有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤磷素淋洗风险的影响

2016-10-20 05:51丁效东张士荣娄金华王智华李岩张磊王凯荣
生态环境学报 2016年7期
关键词:高碳盐渍化磷素

丁效东,张士荣,娄金华,王智华,李岩,张磊,王凯荣

有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤磷素淋洗风险的影响

丁效东1,张士荣1,娄金华2,王智华2,李岩2,张磊1,王凯荣1

1. 青岛农业大学资源与环境学院,山东 青岛 266109;2. 山东省东营市农业科学研究院,山东 东营 257091

针对滨海盐渍化土壤水稻种植过程中出现的磷素淋洗风险,采用田间微区试验,研究了不同用量有机肥和磷肥对滨海盐渍化土壤有效磷含量及磷素淋洗风险的影响。试验设磷肥与有机肥两个因素,3个磷(P2O5)水平,分别为P0:无磷,0 kg·hm-2;P1:低磷,64 kg·hm-2;P2:高磷,128 kg·hm-2。3个有机肥(碳)水平,分别为C0:无碳(有机肥0 kg·hm-2);C1:低碳,450 kg·hm-2(有机肥1 000 kg·hm-2);C2:高碳,900 k·hm-2(有机肥2 000 kg·hm-2)。共设7个处理:T1:无磷施用;T2:低磷;T3:高磷;T4:低碳低磷;T5:低碳高磷;T6:高碳低磷;T7:高碳高磷。结果表明,磷肥施用显著提高了土壤剖面中H2O-P、NaHCO3-P含量;低磷低碳处理下0~20 cm土层土壤中磷饱和度(DPS)较低磷处理低,其他土层土壤中磷饱和度无显著变化;而低磷高碳处理可显著提高40~60 cm土层土壤中磷饱和度,高于28.1%的临界饱和度;高磷低碳处理表层土壤有效磷含量为31.8 mg·kg-1,对整个剖面土壤中磷饱和度影响不大,磷素淋洗风险较小;而高磷高碳处理在提高表层土壤有效磷含量的同时,显著提高了20~40、40~60 cm土层土壤中磷饱和度,且均高于临界饱和度,导致整个土壤剖面具有很高的磷素淋失风险。在滨海盐渍化土壤水稻种植中,配施450 kg·hm-2C和64 kg·hm-2P2O5(碳磷比为15.1)时,磷素淋洗风险较低,而过量施用磷肥和有机肥将导致土壤磷素淋洗,利用效率降低。

盐渍化土壤,水稻,有效磷,淋洗风险

引用格式:丁效东, 张士荣, 娄金华, 王智华, 李岩, 张磊, 王凯荣. 有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤磷素淋洗风险的影响[J]. 生态环境学报, 2016, 25(7): 1169-1173.

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水稻土是不同母质土壤经长期水耕熟化而逐步形成的具有特定属性的一类重要的农业土壤。在黄河三角洲地区,由于盐渍化土壤剖面结构单一,土壤保肥能力较差,加之水稻种植过程中采用“深灌-大排”式的灌溉洗盐降渍,加剧了农田磷素养分流失,对水体环境造成威胁(王卓然等,2016)。在土壤肥力较低时,作物高产需要施用较高量肥料,大量施肥对环境胁迫并不突出,但是滨海盐渍化土壤水稻种植中施用大量化肥,特别是磷肥,加之该类土壤由于其特殊的成土特性,对磷素固持能力较弱,导致磷淋洗现象严重(夏瑶等,2002),对生态环境造成了较大威胁。

滨海盐渍化土壤中有机质含量较低,随着水稻种植面积扩大,近年来施用过量有机肥现象严重。研究表明,有机肥施用量一般是按作物所需氮量计算,易造成磷素过量施用,且没有考虑土壤供碳、磷水平(曹志洪,2003),加之有机肥对特定土壤磷素的影响较大,磷肥增产与农田磷的环境风险矛盾日趋凸显(何园球等,2006)。在保肥性低的滨海盐渍化土壤中,土壤碳磷比的调控对磷素周转过程及磷素淋洗风险的影响研究鲜见报道。针对上述科学问题,本研究通过在水稻种植中施用不同配比的有机肥和磷肥,分析水稻收获后0~80 cm剖面深度土壤中有效磷含量变化及磷素淋洗风险,以期为滨海盐碱地水稻高产稳产的施肥提供理论依据,同时为降低盐渍化土壤磷素淋洗风险提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1试验材料

