农业土地利用中磷流失研究进展

杨鑫芳，李欣欣，李晋超，闫瑞，闫胜军，赵富才，郭青霞

（山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801）

非点源（Non－point source）污染也称面源污染或者分散面源污染，它是指在降雨径流的冲刷和淋溶作用下，大气、地面和土壤中的溶解性物质或固体污染物质进入江河、湖泊、水库和海洋等水体而造成的水环境污染。其中，农业非点源污染的概念是与点源污染相对的，是指溶解性的或非溶解性的污染物从非特定的地域，在降水和径流作用的冲刷下，通过径流过程汇入受纳水体而引起的污染［1］。

实践中的农业非点源污染主要包括化肥农药的施用，农村家畜粪便及垃圾的排放、水土流失及其农业生产过程中造成的非点源污染。全球范围来看，30%～50% 的地球表面已受到非点源污染的影响，并且在全世界不同程度退化的12亿hm2耕地中，约有12%是由农业面源污染引起的［2］。农业非点源污染影响了全球陆地面积的30%～50%［3］。氮、磷是引起农业非点源污染的主要污染物。尽管许多研究表明，农业非点源污染中磷的输出负荷明显低于氮的输出负荷，但是我们不能忽视磷对农业面源污染的贡献率。根据研究表明［4］：对于湖泊、水库等封闭性水域，当水体内无机态总氮含量大于0．2mg·L－1，PO43－－P的浓度达到0．02mg·L－1时，就有可能引起藻华现象的发生。因此与氮相比，磷才是引起水体污染的重要原因，研究农业土地利用中磷流失的特征和规律，了解其主要影响因素和控制措施，对流域环境治理和土地利用优化具有一定的指导意义。

1 国内外研究进展

在20世纪初，英国科学家 Warrington［5］已经长达几十年致力于土壤中养分流失研究，当时对氮流失研究居多，磷流失研究极少，整体上养分流失并没有得到更多的重视，此阶段大多是土壤侵蚀方面的研究。20世纪70年代初，过度施肥引起的水体污染受到大家的关注，欧美一些国家如美、英及及亚洲国家日本等率先进行了大量的研究［6］，研究主要集中在控制来自农业的水土流失和养分损失，减少农业非点源污染的影响。一些学者开始关注磷流失的问题，对磷流失有了初步认识。80年代以后，人们逐渐提出通过养分管理、土地管理、施肥方式、耕作方式等来控制农田磷的流失，这些措施在实践中证明是行之有效的，说明磷流失引起的环境问题受到了重视，学者们开始注意磷污染负荷控制管理的研究，从农田灌溉、施肥、建立缓冲带、土地利用方式等方面进行了不同的探讨。

相比国外学者的研究，我国对磷流失的研究起步相对较晚，对其引起非点源污染的研究更晚，至今还未形成比较完善的体系。我国学者对农业土地利用中磷流失的相关研究大约始于20世纪60年代对土壤肥力径流损失的研究。20世纪80年代的湖泊富营养化调查是我国营养元素污染负荷（非点源污染）研究的真正开始，此后大量研究主要由城市非点源污染逐渐转移到农村非点源污染，先后在于桥水库、珠海前山河流域、滇池、太湖、巢湖、晋江流域、东江流域等地方开展工作［7］。其中一些学者如刘枫等［8］首次将通用土壤流失方程用于中国非点源污染的危险区域识别，促进了非点源污染研究的发展。90年代，马晓［9］和孙璞［10］等一些学者开始关注磷养分的流失问题，后者提出农田水塘对地块氮磷流失有截留作用。马晓［9］指出总磷的非点源污染主要来自农业土地利用。近年来学者们已经对我国农业土地利用磷流失进行了大量的研究，对防治水体富营养化起到了重要的作用。

