土壤優(yōu)先流對磷素垂直遷移貢獻的研究

趙牧秋，陳 欣，史云峰

(1.瓊州學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，海南三亞572022;2.中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽110016)

土壤磷素流失有地表流失和土體內(nèi)流失兩種方式，而土體內(nèi)流失又包括基質(zhì)流和優(yōu)先流兩種主要類型［1］。基質(zhì)流一般發(fā)生在土壤剖面較為致密、孔徑細小的部位。土壤水發(fā)生下滲時，基質(zhì)流流速緩慢，流經(jīng)面積大，實際的流經(jīng)路線長，因此對于基質(zhì)流中的溶質(zhì)，土壤較易與其發(fā)生物理、化學(xué)作用，同時土壤與溶質(zhì)作用的時間相對較長，相應(yīng)的土壤水中溶解的磷素量較大［2，3］。優(yōu)先流的形成主要歸因于土壤動物鉆孔、根系伸展引起的土壤孔隙，或由于土壤干—濕過程中形成的不同孔徑的裂隙等在土壤剖面上形成的孔隙、裂隙等共同組成的不規(guī)則水路通道［4］。發(fā)生優(yōu)先流時，土壤水分可快速通過土壤孔隙和裂縫，由于優(yōu)先流中的溶質(zhì)與周圍土壤介質(zhì)的作用時間很短，溶質(zhì)可快速進入土體深層［5］。

近年來的研究表明，用有顏色或有熒光的染料來作示蹤劑，則能較直觀地顯示整個土壤剖面中優(yōu)先流通道的空間分布［6，7］。應(yīng)用染色示蹤法研究了兩種不同含磷量的土壤中磷的遷移特性，分布特征及優(yōu)先流對磷素垂直遷移的貢獻率，以期為磷素淋溶遷移的研究提供更多的數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 研究區(qū)情況與研究方法

1.1 供試土壤

研究地點位于遼寧省新民市大民屯鎮(zhèn)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地(41°59'N，122°50'E)內(nèi)，研究選用了2個含磷量不同的土壤剖面為研究對象，其中LP代表低磷土壤，HP代表高磷土壤。低磷土壤全氮、全磷、速磷和pH值分別為 0.88g/kg、0.61g/kg、33.6mg/kg 和 7.67。高磷土壤全氮、全磷、速磷和 pH 值分別為 1.71g/kg、1.97g/kg、86.2mg/kg 和6.84。

1.2 土壤中優(yōu)先流通道的鑒定及含磷量測定

土壤中優(yōu)勢流通道采用亮藍(C37H34N2Na2O9S3)溶液染色鑒定。每個采樣區(qū)各設(shè)置3個重復(fù)的1.5m×0.5m的小區(qū)，為防止水分側(cè)滲，小區(qū)四周用高度為60cm的塑料圈圍，其中露出地面的部分高度為20cm，埋入地下部分的深度為40cm。在各小區(qū)內(nèi)加入100mm含有亮藍2g/L的溶液。24h后開挖1.0m×0.6m剖面并將剖面平均分配為A、B兩區(qū)。A區(qū)剖面在垂直方向上每隔5cm分別采集被亮藍染色、未被染色的組分樣，測定其中全磷含量;B區(qū)剖面首先按照深度每隔5cm分1個層次，并應(yīng)用具有網(wǎng)格(1cm×1cm)的透明塑料薄膜，根據(jù)占居的網(wǎng)格數(shù)估測染色和非染色部分面積的相對比例;然后每層次分別采集混合土樣，測定其中全磷含量。

1.3 分析方法

采集土樣和分離得到的組分樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干，過2mm土篩后混勻。從中取約50g樣品，進一步磨細過0.15mm土篩，供全磷測定。土壤全磷采用HNO3－HClO4－HF消化法測定。試驗數(shù)據(jù)采用Excel2003和SPSS12.0統(tǒng)計分析軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)先流在土壤剖面中的分布