试验地点位于黄河三角洲垦利县李王村。土壤类型为轻度盐渍化滨海潮土,土壤质地为砂质壤土(根据卡庆斯基制),<0.25 mm细沙粒为61.7%;土壤含盐量0.29%,pH 8.1,有机质8.4 g·kg-1,全氮1.12 g·kg-1,全磷340 mg·kg-1,全钾1.10 g·kg-1,速效磷17.0 mg·kg-1,速效钾229.0 mg·kg-1。水稻为一季春稻品种“圣稻14”。播种方式为插秧栽培方式,每穴插秧5株,行距13 cm,株距25 cm。供试肥料为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O516%)、硫酸钾(含K2O 50%)、有机肥(45%C、2.4%N、1.6%P、1.4%K)。

1.2试验设计

试验设双因素处理,即施磷与施碳(有机肥)。磷(P2O5)设3个水平:(1)无磷,0 kg·hm-2;(2)低磷,64 kg·hm-2;(3)高磷,128 kg·hm-2。碳(有机肥)设3个水平:(1)无碳,不施有机肥;(2)低碳,450 kg·hm-2,即施用有机肥1000 kg·hm-2;(3)高碳,900 kg·hm-2,即施用有机肥2000 kg·hm-2。共设7个处理:T1:无磷施用;T2:低磷;T3:高磷;T4:低碳低磷;T5:低碳高磷;T6:高碳低磷;T7:高碳高磷。每个处理重复3次,按随机区组排列。小区面积15 m2(3 m×5 m)。小区之间用5 mm厚的PVC塑料板材隔开,PVC隔板宽度40 cm,嵌入土表以下20 cm,土表以上保留20 cm。区组之间设置60 cm宽的排灌沟,排灌沟中央开挖宽度和深度各25~30 cm的走水沟,走水沟两边各留15 cm宽度的土埂作为PVC隔板的护壁,全部小区实行单排单灌。PVC隔板小区划分后,于5月10日进行第一次灌水洗盐,5月24日进行第二次灌水洗盐后,于6月10日进行施肥、插秧。除不施肥处理外,各处理水稻生长季氮素(N)总施用量为255 kg·hm-2,钾素(K2O)总施用量为229 kg·hm-2。其中,氮肥分基肥(插秧前施肥)、分蘖肥(分蘖初期面施)、穗肥(幼穗分化期面施)和粒肥(抽穗期面施)施用,施用量分别为40%、20%、20%和20%;磷肥全部作基肥;钾肥分两次施用,基肥和穗肥各50%;分蘖肥施用硫酸锌7.5 kg·hm-2。

1.3样品采集

在土壤灌水翻耕前采集0~20 cm耕层土壤,随机采5点,混匀后根据四分法取土壤样品1 kg左右,风干过2 mm筛装入塑料封口袋中进行土壤理化性质测定。

在水稻收获时每个处理采集0~20、20~40、40~60、60~80 cm土层土壤,风干过2 mm筛后保存,用于土壤Olsen-P、H2O-P、H2O-C、M 3-P、M 3-Ca和M 3-Mg含量测定(鲁如坤,2000)。

1.4测定方法

土壤中Olsen-P、H2O-P测定:Olsen-P用0.5 mol·L-1NaHCO3(pH=8.5)溶液提取(土水比1∶20)后采用钼锑抗比色法测定(Olsen et al.,1954)。H2O-P用0.01 mol·L-1CaCl2溶液提取(土水比1∶5)后采用孔雀绿比色法测定(Schofield,1955;Hesketh et al.,2000)。

磷饱和度(DPS)计算公式如下:

