2021, Vol. 29
2. 山西农业大学资源环境学院/山西省土壤环境与养分资源重点实验室 太原 030031
2. College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University/Provincial Key Laboratory of Soil Environment and Nutrient Resources of Shanxi Province, Taiyuan 030031, China
近年来, 在我国农业生产中由于施肥量逐年增加, 地下水污染程度愈发加重, 污染面积日益扩大[1]。全国地下水污染调查结果表明:我国超过90%的地下水受到一定程度污染, 约60%地下水污染严重[2]。氮磷污染则是我国地下水污染最普遍和突出的问题之一[3]。农业生产中, 化肥和农药的过量及不当使用是造成地下水污染的主要原因之一[4]。袁丽金等[5]对河北省定州市设施菜地养分累积对地下水污染研究指出, 设施栽培区20 m表层地下水受硝态氮污染严重, 超标率和严重超标率分别为39.3%和7.1%;而40 m深层地下水硝态氮含量7.4 mg·L-1和9.6 mg·L-1, 超标率分别为25.0%和37.5%。由于氮磷化肥的大量投入, 农田或蔬菜地土壤氮磷残留显著, 当土壤中的氮磷积累到一定程度时, 则会通过淋溶、径流的方式随降雨、灌溉进入周边环境, 造成养分流失, 带来严重的环境问题[6]。目前尽管有大量研究报道了地下水中氮磷含量的变化, 但针对包气带不同土层的氮磷淋溶研究鲜见报道。
褐土分布面积大, 一般分布在海拔500 m以下, 地下潜水位在3 m以下, 总面积约2561万hm2[7-8]。典型褐土的发生层包括耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层。耕层和淋溶层有机质积累多, 颜色深暗, 植物根系和微生物也最集中, 多具团粒结构, 土质疏松; 钙积层多为粉砂质黏土或黏壤土, 具有极强发育的屑粒状和次棱块状结构, 干时硬、湿时坚实, 结构体面上具有＜100 mm的白色碳酸钙质结核, 有极强的石灰反应; 黏化层为粉砂质黏土, 具有极强发育的棱块状结构, 结构体面上有20%~80%的黏粒胶膜和＜20 mm的白色碳酸钙质结核, 无石灰反应; 母质层处于土体最下部, 没有产生明显成土作用, 由不同程度的岩石风化物和地质沉积物构成[9]。从地表耕层到地下水的包气带中, 由于土层理化性质的变化, 致使氮磷等溶质运移呈现显著差异。不同质地的土壤中水分的运移速率不同, 是因为不同的土壤质地造成了透水性的差异。一般黏粒含量低的土壤透水性好, 比黏性土壤氮磷淋溶严重。同延安等[10]对陕西3种类型土壤剖面中硝酸盐的累积、分布与土壤质地的关系研究发现, 含黏粒量少的土壤土体疏松, 更易造成硝酸盐的淋失。细质地土壤的中小孔隙发达, 相同含水率条件下土壤吸力更大; 而粗质地土壤较细质地土壤水分和硝态氮运移深度明显较大, 易造成水氮淋失[11]。沈仁芳等[12]对黄淮海地区潮土石灰性土壤的磷吸附试验表明, 黏粒和碳酸钙含量是影响土壤吸附能力的主要因素; 但也有研究表明, 土壤中影响磷吸附固定的主要土壤组分为0.01 mm物理性黏粒, 碳酸钙只起次要作用[13]。郭晓冬等[14]研究发现阳离子交换量越大, 土壤吸附磷的数量越多。除土壤本身黏粒含量、碳酸钙和阳离子交换量等因素外, 有机质含量也是影响土壤氮磷淋溶的主要因素。随着有机质的增加, 土壤固铵量会降低[15]。因此, 研究氮磷在不同土壤发生层中的迁移转化差异, 对于阻控氮磷淋失和保护地下水安全有重要意义。
褐土区是我国农业主产区, 在山西省分布的面积最大, 历史最久。本试验以山西省典型褐土为研究对象, 利用土柱模拟试验研究不同特征的土层中氮磷迁移转化的特征及其与土壤性状的关系, 辨识不同土层影响氮磷迁移转化的主导因素, 以期建立科学的水、肥调控技术体系, 为阻控氮磷淋溶提供科学参考, 使现代农业逐渐向绿色农业、生态农业发展, 真正做到优质、高产、高效, 实现土壤的可持续利用。
