亚热带稻田土壤有效磷饱和容量及氮磷淋失

刘 海， 邹冬生, 吴金水， 肖和艾

(1.湖南农业大学 生物技术科学学院，湖南 长沙 410128；2.中国科学院 亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125)

亚热带稻田土壤有效磷饱和容量及氮磷淋失

刘 海1,2， 邹冬生1, 吴金水2， 肖和艾2

(1.湖南农业大学 生物技术科学学院，湖南 长沙 410128；2.中国科学院 亚热带农业生态研究所，湖南 长沙 410125)

随着施肥量的增加和农业土壤磷的不断积累，农田磷有明显向土壤深层淋失的现象.前人研究表明我国亚热带区在高强度农业生产和大量施用化肥的作用下，已成为农业面源污染和环境富营养化最为严重的地区.本文拟以中国亚热带区典型代表性稻田为研究对象，通过典型区域耕作土壤调查、室内模拟测定、原状土柱试验和田间定位观测等方法相结合，评估亚热带耕作土壤磷素淋失环境风险.研究表明：1)稻田土壤有效磷饱和容量区域差异较大；2)长沙红壤稻田土壤有效磷饱和容量(47.6 mg/kg)显著高于湘阴湖积物稻田(39.2 mg/kg)；3)施用牛粪可显著提高稻田土壤pH值，更够防止稻田土壤酸化和控制污染稻田土壤重金属的活性.图10，表2，参21.

磷素淋失； 临界值； 耕作土壤； 亚热带

长期的大量施肥导致中国耕地土壤氮磷面源污染日益严重，已成为水体氮磷富营养化的主要来源之一.到目前为止，国内大部分的研究集中于土壤中磷淋失，对土壤中有效磷饱和容量的研究及影响土壤有效磷饱和容量的因素及作用机理分析较少.在中国亚热带区长期以来水稻田普遍存在超量施用化学磷肥的问题，磷素投入量远高于作物带出的磷量，导致农田生态系统中磷素盈余，使土壤(尤其是耕层)处于富磷状态，从而加速土壤磷素向水体迁移[1].化肥是中国磷投入的最主要途径，占磷投入的50%[2].在许多地区，土壤中磷的盈余导致磷迁移造成的水体富营养化为主的农业面源污染日益严重，湖泊水体中的磷有50%以上来源农业面源污染[3].土壤对磷的固定和释放能力过程决定着土壤中活性磷的数量和行为[4-5]，这也是近年来农业和环境科学领域许多科学家致力研究的课题.

目前，中国亚热带东中部地区(湖北、湖南、安徽、江苏、浙江、上海等)耕地的单位面积化肥(氮磷)平均施用量普遍超过400 kg/hm2，最高达800 kg/hm2，超过国际安全施肥标准上限1～3倍.该地区农业面源污染更为严重，一些地区水体(如太湖、巢湖等)已出现了较为严重的富营养化现象，并且呈不断加剧趋势.随着中国经济的发展，养殖业的发展，畜禽粪便氮、磷产生量均呈上升趋势，从1978年到2011年分别增加了1.39倍和1.66倍，至2011年分别达到1 419.76万t和247.98万t.2011年，中国大部分地区或省份畜禽实际养殖量已经超过50%环境容量，氮、磷污染风险较高的地区主要分布于山东、北京、湖南、湖北、广东、广西、辽宁、天津、河北、福建、河南和海南等东部沿海经济发达省份[6]，大量畜禽粪便直接排入水体或者农田，严重污染地表水与地下水，并形成土壤污染.畜禽粪便含有大量的磷素，通过堆肥发酵等方式返回农田，形成农业有机肥，对于农业高效生产、减少肥料用量、控制磷素环境污染和节能减排等方面都具有重要的意义[7].

前人研究表明，我国不同类型的土壤中全磷含量在0.31～1.72 g/kg，有效磷含量在0.1～228.8 mg/kg.土壤母质、理化性质和施肥方式是影响农田土壤磷素有效性的主要因素，未来应注重有机肥和化肥的混合施用以提高农田土壤磷素有效性，并关注可能导致的环境影响以及亚热带区典型县稻田土壤有效磷含量状况[8].笔者通过在湖南省长沙县金井镇和湘阴县泥湖镇野外的田间试验，以养殖业动物粪便与人工化肥混合施用为方法，以降低养殖业废污中磷素直接产生的污染，同时减少人工化肥磷素施用所产生的问题，探寻养殖业废污物与化肥混合合理施用方法，以期使得稻田土壤有效磷饱和容量达到最大值，从而实现环境效益与经济效益的双赢.

