三峽庫區(qū)農(nóng)田土壤無機(jī)磷動態(tài)變化及其遷移特征.pdf

1、人口數(shù)量大，資源短缺和環(huán)境惡化是制約中國社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平提高的三大障礙。當(dāng)前，全世界范圍內(nèi)正面臨著糧食增產(chǎn)與維護(hù)和改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的挑戰(zhàn)，治理農(nóng)業(yè)面源污染是其中的重要內(nèi)容。黨的“十八大”將生態(tài)文明建設(shè)與經(jīng)濟(jì)、政治、社會、文化建設(shè)擺在了同等重要位置，對治理農(nóng)業(yè)面源污染高度重視，要求打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)。磷素是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的養(yǎng)分限制性因子，然而，由于其過量施用已經(jīng)引起了嚴(yán)重的水體富營養(yǎng)化問題，大量研究已經(jīng)表明，磷

2、素是引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染的主要元素之一，而且是關(guān)鍵性元素。所以建立兼顧作物高產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的土壤磷素推薦施肥體系及耕作措施對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。土壤磷對生態(tài)系統(tǒng)的作用機(jī)制是在土壤-水-大氣-生物界面之間交換性遷移中形成的，土壤磷素農(nóng)業(yè)面源污染具有明顯的系統(tǒng)特征和地域特征。紫色土主要分布在長江中上游，占三峽庫區(qū)耕地面積的78.7％，隨著土地利用強(qiáng)度加大，水土流失日益嚴(yán)重，造成了土壤養(yǎng)分的流失和水體富營養(yǎng)化污染，加劇了生態(tài)環(huán)境惡化

3、。因此，研究特定區(qū)域尺度內(nèi)的土壤磷素流失強(qiáng)度、通量以及時空變異規(guī)律，配置科學(xué)技術(shù)，調(diào)整適地磷肥管理，發(fā)展有機(jī)生態(tài)農(nóng)業(yè)，強(qiáng)化典型農(nóng)作系統(tǒng)的磷素循環(huán)，探明磷素原位截留和生態(tài)攔截凈化機(jī)理，達(dá)到進(jìn)一步消減農(nóng)田土壤磷素養(yǎng)分的輸出之目的。綜合減排是土壤磷農(nóng)業(yè)面源污染機(jī)理與調(diào)控技術(shù)研究發(fā)展的新趨勢，主要在土壤微生態(tài)方面弄清磷流失污染的過程，優(yōu)化化學(xué)磷肥以及有機(jī)肥施用量和配施比例，綜合降低磷污染物在土壤、水體等多界面上的發(fā)生量。
　　本研究結(jié)合我

4、國目前“一控兩減三基本”的農(nóng)業(yè)資源和環(huán)境對策，通過源頭控制，中間阻控和末端消納的技術(shù)手段，注重化肥減量優(yōu)化以及有機(jī)無機(jī)肥配合施用，弄清了化肥和有機(jī)肥施用條件下紫色土農(nóng)田土壤磷素流失源強(qiáng)及其徑流和淋溶遷移特征，為全面認(rèn)識三峽庫區(qū)紫色土農(nóng)田磷素流失和有效評價磷流失對水環(huán)境風(fēng)險提供了科學(xué)依據(jù)。本文以我國三峽庫區(qū)主要農(nóng)田土壤紫色土為材料，采用田間長期定位試驗(yàn)與野外原位定點(diǎn)監(jiān)測并結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析的方法，通過22年水旱輪作長期定位試驗(yàn)從時間和空間尺

5、度上研究了長期定位施肥和長期保護(hù)性耕作制度下紫色土無機(jī)磷變化特征，運(yùn)用化學(xué)測試和系統(tǒng)的土-水-植并析的生態(tài)學(xué)觀點(diǎn)，研究了紫色土旱坡地土壤無機(jī)磷遷移特征及主控因素以及稻-油水旱輪作紫色土無機(jī)磷素動態(tài)變化及其遷移特征，最后建立土-水-植耦合的紫色土農(nóng)田磷素遷移流失模型，為預(yù)測三峽庫區(qū)紫色土農(nóng)田土壤磷素流失量，制定合理的施肥和耕作措施提供了較為可靠的科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。獲得的主要研究結(jié)論如下：
　　1.應(yīng)用蔣柏藩-顧益初無機(jī)磷分級體系對