1 材料与方法 1.1 供试土壤供试土壤采自山西省晋城市泽州县高都镇东顿村(112°56′18″E, 35°36′51″N), 土壤类型为石灰性褐土。采样点位于晋东南黄土丘陵塬上, 属暖温带半湿润大陆性季风气候, 四季分明, 海拔780 m, 年平均气温10~11 ℃, 年均降水量为618.3 mm, 其中60%降水主要分布在夏季。土地利用类型为耕地, 主要作物为玉米(Zea mays)。按照土壤发生层段, 分别采集耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层, 避光自然风干, 磨碎过5 mm筛备用。供试土壤基本性质如表 1所示。
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表 1 试验区石灰性褐土不同土壤发生层的理化性质 Table 1 Physicochemical properties of different soil occurrence layers of calcareous cinnamon soil in the study area |
试验利用自制简易淋溶装置。淋溶土柱采用直径为20 cm的PVC管, 管体长80 cm, 下端接底盖(均匀分布有15个5 mm孔), 淋溶液经漏斗到收集瓶中。管内底部铺两层尼龙滤布, 上铺3 cm厚的石英砂, 按实地测得容重换算, 土壤称重后装入模拟土柱, 土壤高度为30 cm, 并压实土壤, 避免管壁效应。并在土壤表层上铺3 cm厚的石英砂, 石英砂与土壤之间铺有一层滤布, 防止加水淋洗时破坏土柱的表层土壤, 也可以使淋溶水均匀地渗入土壤。最后在PVC管顶端加装盖子, 防止水分蒸发。
1.3 试验设计试验采用间歇淋溶法, 试验用水为蒸馏水。试验设5个处理: 1)耕层; 2)钙积层; 3)黏化层; 4)淋溶层; 5)母质层。每个处理设3个重复。将过5 mm筛的各层土壤分别填充进相应土柱后, 于翌日(2020年5月8日)将溶有25 g尿素和25 g磷酸二氢钾的700 mL蒸馏水加入土柱中, 并在随后的两日内补加1050 mL蒸馏水。淋溶液用收集瓶收集, 待不再有淋溶液流出时, 测量淋溶液体积, 并进行各项指标的测定。在施肥后的第11 d (2020年5月19日)进行第1次淋洗, 共加水1450 mL至土壤饱和有滤液渗出, 收集淋溶液。于施肥后第21 d (2020年5月29日)开始第2次淋洗, 淋洗水量为700 mL; 之后每隔11 d淋洗1次, 共淋洗5次。每次收集到的淋溶液量如表 2所示。
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表 2 每次试验不同土壤形成层收集的淋溶液量 Table 2 Leachate amounts of different soil occurrence layers in each leaching test |
试验采用《农田面源污染监测方法与实践》中水样分析测试方法。可溶性总氮(TDN)、硝态氮(NO3--N)、铵态氮(NH4+-N)采用连续流动注射仪法; 可溶性总磷(TDP)采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法; 正磷酸盐(PO43+-P)由水样经定性滤纸过滤再由0.45 μm滤膜过滤后采用钼蓝比色法测定。
1.5 数据统计使用Microsoft Excel 2007对所测试验数据进行整理和分析, 采用SPSS 20软件的单因素方差分析(ANOVA)检验氮磷淋溶指标在不同发生层的差异; 图表利用Origin 9.0完成。