2 磷流失的主要影响因素

2．1 植被覆盖度

夏立忠等［11］采用连续定位监测的方法，指出在植被覆盖度的影响下，与种植季节性牧草和旱坡地常规小麦——花生附设紫花苜蓿生物篱相比，种植多年生牧草（紫花苜蓿）和旱坡地常规小麦——玉米模式附设香椿植物篱，能有效地减少土壤和泥沙态氮、磷流失。王晓燕［12］通过人为设置坡面径流小区和气象站，从土壤—径流—泥沙过程，探讨北京密云石匣小区不同植被覆盖度对土壤磷流失的差异。单包庆［13］采用中国科学院生态环境研究中心环境水化学国家实验室设计的野外人工降雨模拟装置对5种典型的土地利用类型（油菜地，蔬菜地，水稻田，村庄场院和森林坡地）磷污染物输出进行了模拟，指出径流量的大小与植被覆盖度有关。坡度大，土层质地紧密，地表无枯枝落叶层，土壤入渗总量小，产生的径流量最多；坡度小，土层质地疏松，前期含水量最低，土壤入渗量大，产流量最小。综上可见，植被覆盖度越高，土壤侵蚀和养分流失越小，引起土壤中的磷流失减少。可能的原因：一方面，作物根系改变了土壤的结构，促进水分的入渗，减少了地表径流；另一方面，植物叶片可以降低雨水对地面的侵蚀，起到一定的缓冲作用，植物叶片覆盖一定程度上保护了地表土的稳定性，对减少土壤和径流中的磷流失有很大帮助。这也是同一块地，间种或套种比单一种植、多年生植物比季节性植物、退耕还林后比退耕还林前土壤和径流中磷流失减少的原因。

2．2 降雨及土壤侵蚀

根据2010年人民网关于我国水土流失问题及防治对策的专题讲座可知，全国现有土地侵蚀面积达到357万km2，占国土面积的37．5%；从东、中、西三大区域分布来看，东部、中部、西部水土流失面积分别占全国土壤侵蚀面积的2．6%、14．3%、83．1%。年均土壤侵蚀量为45．2亿吨。Greenhill等［14］指出对于施肥不久的牧草地，经过24小时暴雨所形成的径流中磷浓度高于其他时间段，这说明施肥后初次降雨是磷流失的关键时期。Ward等［15］提出迁移转化、水土流失、径流对磷流失的影响过程及研究意义。郑粉莉［16］认为在坡度一定的情况下，坡上方来水量引起坡下方侵蚀量随上方来水量和来水强度的增大而增大。徐泰平等［17］指出径流产生不同阶段养分流失有规律性变化。在不同的产流阶段中，以初始阶段氮、磷流失严重，径流中养分输出浓度最高。据此可认为在特定的条件下，降雨（降雨强度、降雨量、降雨时间）及土壤侵蚀是影响磷流失的重要因素，磷流失量随降雨量和降雨强度的增大而增大，在降雨的初期比后期引起的磷流失严重。

2．3 土壤物理化学性质

土壤质地指土壤中不同大小直径的矿物颗粒的组合状况，是土壤主要的物理性质之一。土壤质地与土壤通气、保肥、保水状况有密切关系。土壤粘粒是养分流失的主要载体，粒径的大小决定养分流失量的大小，粒径大容易引起磷流失。王洪杰等［18］指出土壤中大部分养分含量与土壤颗粒含量之间有一定的相关性，土壤全磷与粉粒（0．002～0．02mm）含量呈显著的负相关，与砂粒（0．02～2 mm）含量呈极显著的正相关。

