水肥耦合条件下小麦田根系层土壤总磷迁移特征

苏 欣，李强坤，王军涛，胡亚伟

(黄河水利科学研究院，郑州 450003)

大量研究[1～6]表明，农业非点源污染已成为当前影响水体环境质量的主要因子。我国农业非点源污染的局面也非常严峻。世界银行的报道指出，中国地下水有将近50%被农业非点源污染，中国受农业非点源污染影响的耕地面积已近2 000 万hm2。据中国农业信息网公布数据核算，2007年我国使用化肥5 107 万t(折纯)，按当年农作物播种面积计算，农作物的平均化肥施用量为209.1 kg/hm2，是世界化肥平均用量的3倍之多。但我国化肥的利用率很低，其中磷肥为10%～20%[7]。目前，农田土壤中富集的磷以及当年施入的化肥是农业非点源污染形成的“源库”，而农田灌溉过程中的水分垂向运动，是磷从土壤圈向地下水圈迁移扩散的主要动力。因此，研究水肥耦合作用下小麦总磷运移特征，将为合理制定灌溉施肥措施提供科学依据，对提高农田水肥利用效率，减少总磷排放具有重要的现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本次试验选择在黄河水利科学研究院节水试验基地进行。该基地位于河南省新乡市，地处河南省北部，北纬35°18′，东经113°54′。属暖温带大陆性季风气候，多年平均气温14℃，年均湿度68%，最大冻土深度280 mm。多年平均降雨656.3 mm，年蒸发量1 748.4 mm，年平均风速为2.45 m/s。无霜期220 d，全年日照时间约2 400 h。新乡地处黄河、海河两大流域，平原占地总面积78%，土地肥沃、光热充沛。试验区地下水埋深3 m上下，地下水矿化度一般为2 g/L左右，土体含盐量0.2%左右，土壤容重按1.3～1.4 g/cm3控制，质地属于粉砂壤土。

1.2 试验设计

试验小区位于黄科院节水试验基地院内。每个试验小区面积为2 m×3.3 m，密度为60 000 株/hm2，行距66.7 cm，株距25 cm，随机区组排列，试验作物为冬小麦，品种为矮抗58。田间管理按高产田进行。

灌溉水采用当地地下水，施肥采用复合肥(江苏心实肥业集团有限公司)，其中含氮17%，含磷17%，则每50 kg含纯氮量8.5 kg，纯磷量8.5 kg。常规试验量是100 kg/hm2。试验中设置2个试验要素，即灌溉定额、施肥量。灌水设置2个处理，即：高水(7.6 mm)、低水(6.1 mm)，施肥设置2个处理，即：高肥(125 kg/hm2)、低肥(75 kg/hm2)，共计4个处理，各处理重复3次，各处理的各重复只测1次。2011-2012年度试验过程中控制地下水位在1.5 m。

根据当地农民种植习惯，冬小麦只进行一次底肥处理，在播种前直接翻到土里，在小麦生育期内视情况还会有2次追肥。小麦生育期内共灌水、施肥3次，试验于2011年10月14日播种，分别于2011年10月18日、2012年11月22日和2012年3月31日灌溉、施肥。

1.3 观测指标和方法

(1)土壤含水量：采用TRIME～IPH测量。其中0～20 cm表层土壤的平均含水量采用插针式水分测量仪(便携式)测量；20～110 cm深层土壤含水量通过TRIME探测仪器测量，分层深度为20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 cm。观测日期从2011年12月26日-2012年5月2日，每周测量1次。

(2)土壤中总P含量：利用黄科院节水与农业生态实验室的地下水抽取系统，抽取0～100 cm范围内每20 cm的土壤溶液及150 cm处地下水，采用钼酸铵分光光度法测量总磷P的含量，观测日期从2012年3月26日-2012年5月29日。每隔10 d观测一次，灌水前后各加测。

1.4 数据处理方法

试验数据分析采用Microsoft Excel、SPSS软件。项目实施过程中应用SPSS软件进行相关的统计分析，试验数据计算以及图表制作等利用Microsoft Excel软件完成。显著性水平为0.05(LCD)，所有数据在分析前均进行了方差同质性和正态性的检验。

2 结果分析

2.1 不同灌水量下土壤总磷运移特征研究

(1)高肥。0～100 cm范围内土壤总磷平均浓度动态变化过程见图1。从图1中可以看出，土壤总磷浓度呈现波浪形的变化趋势；低水处理的总磷浓度高于高水处理，测量期内平均高0.18 mg/L。