2 结果与分析 2.1 不同土壤发生层可溶性总氮、总磷淋溶总量由表 3可知, 进行5次淋溶试验, 不同土壤发生层可溶性总氮和可溶性总磷的淋溶总量呈现不同的变化。不同土层可溶性总氮淋溶量的大小为:黏化层＞母质层＞淋溶层＞耕层＞钙积层, 黏化层的可溶性总氮淋溶量最大, 为3648.99 mg·L-1, 较耕层显著增加51.25%;钙积层的可溶性总氮淋溶量最小, 仅为244.16 mg·L-1, 较耕层显著减少89.88%;而淋溶层和母质层可溶性总氮淋溶量分别较耕层显著增加25.55%和39.12%。5种不同发生层土壤淋溶液中可溶性总氮淋溶量与施氮量的比值最高为黏化层(31.3%), 最低为钙积层(2.1%), 氮在5种发生层土壤中淋溶差异显著, 说明土壤本身的理化性质是影响氮淋溶的主要因素。
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表 3 间歇淋溶试验5次淋洗的可溶性总氮和可溶性总磷的淋溶总量 Table 3 Leaching amount of soluble total nitrogen and soluble total phosphorus for five leaches of the intermittent leaching test |
不同土层可溶性总磷淋溶量大小为:耕层＞淋溶层＞母质层＞钙积层＞黏化层, 耕层可溶性总磷淋溶量最大, 为0.52 mg·L-1, 显著高于其他各层; 黏化层可溶性总磷淋溶量最低, 仅0.25 mg·L-1, 较耕层显著减少51.92%;淋溶层、母质层和钙积层可溶性总磷淋溶量则分别较耕层显著减少28.85%、42.31%和48.08%。5种发生层土壤的可溶性总磷淋溶量与施磷量的比值远远小于可溶性总氮与施氮量比值, 最高仅为0.0092%, 说明磷素在土壤中垂直向下淋溶能力远低于氮素, 但也存在淋失风险。
2.2 不同土壤发生层氮素淋溶特征 2.2.1 铵态氮淋溶特征从图 1A可知, 土壤发生层不同, 铵态氮淋溶量变化趋势也有较大差异。耕层、钙积层和淋溶层变化趋势一致, 初次淋溶时铵态氮淋溶量相对较高, 第2次淋溶时有所降低, 在第3次淋溶时出现峰值, 分别为0.43 mg·L-1、0.52 mg·L-1和0.71 mg·L-1, 之后开始降低; 而黏化层和母质层铵态氮淋溶量则随试验继续进行逐渐增加。在第1、2次淋溶时, 铵态氮淋溶量大小为:母质层＞黏化层＞淋溶层＞钙积层＞耕层, 两次淋溶母质层铵态氮淋溶量较耕层分别显著增加166.68%和727.24%, 黏化层铵态氮淋溶量较耕层分别显著增加150.58%和674.91%, 而淋溶层、钙积层和耕层铵态氮淋溶量差异不显著。第3、4次铵态氮淋溶量大小为:黏化层＞母质层＞淋溶层＞钙积层＞耕层, 两次淋溶黏化层和母质层铵态氮淋溶量较耕层显著增加, 而淋溶层、钙积层和耕层间的铵态氮淋溶量差异不显著。第5次铵态氮淋溶量大小为:母质层＞黏化层＞钙积层＞淋溶层＞耕层, 母质层和黏化层铵态氮淋溶量达最大值, 分别为9.14 mg·L-1和8.70 mg·L-1, 是耕层铵态氮淋溶量的39倍和38倍, 而耕层、钙积层和淋溶层间的铵态氮淋溶量差异不显著。由此可见, 黏化层和母质层铵态氮淋溶量显著高于耕层、钙积层和淋溶层。
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图 1 不同土壤发生层铵态氮(A)、硝态氮(B)和可溶性总氮(C)的淋溶量变化 Fig. 1 Changes of ammonium nitrogen (A), nitrate nitrogen (B) and soluble total nitrogen (C) leaching amounts in different soil occurrence layers 同次淋溶不同小写字母表示不同土壤发生层间差异显著(P＜0.05)。Different lowercase letters in the same leaching indicate significant differences among soil occurrence layers at P＜0.05 level. |