DPS=M 3-P/(0.039M 3-Ca+0.462M 3-Mg)×100%

上述公式参考了薛巧云(2013)对北方和西北地区75个石灰性土壤研究的结果,其临界饱和度为28.1%,即当土壤饱和度超过28.1%,磷素的淋失风险显著提高;M 3-P、M 3-Ca、M 3-Mg分别为先用M 3浸提液提取(土水比1∶10)再用ICP测定的土壤P、Ca、Mg的质量摩尔浓度(mmol·kg-1)。

土壤水溶性碳(H2O-C)测定:称取12.5 g干土,置于250 m L三角瓶中,加入蒸馏水50 m L,振荡20 m in,保持在室温中并间歇振荡2~3次,平衡24 h后再次振荡,置于50 mL的离心管中,离心后上清液过0.45 μm滤膜,滤液用TOC分析仪进行测定。

1.5数据分析

采用SPSS 22.0软件对数据进行单因素显著性检验(SAS Institute Inc.,1989)。采用LSD法在P=0.05和P=0.01水平进行多重比较。

2 结果与分析

图1 有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤不同深度土壤水溶性磷含量的影响Fig. 1 Effects of combined organic manure and phosphorus fertilizer on H2O-P (a) content in different depth of soil in coastal saline soil

2.1有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤水稻根际土壤水溶性磷含量的影响

从图1可知,磷肥施用提高了土壤水溶性磷及有效磷含量。从碳添加对水溶性磷含量影响来看,在低磷水平下,低碳处理(T4)下0~20 cm土壤中水溶性磷含量较高,显著高于无碳处理(T2);而随着土壤剖面深度的增加,土壤水溶性磷含量降低,显著低于无碳处理(T2)。高磷处理时,低碳处理(T5)中0~20 cm土壤水溶性磷含量与无碳处理(T3)无显著差异,两者均低于高碳处理(T7);但是随着土壤剖面深度增加(20~40 cm),低碳处理(T5)土壤水溶性磷含量显著高于高碳处理;在40~60 cm土壤中,低碳处理(T5)与高碳处理(T7)土壤水溶性磷含量无显著性差异,但是两者均显著高于无碳处理(T3);在60~80 cm土壤中,不同碳添加水平之间表现出相同的趋势,但是该土层土壤水溶性磷含量显著低于40~60 cm土层。

上述结果表明,在滨海盐碱地高磷投入时,低碳投入将减少表层土壤水溶性磷含量,而高碳投入将增加表层土壤水溶性磷含量,可减少其淋洗风险。低磷投入时,低碳投入将提高表层土壤水溶性磷含量,减少水溶性磷淋洗,而高碳投入将增加深层土壤水溶性磷含量。

2.2有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤水稻根际土壤NaHCO3-P含量的影响

从图2可知,磷肥施用显著提高了土壤NaHCO3-P含量。低磷水平时,低碳处理(T4)0~20 cm土层土壤NaHCO3-P含量较高,显著高于无碳(T2)和高碳(T6)处理;随着土壤剖面(20~40 cm)深度增加,无碳处理(T2)NaHCO3-P含量降低,显著低于低碳处理(T4),而后者又低于高碳处理(T6)。高碳处理对0~20 cm与20~40 cm土层土壤NaHCO3-P含量无显著性影响,而低碳处理时,随着剖面深度增加,NaHCO3-P含量减少;但无论低碳或高碳处理,两者在整个剖面土壤中的NaHCO3-P含量均显著高于无碳处理(图2)。在40~60 cm土层土壤中,高碳处理(T6)NaHCO3-P含量与无碳处理(T2)无显著性差异,但是两者均显著高于低碳处理(T4)。在60~80 cm土层土壤中,3个碳水平之间土壤NaHCO3-P含量无显著性差异,但均显著低于40~60 cm土壤。

图2 有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤不同深度土壤NaHCO3提取态磷含量的影响Fig. 2 Effects of combined organic manure and phosphorus fertilizer on NaHCO3-P content in different depth of soil in coastal saline soil

