不同有机肥对矿区复垦土壤磷素累积及淋失风险研究

李 媛，郝鲜俊，高文俊，杨 杰，孟会生，张 杰，孙大生

(1.山西农业大学资源环境学院，山西 太谷 030801；2.山西农业大学农业资源与环境国家级实验教学示范中心，山西 太谷 030801；3山西农业大学草业学院，山西 太谷 030801)

山西省在煤炭开采的过程中造成地表大面积塌陷，塌陷面积达到10.1万hm，然而，全省只有2%的复垦率。2021年中共中央明确进一步提出要强化耕地数量保护，持续推进工矿废弃地土地整理复垦开发。因此，对采煤塌陷区土地进行复垦是保护耕地的重要举措。采煤塌陷区复垦土壤在复垦进程中由于机械扰动使得原有土壤剖面上下错位，心底土上翻裸露，属于重构土壤。裸露的耕层土壤养分含量极低，尤其是土壤有效磷，这是限制矿区土壤复垦进程的重要因素之一。为了恢复土壤肥力以提高作物产量，当地农民经常施入大量无机磷肥，当季农田磷肥利用率不足25%，大部分磷被石灰性土壤中的Ca、Mg等离子固定。富集在土壤中的磷素在降雨时沿地裂缝、裂隙流入地下水，加剧了淋溶风险，在黄土丘陵区，降水不均匀，主要集中在每年7—9月，丘陵矿区地块有一定坡度，夏季暴雨容易产生地表径流加剧地表和地下水的污染，这成为威胁矿区生态环境的重要因素之一。同时，磷矿资源作为不可再生资源将在50～225年内因人口对粮食需要的增加而面临枯竭的危机，而有机肥具有产量大、来源广的特点，日益成为代替化肥补充土壤磷素的重要来源。2020年农业部进一步提出实现畜禽粪便还田力度及基本资源化利用目标。据统计，我国每年的禽畜粪便排放量已达到38亿t以上，相当于240万t磷肥，而畜禽粪便利用率却不足60%，因此畜禽粪便还田不仅可以促进畜禽粪便的综合利用，而且对于实现代替化肥或化肥减量的目标具有重要意义。已有研究表明，有机肥中的有机质含量高、养分全面、肥效长，施用有机肥可以改善土壤结构和肥力，提高磷酸酶活性，进而促进土壤磷素有效性的增加，将畜禽粪便施入低产农田，特别是采煤塌陷复垦土壤对于提高有效磷含量，全面提升土壤肥力等方面具有重要作用。