如图 1B所示, 耕层、淋溶层硝态氮大体呈现逐渐降低趋势, 钙积层、黏化层、母质层则出现先降低后升高趋势。在第1、2次淋溶时, 硝态氮淋溶量大小为:耕层＞淋溶层＞钙积层＞黏化层＞母质层, 两次淋溶母质层硝态氮淋溶量较耕层分别显著减少93.41%和97.39%, 黏化层硝态氮淋溶量较耕层分别显著减少90.94%和95.98%, 钙积层较耕层分别显著减少85.74%和88.01%, 淋溶层和耕层硝态氮淋溶量在第1次淋溶时差异显著, 而在第2次淋溶时差异不显著。第3次硝态氮淋溶量大小为:淋溶层＞耕层＞黏化层＞母质层＞钙积层, 淋溶层硝态氮淋溶量较耕层显著增加56.79%, 黏化层、母质层、钙积层的硝态氮淋溶量分别显著减少96.52%、97.07%和98.00%。在第4、5次淋溶, 淋溶层、母质层和黏化层硝态氮淋溶量较耕层增加显著, 而钙积层和耕层硝态氮淋溶量无显著性差异。由此可知, 在试验初期, 耕层和淋溶层硝态氮淋溶量显著较高, 随着淋溶试验的进行, 黏化层和母质层硝态氮淋溶量开始逐渐增加, 且显著高于其他3层。
2.2.3 可溶性总氮淋溶特征可溶性总氮是水样中的溶解态氮, 包括亚硝酸盐氮、硝酸盐氮、无机铵盐和溶解态有机氮。由图 1C可知, 耕层、黏化层、淋溶层和母质层可溶性总氮淋溶量均呈现先升高后降低的趋势, 钙积层则出现与其相反的趋势, 淋溶量先降低后升高。在第1次淋溶时, 可溶性总氮淋溶量大小为:淋溶层＞耕层＞母质层＞黏化层＞钙积层, 母质层、黏化层和钙积层可溶性总氮淋溶量较耕层分别显著减少65.65%、65.84%和76.80%, 淋溶层和耕层差异不显著。第2次淋溶, 淋溶层可溶性总氮淋溶量较耕层显著增加15.24%, 黏化层、母质层和钙积层则分别显著减少55.74%、67.46%和95.94%。第3、4次淋溶, 可溶性总氮淋溶量大小为:黏化层＞母质层＞淋溶层＞耕层＞钙积层, 黏化层和母质层可溶性总氮淋溶量较耕层增加量显著。在第5次淋溶, 母质层可溶性总氮淋溶量达最高, 为960.67 mg·L-1, 显著高于耕层; 而淋溶层、钙积层和耕层可溶性总氮淋溶量无显著差异。因此, 在试验初期, 耕层、淋溶层可溶性总氮淋溶量较钙积层、黏化层和母质层增加量显著, 而随着试验持续进行, 耕层和淋溶层可溶性总氮淋溶量大幅降低, 黏化层和母质层中可溶性总氮随水大量淋溶, 钙积层可溶性总氮淋溶量大幅降低后又逐渐增加。
2.3 不同土壤发生层磷素淋溶特征 2.3.1 正磷酸盐淋溶特征由图 2A可知, 不同土壤发生层的淋溶液中正磷酸盐淋溶量呈相同的变化趋势。在第1次淋溶时, 正磷酸盐淋溶量大小为:耕层＞淋溶层＞母质层＞黏化层＞钙积层, 淋溶层、母质层、黏化层和钙积层正磷酸盐淋溶量较耕层分别显著减少68.33%、68.45%、72.67%和72.91%。各发生层在第2次淋溶量均为最小, 黏化层、钙积层和母质层正磷酸盐淋溶量较耕层分别显著减少36.86%、37.29%和46.61%, 而淋溶层和耕层正磷酸盐淋溶量差异不显著。第3次淋溶, 钙积层、黏化层和母质层正磷酸盐淋溶量达最大值, 分别为0.0493 mg·L-1、0.0489 mg·L-1和0.0542 mg·L-1。第4次淋溶, 各发生层正磷酸盐淋溶量均有所降低, 且母质层正磷酸盐淋溶量显著高于淋溶层。淋溶至第5次, 各发生层间正磷酸盐淋溶量无显著差异。因此, 在试验初期, 耕层比钙积层、淋溶层、黏化层和母质层正磷酸盐淋溶量高且差异显著, 但在第2次淋溶开始后, 各发生层间的差异逐渐减小, 至第5次淋溶, 各土壤发生层间正磷酸盐淋溶量无显著差异。