与低磷处理相比,相同土层土壤中NaHCO3-P含量在高磷处理下显著增加;低碳(T5)与高碳(T7)处理对0~20 cm土层土壤中NaHCO3-P含量无显著性影响,但其含量均显著高于无碳处理(T3);随着土壤剖面深度增加(20~40 cm),低碳处理(T5)土壤NaHCO3-P含量显著低于无碳处理(T3),而后者又显著低于高碳处理;高碳处理时0~20 cm与20~40 cm土壤NaHCO3-P含量无显著性差异,而低碳处理时20~40 cm土层土壤NaHCO3-P含量显著低于0~20 cm土层。

与20~40 cm土层土壤比较,高磷水平下,低碳处理(T5)提高了40~60 cm土层土壤NaHCO3-P含量,而高碳(T7)、无碳(T3)处理使40~60 cm土层土壤中NaHCO3-P含量降低;无论是低碳或高碳处理,两者在40~60 cm土层土壤中NaHCO3-P含量均显著高于无碳处理(T3);相对于40~60 cm土层土壤,3个碳水平处理均降低了60~80 cm土层土壤中NaHCO3-P含量,但是高碳处理(T7)下40~60 cm土层土壤中NaHCO3-P含量仍显著高于低碳(T5)、无碳(T3)处理。

上述结果表明,在滨海盐碱地高磷投入时,尽管高碳投入能够提高表层土壤有效磷含量,但磷素淋洗风险较高,而低碳投入能够维持表层土壤有效磷含量,减少磷素淋洗风险。

2.3有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤水稻根际土壤水溶性碳含量的影响

从图3可知,与对照(不施用磷,T1)相比,低磷(T2)、高磷(T3)处理均显著提高了土壤水溶性碳含量,而高磷处理(T3)下0~60 cm深度土壤中水溶性碳含量显著高于低磷处理(T2)。相对于无碳处理,碳添加处理显著提高了土壤水溶性碳含量;低碳条件下,低磷处理时0~60 cm深度土壤中水溶性碳含量显著高于高磷处理;高碳条件下,低磷处理时0~60 cm深度土壤中水溶性碳含量显著低于高磷处理。

图3 有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤水稻剖面土壤水溶性碳含量的影响Fig. 3 Effects of combined organic manure and phosphorus fertilizer on soil H2O-C content in different depth of soil in coastal saline soil

2.4有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化土壤不同深度土壤磷饱和度的影响

由表1可知,无碳添加时,与不施磷相比,施磷肥显著提高0~20、20~40 cm土层土壤中磷饱和度(DPS);与低磷处理相比,高磷处理显著提高40~60 cm土层土壤中磷饱和度(DPS);低磷处理时,整个土层土壤磷饱和度(DPS)均低于20%,表明低磷投入磷素淋洗风险较小;而高磷处理时,0~20、20~40 cm土层土壤中磷饱和度(DPS)均超过了28.1%,磷素淋洗强度较大。

表1 有机肥与磷肥配施对滨海盐渍化不同深度土壤磷饱和度的影响Table 1 The phosphorus saturation degree (DPS) of different soil layers from the coastal saline soils with organic fertilizer and phosphorus fertilizer treatments

低磷处理时,与不添加碳相比,低碳处理使0~20 cm土层土壤磷饱和度(DPS)降低,其他土层土壤中磷饱和度(DPS)无显著变化;而高碳处理显著提高了40~60 cm土层土壤中磷饱和度(DPS)(33.4%),且超过了28.1%,导致了该层土壤具有较高的磷素淋洗风险。高磷处理时,与不添加碳相比,低碳处理对整个剖面土壤中磷饱和度(DPS)影响不大;高碳处理对0~20 cm土层土壤中磷饱和度(DPS)无显著性影响,但显著提高了20~40、40~60 cm土层土壤中磷饱和度(DPS),且超过了28.1%,导致整个土壤剖面具有很高的磷素淋失风险。