施用粪肥不仅可以增加土壤磷素累积，其分泌的有机酸与土壤中的磷酸根离子竞争吸附点位，从而减少土壤对磷素的固定；同时有机肥能够提高土壤中的微生物活性，直接影响磷素循环与转化过程，进而促进磷的有效性增加。施用有机肥除了增加土壤对磷素的解吸，提高土壤中磷素含量及磷饱和度，也加大土壤磷素的流失风险。朱晓晖等通过田间试验发现，在潮土中施用牛粪所造成的农田磷素流失风险要显著高于鸡粪和猪粪；肖辉等对设施土壤磷素流失风险进行了研究，高量的鸡粪和猪粪更容易引发磷素流失风险；王敏锋等在设施菜田上通过田间试验发现，不同用量粪肥对土壤各磷素形态的影响不同，土壤有效磷、水溶性磷及磷饱和度影响与有机肥用量呈正相关。可见，土地利用方式、有机肥施用量等差异的影响，导致不同有机肥的淋失风险也不尽相同。前人关于土壤磷素淋失的研究主要集中在农业高水肥管理下的长期施肥农田土壤，对于矿区复垦的研究主要集中在培肥土壤、提高作物产量方面，伴随有机肥或化肥施用过程所引发的环境问题却鲜有报道。关于有机肥的施用，欧美国家从以往基于作物氮素需求向作物磷素需求转变，而磷素需求是根据有机肥中的全磷含量计算，没有考虑不同有机肥中磷的有效性。影响有机肥中磷的有效性因素较多，如畜禽粪便种类、形态、日粮组成及堆肥方式等。国内有机肥在用量上比较粗放，没有考虑土地承载量和作物的养分需求。那么在相同磷水平下，有机肥与化肥及不同有机肥之间在定位培肥复垦土壤过程中对土壤磷素累积与流失潜力是否相同？据Wang等对加拿大安大略省农田土壤磷素流失风险研究表明，土壤Olsen—P和CaCl—P之间不是简单的线性关系，而是符合分段线性函数，即存在一个“突变点”(change-point)，当Olsen—P超过56.5 mg/kg，土壤磷素流失潜能加大。而不同有机肥对矿区复垦土壤Olsen—P和CaCl—P之间影响关系的如何？两者之间是否存在突变点？所有这些问题均是复垦土壤培肥过程中尚不明确的科学问题。为此，本研究以矿区复垦土壤为研究对象，研究3种有机肥(鸡粪、猪粪和牛粪)和化肥在不同施磷水平下(0，25，50，100 kg/hm)定位培肥4年，对矿区复垦土壤Olsen—P、Mehlic3—P(农学磷指标)和CaCl—P、DPS(磷饱和度)的影响以及其之间的相关关系，以此来评估矿区复垦土壤磷素淋失潜能，为科学合理利用有机肥培肥矿区复垦土壤减小矿区土壤磷素的潜在淋失风险提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于山西省孝义市偏城村(37°06′N，111°37′E)。该区属于暖温带大陆性季风气候区，春季回温快且少雨多风，夏季雨热同期，降雨集中在7—9月，年均降水量仅472 mm，年均气温10.1 ℃，年均日照时间2 392.4 h，无霜期可达178天，≥10 ℃有效积温为2 500～3 900 ℃，土壤类型为褐土。试验区于2016年进行复垦，复垦当年土壤(0—20 cm)基本理化性质为：pH 8.34，有机质、全氮含量分别为5.45，0.15 g/kg，硝态氮、铵态氮、速效磷含量分别为7.86，6.94，4.34 mg/kg。

1.2 供试材料

供试有机肥为腐熟鸡粪、猪粪和牛粪，2017—2018年采自偏城村养殖场；2019—2020年取自山西农业大学动科院牧站风干的有机肥，供试有机肥基本理化性质见表1。

表1 供试有机肥基本理化性质

化肥氮磷钾分别为尿素(含N 46%)、过磷酸钙(PO16%)和硫酸钾(KO 52%)。

1.3 试验设计

试验区经工程复垦后，于2017年在山西省孝义市偏城村的采煤塌陷复垦地进行定位培肥试验，到2020年已复垦4年。试验设置3种有机肥：鸡粪、猪粪和牛粪，分别以PM、SM和CM表示，化肥以CF表示，以不施磷肥为空白处理(CK)。同时设置3种施磷水平：(1)25 kg/hm(PM25、SM25、CM25和CF25)；(2)50 kg/hm(PM50、SM50、CM50和CF50)；(3)100 kg/hm(PM100、SM100、CM100和CF100)，共13个处理，3次重复，共39个小区，每个小区面积30 m(5 m×6 m)，随机区组排列。为保证除磷以外其他大量元素供应充足，本研究所有处理在200 kg/hm有效N、100 kg/hmK下施用，其中鸡粪、猪粪、牛粪有机肥氮素有效性分别为37%，29%，20%。如果氮钾养分不足，分别用尿素和硫酸钾补齐。氮、磷、钾肥和各种有机肥均在玉米春播前一次施入，各处理施用量见表2。