圖1 土壤剖面染色部分所占比例及優(yōu)先流的貢獻率隨土層深度的變化

土壤大孔隙是土壤中水分和空氣的主要通道，它的存在能夠產(chǎn)生土壤優(yōu)先流并導(dǎo)致溶質(zhì)優(yōu)先遷移，是水分和化學(xué)物質(zhì)快速、遠距離運移的主要通道［8］。本研究通過亮藍染色試驗鑒定了土壤中優(yōu)先流的存在及其分布情況［9］，圖1顯示了2個含磷量不同的土壤剖面被亮藍染色部分所占的面積比例隨土層深度的變化。結(jié)果表明，亮藍在供試土壤0～60cm均有分布，其中0～20cm土壤被亮藍染色明顯(＞60%)，并且染色劑在這部分土層中的分布較為均勻，優(yōu)先流并不明顯，染色劑主要靠基質(zhì)流向下滲透;20cm以下土壤被亮藍染色的比例相對于以上明顯減少(＜60%)，且被染色部分主要位于較大的空穴周圍，染色圖案呈不規(guī)則分布，具有明顯的優(yōu)先流特征。

2.2 染色、未染色和混合土壤全磷含量的比較

圖2所示為兩種含磷量不同的土壤染色部分、未染色部分和混合土壤全磷含量隨土層深度的變化情況。結(jié)果表明，土壤全磷含量的垂直分布趨勢是隨著土壤深度的增加，全磷含量呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，并且土壤全磷多富集于耕層(0～20cm)土壤中。對于同一種土壤而言，所有剖面土壤全磷含量均呈現(xiàn)染色部分土壤＞混合土壤＞未染色部分土壤，這充分說明優(yōu)先流到達部分(染色部分)周圍土壤的含磷量明顯高于單純依靠基質(zhì)流輸磷部分(未染色部分)的土壤，即優(yōu)先流的存在能將磷帶到更深土層。比較兩種不同含磷量的土壤染色和未染色部分全磷含量的差異可知，含磷較低的LP處理遠大于含磷較高的HP處理(相對值)，說明這種磷含量的差異與土壤磷的吸附飽和度呈反比，即土壤對磷的固定作用越強，優(yōu)先流對這種差異的影響越大。

圖2 染色、未染色和混合土樣全磷含量隨土層深度的變化

2.3 優(yōu)先流對土壤全磷垂直分布的貢獻率

可以定義混合土樣全磷含量(基質(zhì)流與優(yōu)先流同時作用)與未染色部分土樣全磷含量(只有基質(zhì)流發(fā)生作用)的差異占混合土壤全磷含量的比例為優(yōu)先流對土壤全磷的貢獻率，因此某土層優(yōu)先流對土壤全磷的貢獻率(R)可用下式表示:

其中，Ri(%)表示第i層土壤優(yōu)先流對全磷含量的貢獻率(%);Ci，混合樣表示第i層土壤混合土樣全磷含量(mg/kg);Ci，未染色土樣表示第 i層未被染色的土樣全磷含量(mg/kg)。

優(yōu)先流貢獻率隨土壤深度增加有先增加后減小的趨勢，且表層以下(＞20cm)優(yōu)先流貢獻率同土壤染色部分所占比例有正相關(guān)關(guān)系。在土壤表層(0～10cm)，盡管被染色部分所占比例最大，但由于這時染色質(zhì)移動主要靠基質(zhì)流，因此優(yōu)先流貢獻率較低。隨土層深度增加，基質(zhì)流能夠到達的難度增加，優(yōu)先流的貢獻率開始增加。在15～45cm土層，對于含磷量較高的HP處理土壤，其貢獻率約為20～40%;而對于含磷量較低的LP處理其貢獻率高達40～70%。

3 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，研究土壤20cm以下土層存在明顯的優(yōu)先流通道，優(yōu)先流通道附近土壤樣品(染色土樣)全磷含量明顯高于未受優(yōu)先流影響的土壤樣品(未染色土樣)，且差異與土壤含磷量呈反比關(guān)系。表層(0～10cm)土壤受基質(zhì)流影響，優(yōu)先流貢獻率較低;在15～45cm土層，優(yōu)先流貢獻率在20～70%范圍，且隨土壤含磷量的降低貢獻率增大。

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