红壤植蔗区施磷的淋溶风险评估

朱晓晖，黄金生，曾 艳，区惠平，周柳强，谢如林，谭宏伟

(1. 广西壮族自治区农业科学院资源与环境研究所，广西 南宁 530007；2. 广西壮族自治区农业科学院，广西 南宁 530007)

【研究意义】广西是我国最大的产糖区，甘蔗产业为广西主要支柱产业之一，1995年至2015年间，甘蔗种植面积由454.3×103hm2增加到973.7×103hm2[1]；而同期内全区农业生产中磷肥施用量由28.76×104t上升至63.14×104t[1]。广西不同甘蔗种植区土壤有效磷含量地域差别较大，且磷肥连年施用，其累加对土壤磷的固定与富集造成影响。每年的5月至9月是广西主要的降雨季，甘蔗大培土时期通常在雨季(5月)前完成，研究此时段内肥用量、土壤磷含量以及蔗田流失磷量之间的相互关系，对科学合理施用磷肥，减少农田磷流失和评价流失风险具有重要意义。【前人研究进展】有关研究表明长期过量施用肥料，当其供给的养分超出农作物所需的最大量时，会使氮、磷等营养元素在土壤中的过量富集。如遇降雨则将随雨水进入周边水体，引起污染地下水，引起水体富氧化等农业面源污染问题[2-4]。磷是淡水系统中水体产生富营养化的主要限制因素[5-7]。当水体中的总氮浓度>0.20 mg/L 时，正磷酸盐浓度仅需达到0.01～0.02 mg/L 即可引起水体富营养化[8-9]。有关研究表明农田耕层土壤总磷的1/3至1 /2来源于磷肥施用[10-12]。鲁如坤等研究我国南方6省(自治区)农田土壤磷素平衡表明农田土壤磷素平衡均处于盈余状态，土壤磷素已出现积累现象[13]。谭宏伟等[14]指出广西的农田施用氮磷钾肥极不平衡，旱地耕作生态体系磷(P2O5)肥每年实际施用量比作物需要量高3606.8 t。土壤磷素的积累增加磷淋溶流失风险，谢如林等[15]蔗地径流研究表明磷肥的径流流失系数为1.104 %～1.428 %。Lyu 等[16]在对英国洛桑试验站小麦连作的试验地65 cm下排水管中排出水进行分析发现，水中含磷浓度可达2.35 mg/L。【本研究切入点】当前关于红壤地区种植甘蔗施用磷肥的磷淋溶流失风险评估的研究较少。【拟解决的关键问题】以广西植蔗红壤为研究对象，通过大田磷肥试验和模拟降雨试验，对甘蔗产量、土壤磷素以及淋溶流失磷浓度与总量的变化，从农艺和环境方面揭示磷肥施用—土壤磷—蔗田磷淋溶流失风险的之间关系，为科学评估红壤地区种植甘蔗施用磷肥的磷淋溶流失提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

田间试验于 2014-2015年在广西农业科学院武鸣里建基地进行试验，试验地属南方典型的红壤区，南亚热带湿润季风气候，平均气温 21.6 ℃，年降水量1650 mm，年均日照1800 h。供试土壤为砂页岩发育的红壤。供试土壤0～30 cm土层有机质含量16.5 g/kg，pH 5.32，全氮0.9 g/kg，全磷 0.5 g/kg，全钾4.5 g/kg，碱解氮70.0 mg/kg，有效磷19.9 mg/kg，速效钾 180 mg/kg。供试甘蔗品种新台糖22号，供试氮肥为尿素(河南心连心化肥有限公司产，N 46 %)，磷肥为钙镁磷肥(广西鹿寨化肥有限责任公司产，P2O518 %)，钾肥为氯化钾(中国中化集团公司产，K2O 60 %)。

模拟降雨试验于田间试验结束后取各处理0～30 cm的耕层土壤进行。实施地点为广西农业科学院院部试验基地。供试磷肥分别是KH2PO4(分析纯，P2O552 %，用于代表易溶性磷肥)和钙镁磷肥(广西鹿寨化肥有限责任公司产，P2O518 %，用于代表枸溶性磷肥)。