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图 2 不同土壤发生层正磷酸盐(A)和可溶性总磷(B)淋溶量变化 Fig. 2 Changes of orthophosphate (A) and soluble total phosphorus (B) leaching amounts in different soil occurrence layers 同次淋溶不同小写字母表示不同土壤发生层间差异显著(P＜0.05)。Different lowercase letters in the same leaching indicate significant differences among different soil occurrence layers at P＜0.05 level. |
如图 2B所示, 不同土壤发生层可溶性总磷淋溶量的变化表现为先降低后升高, 均在第1次淋溶时可溶性总磷淋溶量达最大, 不同之处在于耕层、钙积层和淋溶层在第3次淋溶时降至最低, 而黏化层和母质层可溶性总磷淋溶量最小值出现在第2次淋溶时。在5次淋溶中, 耕层可溶性总磷淋溶量相较于其他发生层均为最高, 且差异性显著(P＜0.05), 在第3次淋溶时可溶性总磷淋溶量降至最低, 为0.0719 mg·L-1, 但较淋溶层、母质层、黏化层和钙积层分别显著增加44.0%、47.0%、67.1%和69.3%。钙积层、淋溶层可溶性总磷淋溶量在第3次淋溶时最小, 分别为0.0425 mg·L-1和0.0499 mg·L-1; 而黏化层、母质层在第2次淋溶时可溶性总磷淋溶量最低, 分别为0.0359 mg·L-1和0.0392 mg·L-1, 之后随试验的继续进行, 其可溶性总磷淋溶量又小幅增加, 但均显著低于耕层(P＜0.05)。
2.4 不同土壤发生层氮磷淋溶形态 2.4.1 氮淋溶形态组成土壤氮素的淋溶形态主要是硝态氮、铵态氮和其他形态的氮, 其他形态氮包括溶解态有机氮和少量亚硝态氮[16]。由表 4可知, 不同理化性质的土壤发生层氮素的淋溶有显著性差异。硝态氮淋溶量在耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层的淋溶液中分别占可溶性总氮的68.96%、41.27%、85.38%、5.08%和4.59%, 且耕层和淋溶层硝态氮淋溶量显著大于其他3个发生层; 铵态氮淋溶量在5个发生层淋溶液中占可溶性总氮分别为0.06%、0.10%、0.95%、0.71%和0.66%, 并且黏化层和母质层铵态氮淋溶量显著高于其他发生层, 5种土壤发生层均表现为硝态氮的淋溶大于铵态氮淋溶。
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表 4 不同发生层土壤氮磷淋溶形态特征 Table 4 Morphology of nitrogen and phosphorus leaching in different soil occurrence layers |
磷在土壤中的淋溶形态主要有溶解态磷和颗粒态磷, 溶解态磷又包括无机态正磷酸盐和部分有机态磷[16]。由表 4可知, 耕层正磷酸盐淋溶量显著高于其他土壤发生层, 且正磷酸盐淋溶量在耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层的淋溶液中分别占可溶性总磷淋溶量的63.25%、49.74%、71.47%、75.94%和69.55%, 均表现为可溶性总磷中以正磷酸盐淋溶为主。
2.5 不同土壤发生层氮磷淋溶浓度与土壤性状的关系除碳酸钙与各形态氮磷元素无明显相关性外, 阳离子交换量、黏粒和有机质含量均与各形态氮磷的淋溶量存在一定的相关性。阳离子交换量与铵态氮淋溶量在第2~5次淋溶时呈显著负相关关系, 在第5次淋溶时与硝态氮淋溶量呈极显著负相关关系, 而在第4、5次淋溶时与可溶性总氮淋溶量呈显著负相关关系。黏粒含量与硝态氮在第1、2次淋溶时呈现显著负相关关系, 与正磷酸盐在第2、5次淋溶时呈显著负相关关系, 与可溶性总磷在第2、4、5次淋溶时呈显著负相关关系。有机质在第1、2次淋溶时与硝态氮呈极显著正相关关系, 在第2次淋溶时与正磷酸盐呈显著正相关关系, 与可溶性总磷呈极显著正相关关系(表 5)。由此可说明, 土壤中阳离子交换量、黏粒和有机质含量对氮磷的淋溶迁移有明显影响。