土壤的化学特性是磷流失的影响有重要的作用，土壤的化学特性对磷流失的影响体现在土壤中矿物质含量的高低。Samadi等［19］研究澳大利亚西南部的14种碱性石灰性土磷的迁移及土壤成分对磷迁移的影响，磷肥的利用率在很大程度上受土壤化学成分影响，土壤中有效磷（NaHCO3－extractable P（Olsen－P））的下降遵循二阶动力学方程，其中动力学速率常数K因子大小土壤中FeO（oxalate－extractable Fe）、Ald和 Fed（citrate－dithionite－bicarbonate（CDB）－extractable Al and Fe），阳离 子 交 换 量 CEC（cation－exchange capacity）、CaCO3自由粘土含量等因素成正相关关系。和Austin等［20］通 过 选 取the Shepparton Irrigation Region 4种不同比率的过磷酸钙（250，500，750，and 1000kg·hm－2），发现，在一次灌溉径流事件中，磷流失的起始浓度明显高于后期浓度，磷流失量与过磷酸钙含量成正比。Pote［21］使用萃取法研究土壤中测试磷与可溶性磷和生物可利用磷的相关性，从54块草地上采取0～2cm深的土样，模拟降雨条件，1小时100mm的降雨收集径流30分钟，可溶性磷的浓度为0．31～1．81mg·L－1，生物可利用磷的浓度为0．37～2．18mg·L－1，这表明土壤中不同形态的磷的流失量不同。土粒的物理和化学性质在一定程度上影响着磷流失。Ryden［22］也指出了径流中影响磷流失的物理和化学影响因子及各土地利用方式下的磷含量。刘方等［23］通过对贵州中部黄壤早坡地进行采样以及采用无界径流小区法收集地表径流样品，探讨长期施肥下旱地磷素水平与地表径流磷浓度的变化及其对水环境的影响，结果表明，长期施肥下黄壤旱地的磷素水平不断提高，CaCl2浸提磷（溶解态活性磷）和NaOH摄提磷（藻类可利用的土壤总磷）与土壤全磷或有效磷之间存在显著的相关性，土壤富磷化的同时，旱地磷对水环境影响的潜能明显提高，说明土壤中磷流失增加。

2．4 坡度

段永惠等［24］在对滇池流域不同坡度农田土壤对全磷流失量影响研究表明，6°、12°、18°和24°坡度农田土壤年全磷流失量分别为2．5、5．4、6．0、6．2kg·hm－2，随坡度增大，磷流失量变化先增加后减少，说明该流域磷流失可能存在一个临界值。这与孟庆华等［25］的研究一致。王晓燕［12］提出磷流失的临界坡度在15°～20°范围内，坡度为15°左右的土地应该采取生物措施和工程措施防止水土流失。此后，梁涛［26］也提出磷流失随坡度变化会存在“养分临界坡度”，但是临界坡度在22°～26°范围内。综上可知，坡度是影响磷流失的重要因素。径流中的磷含量在一定程度上随坡度的增加而增加，到达一定程度后，径流中的磷含量就会减少，这说明径流中的磷含量受地形因素的影响。因此推断国家规定25°以上的坡耕地实施有计划、有步骤的退耕还林的政策具有一定的科学依据。

2．5 土地利用方式

不同土地利用方式造成的磷流失量有明显的差异，主要机理是土地利用方式可以对土壤理化性质和地表植被覆盖产生影响。Eila等［27］研究芬兰基于重粘土条件下的大麦田和草地中地表径流和土壤浸出引起的磷流失，指出大麦田的磷流失以颗粒态磷（PP）为主，草地的磷流失以可溶性磷（DP）为主。孟庆华等［25］研究了三峡库区5种代表性土地利用方式对养分流失的重要性，结果得出不同土地利用方式造成的径流养分输出明显不同，坡地农田＞梯田农田＞梯田果园＞坡地果园。王洪杰等［18］指出不同土地利用方式下引起的土壤养分分布及土壤颗粒的变化，其中受施肥状况的影响，经济园林土壤磷素比非经济林土壤磷素（林地、裸地、旱地）普遍偏高。

2．6 土地集约度

磷流失的影响还体现在土地的集约化程度方面。Jaan等［28］基于 Mander等［29］的研究基础上和整合了1995年～2011年的ISI学术期刊，深入研究了存在于河岸流域的营养元素循环，主要关注人类的影响如土地利用集约化，来自集约型管理流域的中位线区平均每年有0．3～1．9kg的磷流失。而来自粗放型管理流域的中位线区平均每年只有0．02～0．2kg的磷流失，明显低于集约型管理流域。这与 Wendt［30］和 Hurgrave［31］的研究结果一致，原因是集约型管理比粗放型管理受到更高程度的人为干扰，而且植被覆盖度不稳定，容易变化。

3 磷流失的控制措施

3．1 基于磷来源的控制

3．1．1 合理施用磷肥和含磷农药

施肥对磷的流失有很大的影响。一些农户由于对农业知识缺乏，为了追求高产，施用过量的磷肥，结果不但达不到预期的效果，还造成了营养元素的流失，引起一定的农业污染。Smith［32］提出合理的施肥可以减少土壤中不必要的磷素富集和磷素后续浸出。合理的施肥包括合理施的肥措施、施肥强度和施肥时间3方面。