6、22年長期定位施肥試驗(yàn)紫色土0~100 cm土層各形態(tài)無機(jī)磷進(jìn)行分級測定，研究了各形態(tài)無機(jī)磷在土壤剖面的分布及變化規(guī)律。結(jié)果表明，長期施用化學(xué)磷肥以及有機(jī)無機(jī)肥配施處理的土壤全磷、有效磷和各形態(tài)無機(jī)磷均較試驗(yàn)前有不同程度的增加，且以豬糞+NPK（M+NPK）處理土壤增加最多，其中有效磷含量增加了6倍；不施肥（CK）和單施氮肥（N）的處理土壤有效磷、全磷和各形態(tài)無機(jī)磷出現(xiàn)了下降，其中有效磷含量分別降低了51.1%和53.5%。除了Fe-P

7、和Ca10-P含量下層高于上層外其余各形態(tài)無機(jī)磷都表現(xiàn)為耕層高于下層的特征。各處理Ca2-P、Al-P、Ca8-P、O-P等無機(jī)磷的剖面分布較為相似，均呈20~60 cm下降比較迅速，80~100 cm變化不大或者稍微上升的趨勢，而Fe-P則表現(xiàn)為隨土層深度增加呈上升趨勢。相關(guān)分析表明各組分無機(jī)磷對紫色土有效磷的貢獻(xiàn)為Ca2-P(0.9569)>Al-P(0.9265)>Ca8-P(0.9100)>Fe-P(0.8277)>Ca10-P

8、(0.7449)>O-P(0.7362)。長期有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著增加磷素在土壤中的累積，并能減少土壤對磷素的固定，增強(qiáng)其在土壤中的移動，促進(jìn)土壤磷素向有效態(tài)轉(zhuǎn)化。
　　2.以1990年建立的耕作制定位試驗(yàn)田紫色土為研究對象，分析了常規(guī)中稻-冬水田平作（CF）、中稻-冬水田壟作免耕1（RNT1）、中稻-小麥或油菜壟作免耕2（RNT2）和中稻-小麥或油菜水旱輪作（CR）等耕作方式對紫色土剖面不同形態(tài)無機(jī)磷分布演變特征的影響。結(jié)果表

9、明：與試驗(yàn)前土壤相比，長期不同耕作處理的土壤上下層全磷、有效磷和各形態(tài)無機(jī)磷均有不同程度的增加，各處理土壤中不同形態(tài)無機(jī)磷含量大小順序?yàn)镽NT2>CF>CR>RNT1。除了Fe-P含量下層土壤高于上部耕層外，Ca2-P、Ca8-P、Al-P、Ca10-P、O-P都表現(xiàn)為耕層高于下層的特征。不同耕作措施對紫色土剖面各形態(tài)無機(jī)磷含量影響顯著，對各形態(tài)無機(jī)磷有效性影響效果為 CR>RNT>CF。長期水旱輪作更有利于作物對磷的吸收。從各形態(tài)無機(jī)

10、磷在不同剖面紫色土總無機(jī)磷中所占比重來看，Ca10-P和 O-P較大，鈣磷整體所占比重最大。
　　3.從不同施肥條件下紫色土旱坡地磷素年際流失特征可以看出，總磷（TP）和總可溶性磷（TDP）流失量有明顯的差異。各處理TP和TDP變化范圍比較大，分別為0.06~1.58 kg·hm-2·a-1和0.009~0.268 kg·hm-2·a-1。從2011~2014年不同施肥處理TP和TDP平均流失總量可以看出，TP流失量大小依次為倍量

11、施磷肥（2P）>優(yōu)化施肥（P）>優(yōu)化施肥+豬糞有機(jī)肥（MP）>優(yōu)化施肥+秸稈還田（SP）>優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機(jī)肥（MDP）>優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田（SDP）>不施磷肥（P0）。倍量施磷肥（2P）處理流失總磷量最高。優(yōu)化施肥（P）處理分別是優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田（SDP）處理和優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機(jī)肥（MDP）處理的1.5~2倍左右。TDP流失量與TP流失量大小順序稍有不同，各處理大小依次為倍量施磷肥（2