3 讨论

农业土壤作为生态系统中最重要的一环,土壤缺磷将会对作物造成减产影响,同时也会影响作物品质。施磷是提高稻田土壤磷素含量,改善土壤供磷能力的重要措施(周卫军等,1995)。而土壤磷素含量受土壤母质、磷肥施用量及有机质含量影响较大。本研究发现,磷肥施用显著提高了表层土壤水溶性磷含量(图1);H2O-P和NaHCO3-P是植物和水生生物可利用的磷素,为活性态磷,在土壤中具有更高的因淋洗或径流引起富营养化的风险。施用有机肥显著提高了该部分磷含量及其在全磷中的比例,增加了土壤磷饱和度,极大提高了土壤中磷素的移动性。本研究发现,在滨海盐碱地高磷投入时,低碳投入将减少表层土壤水溶性磷含量,而高碳投入增加了表层土壤水溶性磷含量,减少其淋洗风险(图1)。低磷投入时,低碳投入提高表层土壤水溶性磷含量,减少水溶性磷淋洗,而高碳投入可增加深层土壤水溶性磷含量(图1)。

大量研究证明,施用有机肥能够增加土壤中速效磷含量(张亚丽等,1998;王库等,2001),提高磷的移动性(Franzluebbers et al.,2002;Sharpley et al.,2004),使土壤磷淋溶增加(De Jager et al.,2005)。但遗憾的是,目前尚缺乏有关有机肥施用对我国滨海盐渍化磷素淋溶的阈值研究,或者说对淋溶风险的认识十分有限。研究表明,施用有机肥不仅活化土壤固有的磷素,而且能减弱土壤粘粒对磷素的吸附,减少土壤对磷的吸附量,降低吸附活化能常数,影响高能吸附阶段的磷吸附过程(甘海华等,1994)。在盐渍化土壤中,由于土壤剖面结构单一,土壤对磷素的保肥性较差,加之有机肥盲目施用,导致土壤磷素含量较低,且存在淋洗现象。在本试验条件下,450 kg·hm-2C与64 kg·hm-2P2O5配施时土壤有效磷含量维持稳定(22.2 mg·kg-1),而900 kg·hm-2C与128 kg·hm-2P2O5配施时,整个土壤剖面中土壤速效磷含量较高,显著高于其他处理时(图2),表明磷肥一次性施用后,由于盐渍化土壤对磷素的固持能力较弱,或由于机肥输入量较高时抑制了土壤对磷素的固持,导致磷素淋洗风险较大。在滨海盐碱地土壤中,高磷施用时,尽管高碳添加能够提高表层土壤有效磷含量,但磷素淋洗风险较高,而低碳添加能够维持表层土壤有效磷含量,减少磷素淋洗风险。

在低磷施用时,与不添加碳相比,低碳处理使0~20 cm土层土壤磷饱和度降低,其他土层土壤中磷饱和度(DPS)无显著变化(表1);而高碳处理显著提高了40~60 cm土层土壤中磷饱和度(DPS)(33.4%),且超过了28.1%,导致了该层土壤磷素淋洗。在高磷施用时,与不添加碳相比,低碳处理对整个剖面土壤中磷饱和度(DPS)影响不大;高碳处理对0~20 cm土层土壤中磷饱和度(DPS)无显著性影响,但显著提高了20~40、40~60 cm土层土壤中磷饱和度(DPS),且超过了28.1%,导致整个土壤剖面具有很高的磷素淋失风险。结果表明,在滨海盐渍化土壤中配施磷肥(P2O5,64 kg·hm-2)和有机肥(C,450 kg·hm-2)能够维持合适的土壤有效磷含量,且磷素淋洗风险较小。该有机肥与磷肥配施处理下(碳磷比为15.1),水稻产量并没有降低,且磷肥利用效率最高,表现出较小的土壤磷素淋洗风险;而随着有机肥施用量增加,土壤磷素淋洗风险加大,磷肥利用效率降低。