（1）施肥措施：化党领等［33］认为冬小麦—夏玉米轮作广泛分布在我国北方石灰性土壤上，这种土壤供磷能力差，提出按作物对磷肥的肥料反应进行施磷。因此冬小麦—夏玉米轮作中，磷肥在冬小麦、夏玉米间应该合理分配。比如在小麦、玉米轮作中，将磷肥重点施在小麦上；水旱轮作中，将磷肥重点施在旱作上；禾本科与豆科轮作中，将磷肥重点施在豆科作物上等。孙政才［34］研究认为，夏玉米对磷肥的反应没有小麦敏感，小麦、夏玉米两茬需要的磷肥，可全部或2／3施在小麦上，因此，土壤速效磷含量较高，而上茬小麦施磷量又较大的田块，下茬玉米可不施或少施磷肥。

（2）施肥强度：磷肥与氮、钾肥或有机肥配施，可提高磷的利用率，减少磷的固定［35］。段永惠等［24］在对滇池流域施肥措施和施肥强度对年全磷流失量研究表明，磷肥施用强度与农田径流全磷负荷具有一定的正相关性，提出施尿素和普钙处理既能获得最高作物产量，又能有效地降低全磷流失量。李宗军等［36］通过研究指出合理配施磷钾肥对提高花生产量具有重要的作用，其N90P90K90、N180P90K90可使花生净收益达到最好，说明节肥、增产、增效只有在合理的氮磷钾配比下才能实现。张爱平等［37］通过宁夏引黄灌区田间小区试验，明确了该区合理的施磷量，得出合理施用磷肥（60～120 kg·hm－2）能提高春小麦籽粒产量和生物量。当施磷量为120kg·hm－2，小麦籽粒产量最高，为6215kg·hm－2，为当地春小麦合理施肥提供了科学依据。刘德林［38］和薛峰［39］研究中指出减少20%的常规N、P肥料可以有效降低径流中的N、P含量，进而降低向自然环境中排放的总氮、磷量。在农业土地利用中采取这种减施增效途径与模式为提高作物的氮磷利用率及产量提供技术支撑，最终达到产量效益、肥料效益、环境效益三者的统一。

（3）施肥时期：施用磷肥的最好季节在晚秋、初冬、晚春和初夏［40］，磷肥以一次性基肥施入较好，在1个轮作周期中，应统筹施用磷肥，尽可能发挥磷肥后效。

除此之外，长期喷洒富含有机磷的杀虫剂、除草剂等含磷农药，一方面会导致土壤中磷素富集，另一方面可能会造成作物表面农药残留。因此，合理使用含磷农药对于防治农业土地利用中磷流失的有重要作用。吴继国等［41］根据臭氧具有高氧化潜能及分解后不产生二次污染物的特点，提出蔬菜有机磷农药残留的臭氧降解。可以尝试借鉴利用臭氧对土壤中的磷素进行降解已达到减少磷流失的目的。

3．1．2 对农村居民生活垃圾进行处理

随着农村经济社会快速发展、农民现代生活消费品越来越多，生活垃圾也变得数量和种类繁多，传统方法处理不了这些垃圾，洗涤剂、牲畜粪便、塑料袋及一些产品包装中都含有磷，这些垃圾一般未经处理就直接排放，其危害不容忽视。张后虎等［42］以太湖流域为研究对象，在传统的垃圾处理模型上，提出农村分散居民生活垃圾与生活污水共处置强化产沼技术这一新模式。对于分散单户型农户而言，农村生活垃圾与生活污水共处置强化产沼技术可望成为现存的沼气池和三格化粪池的补充，将生活污水和生活垃圾混合发酵腐熟后，可就地肥料化利用。