1 材料与方法

1.1 区域调查方法

选择湖北省浠水县、潜江市、湖南省桃源县、桂阳县、武冈市、广西区兴安县、武鸣县、广东省英德市、高州市、台山市等共10个典型县，根据土壤母质和土地利用方式(旱地和稻田)比例大小，每个典型县选择主要类型土壤70个采样点，调查采样点土地管理，每个采样点采集表层(0 ～ 20 cm)土壤，分析土壤容重、颗粒组成(沉降法，三级)、pH、有机质、全量NPK、速效磷、速效钾、CEC等指标.

1.2 野外田间试验

田间试验1：试验时间为2013年，试验地点为湖南省湘阴县白泥湖乡，共设9个处理：不施肥(CK)、施NPK(N200、P100、K100 kg/hm2)、NPKw(常规灌溉)、NKM(N85、K60 kg/hm2、猪粪相当干重2 719 kg/hm2)、1M(猪粪相当干重4 728 kg/hm2，下同)、2M(9 456 kg/hm2)、4M(18 912 kg/hm2)、 6M(28 368 kg/hm2)、8M(37 824 kg/hm2).每个处理3次重复，小区面积20 m2.除NPKw外，其余8个处理干湿交替灌溉.品种超级杂交稻H1518，作中稻栽培，5月11日播种、6月13日插秧、9月12日收获.收获时，取小区地下80 cm处水样测定分析测定全磷、有效磷和铵态氮含量；并取小区0～20 cm土样，风干制样后测定土壤有效磷含量，并测定土壤有机质、全氮、全磷、碱解氮.并测定水稻产量.

田间试验2：试验时间2015年，试验地点为湖南省长沙县金井镇，共设8个处理：对照(CK)、施NPK(尿素、过磷酸钙、氯化钾，施用量为N13.3、P6.7、K6.7 kg/亩)、1倍牛粪(1M，含水量80%的牛粪5 000 kg/亩，相当于N13.3、P4.7、K2.5 kg/亩)、2倍牛粪(2M，牛粪量为1M的2倍)、3倍牛粪(3M，牛粪为1M的3倍)、NP4K(P施用为NPK处理的4倍，NK施用同NPK)、NP6K(P施用为NPK处理的6倍，NK施用同NPK)、NP8K(P施用为NPK处理的8倍，NK施用同NPK).品种为玉针香(优质稻)，作中稻种植，5月中旬播种，6月中旬插秧，9月中旬收获，灌溉为常规方法.收获时，每个小区取0～20 cm土壤，风干制样后测定土壤有效磷含量、pH值.并测定水稻产量(注：1亩=667 m2).

1.3 统计分析方法

采用Excle2010以及Origin8.0分析处理数据与图片.

2 结果与分析

农业土壤中，无机态磷是主体，一般占土壤磷库的60%～80%[9].无机态磷又包括矿物态磷、吸附态磷和土壤溶液中的磷，植物吸收的磷主要来自土壤溶液中的磷.有机磷是土壤磷库的重要组成部分，然而大部分有机磷却不能被植物直接吸收利用，只能通过矿化分解间接为植物提供磷素[10].

