不同土地利用类型优先流对磷素垂直迁移及淋失风险的影响

刘蕾 王鹤雄 张国印 郜静 李玭

摘要：为揭示磷素在土壤剖面中垂直迁移及淋失机制，选择设施生产条件和露地生产条件2种不同土地利用类型为研究对象，通过原位染色示踪试验结合图像解析技术，比较设施样地、粮田样地2种土地利用方式下土壤优先流分布特征，探索优先流与基质流路径对2种土地利用类型全磷和土壤速效磷（Olsen-P）垂直迁移及分布特征的影响，评估不同迁移路径下磷素淋失风险，并探讨磷素随优先流/基质流迁移的影响因素。结果表明：（1）设施生产条件明显改变了水分入渗过程，优先流发育程度更高，并且优先流路径对水分入渗的贡献更大;而粮田土壤以浅层基质流为主，优先流路径分布较少。（2）设施土壤表层0～20 cm全磷和Olsen-P迁移方式以基质流为主，而20 cm以下土层磷素迁移则以优先流路径为主;与之相比，糧田土壤全磷和Olsen-P垂直迁移方式以基质流为主，优先流贡献率很低。（3）设施土壤优先流路径中CaCl2-P随Olsen-P的增加速率是基质流路径的2倍，磷素的优先流迁移路径极大地增加了其向环境淋失的风险。（4）相关分析表明，磷素随基质流迁移深度与土壤磷素最大吸持量Qm呈极显著负相关;磷素随优先流迁移深度明显大于基质流部分，磷素随优先流迁移深度与优先流路径中沙粒含量呈极显著正相关。

关键词：优先流;土地利用类型;基质流;磷素;垂直迁移

中图分类号： S153.6+1;X592文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）05-0204-07

我国农业土壤磷素从20世纪80年代开始出现盈余，此后一直呈现上升趋势[1]，特别是设施蔬菜产区，土壤磷素累积现象普遍[2]，某些地区土壤速效磷（Olsen-P）含量甚至超过500 mg/kg[3]。然而，当土壤Olsen-P含量达到一定阈值后，有效磷的增加不仅无法带来产量的升高，反而会增加磷素淋失风险，进而威胁水环境安全，农业面源污染磷损失已被认为是水体磷的重要来源。

土壤磷素流失有地表流失和土体内流失2种方式，前者与地表径流和土壤侵蚀密切相关，后者主要包括基质流和优先流2种主要类型。当磷素以基质流方式迁移时，作用面积大、流速缓慢，容易与土壤发生物理、化学作用。然而，当磷素以优先流方式迁移时，可随水分快速通过土壤大孔隙，进入深层土壤和地下水，与周围土壤介质作用时间很短，环境风险极大。研究表明，土壤优先流路径是除地表径流外，对磷素流失作用最大的途径，但关于土壤优先流对磷运移的影响研究仍相当缺乏。我国针对优先流如何影响磷素运移的研究尚处在起步阶段，仅有的研究或涉及自然生态系统[6]，或仅关注露地土壤[7]，对于养分、水分、农药等投入更为集中、环境风险更大的设施生产体系研究甚少[8]。

本试验以设施生产条件和露地粮田生产条件2种不同土地利用类型为研究对象，采用原位亮蓝染色示踪法，结合图像分析技术和统计学方法，研究2种土地利用类型下优先流发生及分布特征，并进一步探索优先流与基质流路径对2种土地利用类型全磷和Olsen-P垂直迁移及分布特征的影响，评估不同迁移路径下磷素淋失风险，并探讨磷素随优先流/基质流迁移的影响因素。本研究结果可为改进传统溶质运移模型提供数据和理论支撑，对降低农业磷素的环境风险和保护水环境安全具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验于2019年6月在河北衡水国家农业科技园区饶阳县大尹村镇南北岩村（115°50′82″E，38°16′14″N）进行，河北省饶阳县设施蔬菜经过30多年发展，种植规模达千公顷，居全省第一。研究区地属冀中平原黑龙港流域，地貌类型为滹沱河洪积平原，南北岩村设施大棚建于废弃河床之上，土壤类型为潮土，质地为沙壤，地下水埋深3～7 m。年均温12.2 ℃，降水量552.6 mm，属于温带大陆季风气候。该区典型种植模式为西红柿-甜瓜轮作，秋冬茬为番茄，平均产量为67 500～90 000 kg/km2;冬春茬为甜瓜，平均产量约75 000 kg/km2。试验选择连续种植超过10年的温室大棚样地及紧邻的粮田样地进行，设施作物为甜瓜，已拉秧，粮田作物为玉米，刚出苗，试验样地的土壤基本理化性状见表1。