3．1．3 对畜禽养殖排污的处理

磷流失也和畜牧养殖业排污有关。农村小规模化的畜牧养殖以养猪、牛最为常见，由于环境法规的不健全和资金短缺，这些养殖在建厂初期未考虑畜禽粪便、污水的处理。养殖过程中，使用残留有机磷农药的饲料、含有有机磷的兽药及各种添加剂都会引起磷流失，造成周边环境的污染，也降低了畜产品的质量。Tarkalson［43］和 Torbert［44］等指出长期施用动物粪肥的土壤中磷的迁移是引起潜在环境问题的一个主要因素。Tarkalson［43］研究比较了肉鸡农场附近土地和正常管理规范下土地中磷的流失量，结果表明前者磷含量是后者的3倍多，提出同时给鸡喂植酸酶和植酸玉米，可减少58%的剩余磷，比单独喂植酸或植酸玉米效果要好。此外，学者Sahadeb等［45］提出决策支持系统（Decision Support Systems），其主要功能是对商业肥料和畜禽养殖的牲畜粪便中的N、P、K元素进行追踪，根据N、P、K的流失迁移，为人们提供最优的决策模式，最小程度的控制营养元素对水体的污染。这个系统包括两个模块，营养管理决策模块和知识库更新模块。从2003年发行以来该决策系统在美国的使用者越来越多，这为减少畜牧排污养殖对农业土地利用中磷流失的影响提供了可靠地系统支持。

3．2 基于磷流失途径的控制

3．2．1 植物篱技术

植物篱技术类似于植物缓冲带技术，是一种控制水土流失，有一定景观价值的新型生态工程措施。可以有效拦截、滞留泥沙，减少氮、磷等营养元素的流失。所需的植物要具有一定的地域性，适应当地的气候条件，且具有较好的观赏价值、生态调节和水土保持功能，如在山坡上种植刺槐、松树等乔木及马桑、黄荆等灌木。

章北平［46］把武汉森林公园两侧的喻家湖湖水作为面源污染截纳试验的源水，采用人工草坪、自然生态植被、炉渣—壤土渗滤系统进行面源污染TP的截纳试验。结果表明，草条带宽5m，带长25m与50m的径流TP去除率基本相近，达59%以上。在径流率为0．12～0．37L·s－1·m－1范围内，TP的去除率变化不显著。自然森林植被系统宽4m，林长40m比25m的TP去除率低限显著提高，前者达76% 以上，后者在48% 以上。在径流率为0．15～0．34L·s－1·m－1范围内，TP的去除率变化不显著。另外，炉渣—壤土植被渗滤系统（宽1m，高0．45m，60%的土与40%的炉渣混合，炉渣粒径d＝2～30mm）也被证明具有良好的透水性和较高的截污容量。如Jaan等［28］通过提出磷素的影响指标，分析了磷素迁移运输，提出建立河岸缓冲带的有效措施。孟春红等［47］也提出建立植物过滤缓冲带的建议。Elliott等［48］提出缓冲带在提高地表水质方面的作用，解释了生物固体与矿物化肥、禽畜粪肥在磷潜在流失方面的差异性。

3．2．2 坡改梯

坡改梯工程是对坡耕地实施田（土）坎修筑、土层增厚、土地平整、坡面水系治理等工程，使之变为梯田（地），以达到土壤保土、保水、保肥，农作物高产、稳产的目的，是防治土壤养分流失的重要工程措施。高荣等［49］研究认为，针对贵州喀斯特山区，对于6°～25°的坡地尤其是耕地后备资源实施坡改梯以符合农业生产的现实需要，坡耕地是当地口粮与经济收入的主要来源，在无法将村寨住户迁出的情况下，对聚居地的山地耕作系统进行现代化改造、退耕的坡地上新修梯地或实施坡改梯。然而，由于资金、技术、聚居地等现实因素的问题，许多地区未实施或实施后效果甚微。

3．2．3 套种、间作以提高P的利用率

Kumar［50］和 Tarkalson［43］指出大豆、紫花苜蓿、甜菜等作物对降低磷流失有较好的效果，在土地利用方式上可以考虑套种等增加土壤中磷的利用率。王宁等［51］指出单一的土地利用结构更容易引起磷的流失，单纯的从地表覆盖度考虑磷流失是不够的，空间结构对磷流失也有显著的影响，植被外在的水土保持功能是其内部各个垂直层次截留降雨、拦蓄径流从而削减降雨侵蚀动能和径流冲刷作用的综合体现。可见，不同作物对磷的利用率不同，使用不同作物的间作、套种等方式，一方面充分增加作物对土壤中养分的吸收率，减少养分的流失；另一方面，从空间层次结构尺度上提高了植被覆盖度，减少水土流失。