2.1 区域调查结果分析

对亚热带区10县(市)2012年采集主要稻田土壤有效磷含量进行分析，结果表明：浠水、桃源稻田土壤有效磷含量主要分布为< 5 mg/kg，分别占56%和75.6%(表1)，其次为5 ～ 10 mg/kg，分别占32%和17.8%；潜江主要分布于5 ～ 10和10 ～ 20 mg/kg，分别占42.9%；武冈主要分布于5 ～ 10和<5 mg/kg，分别占64.3%和23.8%；桂阳主要分布于20 ～ 30和30 ～ 40 mg/kg，分别占39.3%和28.6%；兴安主要分布于5 ～ 10和10 ～ 20 mg/kg，分别占31.0%和27.6%；武鸣主要分布于5 ～ 10、10 ～ 20和20 ～ 30 mg/kg，分别占35.0%、20%和20%；英德于10 ～ 20和5 ～ 10 mg/kg，分别占50%和17.9%；高州主要分布于10 ～ 20、70 ～ 90和20 ～ 30 mg/kg，分别占21.1%、18.4%和15.8%；台山主要分布于10 ～ 20、5 ～ 10和20 ～ 30 mg/kg，分别占32.6%、16.3%和16.3%.若设土壤有效磷含量50 mg/kg为稻田土壤饱和容量，那么浠水、潜江、桃源、武冈等稻田土壤磷素迁移风险较少；而桂阳、兴安和武鸣等应控制磷肥施用，英德、高州、台山等应严格控制磷肥施用.

表1 亚热带区10个典型县稻田土壤有效磷含量分布频率(%)

为探讨我国亚热带区旱地土壤有效磷含量状况，对浠水、潜江、桃源、武冈、桂阳、兴安、武鸣、英德、高州、台山等县(市)2012年采集的典型代表性旱地表层(0 ～ 20 cm)土壤有效磷含量进行了分析，结果表明：浠水、潜江、桃源、英德4个县旱地土壤有效磷含量分布在5 ～ 20 mg/kg之间的分别占71.0%、60.6%、55.5%、61.2%(表2)，而小于5 mg/kg分别占25.8%、27.3%、33.3%、32.3%，说明这4个县旱地近1/3土壤严重缺磷.武冈和桂阳旱地土壤有效磷含量主要分布在5 ～ 30 mg /kg之间，分别占88.9%和84.0%.兴安和武鸣分布在5 ～ 30 mg/kg之间的分别占72.0%和68.6%，而小于5 mg/kg分别占12.0%和20.0%.高州旱地土壤有效磷含量大于50 mg/kg占62.5%.台山旱地土壤有效磷含量分布在5 ～ 20 mg/kg之间的占80%.除高州县旱地土壤存在一定的磷素淋失风险外，其他9个县的旱地土壤磷素淋失风险较小.高州旱地土壤有效磷含量较高应严格控制旱地磷肥施用.

表2 亚热带区10个典型县旱地土壤有效磷含量分布频率(%)

2.2 野外田间试验结果分析

1)2013年湘阴县泥湖镇野外田间试验结果分析.湘阴稻田田间小区试验(田间试验1)结果表明：稻田地下水全磷含量如图1，CK、NPK、NPKw、NKM和1M地下水全磷含量基本相同，为P 0.044 ～ 0.049 mg/L，借鉴我国地表水标准(湖、库)分类为Ⅲ类水；2M、4M和6M处理比CK高12.7% ～14.6%，8M处理比CK高23.8%，借鉴同上标准均为Ⅳ类水.施NPK、NPKw、NKM、1M和2M处理地下水有效磷含量比CK增加1.5 ～ 2.3倍(图2)，4M、6M和8M处理比对照高2.6 ～ 3.6倍.说明施肥导致稻田地下水全磷和有效磷含量提高.除NPKw地下水氨氮含量较低外，施NPK、NKM、1M处理氨氮含量与CK基本相同，为0.32 ～ 0.34 mg/L(图3)，均属于国家地下水标准的Ⅳ类水；2M处理氨氮含量比CK高51.7%，也属Ⅳ类水；4M、6M和8M处理氨氮含量为0.62 ～ 0.83 mg/L，比CK高95.8% ～ 163%，属Ⅴ类水.说明施肥对地下水氨氮的影响较大.

表层(0 ～ 20 cm)土壤有效磷含量，CK处理为5.4 mg/kg(图4)，到4M处理时为37.8 mg/kg，此后随着施肥量增加有效磷含量基本稳定，由此推测，稻田土壤有效磷含量具饱和容量现象；经各处理施入磷量与土壤有效磷含量进行二段线性拟合，该试验稻田土壤有效磷饱和容量为39.2 mg/kg(图5).稻谷产量以2M处理最高，为520 kg/亩(图6)，比施NPK增产5.0%.综上所述，试验稻田施猪粪(干重)9 456 kg/hm2时，稻谷产量最高，土壤氮磷淋失风险较低.