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表 5 不同淋溶试验土壤氮磷淋溶量与土壤性状的相关性 Table 5 Correlation between nitrogen and phosphorus leaching and soil properties of different leaching test |
褐土不同土壤发生层养分的淋溶量是研究养分淋溶的主要指标, 对防止养分淋溶流失和地下水污染有重要意义。养分在土壤中的淋溶过程是由吸附—解吸—迁移交替的缓慢发生过程[17], 不同土壤发生层的结构不同, 引起土壤氮淋溶情况也有差异[18]。同时, 氮淋溶也受土壤基础养分含量和颗粒组成的影响, 养分含量大小表现为耕层＞淋溶层＞钙积层＞母质层＞黏化层, 且各土壤发生层土壤颗粒组成差异也较大。
在进行第1次淋溶试验时, 由于加入肥料量大且时间较长, 氮肥在施入土壤后, 在脲酶作用下分解成铵态氮[19], 铵态氮带正电荷, 易被土壤颗粒吸附固定, 因而在淋溶初期各发生层铵态氮淋溶量较少。大部分铵态氮被土壤胶体吸附后通过土壤的硝化作用转化为硝态氮, 硝态氮带负电荷, 不易被同样带负电荷的土壤胶体所吸附, 主要以溶质的形式存在于土壤溶液中[16], 所以在初次进行淋溶试验时, 5个发生层土壤会有大量硝态氮淋出。有研究表明, 氮素迁移转化主要受土壤质地、孔隙度、有机质和氮素含量等影响[20]。耕层和淋溶层的有机质含量高达30.60 g·kg-1和25.77 g·kg-1, 有机质含量高能改善土壤结构, 增加土壤通透性[21], 腐殖质等形成的胶体在黏土矿物和各种氧化物上会形成各种不同粒径的团聚体, 有利于铵态氮的吸附[22]。通过相关性分析, 在第1、2次淋溶试验中, 有机质与硝态氮淋溶量呈极显著正相关关系, 因此在初期耕层和淋溶层的硝态氮淋溶量较大。有研究表明土壤质地与土壤透气性密切相关, 硝化作用是好氧过程[19]。质地黏重的土壤透气性差, 不利于微生物的生存和活动, 抑制硝化作用的进行, 并且土壤的硝化率与黏粒含量呈显著负相关[23]。黏粒含量越高其土壤质地越黏重, 土壤孔隙越细小, 不动水体含量越高, 优势流不明显, 其溶质的运移速度较慢。硝态氮在田间不易被土壤吸附, 且主要随优势流运动[24]。钙积层、黏化层和母质层黏粒含量高, 质地黏重透气性差, 持水性高但导水能力低, 所以在前3次淋溶时硝态氮淋溶量较耕层和淋溶层明显较低。随着试验淋溶次数的增加, 黏化层和母质层土壤铵态氮淋溶量逐渐增加, 其原因可能是黏化层和母质层土壤的阳离子交换量较低, 土壤胶体对铵态氮的吸附易达到饱和, 铵态氮会解吸至土壤溶液里, 在每次淋溶时随水向下发生淋失[25]。这与本试验结果相一致, 通过相关性分析, 黏粒含量与铵态氮淋溶量呈显著相关关系, 所以黏化层和母质层铵态氮淋溶量显著高于耕层、钙积层和淋溶层。耕层、淋溶层和钙积层土壤胶体对铵态氮的吸附还未达到饱和, 土壤溶液中的铵态氮与胶体存在动态解吸过程, 所以此3种发生层在第3次淋溶达到解吸平衡后, 铵态氮淋溶量达到最大。5个发生层土壤pH呈微碱性, 有利于土壤中铵态氮在亚硝化和硝化细菌作用下转化为硝态氮, 造成土壤中硝态氮的大量累积, 为硝态氮大量淋溶提供可能[26]。
对于土壤氮素淋溶流失的不同形态养分组成而言, 淋溶液中硝态氮含量远大于铵态氮含量, 这与夏天翔等[27]对抚仙湖北岸有机与常规种植菜地土壤氮磷淋溶研究结果一致, 土壤氮素淋溶以硝态氮为主。有研究表明, 施入土壤中的氮肥仅有30%~40%被植物所利用, 约20%~50%主要以硝态氮形式经土壤淋溶进入地下水[28]。这可能是由于矿化和硝化作用使硝态氮积累在土壤中, 硝态氮不易被土壤胶体吸附而易溶于水, 铵态氮带负电荷, 易被土壤胶体所吸附, 从而导致硝态氮淋溶量大于铵态氮。