3．2．4 田间管理措施

田间管理措施主要有灌溉、种植制度等。Sims［52］和Liu［53］等提出农业灌溉也是一个重要的磷输出途径，指出滴灌可以减少土壤磷的潜在流失，增加磷的利用率。王爱国等［54］研究认为改进耕作制度减少N、P流失，在坡耕地上，尤其在缓坡耕地上，合理布置不同的耕作管理措施，是减缓坡面径流，提高土壤入渗能力，控制水土流失和改善生态环境的有效措施。坡面上的直线耕作是引起土壤流失的重要原因。在坡地上开垦梯田，沿自然等高线进行等高线耕作能够大大减少土壤损失，可达50%以上。

3．2．5 完善政策管理机制

在农村用户调查中发现，大部分农民对土壤磷污染、水体富营养化没有概念，更达不到科学的认识。政府应该普及土地利用中磷流失有关科普知识，使人们意识到磷流失长期得不到控制，可以造成水体富营养化，对水生生物产生危害，威胁到人类的生命健康。应该加大资金和技术的支持，促进磷素在土地中合理高效的使用。如政府和农户按比例出资进行坡改梯，定期给予农户农作物种植和管理方面的技术指导。

如何减少和控制土壤中的磷含量和流失？一些学者在磷流失的政策管理方面提出了有效的解决方案。如：可以考虑把污染控制作为政策目标来实现，寻求跨部门的合作，致力于科学研究，建立水文观测系统和国家库存的非点源污染数据库［55］。Lemunyon 等 首 先 提 出 的 磷 指 数 系 统［56］（PIS，Phosphorus Indexing System）经 Sharpley 完 善后［57］，可根据各土地单元的磷潜在流失强度指数进行土壤磷素流失强度分级，对于强度高和很高的单元，作为农业非点源磷污染的重点控制区进行治理，它的优点是比较全面地考察了导致土壤磷素流失的主要因素，且简便有效。Sharpley［58］针对农业和畜牧业集约化程度高的欧洲和美国，提出对环境无公害的磷管理措施和理念，根据不同水域制定不同的水质目标，开发土壤测试决定农业径流中潜在磷量，建立引起环境问题的磷的临界值，改变动物性肥料的使用，采取系统管理措施减少径流和土壤侵蚀所造成的磷的流失。

4 总结

综上，尽管国内外学者在有关农业土地利用磷流失的问题上取得了不少成果，但是还存在几方面值得进一步深入研究：

（1）大部分磷流失研究只是对局部区域的研究，对较大尺度流域的研究相对较少，为未来研究提供的参考依据不是很全面。

（2）磷流失影响因素类型多样，每种影响因素机理不同，各因素之间相互联系，这对模拟磷流失的迁移运输有一定的困难。部分研究是在人工模拟条件下进行，与实地监测的结果是否一致有待研究，只能把模拟结果作为我们认识磷流失问题的一个参考。如在研究植被覆盖度对磷流失的影响研究是在人工模拟降雨条件下进行的；吴继国利用臭氧降解残留农药的研究并未对田间实际污染的蔬菜样品进行研究［41］；土地利用方式对磷流失的影响中对土地利用方式的划分没有明确的标准和依据。

（3）目前在磷流失控制措施的研究中，主要以合理施肥控制为主，提出的措施都倾向于农作物种类和搭配施肥等，其他的工程类控制措施很少。考虑到其执行力，是否能够大范围推广还有待研究。如防治水土流失、植物篱技术、坡改梯等措施的实施如果缺乏技术和资金的支持，很难在实践中推广。对农村生活垃圾的实际控制这一方面研究不多，大多处于对农村生活垃圾现状认知、支付意愿调查等方面。

（4）与国外研究相比，我国在对磷流失的管理政策方面需要完善和加强，应结合我国土地利用情况，开发新技术，提出新理念。

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