1.2 染色示踪试验

设施样地、粮田样地各选取3个重复的1 m×1 m 的小区，两两相距大于2 m，小于4 m，以免在样地预处理中造成影响，清理枯枝落叶及杂物后，使用1 m×1 m×0.6 m的金属框砸入样地，砸入深度40 cm，露出高度20 cm，将框体周围土壤压实，确保染色液不会集中沿框壁下渗，影响结果。

染色示踪试验选用无毒且易溶于水的亮蓝溶液（Brilliant Blue）进行，不会对土壤造成污染。将配置好的浓度为4 g/L的亮蓝溶液100 mL缓慢倒入小区内，模拟棚内外常规漫灌条件，静置24 h。在不破坏原始样地的基础上缓慢移走金属框，在样方中心未扰动区域，挖掘0.6 m宽，深度至染色消失的垂直土壤剖面，修整剖面后配标尺，采用像素为 4 752×3 168的佳能500D数码相机分别对每个剖面进行拍照。每个小区挖掘2个重复的垂直土壤剖面，合计12个剖面。

1.3 样品采集及测定

染色试验开始前在各小区金属框4个外边缘10 cm处分别取基础土，每10 cm 1层至100 cm，每小区4钻合成1个样品，用于测定设施样地、粮田样地土壤基本理化性状。染色试验结束后，垂直剖面分染色土、非染色土每10 cm 1层采集土壤样品测定理化性质。土壤容重采用环刀法测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤机械组成采用比重计法测定;土壤有机质含量采用重铬酸钾稀释法测定[11];Olsen-P含量用0.5 mol/L NaHCO3（pH值=8.5）溶液浸提（水土比20 ∶1）钼锑抗比色法测定[12];CaCl2-P含量用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提（水土比5 ∶1）钼锑抗比色法测定[13];全磷含量采用H2SO4-HClO4消煮钼锑抗比色法测定[14]。

磷素等温吸附试验取风干土2.5 g置于100 mL离心管，加入P质量浓度分别为0.0、2.5、5.0、100、20.0、30.0、50.0 mg/L的0.01 mo/L CaCl2溶液50 mL。同时加入2滴甲苯在25 ℃条件下振荡24 h，4 000 r/min离心15 min，吸取上清液用钼蓝比色法测定平衡液P浓度。P吸附量为加入P量与吸附平衡时溶液中P质量浓度的差值[15]。

1.4 图像处理与数据分析

使用Photoshop CS 5.1对照片进行几何校正和剪裁，保留中心60 cm宽度，垂直至染色消失。然后进行亮度与色彩校正，调整照片明度（-100）、颜色容度差（0～5%），替换颜色，然后进行灰度、阈值调整，使土壤染色部分替换为黑色，未染色部分替换为白色。然后将照片转换为.bmp 位图格式，利用Matlab 7.1对位图进行处理，输出照片二元（0，255）信息矩陣。0 为黑色元素，代表染色;255为白色元素，代表未染色。将数据导出到Excel进行统计分析。

1.4.1 土壤剖面染色面积比

DC=DD+ND×100%。

式中：DC为土壤剖面染色面积比（%）;D为土壤剖面总染色面积（cm2）;ND为土壤剖面未染色区域总面积（cm2）。

1.4.2 优先流贡献率

Ri=CiPPF-CiMATCiMAT×100%。

式中：Ri为优先流路径对土壤全磷/Olsen-P运移的贡献率;CiPFP为优先流路径（染色土）全磷/Olsen-P含量;CiMAT为土壤基质（未染色土）全磷/Olsen-P含量。