1.2 试验方法

试验设大田试验和模拟降雨试验，其中大田试验设置5个施磷水平处理(P0～P4)：P0～P4磷肥施用量依次为0、75、150、300 和600 kg P2O5/hm2，其中P2处理为当地习惯施磷量； 每处理设3个重复。每处理氮钾肥用量一致，氮肥用量为420 kg N/hm2，钾肥为300 kg K2O/hm2。磷肥总量的1/2以及氮、钾肥总量的 1/3于甘蔗苗期均匀撒施于各小区；余下1/2 磷肥以及2/3氮、钾肥于甘蔗拔节旺长期(大培土)开沟施入。甘蔗试验于2014年2月20日播种，行距为120 cm。小区面积30 m2，完全随机区组设计，于2015年1月14日采收。除施肥措施外，各小区其它农事操作完全一致，并与当地生产相一致。

模拟降雨试验。在甘蔗采收后，分别采集各处理0～30 cm的耕层土壤风干过80目筛待用。将每处理土壤均匀装满至高30 cm，半径3 cm的PVC管中，用200目筛网封底，每处理装3管，其中2管进行混肥处理，施磷量的基准为每公顷0～30 cm的耕层土壤投入180 kg P2O5：一管混入钙镁磷肥，实际施用量为0.2827 g，另一管混入KH2PO4，实际施用量为0.0975 g。剩余一管不做混肥处理，为原处理土。以2000-2015年间广西南宁5-9月的月平均降雨量作为模拟降雨试验的降雨量，分批次对上述土柱管进行模拟降雨，通过收集淋溶液，分析淋溶液中磷浓度与流失总量，对不同施磷量下土壤磷淋溶流失进行风险评价。总降雨量为891.76 mm。为模拟不同降雨强度，将5月至9月的月均降雨量分别按35.0 %、27.5 %、20.0 %、12.5 %、5.0 %进行分配，共进行了25次降雨，每隔3 d进行1次人工降雨，降雨后产生淋溶流失液10次。

表1 不同施磷量对甘蔗的生物量效应

注：同列数据后不同字母表示处理间差异达5 %显著水平，下同。

Note：Different letters in the same column indicated significant difference at the 0.05 level.The same as below.

1.3 测定项目与方法

甘蔗收获后，每小区多点(20点)采集0～30 cm土样制备混合样，测定土壤CaCl2-P、Olsen-P含量。在甘蔗采收前，每小区调查甘蔗有效茎数，随机多点采集20株有代表性的、成熟的蔗株，收集蔗叶和蔗茎的鲜重数据，分蔗叶和蔗茎两部分混合制样；每小区甘蔗采收后称取全部蔗叶和蔗茎的鲜重(计入甘蔗采收前采集的20株甘蔗的鲜重)；测定甘蔗植株中磷的含量，求算甘蔗对磷的吸收状况。土壤Olsen-P用0.5 mol/L NaHCO3提取，全自动间断化学分析仪测定磷含量；CaCl2-P用0.01 mol/L CaCl2提取，全自动间断化学分析仪测定磷含量。植株样品采用H2SO4-H2O2法消煮，钒钼黄比色法测全磷。流失液总磷用5 %过硫酸钾消解，全自动间断化学分析仪测定磷含量。模拟降雨试验中需测定淋失液体积，及水溶性总磷含量。

1.4 统计分析

试验采用Excel 2007、DPS7.05等软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同施磷量对甘蔗的生物量效应

施磷可提高蔗茎及甘蔗地上部的生物量(表1)。施磷比不施磷处理的蔗茎、地上部生物量分别提高了3.0 %～8.3 %和2.4 %～7.1 %。其中，施磷量在150 kg P2O5/ hm2及以上水平时，甘蔗蔗茎增加效果明显，但施磷处理间增加效果不明显； P2处理的地上部生物量最大，且显著高于不施磷处理，其余施磷处理与不施磷处理间差异均不显著(P>0.05，下同)。施用磷肥对蔗叶生物量的影响小，各处理间蔗叶生物量差异不显著。