表2 不同处理施肥类型及各养分施用量 单位：kg/hm2

1.4 样品采集与测定方法

1.4.1 土样采集 本试验自2017年开始定位培肥，培肥4年后，于2020年10月初采集玉米收获后0—20 cm土样，每个小区按“S”形采集5个样点，混匀后装入自封袋，带回实验室风干、过筛备用。

1.4.2 测定方法 本试验测定方法参见《土壤农化分析》。土壤全磷(TP)采用硫酸—高氯酸消煮—钼锑抗比色法测定；土壤速效磷(Olsen—P)采用pH 8.5、0.5 mol/L NaHCO溶液浸提(水土比为20∶1，振荡30 min)，浸提液用钼锑抗比色法进行比色测定；土壤水溶性磷(CaCl—P)采用0.01 mol/L CaCl溶液浸提(水土比为10∶1，振荡30 min)，浸提液用钼锑抗比色法进行比色测定；土壤有效磷(Mehlich3—P)：称取风干土样5 g，加入50 ml Mehlich3浸提剂(0.2 mol/L CHCOOH+0.25 mol/L NHNO+0.015 mol/L NHF+0.013 mol/L HNO+0.001 mol/L EDTA)浸提，振荡5 min，过滤，钼锑抗比色法测定；有效钙、镁浸提后，采用原子吸收分光光度法测定。

1.5 土壤磷饱和度

土壤磷饱和度(degree of phosphorus saturation, DPS)是指土壤胶体上已吸附磷的数量占土壤磷总吸附容量的百分数。土壤中磷的吸附量依赖于土壤自身的特性(如有机质、黏粒含量及无定形铁铝氧化物等)，而在石灰性土壤中，Ca和Mg是影响吸附解吸的关键因素，故土壤磷饱和度计算公式为：

DPS=P/(Ca+Mg)×100%

式中：P、Ca、Mg分别为Mehlich3浸提剂提取的P、Ca、Mg的浓度(mmol/L)。

1.6 数据处理与分析

运用SPSS 17.0软件对数据进行方差分析，LSD进行多重比较(<0.05)；用Excel 2010软件进行数据整理、制图，在<0.05时分别以定位培肥4年土壤Olsen—P、Mehlich3—P和DPS为横坐标，CaCl—P为纵坐标，采用分段线性模型计算矿区复垦土壤磷素流失的“突变点”。

2 结果与分析

2.1 不同有机肥对矿区复垦土壤全磷含量的影响

不施磷肥(CK)处理土壤全磷含量为0.20 g/kg；与CK处理相比，施磷显著提高土壤全磷含量(图1)。施磷量25 kg/hm时，与化肥处理相比，鸡粪处理土壤全磷含量显著提高10.69%，猪粪和牛粪与化肥处理之间无显著差异；而3种有机肥处理之间差异不显著。施磷量≥50 kg/hm时，各施肥处理之间土壤全磷含量无显著差异。不同施肥处理对土壤全磷含量的影响总体表现为鸡粪≥猪粪≥牛粪≥化肥。

注：不同小写字母表示同一施磷量下不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.2 不同有机肥对矿区复垦土壤Olsen-P和Mehlic3-P的影响

不同施肥处理土壤Olsen—P含量表现出随施磷量的增加而迅速增加的趋势(图2a)。不施磷肥(CK)处理土壤Olsen—P含量为2.52 mg/kg；与CK处理相比，施磷处理土壤Olsen—P含量显著提高2.87～10.66倍，各施磷量之间差异显著。施磷25 kg/hm时，各施肥处理土壤Olsen—P含量无显著差异。施磷量为50 kg/hm时，与化肥处理相比，鸡粪处理和猪粪处理分别显著提高117.01%和56.71%，牛粪处理与化肥处理无显著差异；鸡粪处理与猪粪和牛粪处理差异显著，而猪粪与牛粪处理之间无显著差异。施磷100 kg/hm时，鸡粪处理土壤Olsen—P含量最高，为29.61 mg/kg，各施肥处理差异不显著。