由于本研究2种土地利用类型各取了3个样地，每个样地挖掘2组剖面，土壤剖面较多，结合样地调查情况和试验图像处理结果，每个样地选取1组染色图像为例进行展示，但对每种土地利用类型的优先流染色形态特征结果中的数据分析为全部样地的数据。

采用SPSS 18.0进行配对样本t检验、回归分析、Pearson相关分析，Sigmaplot 10.0软件进行等温方程拟合及作图。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型对土壤优先流特征的影响

通过对设施样地及粮田样地土壤优先流路径分析和评价得出，土地利用类型对土壤优先流发生及分布影响极大（图1）。设施样地土壤染色面积比平均值为40.26%～69.14%，明显高于粮田的1963%～40.30%;设施土壤基质流深度为8.30～30.43 cm，最大染色深度36.27～70.14 cm，也明显高于粮田土壤6.43～10.15 cm和13.42～54.91 cm，说明设施生产条件明显改变了水分入渗过程，增大了基质流区域面积，优先流路径更多分布在土壤深层，使得其水分入渗能力强于棚外土壤，并且优先流路径对入渗的贡献更大。

通过土壤垂直剖面染色面积比变化（图1）可以看出，总体上染色面积比随土壤深度的增加而降低，但不同土地利用类型变化规律不同。整体上，粮田样地土壤染色面积比随土层加深降低速率较快，亮蓝在土壤剖面内入渗较浅，说明粮田样地土壤以浅层基质流区域为主，优先流路径深层分布较少。因此，染色图像呈现的规律为在一定土壤深度内染色面积比均大于80%且随深度变化不大，但在以下土层染色面积比迅速下降直至消失，整体呈现“L”形变化，转折点发生在10 cm左右，对应粮田耕作层深度，表明人为翻耕、除草、施肥等活动破坏了土壤的原有结构，阻断了耕作层与下层结构性土壤之间的联通孔隙，从而阻碍了优先流的发生。而设施土壤剖面染色面积比随深度并不是单调递减模式变化，在一定土壤范围内染色面积会出现明显的反弹现象，总体呈现类似“S”形变化，说明随着土壤深度增加，水分入渗呈现明显的优先流现象，峰值主要出现在20～30 cm之间，表明在该土层优先流发生最剧烈。在取样观测中发现，此处根系分布最多，因此出现优先流路径的集中分布。

2.2 不同土地利用类型对优先流路径中磷素分布特征及垂直迁移的影响

通过对设施土壤优先流路径和基质流路径中总磷含量进行配对样本t检验表明，2种不同路径中总磷含量差异显著（A1，t=4.289，P=0.013;A2，t=2.763，P=0.050;A3，t=2.769，P=0.028）。从图2-A、图2-B、图2-C可以看出，表层0～20 cm土壤优先流路径与基质流路径全磷含量差异并不明显，此深度范围全磷迁移随水分入渗以基质流为主。而20 cm以下土壤优先流路径全磷含量明显高于基质流路径，表明这些土壤中存在明显的优先流磷素迁移。其中，2种路径中全磷含量差异在20～30 cm处达到最大，正是优先流发育最为剧烈的土层（图1），表明在20 cm以下土壤中全磷迁移以优先流为主。其中，优先流对于全磷的贡献率随土层加深先增加后降低，峰值出现在20～30 cm处，A1-A3样地分别达到72.11%、97.01%和79.80%。

粮田样地土壤优先流路径和基质流路径中总磷含量配对样本t检验表明，2种不同路径中总磷含量差异不显著（B4，t=-0.582，P=0.619;B5，t=2008，P=0.182;B6，t=1.251，P=0.266）。从图2-D、图2-E、图2-F可以看出，整个土壤剖面2种路径中全磷含量差异不明显，表明粮田样地土壤全磷迁移以基质流为主，优先流对全磷的贡献率仅为0～20.34%。