12、P）>優(yōu)化施肥+豬糞有機(jī)肥（MP）>優(yōu)化施肥（P）>優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機(jī)肥（MDP）>優(yōu)化施肥+秸稈還田（SP）>優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田（SDP）>不施磷肥（P0）。各施肥處理磷素流失量與降雨量做相關(guān)性分析得出，總磷累積流失量和累積降雨量呈(),0y?aLn x?b a?（R2=0.8306~0.9473）對數(shù)關(guān)系相關(guān)，總可溶性磷累積流失量和累積降雨量呈,0y?ax?b a?（R2=0.9302~0.9803）線性關(guān)系

13、相關(guān)（其中P0處理為對數(shù)關(guān)系相關(guān)）。同時采用野外徑流小區(qū)對紫色土旱坡地2014年雨季（5~8月）3次典型降雨產(chǎn)流進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測，研究了P、2P、MP、SP、MDP、SDP、P0等不同施肥方案對紫色土旱坡地地表徑流和壤中流磷素流失的影響。結(jié)果表明：紫色土旱坡地地表徑流和壤中流受降雨強(qiáng)度影響，雨季次降雨中雨到暴雨平均徑流量為10.68~52.32 mm，泥沙量為13.58~40.20 kg·km-2，壤中流占總徑流的53%以上，壤中流是雨季徑

14、流主要輸出途徑。而次降雨地表徑流總磷（TP）平均含量和流失負(fù)荷都遠(yuǎn)高于壤中流，地表徑流磷素流失是紫色土旱坡地雨季磷素流失主要方式。發(fā)現(xiàn)減磷配施有機(jī)肥對紫色土旱坡地坡面徑流中磷素流失有顯著消減效應(yīng)，SDP、MDP分別比P處理的總磷含量降低57%和48%，配施秸稈效果好于配施豬糞有機(jī)肥。次降雨磷素平均流失負(fù)荷為0.01~0.47kg·hm-2，磷素平均流失負(fù)荷表現(xiàn)為2P>P>MP>SP>MDP>SDP>P0。減磷配施豬糞和秸稈有機(jī)肥對土壤磷

15、素地表徑流損失具有顯著消減效應(yīng)，但增加壤中流磷素淋失風(fēng)險。因此要控制磷素流失首先要控制水土侵蝕，在平衡配施有機(jī)肥的同時要注意采取增厚土層，提升土壤有機(jī)質(zhì)等綜合治理措施。不同施肥處理對冬小麥-夏玉米生長發(fā)育和磷肥利用率的影響研究表明，冬小麥季和夏玉米季都以倍量施磷肥（2P）處理作物磷吸收量為最高，但是磷素表觀利用率卻不高。小麥季優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田（SDP）和優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機(jī)肥（MDP）處理分別比常規(guī)優(yōu)化施肥（P）

16、處理磷肥表觀利用率高5.9%和4.2%。玉米季有機(jī)無機(jī)肥配施處理磷肥表觀利用率也顯著高于單施化肥處理（P<0.05）。盡管倍量施磷肥（2P）處理可以增加作物對磷素的吸收量，但是經(jīng)濟(jì)效益和利用率卻大大降低，會導(dǎo)致肥料資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著提高作物對磷肥的吸收利用。紫色土旱坡地冬小麥和夏玉米適當(dāng)減磷配施有機(jī)肥可以在不減產(chǎn)的前提下提高磷肥的利用率并能降低對水環(huán)境污染。
　　4.優(yōu)化及減磷配施有機(jī)肥對水稻、油菜生長

17、發(fā)育和磷肥利用率的影響研究結(jié)果表明，在常規(guī)作物施肥基礎(chǔ)上適當(dāng)減少化學(xué)磷肥施用量，并配合施用有機(jī)肥，對作物產(chǎn)量并沒有產(chǎn)生顯著的減產(chǎn)效應(yīng)，而且能在一定程度上減少農(nóng)田磷素?fù)p失提高磷素利用率。水稻對磷肥的利用率總體表現(xiàn)為：優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機(jī)肥（MDP）>優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田（SDP）>優(yōu)化施肥+豬糞有機(jī)肥（MP）>優(yōu)化施肥+秸稈還田（SP）≈優(yōu)化施肥（P），各處理磷肥利用率在20%~25%之間。油菜對磷肥的利用率總體表現(xiàn)為