各施肥处理对土壤Mehlic3—P的影响与Olsen—P的影响一致，也是随土壤施磷量的增加而增加(图2b)。CK处理土壤Mehlic3—P含量为7.94 mg/kg；与CK处理相比，施肥对土壤Mehlic3—P含量显著提高24.49%～340.65%。施磷量≤50 kg/hm时，与化肥处理相比，鸡粪处理、猪粪处理分别显著提高87.98%和38.92%，而牛粪与化肥处理差异不显著；3种有机肥之间土壤Mehlic3—P含量差异显著。施磷量超过50 kg/hm时，与化肥处理相比，鸡粪、猪粪和牛粪处理分别显著提高215.61%，214.29%和46.74%；鸡粪与猪粪处理差异不显著，与牛粪处理差异显著。

图2 不同有机肥对土壤Olsen-P和Mehlic3-P的影响

2.3 不同有机肥对矿区复垦土壤对CaCl2-P和DPS的影响

由图3a可知，当施磷量≤50 kg/hm时，CaCl—P含量增加缓慢，各施肥处理之间无显著差异。施磷量超过50 kg/hm时CaCl—P含量急剧上升，鸡粪处理土壤CaCl—P含量最高，为0.17 mg/kg；与化肥处理相比，鸡粪、猪粪和牛粪处理分别显著提高112.50%，50.00%和19.28%；3种有机肥之间差异显著。

由图3b可知，DPS与CaCl—P变化趋势一致，随土壤施磷量的增加均呈现上升趋势。施磷量≤50 kg/hm时，鸡粪、猪粪处理较化肥处理相比显著提高57.76%和21.01%，牛粪与化肥处理之间无显著差异；鸡粪与猪粪处理、牛粪处理差异显著，而猪粪与牛粪处理之间无显著差异。施磷量>50 kg/hm时，与化肥处理相比，鸡粪、猪粪和牛粪处理分别显著提高2.63，2.71，1.31倍，牛粪处理与化肥处理之间无显著差异；鸡粪处理与牛粪处理差异显著，与猪粪处理相比无显著差异。

图3 不同有机肥对土壤CaCl2-P和DPS的影响

2.4 3种浸提磷之间的相关性分析

由表3可知，各施肥处理土壤3种浸提磷之间存在显著的线性关系。鸡粪和猪粪处理土壤Olsen—P与CaCl—P之间存在1个突变点(图4a)，突变点时的Olsen—P含量为26.24 mg/kg，对应的CaCl—P含量为0.12 mg/kg，当土壤Olsen—P≥26.24 mg/kg，Olsen—P每增加1 mg/kg，CaCl—P以4.09倍的速率增加；此外，鸡粪处理土壤CaCl—P随Mehlic3—P的增加也存在1个突变点(图4b)，突变点时的Mehlic3—P含量为49.06 mg/kg，当Mehlic3—P≥49.06 mg/kg时，CaCl—P随Mehlic3—P含量的增加速率是突变点以前的9倍；猪粪处理Mehlic3—P与CaCl—P之间尚未出现磷素流失的环境阈值。牛粪和化肥处理Olsen—P和CaCl—P、Mehlic3—P和CaCl—P之间存在显著的线性关系，但较鸡粪和猪粪处理相比累积程度较低，表明施用牛粪和化肥过程中，随着Olsen—P和Mehlic3—P的累积，也促进土壤中CaCl—P含量的提高，增加土壤磷素的流失潜能。

图4 矿区复垦鸡粪处理土壤有效磷(Olsen-P和Mehlic3-P)和CaCl2-P之间的关系

表3 不同施肥处理3种浸提磷之间的相关性分析

2.5 土壤DPS与CaCl2-P之间的相关性及流失风险分析

土壤磷饱和度(DPS)是表征土壤磷素流失潜能的指标之一。在鸡粪处理中，DPS与CaCl—P之间存在1个突变点(图5)，当DPS超过39.31%，CaCl—P含量随DPS增加的速率是突变点以前的5.92倍，表明DPS超过39.31%时，CaCl—P含量迅速增加，土壤磷素的流失风险也大大提高。猪粪、牛粪和化肥处理，DPS和CaCl—P之间也存在极显著的正相关关系，进一步表明，施用有机肥和化肥提高矿区复垦土壤磷饱和度，增加了土壤磷素向环境流失的可能性。