表2不同施磷量下的甘蔗磷素养分吸收

Table 2 Nutrient uptake of phosphorus under different phosphorus application rates

处理Treatment地上部磷素养分吸收量(kgP2O5/hm2)Nutrientuptakeofphosphorus蔗茎Canestalk蔗叶Sugarcaneleaves地上部AerialpartP025.7b13.1b38.8cP126.7b18.3a45.0bP230.4a19.0a49.4abP331.0a17.9a48.9abP432.4a18.1a50.5a

2.2 不同施磷量对甘蔗磷素吸收的影响

施磷处理可增加蔗茎和蔗叶的磷素吸收量(表2)，施磷处理比对照的地上部的磷素吸收量显著提高16.1 %～30.1 %。其中P2、P3和P4处理间蔗茎磷素吸收量差异不显著，且均显著高于P0和P1处理；施磷处理蔗叶磷含量均显著高于对照处理，其中P2处理最高，但与其他施磷处理差异不显著；施磷处理甘蔗地上部磷素吸收量均显著高于对照处理，其中P4处理最高，但其与P2、P3处理间无显著差异。

2.3 不同施磷量对土壤磷素的影响

甘蔗采收后分析各处理土壤表明，土壤CaCl2-P和Olsen-P含量随施磷量的增加而显著提高(表3)。施磷比不施磷处理的土壤CaCl2-P和Olsen-P含量分别提高了35.9 %～778.6 %和25.8 %～230.2 %。当施磷量达到150 kg P2O5/hm2及以上水平时，土壤CaCl2-P和Olsen-P含量显著增加，且施磷处理间存在显著差异。

表3 植后土壤CaCl2-P和Olsen-P与施磷量的关系

表4 模拟降雨试验的淋溶液的淋失量与淋失率

表5 淋溶液中磷浓度与总量

注：同行数据后不同字母表示处理间差异达5 %显著水平。

Note：Different letters in the same row indicated significant different at the 0.05 level.

2.4 不同施磷量下土壤磷流失风险评价

2.4.1 模拟降雨试验淋溶液的淋失量与淋失率 从模拟降雨试验的淋溶液的淋失量与淋失率可以看出(表4)，从土体渗漏出的淋溶液总量最少为327.15 mm，最多为393.29 mm，各处理间差异均不显著；降雨淋失率最少为33.92 %，最多为44.10 %，各处理间差异同样均不显著，可见不同处理对淋溶液的淋失量与淋失率的影响不大。

2.4.2 不同处理淋溶液中磷浓度与总量 如表5所示，加入钙镁磷肥和磷酸二氢钾的处理与比不施磷处理相比，淋溶液磷浓度分别增加13.66 %和13.12 %；磷总量分别增加24.10 %和21.23 %，差异均达显著水平；且施用易溶性磷肥(磷酸二氢钾)对淋溶液中磷浓度的增加效果更为显著，比枸溶性磷肥(钙镁磷肥)处理增幅高10.44 %。淋溶液磷的浓度和总量都表现为随土壤有效磷含量的增加而增加。从P1～P4处理淋溶出的磷的浓度和总量分别比P0处理增加了10.37 %、26.38 %、32.69 %、53.68 %和13.19 %、23.67 %、53.27 %、49.70 %，且处理间增幅差异均达显著水平。

2.4.3 土壤Olsen-P与流失磷浓度增量的关系 以土壤Olsen-P含量作为横坐标，以施用钙镁磷肥和磷酸二氢钾较不施磷处理模拟降雨产生的淋溶液的磷浓度的增量分别作为纵坐标，对土壤Olsen-P与施磷处理模拟降雨产生淋溶液总磷浓度的增加量的相关关系进行回归拟合。拟合方程如下：钙镁磷肥Y=-0.00003X2+0.00359X-0.03237(R2=0.99582)；磷酸二氢钾Y=-0.00005X2+0.00492X-0.02767(R2=0.99894)，当土壤Olsen-P含量为59.83 mg/kg时 钙镁磷肥处理淋溶液总磷浓度的增加量最大，为0.08 mg/L；当土壤Olsen-P含量为49.20 mg/kg时磷酸二氢钾处理淋溶液总磷浓度的增加量最大，为0.09 mg/L(图1)。