4 结论

在滨海盐渍化土壤中,磷肥施用显著提高了土壤剖面中H2O-P、NaHCO3-P含量。在高磷(P2O5,128 kg·hm-2)施用时,低碳(450 kg·hm-2)添加能够维持表层土壤有效磷含量,对整个剖面土壤磷饱和度影响不大,土壤剖面中磷素淋洗风险较小;而高碳(900 kg·hm-2)添加尽管能够提高表层土壤有效磷含量,但是显著提高了20~40、40~60 cm土层土壤中磷饱和度,且均超过了28.1%,导致整个土壤剖面具有很高的磷素淋失风险。低磷低碳处理在增加表层土壤有效磷含量的同时,对磷饱和度影响较小;而高磷处理及高碳处理在增加有效磷含量的同时,也提高了磷饱和度,增强了磷淋洗风险。从磷有效性和淋失风险角度考虑,轻度盐渍化滨海潮土水稻种植以低磷低碳处理为宜,即配施450 kg·hm-2C和64 kg·hm-2P2O5(碳磷比为15.1)。

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Effects of Com bined Organic M anure and Phosphorus Fertilizer on the Phosphorus Leaching Risk in Coastal Saline Soil

DING Xiaodong1, ZHANG Shirong1, LOU Jinhua2, WANG Zhihua2, LI Yan2, ZHANG Lei1, WANG Kairong1∗
1. College of Resources and Environment, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China;2. Dongying Academy of Agricultural Science, Dongying 257091, China

The study was mainly concentrated on the effect of organic manure and phosphorus fertilizer on the phosphorus leaching risk in coastal saline soil, which was to choose the best formula of the organic manure and phosphorus supply in the coastal saline soil for rice. The m icro zone test was adopted w ith two factors: phosphate fertilizer, 3 P (P2O5) levels: no P, 0 kg·hm-2, low P, 64 kg·hm-2and high P, 128 kg·hm-2; organic fertilizer, 3 C levels: no C, no organic fertilizer, low C, 450 kg·hm-2C (organic fertilizer 1 000 kg·hm-2) and high C, 900 kg·hm-2C (organic fertilizer 2 000 kg·hm-2). And 7 treatments w ere designed: T1: no P; T2: low P;T3: high P; T4: low C and low P; T5: low C and high P; T6: high C and low P; T7: high C and high P. The results show ed that H2O-P, NaHCO3-P in coastal saline soil significantly were increased w ith P fertilizer. In low phosphorus application, low carbon application decreased the degree of phosphorus saturation (DPS) in 0~20 cm soil, which had no effect on the soil DPS w ith other soils; and the high amount of carbon significantly increased the DPS in 40~60 cm soils, which was higher than the critical value 28.1%. In the high phosphorus application with low carbon addition treatment, could maintain the available phosphorus content (31.8 mg·kg-1) in surface soil, which led the phosphorus leaching risk was less. However, w ith high carbon added treatment, the soil available phosphorus was improved, meanwhile, the DPS in 20~40 and 40~60 cm soil was also significantly increased, which was more than the critical value 28.1% in the whole soil profile with high phosphorus leaching risk. In the coastal saline soil, the optimal application of the organic fertilizer and phosphate was 450 kg·hm-2C and 64 kg·hm-2P2O5(ratio of C and P was15.1), respectively,so that the phosphorus leaching risk was low, while the excessive application of phosphate fertilizer and organic fertilizer would lead to the soil phosphorus leaching and low utilization efficiency.

saline soil; rice; soil available P; phosphorus leaching risk

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.07.011

X14; S18

A

1674-5906(2016)07-1169-05

山东省现代农业产业体系水稻创新团队建设(栽培与土肥岗位SDAIT-17-05);山东省重点研发计划(2015GNC111014);国家自然科学基金项目(31201693);校高层次人才基金项目(1115028)

丁效东(1978年生),男,副教授,博士,主要从事土壤磷素高效循环利用研究。E-mail: xiaodongding2004@163.com∗通信作者:王凯荣(1959年生),男,教授,博士,博士生导师,主要从事农业生态与环境保护研究。E-mail: krwang1@163.com

2016-04-28

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中国高碳行业上市公司碳排放总量榜
甘肃苏干湖湿地土壤盐渍化、地下水位埋深及其对生态环境的影响
玛纳斯河流域土壤盐渍化时空动态变化
过硼酸钠对高碳烯烃的环氧化
作物高效利用土壤磷素的研究进展