注：**表示极显著相关(P<0.01)；PM、SM、PM和CF分别为鸡粪、猪粪、牛粪和化肥处理。

3 讨 论

3.1 施肥对矿区复垦土壤磷素累积的影响

本试验研究表明，随施磷水平的增加，施用有机肥和化肥提高了土壤全磷(TP)含量，这与陈欣研究结果基本一致，单施化肥或有机肥均能提高土壤全磷含量，增加土壤全磷库容。而3种有机肥相比，鸡粪处理土壤全磷含量高于猪粪和牛粪。施用有机肥和化肥也显著增加土壤中有效磷含量(Olsen—P和Mehlich3—P)。本试验研究发现，经过4年定位培肥试验，空白处理(不施磷肥施氮钾肥)有效磷含量仅为2.52 mg/kg，低于本试验复垦初期土壤磷素本底值(4.34 mg/kg)，这与4年的作物生产吸收了土壤磷素而没有外来磷源补充有关，从而耗竭了土壤地力。此外，本研究进一步表明，在施磷量低于50 kg/hm时，各处理间土壤有效磷含量(Olsen—P和Mehlich3—P)无显著差异；而施磷量超过50 kg/hm时，有机肥处理对土壤有效磷(Olsen—P和Mehlich3—P)含量的提高优于化肥。相较于化肥而言，有机肥本身含有一部分磷施入土壤后提高土壤中磷素含量，同时施用有机肥可以增加微生物活性和磷酸酶活性，加速有机磷的转化，从而提高磷素有效性，提高土壤的供磷强度。此外，3种有机肥对矿区复垦土壤磷素影响均表现为鸡粪≥猪粪>牛粪，这表明鸡粪和猪粪对矿区新复垦土壤磷素的有效性高于牛粪。造成这种差异的原因：一方面可能与有机肥本身的C/P不同有关。吕鉴于等对矿区复垦土壤磷素矿化研究表明，鸡粪和猪粪处理C/P分别为6.54和9.59，均低于牛粪处理(15.12)，而较低C/P的有机肥更易矿化分解，导致鸡粪和猪粪产生的有效磷含量要高于牛粪处理。另一方面，可能与鸡粪和猪粪有机质含量高有关。刘彦伶等对黄壤磷素吸附—解吸特性研究表明，有机质增加可以减少土壤对磷素的吸附位点，促进土壤磷素解吸，提高土壤中有效磷含量。本试验中鸡粪和猪粪较牛粪相比有机质含量较高，施入土壤后可以增加土壤中的有机质含量，而且有机质分解产生的有机酸减少土壤对磷素的吸附固定，溶解土壤中的难溶性磷化合物，增加其对土壤磷素的解吸能力，从而提高土壤中各磷素形态的有效性。CaCl—P作为植物可直接吸收利用的部分，其含量随施磷量的增加而增加，在低磷量土壤中，施用有机肥主要补充土壤中有效磷和全磷含量，而对CaCl—P增加幅度较小；在高磷水平下(100 kg/hm)，随着土壤有效磷累积，CaCl—P含量也快速增加，尤其是有机肥处理。土壤有效磷含量与CaCl—P存在显著的线性相关性，表明CaCl—P随有效磷含量的增加而增加，这在一定程度上也加大土壤磷素的淋失风险。