图1 各处理稻田地下(80 cm)水的全磷含量Fig.1 The phosphorus contents in the groundwater (80 cm ) of the treated rice fields

图2 各处理稻田地下水的有效磷含量Fig.2 The effective phosphorus contents in the groundwater of the treated rice fields

图3 各处理稻田地下水的氨氮含量Fig.3 The ammonia nitrogen contents in the groundwater of the treated rice fields

图4 各处理稻田表层土壤有效磷含量Fig.4 The effective phosphorus contents in the upper soil of the treated rice fields

图5 各处理施磷量与土壤有效磷含量拟合Fig.5 The contrast between the treated execution of phosphorus amounts and the effective phosphorus contents in soil

图6 各施肥处理的稻谷产量Fig.6 The output of rice after the treatment of application of fertilizer

2)2015年，金井镇野外田间试验结果分析.长沙稻田田间小区试验(田间试验2)结果表明，稻田表层(0 ～ 20 cm)土壤有效磷的含量随磷(P)肥施用量的增加而增加，M3和NP4K处理时土壤接近有效磷含量是土壤有效磷含量接近饱和含量(图7)，经各处理施入磷量与土壤有效磷含量进行二段线性拟合，得到该稻田土壤有效磷饱和容量为47.6 mg/kg(图8)，当土壤有效磷含量到达此值后施入磷肥将造成严重磷素淋失风险，可见红壤稻田高于2013年在湖区(湘阴)稻田的土壤有效磷饱和容量(39.2 mg/kg).对于土壤PH的影响上，施牛粪1M、2M、3M处理比常规处理NPK (pH=4.81)分别提高了0.55、0.76、1.25(图9)，提高幅度分别为：11.4%、15.8%、26.1%，表明施牛粪提高酸性红壤稻田土壤pH值.施1倍牛粪(1M)处理的小区水稻产量与施NPK处理的基本相同(图10)，施2倍牛粪(2M)和3倍牛粪(3M)处理小区水稻产量略高于施NPK处理，但是3M处理水稻出现倒伏现象.优质稻施含水量80%的牛粪量以5 ～ 10 t/亩处理量较为合适，能够在不施化肥条件下确保水稻产量.

图7 各处理表层土壤有效磷含量Fig.7 The effective phosphorus contents treated upper soil.

图8 各处理施磷量与土壤有效磷含量拟合Fig.8 The fitting of the treated treated execution of phosphorus amounts and the effective phosphorus contents in soil.

图9 各施肥处理表层土壤pH值变化Fig.9 The pH data of the upper soil in the after the treatment of application of fertilizer.

图10 各施肥处理稻谷产量Fig.10 The output of rice after the treatment of application of fertilizer.

3 讨 论

土壤中的磷元素形态分为三大类，分别为土壤有机质内的有机磷、无机磷，存在于钙、镁、铁、铝及粘粒结合的磷、存于生命体中的有机及无机磷.能被植被直接利用的是无机磷形态，即土壤的有效磷.土壤中的有机质中的有机磷受土壤微生物的分解，转化为无机磷，这是有机磷的矿质化作用[11].因此土壤中有效磷的含量受土壤物理性质和微生物活动影响深刻[12，13].在田间试验中，猪粪和氮肥和钾肥混合施用，牛粪与化肥混合施用，同样可以达到氮磷钾肥混合施用的效果.猪粪的施用会改变土壤的一些物理性质，比如增加土壤的空隙度和疏松度，同时还会增加土壤的有机质，改善微生物的生存环境，在一定的范围内使得土壤主要营养元素矿化程度提高，提高土壤的各主要营养元素的饱和容量[14、15].土壤中微生物分为好氧和厌氧两大类，仅有土壤环境达到彼此生境最优的时候，土壤中的各类主要营养元素才能达到饱和容量.因此当猪粪的施用量进一步增加时，土壤中有效磷的含量并没有增加，而是稳定在这个最大值.化肥基础上的有机物循环利用促进了土壤中磷素的活化,改善了磷素肥力水平[16].