3.2 不同土壤发生层对磷淋溶的影响农田土壤磷流失的主要途径有地表径流、侵蚀和淋溶。磷素垂直向下淋溶主要是通过土壤中的大孔隙进行, 除受磷肥施用量的影响外, 还与土壤理化性质密切相关; 由于不同性质的土壤对磷的吸附和解吸能力不同, 因而在相同磷素水平下土壤的磷素淋溶量会出现差异[29]。土壤对磷素的吸附性强, 一般磷素较氮素不易发生淋失, 只有当土壤有效磷含量超过某一临界值后, 磷才会随水迁移出土壤, 因此本试验中磷淋溶量明显少于氮淋溶量, 这与王甜等[30]研究结果一致。耕层在试验初期的正磷酸盐淋溶量较其他各发生层明显偏大, 但随着试验时间的延长其差异逐渐减小。通过相关性分析可知, 正磷酸盐淋溶量与黏粒含量呈显著负相关关系, 而与有机质含量呈显著正相关关系, 耕层有机质和有效磷含量高, 在试验初期占据了磷的吸附位点, 导致土壤对磷的固持能力下降, 并且耕层砂粒含量高而黏粒少, 土质疏松, 大孔隙多, 导水能力好, 因而在初期耕层正磷酸盐淋溶量显著高于其他各层。但在初期耕层土壤的缓冲性能尚未体现出来, 随着试验的进行, 土壤逐渐趋于稳定, 缓冲能力得以体现, 从而使得差异减小[31]。在淋溶试验中, 每次浇水后收集到的耕层和淋溶层的淋溶液中, 可溶性总磷淋溶量均显著高于钙积层、黏化层和母质层。通过相关性分析可知, 可溶性总磷淋溶量与黏粒含量呈显著负相关关系, 而与有机质含量呈显著正相关关系。耕层和淋溶层土壤以砂粒为主, 有机质含量和阳离子交换量较大, 导致土壤对磷的吸附固定降低[32], 从而淋溶液中可溶性总磷含量较高; 而钙积层、黏化层和母质层则以黏粒含量为主, 具有较大的比表面积且活性强[33], 因此该发生层土壤对磷吸附能力强, 其淋溶液中可溶性总磷淋溶量少。
就本试验各发生层磷淋溶的形态及其比例而言, 其淋失磷以可溶性磷为主, 而在可溶性磷中又以无机态正磷酸盐为主, 所占比例达可溶性总磷的75.9%。Heckrath等[34]从总磷、颗粒态磷和总溶解态磷(又分为反应性无机磷和溶解性有机磷)等形态对土壤剖面65 cm下排出水研究发现, 长期不同施肥土壤排水中总溶解态磷和颗粒态磷占总磷比例的顺序为:总溶解态磷(66%~71%)＞颗粒态磷(23%~35%); 而在总溶解态磷中, 反应性无机磷占绝大多数, 约为总磷含量的66%~86%。杨学云等[35]用原状土柱模拟灌溉进行塿土磷淋失研究发现, 塿土中磷淋溶的主要形态为可溶性磷, 其含量占总磷的82.5%;在可溶性磷中以反应性无机磷居多, 占总磷的77.1%。
4 结论1) 不同土壤发生层氮磷淋溶量存在差异。可溶性总氮淋溶量的大小为:黏化层＞母质层＞淋溶层＞耕层＞钙积层, 黏化层、母质层和淋溶层可溶性总氮淋溶量显著高于耕层, 钙积层可溶性总氮淋溶量较耕层显著减少。可溶性总磷淋溶量大小为:耕层＞淋溶层＞母质层＞钙积层＞黏化层, 耕层可溶性总磷淋溶量显著高于其他各层。
2) 不同土壤发生层各形态氮磷淋溶特征存在差异。在试验初期, 耕层、淋溶层的硝态氮、可溶性总氮和正磷酸盐淋溶量显著高于黏化层和母质层, 随着试验的进行, 黏化层、母质层的硝态氮和可溶性总氮大量淋溶, 且显著高于其他3层, 而各发生层间正磷酸盐淋溶量无显著差异; 5次淋溶黏化层和母质层铵态氮淋溶量显著高于耕层、淋溶层和钙积层, 而耕层可溶性总磷淋溶量始终显著高于其他各层。
3) 不同土壤发生层中氮磷淋溶形态存在差异。在耕层和钙积层的淋溶液中氮淋溶主要是硝态氮, 其占可溶性总氮比例分别为68.96%和85.38%;在耕层、淋溶层、钙积层、黏化层和母质层的磷素淋溶中, 正磷酸盐则是可溶性磷的主要淋溶形态。
4) 土壤中氮磷的迁移转化与土壤有机质含量、阳离子交换量、黏粒含量密切相关, 有机质含量与氮磷淋溶量呈显著正相关关系, 而阳离子交换量和黏粒含量则与氮磷淋溶量呈负相关关系。
致谢: 本试验特别感谢西北农林科技大学水土保持研究所郭胜利教授的悉心设计和倾力帮助。
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