与全磷含量相比，土壤优先流对不同土地利用类型土壤速效磷的垂直迁移贡献更大。对于设施土壤，优先流路径中速效磷含量与基质流路径差异显著（A1，t=2.987，P=0.040;A2，t=3.384，P=0028;A3，t=3.359，P=0.012）。速效磷含量垂直分布特征与优先流发育特征吻合度更高，在优先流发育滞后的表层0～20 cm范围内，2种路径中速效磷含量差异不明显，说明该区土壤速效磷迁移以基质流为主;而在土壤优先流发育程度较高的20 cm以下土层，优先流路径中Olsen-P含量明显高于基质流，且优先流对Olsen-P垂直迁移的贡献率也随土壤深度增加而增大，从表层的1.28%～6.59%（样地1）、3.82%～10.14%（样地2）、0%～4.81%（样地3）迅速增加到80.57%～291.30%（样地1）、8909%～241.06%（样地2）、50.21%～517.67%（样地3），说明在20 cm以下的土层Olsen-P垂直迁移以优先流为主。与全磷相似，土壤Olsen-P也呈现明显的深层积累现象，且20～40 cm范围内Olsen-P含量与全磷积累状况吻合，进一步说明优先流附近的土壤中，随着Olsen-P含量的增加，全磷含量也在增加。然而，样地3中优先流途径 Olsen-P 含量在 50～60 cm处也出现累积峰值（图3-C），与样地3优先流染色结果（图1-A）一致，即在50～60 cm处又出现优先流剧烈发生层次，在取样中发现该层次主要由于深根的作用导致，然而，全磷剖面却未呈现一致结果（图2-C），表明该层次Olsen-P迅速通过优先流路径抵达更深层土壤甚至地下水，由于作用时间很短，周围全磷含量并未增加。

与全磷相同，粮田土壤优先流路径和基质流路径中Olsen-P含量差异也不显著（B4，t=-0.329，P=0.774;B5，t=3.231，P=0.084;B6，t=1.115，P=0.315）。除样地2土层10～20 cm及样地3土层20～30 cm优先流对于Olsen-P贡献率达到5011%及45.10%外，其余土层优先流贡献率全都小于20%。从图3-D、图3-E、图3-F也可以看出，绝大多数土层2种路径中Olsen-P含量差异不明显。进一步说明棚外土壤Olsen-P迁移以基质流为主。

2.3 优先流/基质流迁移路径对磷素淋失风险的影响

目前，环境上常以0.01 mol/L CaCl2溶液浸提的水溶性磷与Olsen-P之间的关系评估土壤磷素淋失潜能。笔者所在课题先前研究发现， 该区土壤Olsen-P与CaCl2-P之间存在拐点，当土壤 Olsen-P 含量低于58.39 mg/kg（对应CaCl2-P含量3.88 mg/kg）时，土壤磷素淋失风险较低，反之磷素淋失风险急剧增加[19]。从图4-A观察到，设施条件绝大多数土壤CaCl2-P含量均大于4 mg/kg，磷素淋失风险极高。特别是优先流路径中土壤CaCl2-P随Olsen-P的增加速率是基质流路径的2倍，因此，磷素的优先流迁移路径极大地增加了其向环境淋失的风险。而粮田土壤CaCl2-P含量处在阈值范围内，加上以基质流为主的迁移方式，磷素可以与土壤发生充分的作用，使得磷素淋失的环境风险较低（图4-B）。

将2种土地利用类型相对比，设施土壤优先流发育程度明显高于粮田土壤，且设施土壤浅层基质流区以下磷素迁移以优先流为主，使得设施土壤磷素随水分以更快速度向深层土壤和地下水运移，极大地增加了环境风险。因此，虽然优先流途径仅占土壤的很小一部分，考虑到该途径下溶质与土壤接触面积小且作用时间短，离子与土壤作用弱，土壤的缓冲性能来不及发挥，其对环境的影响仍不可忽视。