3.2 施肥对土壤磷素流失风险的影响

土壤有效磷(Olsen—P和Mehlich3—P)与CaCl—P之间不是简单的线性关系，而是符合分段线性模型，两者之间存在1个突变点。本试验研究得出，矿区复垦土壤产生磷素淋失的临界点时土壤Olsen—P为26.24 mg/kg、Mehlich3-P 49.06 mg/kg，其对应的CaCl—P为0.12 mg/kg。但不同土壤类型磷素淋失临界值差异很大。常会庆等利用盆栽试验初步确定，石灰性土壤产生磷素淋失的环境阈值为28.57 mg/kg；申艳等通过长期定位试验研究表明，潮土区土壤磷素淋失临界值为30.2 mg/kg；汪玉等研究发现，土壤有效磷含量超过30 mg/kg时，太湖流域水稻土土壤磷素流失风险大大增加。以上研究结果均高于本研究所得结果，其原因一方面可能是由于矿区重构土壤结构尚不稳定，地表裂隙较多，且黄土丘陵区降水集中，施入的有机肥沿裂缝向下迁移，较一般农田土壤相比易引发磷素流失风险；另一方面，与本研究供试土壤pH偏高(8.43)有关。赵小蓉等对我国23种土壤磷素临界值研究表明，土壤pH与土壤磷素淋失阈值呈现抛物线关系，pH>6时，pH越高土壤产生淋失的点越低。同时，本研究得出，在矿区复垦土壤上施入有机肥所产生的淋失的风险高于化肥。这可能是由于化肥增加了土壤中的无机磷组分，这些施入土壤中的无机磷易被土壤中的Ca、Mg等离子固定，形成磷酸盐沉淀，降低磷素的有效性。而有机肥主要增加有机磷含量，尤其是活性有机磷含量，这部分磷在土壤中移动性更强，极易引发磷素的流失风险；同时，有机肥分解产生的有机酸可以溶解部分碳酸钙，促进被碳酸钙吸收的磷的释放，提高磷素的有效性，间接增加有机肥的淋溶风险。此外，3种有机肥磷素淋失风险的差异性(鸡粪≥猪粪>牛粪)可能与有机肥中的磷素形态有关。鸡粪和猪粪中易溶态的无机磷和有机磷含量均高于牛粪，而易溶态有机磷包括核酸、磷酯类和单脂磷等，这部分有机磷吸附较弱，移动性强，易被酶解为无机磷，因此，鸡粪和猪粪较牛粪相比会存在更多的环境风险。

本试验研究结果表明，通过4年田间定位培肥得到矿区复垦土壤磷素产生淋失风险时的DPS为39.31%。王经纬等认为，旱地红壤的DPS超过28.6%，会增大土壤磷素流失潜能与淋失风险；薛巧云认为，可将DPS 28.1%作为我国中性至石灰性土壤磷素淋失的环境阈值，前人研究结果与本研究所得结果基本一致，因此可将DPS 39.31%作为矿区复垦土壤淋失阈值。同时也表明施用有机肥可以降低土壤对磷素的吸附固定作用，活化了土壤中的磷素，提高土壤磷饱和度，从而加大磷素淋失风险。同时注意有机肥施用量，调整相应的施肥措施，减少因磷素流失所引起的环境污染问题。

4 结 论

(1)施用有机肥能够有效补充土壤中的磷素含量，随施磷水平的提高，土壤中磷素含量的增加越明显，促进磷素在土壤中的累积，提高土壤磷饱和度。各施肥处理对土壤磷素累积的影响总体表现为鸡粪≥猪粪>牛粪>化肥。

(2)本试验通过分段线性模型确定矿区复垦土壤磷素流失的环境阈值，当Olsen—P≥26.24 mg/kg、Mehlich3—P≥49.06 mg/kg或DPS≥39.31%时，土壤磷素流失潜能加大，且施磷量越高，淋失风险越大。应加强有机肥的科学施用，特别是鸡粪和猪粪有机肥的施用，警惕磷素流失对地表、地下水体造成污染。