流中的溶质，土壤较易与其发生物理、化学作用，同时土壤与溶质作用的时间相对较长，相应的土壤水中溶解的磷素量较大［2，3］。优先流的形成主要归因于土壤动物钻孔、根系伸展引起的土壤孔隙，或由于土壤干—湿过程中形成的不同孔径的裂隙等在土壤剖面上形成的孔隙、裂隙等共同组成的不规则水路通道［4］。发生优先流时，土壤水分可快速通过土壤孔隙和裂缝，由于优先流中的溶质与周围土壤介质的作用时间很短，溶质可快速进入土体深层［5］。

近年来的研究表明，用有颜色或有荧光的染料来作示踪剂，则能较直观地显示整个土壤剖面中优先流通道的空间分布［6，7］。应用染色示踪法研究了两种不同含磷量的土壤中磷的迁移特性，分布特征及优先流对磷素垂直迁移的贡献率，以期为磷素淋溶迁移的研究提供更多的数据和理论支撑。

1 研究区情况与研究方法

1.1 供试土壤

研究地点位于辽宁省新民市大民屯镇设施蔬菜生产基地(41°59'N，122°50'E)内，研究选用了2个含磷量不同的土壤剖面为研究对象，其中LP代表低磷土壤，HP代表高磷土壤。低磷土壤全氮、全磷、速磷和pH值分别为 0.88g/kg、0.61g/kg、33.6mg/kg 和 7.67。高磷土壤全氮、全磷、速磷和 pH 值分别为 1.71g/kg、1.97g/kg、86.2mg/kg 和6.84。

1.2 土壤中优先流通道的鉴定及含磷量测定

土壤中优势流通道采用亮蓝(C37H34N2Na2O9S3)溶液染色鉴定。每个采样区各设置3个重复的1.5m×0.5m的小区，为防止水分侧渗，小区四周用高度为60cm的塑料圈围，其中露出地面的部分高度为20cm，埋入地下部分的深度为40cm。在各小区内加入100mm含有亮蓝2g/L的溶液。24h后开挖1.0m×0.6m剖面并将剖面平均分配为A、B两区。A区剖面在垂直方向上每隔5cm分别采集被亮蓝染色、未被染色的组分样，测定其中全磷含量;B区剖面首先按照深度每隔5cm分1个层次，并应用具有网格(1cm×1cm)的透明塑料薄膜，根据占居的网格数估测染色和非染色部分面积的相对比例;然后每层次分别采集混合土样，测定其中全磷含量。

1.3 分析方法

采集土样和分离得到的组分样品经室内风干，过2mm土筛后混匀。从中取约50g样品，进一步磨细过0.15mm土筛，供全磷测定。土壤全磷采用HNO3－HClO4－HF消化法测定。试验数据采用Excel2003和SPSS12.0统计分析软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 优先流在土壤剖面中的分布

图1 土壤剖面染色部分所占比例及优先流的贡献率随土层深度的变化

土壤大孔隙是土壤中水分和空气的主要通道，它的存在能够产生土壤优先流并导致溶质优先迁移，是水分和化学物质快速、远距离运移的主要通道［8］。本研究通过亮蓝染色试验鉴定了土壤中优先流的存在及其分布情况［9］，图1显示了2个含磷量不同的土壤剖面被亮蓝染色部分所占的面积比例随土层深度的变化。结果表明，亮蓝在供试土壤0～60cm均有分布，其中0～20cm土壤被亮蓝染色明显(＞60%)，并且染色剂在这部分土层中的分布较为均匀，优先流并不明显，染色剂主要靠基质流向下渗透;20cm以下土壤被亮蓝染色的比例相对于以上明显减少(＜60%)，且被染色部分主要位于较大的空穴周围，染色图案呈不规则分布，具有明显的优先流特征。

2.2 染色、未染色和混合土壤全磷含量的比较

图2所示为两种含磷量不同的土壤染色部分、未染色部分和混合土壤全磷含量随土层深度的变化情况。结果表明，土壤全磷含量的垂直分布趋势是随着土壤深度的增加，全磷含量呈现明显的下降趋势，并且土壤全磷多富集于耕层(0～20cm)土壤中。对于同一种土壤而言，所有剖面土壤全磷含量均呈现染色部分土壤＞混合土壤＞未染色部分土壤，这充分说明优先流到达部分(染色部分)周围土壤的含磷量明显高于单纯依靠基质流输磷部分(未染色部分)的土壤，即优先流的存在能将磷带到更深土层。比较两种不同含磷量的土壤染色和未染色部分全磷含量的差异可知，含磷较低的LP处理远大于含磷较高的HP处理(相对值)，说明这种磷含量的差异与土壤磷的吸附饱和度呈反比，即土壤对磷的固定作用越强，优先流对这种差异的影响越大。

图2 染色、未染色和混合土样全磷含量随土层深度的变化

2.3 优先流对土壤全磷垂直分布的贡献率

可以定义混合土样全磷含量(基质流与优先流同时作用)与未染色部分土样全磷含量(只有基质流发生作用)的差异占混合土壤全磷含量的比例为优先流对土壤全磷的贡献率，因此某土层优先流对土壤全磷的贡献率(R)可用下式表示:

其中，Ri(%)表示第i层土壤优先流对全磷含量的贡献率(%);Ci，混合样表示第i层土壤混合土样全磷含量(mg/kg);Ci，未染色土样表示第 i层未被染色的土样全磷含量(mg/kg)。

优先流贡献率随土壤深度增加有先增加后减小的趋势，且表层以下(＞20cm)优先流贡献率同土壤染色部分所占比例有正相关关系。在土壤表层(0～10cm)，尽管被染色部分所占比例最大，但由于这时染色质移动主要靠基质流，因此优先流贡献率较低。随土层深度增加，基质流能够到达的难度增加，优先流的贡献率开始增加。在15～45cm土层，对于含磷量较高的HP处理土壤，其贡献率约为20～40%;而对于含磷量较低的LP处理其贡献率高达40～70%。

3 结论

试验结果表明，研究土壤20cm以下土层存在明显的优先流通道，优先流通道附近土壤样品(染色土样)全磷含量明显高于未受优先流影响的土壤样品(未染色土样)，且差异与土壤含磷量呈反比关系。表层(0～10cm)土壤受基质流影响，优先流贡献率较低;在15～45cm土层，优先流贡献率在20～70%范围，且随土壤含磷量的降低贡献率增大。

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