2.4 磷素随优先流/基质流迁移的影响因素

Pearson相关分析表明，磷素随基质流迁移深度与土壤磷素最大吸持量Qm（表2）呈极显著负相关（r=-0.834，P=0.001），表明土壤对磷素吸附固定作用越强，磷素在土壤剖面中迁移难度越大。进一步分析表明，土壤Qm与有机质含量成反比（r=-0.764，P=0.004），即随着有机肥施用量的增加，土壤对磷的吸附固定能力和容量明显下降，设施土壤中大量累积的磷素迁移性增强，造成环境污染的风险也在增加。另外，Qm与土壤黏粒含量成正比（r=-0.605，P=0.037），因此粉/沙质土壤磷素迁移造成的环境风险更大。

磷素随优先流迁移深度明显大于基质流部分，且迁移速度更快，对环境造成的风险较基质流迁移路径更大，相关分析表明，磷素随优先流迁移深度与优先流路径中沙粒含量呈极显著正相关（r=-0.878，P=0.000）。

3 討论与结论

传统认为，施于表土的磷素在向下迁移过程中易被土壤中氧化铁/铝、有机质和黏粒矿物固定，使得其沿土壤剖面垂直向下淋溶的可能性不大。但近年来田间观察表明，土壤磷的垂直迁移不容忽视，磷素的土体内流失对水体富营养化影响很大，许多研究提出这与土壤优先流路径有关。鲁如坤等也指出，我国蔬菜产区由于肥料投入量是作物带走的数10倍，导致土壤养分大量积累，是水体富营养化的巨大威胁。因此，研究设施土壤磷素随优先流迁移特征及环境淋失风险意义重大。

本研究得到的设施土壤全磷和Olsen-P垂直迁移机制与章明奎等试验结果[7]一致，即磷素在 0～20 cm表层分布均匀，优先流不明显;而在30 cm以下土层优先流路径全磷和Olsen-P含量显著高于基质流部分，存在明显的优势流磷素迁移。赵牧秋等也发现，表层0～10 cm范围内全磷迁移主要靠基质流，而随着土层加深，优先流对全磷迁移的贡献率开始增加，在15～45 cm范围内，其贡献率可达到20%～70%[8]。然而，大部分研究土地利用类型对优先流路径中磷素迁移特征的结果都集中在森林、草地等自然生态系统，对于磷素大量富集且灌水更加频繁的设施生产条件下优先流路径中磷素迁移特征的研究却十分匮乏。

农业土壤作为磷源向水体迁移而造成的环境风险已引起广泛关注，但以往研究多关注随土壤侵蚀和地表径流一起流失的磷，但事实证明，通过优先流路径进行土体内迁移的磷素是不可忽视的，然而，这些随水分在土壤大孔隙中快速迁移的溶质研究在我国仍处于起步阶段。李勇等通过土柱模拟试验指出，大孔隙引起的优先流对有效磷下渗起决定性作用，是太湖地区农田磷素淋失到浅层地下水的主要途径[27]。章明奎等研究结果与本研究相似，指出磷素随基质流迁移深度与土壤Qm成反比，但与本结果不同的是并没有发现磷素随优先流迁移深度与土壤质地的关系，而是发现磷素随优先流迁移深度与随基质流迁移深度的比值随土壤黏粒含量增加而增加[7]。

综上所述，本研究首次探索了养分、水分、农药等投入更为集中的设施集约化生产条件下土壤优先流发生及分布特征，结果显示设施样地土壤优先流发育程度明显高于粮田样地土壤，使得磷素等养分随水分以更快速度向深层土壤和地下水迁移，并强调了由此产生的环境风险不容忽视。为了更好地控制此类环境风险，本研究进一步对磷素随优先流/基质流迁移的影响因素进行了初步探索。本结果可为改进传统溶质运移模型提供数据和理论支撑，并对降低农业磷素的环境风险和保护水环境安全具有重要指导意义。

参考文献：

[1]孔庆波. 基于GIS我国农田土壤磷素管理及磷肥需求预测研究. 北京：中国农业科学院，2008.

[2]刘 蕾，王 凌，刘晓艳，等. 河北省设施蔬菜生产中水肥管理存在的问题与发展策略. 河北农业科学，2017，21（3）：59-62.