18、：優(yōu)化施肥量磷減20%+秸稈還田（SDP）>優(yōu)化施肥量磷減20%+豬糞有機(jī)肥（MDP）>優(yōu)化施肥+豬糞有機(jī)肥（MP）>優(yōu)化施肥+秸稈還田（SP）>優(yōu)化施肥（P），各處理磷肥利用率在17%~29%之間。油菜不同生育期土壤磷素動態(tài)變化研究結(jié)果表明，有機(jī)無機(jī)肥配施可以顯著提高土壤有效磷含量。蕾薹期土壤有效磷較苗期有一個明顯的降低，但在油菜開花期和收獲后期，土壤有效磷有一個明顯的上升，油菜生長花期以后是土壤有效磷淋失的主要時期。不同施肥處理對稻

19、田田面水TP含量動態(tài)變化研究表明，在水稻生長前一個月內(nèi)，田面水總磷含量隨著施磷水平的增加而增加，優(yōu)化施肥（P）比不施磷肥（P0）處理總磷含量高4倍左右。各處理磷含量大小表現(xiàn)為P>MP>SP>MDP>SDP>P0。一個月后不同施肥處理田面水總磷含量基本一致，80天后各處理總磷含量接近不施磷處理。磷肥施用后的7~10天內(nèi)是控制稻田磷素流失的關(guān)鍵時期，在此時期內(nèi)任何降雨徑流或者人為擾動以及農(nóng)田排水都可能使得大量的磷素流失進(jìn)入水環(huán)境之中，從而增

20、加對水體污染的風(fēng)險。為探索長江流域稻油輪作系統(tǒng)水稻季減少農(nóng)田磷素流失的最佳施肥模式和有效耕作措施，降低其對長江水質(zhì)的威脅。采用滲漏池長期田間原位定點(diǎn)試驗(yàn)并結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)分析，研究了化肥配施豬糞有機(jī)肥和水稻秸稈還田對土壤磷素淋溶遷移的影響。結(jié)果表明在水稻生長期內(nèi)土壤淋溶水中磷素濃度隨時間延長呈逐漸下降的趨勢，前期波動幅度大且下降迅速，到55天之后逐步穩(wěn)定達(dá)到平衡?？偪扇苄粤祝═DP）是滲漏水磷素的主要形態(tài)。土壤淋溶水中總磷（TP）和總可溶性

21、磷（TDP）含量均表現(xiàn)為 MP>SP>P>MDP>SDP>P0。土壤總磷（TP）淋失負(fù)荷在0.295~0.493 kg·hm-2之間。化學(xué)磷肥減量有利于降低土壤淋溶水中磷素淋失量。P0處理比P處理總磷淋失量降低39%。MDP和SDP處理比MP和SP處理三層總磷淋失量分別降低21.7%和19.6%。施用有機(jī)肥提高了淋溶水中的磷素含量，促進(jìn)了土壤中磷素的淋失，同時顯著提高了土壤中有效磷的含量，豬糞有機(jī)肥的促進(jìn)作用比水稻秸稈大。通過本試驗(yàn)研究

22、各施肥處理對作物生長、磷肥利用率和對土壤磷素有效性的貢獻(xiàn)及其磷素淋失對水環(huán)境風(fēng)險大小可以看出化學(xué)磷肥減量和秸稈配施是應(yīng)對農(nóng)業(yè)面源污染“控源節(jié)流”的較好措施。在綜合考慮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)省本增效和控制農(nóng)田面源污染的情況下，可以采取減量化肥配施有機(jī)肥的施肥模式。
　　5.土-水-植耦合的紫色土農(nóng)田磷素遷移流失模型可以較好的模擬預(yù)測水田田面水可反應(yīng)性無機(jī)磷（MRP）含量變化特征和三峽庫區(qū)紫色土旱坡地磷素遷移流失特征。其中稻田磷素流失模型中固定速率

23、常數(shù)最敏感，對結(jié)果影響作用最大。施肥初期排水會導(dǎo)致磷素隨排水損失增加，因此，合理排灌對控制紫色土稻田磷素流失有其積極意義。
　　利用紫色土22年長期定位施肥試驗(yàn)和長期不同耕作制試驗(yàn)監(jiān)測基地以及原狀土壤滲漏池，從時間和空間尺度上，并兼顧水田、旱地土壤，系統(tǒng)研究了三峽庫區(qū)紫色土中磷素的遷移轉(zhuǎn)化特征，獲得了大量的基礎(chǔ)性監(jiān)測數(shù)據(jù)和研究成果，為三峽庫區(qū)紫色土農(nóng)田土壤磷肥的優(yōu)化管理以及施行合理的施肥和耕作制度提供了理論依據(jù)。全面系統(tǒng)的研究了不