王采绒，任可爱等在洞庭湖地区的实验结果表明土壤吸持磷的能力是有限的，对于特定的土壤来说，随着其吸磷量增多，土壤吸持磷的饱和程度逐渐提高，但土壤中磷含量始终有上限[17,18].亚热带地区是我国水稻种植的主要区域，农业生产过程中过度使用磷肥已经成为亚热带地区水体磷素污染的主要来源之一.稻田土壤有效磷含量以及饱和容量受到土壤本身理化性质影响，以及微生物作用的影响[19].稻田土壤中磷素的含量达到最大值后，土壤本身就不能继续容纳磷素，而多余的磷素将会随着土壤孔隙在流水的作用下淋失，进入地下水、河流和湖泊中[20].因此，探讨将养殖业的废物与化肥的结合使用，提高土壤中的磷素容纳量已经减少土壤中磷素流失有重要意义.

许晓光等人认为稻田灌溉水源对土壤氮磷淋失动态变化有明显的影响[21]，因此该次实验不足之处在于缺少对试验田土壤基础理化性质的调查，同时还缺少对实验田中灌溉水源中磷素的监测与灌溉水源磷素输入总量的计算，给实验结果带来了一些误差，因此在之后的野外试验中，对于稻田土壤元素的检测，应当增加对灌溉水源中各种元素的监测与通量计算，以求得更精准的实验结果.

4 结 论

该文通过区域调查、室内模拟试验和田间小区试验研究了亚热带典型耕作土壤有效磷含量特征、田间条件下土壤氮磷素淋失状况.建立了稻田小区施肥田间试验、稻田土壤氮磷淋失监测和稻田土壤有效磷饱和容量，得出以下主要结论：

1)区域调查研究表明典型县稻田土壤有效磷含量区域差异较大，这是由于成土母质、区域小气候影响成土过程以及长期不同田间施肥和管理方式不同所引起的结果.

2)稻田田间小区试验结果表明，稻田土壤磷素淋失量较小，在亚热带稻田耕作管理方式和土壤条件下，当磷肥施用量到达一定量时稻田土壤有效磷可到达有饱和容量，田间试验结果拟合表明长沙红壤稻田土壤有效磷饱和容量(47.6 mg/kg)显著高于湘阴湖积物稻田(39.2 mg/kg).

3)田间小区试验结果还表明，施用牛粪可显著提高稻田土壤pH值，对于防止稻田土壤酸化和控制污染稻田土壤重金属的活性等方面都具有重要意义.

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Biography：LIU Hai,male,born in 1991,master,circular agriculture.

Efficient P Saturation Content and N,P Leaching in Subtropical Paddy Field

LIU Hai1,2, ZOU Dong-sheng1, WU Jin-shui2, XIAO He-ai2

(1.Biotechnology and Science Institute,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China;2.Institute of Subtropical Agricultural Ecology of Chinese Academy of Sciences,Changsha 410125,China)

With the increase of fertilizer application and the accumulation of phosphorus in agricultural soil,there was a significant leaching of soil phosphorus into the deep soil.Previous studies have shown that the subtropics zone in China has been the grave agricultural non-point source pollution and the environmental eutrophication under the action of high intensity agricultural production and extensive application of chemical fertilizers.This paper intends to study the typical representative rice fields in the subtropics zone in China though the combination of typical regional tillage soil survey,indoor simulation,undisturbed soil test and field location observation to assess the environmental risk of phosphorus leaching in subtropical cropland soil.It comes to the conclusion that,firstly,the soil available phosphorus saturation capacity in paddy field is quite different from area to area,secondly,the soil available phosphorus saturation capacity (47.6 mg/kg) is significantly higher than that in Xiangyin Lake (39.2 mg/kg),thirdly,the application of cow dung could significantly improve the pH value of paddy soil,and it could.10figs.,2tals.,21refs.

phosphorus leaching;change point;arable soils;subtropical region be more effective to prevent soil acidification and control the activity of heavy metals in paddy soil.

2017-03-02

国家自然科学基金资助(编号：41271483)；国家支撑计划项目资助(编号：2012BAD14B17)

刘 海(1991-)，男，重庆潼南人，硕士，研究方向：循环农业.

10.3969/j.issn.2095-7300.2017.02-001

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