[3]袁丽金，巨晓棠，张丽娟，等. 设施蔬菜土壤剖面氮磷钾积累及对地下水的影响. 中国生态农业学报，2010，18（1）：14-19.

[4]Backns S，Laine-Kaulio H，Klve B. Phosphorus forms and related soil chemistry in preferential flowpaths and the soil matrix of a forested podzolic till soil profile. Geoderma，2012，189/190：50-64.

[5]Julich D，Julich S，Feger K H. Phosphorus fractions in preferential flow pathways and soil matrix in hillslope soils in the Thuringian Forest （Central Germany）. Journal of Plant Nutrition and Soil Science，2017，180：1-11.

[6]梁建宏，吴艳宏，周 俊，等. 土壤类型对优先流路径和磷形态影响的定量评价. 农业机械学报，2017，48（1）：220-227.

[7]章明奎，王丽平. 旱耕地土壤磷垂直迁移机理的研究. 农业环境科学学报，2007，26（1）：282-285.

[8]赵牧秋，陈 欣，史云峰. 土壤优先流对磷素垂直迁移贡献的研究. 琼州学院学报，2012，19（2）：66-69.

[9]邵明安，王全九，黄明斌. 土壤物理学. 北京：高等教育出版社，2006：37-38.

[10]杜 森，高祥照，全国农业技术推广服务中心. 土壤分析技术规范. 2版.北京：中国农业出版社，2006.

[11]鲁如坤. 土壤农业化学分析方法. 北京：中国农业科学技术出版社，2000.

[12]Olsen S R，Cole C V，Watanabe F S. Estimation of available phosphorus in soils by extraction with sodium bicarbonate. Washington DC：United States Department of Agriculture，1954.

[13]Hesketh N，Brookes P C. Development of an indicator for risk of phosphorus leaching. Journal of Environmental Quality，2000，29（1）：105-110.

[14]鲍士旦. 土壤农化分析. 3版. 北京：中国农业出版社，2000.

[15]Barrow N J. Modeling the effect of phosphate from soil using anion exchange resins. Journal of Soil Science，1980，31（2）：297-306.

[16]吳庆华，张家发，蔺文静，等. 土壤水流模式染色剂示踪及优先流程度评估. 农业工程学报，2014，30（7）：82-90.

[17]陈晓冰，张洪江，程金花，等. 基于染色图像变异性分析的优先流程度定量评价. 农业机械学报，2015，46（5）：93-100.

[18]郑 欣，程金花，张洪江，等. 北京地区2种类型土壤优先流染色形态特征及其影响因素. 水土保持学报，2018，32（3）：113-119，131.

[19]刘 蕾，王 凌，徐万强，等. 设施土壤磷素淋失环境阈值及防控措施. 华北农学报，2019，34（增刊1）：197-203.

[20]Ghodrati M，Jury W A. A field study using dyes to characterize preferential flow of water. Soil Science Society of America Journal，1990，54（6）：1558-1563.

[21]Simard R R，Beauchemin S，Haygarth P M. Potential for preferential pathways of phosphorus transport. Journal of Environmental Quality，2000，29（1）：97-105.

[22]Gazis C，Feng X. A stable isotope study of soil water：evidence for mixing and preferential flow paths. Geoderma，2004，119（1/2）：97-111.

[23]鲁如坤. 土壤磷素水平和水体环境保护. 磷肥与复肥，2003，18（1）：4-8.

[24]张维理，武淑霞，冀宏杰，等. 中国农业面源污染形势估计及控制对策Ⅰ.21世纪初期中国农业面源污染的形势估计. 中国农业科学，2004，37（7）：1008-1017.

[25]倪余文，区自清. 土壤优先水流及污染物优先迁移的研究进展. 土壤与环境，2000，9（1）：60-63.

[26]郝振纯，冯 杰. 水及溶质在大孔隙土壤中运移的实验研究进展. 灌溉排水，2002，21（1）：67-71.

[27]李 勇，袁佳慧，张维维，等. 太湖地区农田土壤大孔隙及胶体释放对有效磷下渗的影响. 河海大学学报（自然科学版），2017，45（1）：7-13.