图1 0～100 cm土壤总磷平均浓度动态变化过程

图2 0～100 cm各层土壤总磷浓度分布

0～100 cm各层土壤总磷浓度分布见图2。从图2中可以看出，受灌溉及下渗等的影响，不同灌水处理的土壤总磷浓度在不同深度的变化范围较大，低水处理的变化范围更大。

0～100 cm各层土壤总磷浓度的t检验结果见表1。从检验结果来看，施肥处理相同时，不同灌水量对60～80、80～100 cm土壤总磷浓度有显著影响。可以得出：随着灌水量的增加，总磷浓度变小，总磷浓度与灌水量呈负相关关系。

(2)低肥。0～100 cm范围内土壤总磷平均浓度动态变化过程见图3。从图3中可以看出，土壤总磷浓度呈现波浪形变化趋势；低水处理的总磷浓度高于高水处理，测量期内平均高0.13 mg/L。

0～100 cm范围不同深度土壤总磷浓度变化过程见图4。从图4中可以看出，土壤总磷浓度随深度的增加逐渐降低，表层浓度较高，深层浓度较低。

表1 0～100 cm不同深度配对土壤总磷浓度t检验结果(显著水平=0.05)

图3 0～100 cm土壤总磷平均浓度变化过程

图4 0～100 cm各层土壤总磷浓度分布

0～100 cm各层土壤总磷浓度的t检验结果见表2。从检验结果来看，施肥处理相同时，不同灌水量对0～20、20～40cm处土壤总磷浓度有显著影响。通过相同施肥量下的总磷浓度实测数据可以得出：随着灌水量的增加，总磷浓度变小，总磷浓度与灌水量呈负相关关系。

表2 0～100 cm不同深度配对土壤总磷浓度t检验结果(显著水平=0.05)

2.2 不同施肥量下土壤总磷运移特征研究

(1)高水。小麦高水情况0～100cm土壤总磷平均浓度动态变化过程见图5。从图5中可以看出，不同施肥处理土壤总磷浓度变化趋势基本一致，均呈现波浪形的变化趋势，前期变化幅度比较大，后期逐渐减小趋于平稳。高肥、低肥条件下总磷浓度均值分别约为0.95、0.61mg/L。

图5 0～100 cm土壤总磷平均浓度动态变化过程

高水情况0～100cm不同深度土壤总磷浓度分布见图6。从图6中可以看出，总磷浓度在各土层中差异比较明显，不同施肥条件亦有很大差异。

图6 0～100 cm各层土壤总磷浓度分布

0～100cm各层土壤总磷浓度的t检验结果见表3。从检验结果来看，灌水处理相同时，不同施肥量对0～100cm内各层土壤总磷浓度有显著影响。可以得出：随着施肥量的增加，总磷浓度变大，总磷浓度与施肥量呈正相关关系。

(2)低水。低水情况下0～100cm土壤总磷平均浓度变化过程见图7。从图7中可以看出，不同施肥处理土壤总磷均呈波浪形变化趋势，不同处理间差距较小，高肥处理的土壤总磷浓度最高。

表3 0～100 cm不同深度配对土壤总磷浓度t检验结果(显著水平=0.05)

图7 0～100 cm土壤总磷平均浓度变化过程

图8 0～100 cm各层土壤总磷浓度分布

低水情况下0～100 cm各层土壤总磷浓度分布见图8。可以看出，总磷浓度在各土层中变化比较大，两种施肥条件下在20～40 cm、60～80 cm深度范围内差异较明显。0～100 cm各层土壤总磷浓度的t检验结果见表4。从检验结果来看，不同施肥量对40～60、60～80、80～100 cm深度范围内土壤总磷浓度有显著影响。

2.3 水肥耦合对不同土层总磷量的影响

土壤中磷素及各种存在形态与作物生长有密切关系。通常用全磷量作为土壤对作物供磷的潜力指标或土壤磷素的基础肥力。由图9可以看出，不同水肥耦合处理对小麦在不同土层的总磷量具有一定影响。不同深度处高肥比低肥条件下的总磷浓度稍高；高水条件下，土壤总磷量随土层的加深呈先降低后增加再降低的趋势，可能是水的冲刷作用将磷素淋溶到土层下部；根据实验结果可以得出，总磷主要富集在0～20、40～60、60～80 cm土层处。

表4 0～100 cm不同深度土壤总磷浓度配对t检验结果(显著水平=0.05)

图9 0～100 cm各层土壤总磷平均浓度分布

3 结 论

(1)灌水量的多少与0～100 cm土壤(水)总磷平均浓度呈现显著的负相关关系，施肥量的高低与0～100 cm土壤(水)总磷平均浓度呈现显著的正相关关系。

(2)不同水肥耦合处理对小麦在不同土层的总磷量具有一定影响。不同深度处高肥比低肥条件下的总磷浓度稍高；高水条件下，土壤总磷量随土层的加深呈先降低后增加再降低的趋势，总磷主要富集在0～20、40～60、60～80 cm土层处。

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