图1 土壤Olsen-P与流失磷浓度增量的关系Fig.1 Relationship between Increment of P concentration in leachate and soil Olsen-P

3 讨 论

本研究表明，磷肥对甘蔗蔗茎与蔗叶的施肥效应是蔗茎>蔗叶，因此，通过提高磷肥用量并不能有效提高甘蔗的生物量。施用磷肥可提高甘蔗蔗茎及地上部的生物量，但从增加效果上看，磷肥用量在150 kg P2O5/hm2时生物量增加最为显著。当施磷量超过该用量时，蔗茎与地上部生物量虽显著高于不施磷处理，但增加的幅度与P2处理相近。谭宏伟等[17]研究结果表明，甘蔗磷肥最佳施用量为150～225 kg P2O5/hm2。大田试验当地农民的磷肥习惯用量150 kg P2O5/hm2在其推荐的施肥量的范围内，说明当前甘蔗施磷量已趋于合理化。

施磷促进甘蔗地上部磷素的吸收，但高磷(>150 kg P2O5/hm2)处理间增加效果无明显差异。通过计算发现，随施磷量的增加甘蔗各部位的磷素吸收效率不断下降，说明供磷量大于甘蔗的吸磷量。试验供试土壤为红壤，具有酸、粘、瘦、pH值低且富含铁、铝氧化物等特点[18]，磷肥施入土壤后极易与铁、铝结合形成溶解度很低的铁、铝磷酸盐[19]，造成土壤磷素固定。过量投入磷肥，在局部范围内使土壤中铁、铝磷酸盐达到饱和后，剩余的磷素会富集于耕层土壤中，显著提高土壤Olsen-P的含量，本研究结果表明，当施磷量达到150 kg P2O5/hm2，土壤Olsen-P含量为21.70 mg/kg(>14.50 mg/kg)，参考相关文献，已达到高磷土标准[20]。

本研究模拟降雨试验结果表明，施磷能明显提高耕层土壤淋溶磷的浓度和总量，且施用磷酸二氢钾的淋溶磷浓度增幅比钙镁磷肥处理高10.44 %。说明肥料种类对土壤磷流失有一定影响，施用易溶性磷肥比施用枸溶性磷肥更容易造成磷流失。此外土壤Olsen-P含量也是影响土壤淋溶磷的关键因素之一。当土壤Olsen-P含量达到21.70 mg/kg后，土壤淋溶磷的浓度和总量随Olsen-P含量的增加而显著提高。磷是水体富营养化的敏感因子，在其他条件满足的情况下，水体正磷酸盐浓度仅需达到0.01～ 0.02 mg/L 即可引起水体富营养化，形成污染[5-7]。可见，即便当前磷肥已控制在能有效率的显著增加甘蔗产量的用量(150 kg P2O5/hm2)上，但仍存在很大程度磷淋溶风险。然而，本研究进行的模拟降雨试验忽略了甘蔗的养分吸收和降雨冲刷形成的地表径流带走的作物残体磷、土壤颗粒磷等因素，仅从0～30 cm耕层土壤中的磷素入手，探讨磷潜在淋溶风险，研究具有一定局限性，应继续进行田间试验，结合实际的地表径流与淋溶，进一步研究磷肥施用量、甘蔗磷吸收量和土壤流失磷之间的关系。

4 结 论

施磷量为150 kg P2O5/hm2对红壤地区甘蔗生长较好，但可使土壤淋溶液总磷浓度的提高0.03～0.05 mg/L，施用易溶性磷肥比枸溶性磷肥淋溶液中磷浓度高10.44 %，磷淋溶风险更大。

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