水肥耦合條件下小麥田根系層土壤總磷遷移特征

蘇 欣，李強坤，王軍濤，胡亞偉

(黃河水利科學研究院，鄭州 450003)

大量研究[1～6]表明，農業非點源污染已成為當前影響水體環境質量的主要因子。我國農業非點源污染的局面也非常嚴峻。世界銀行的報道指出，中國地下水有將近50%被農業非點源污染，中國受農業非點源污染影響的耕地面積已近2 000 萬hm2。據中國農業信息網公布數據核算，2007年我國使用化肥5 107 萬t(折純)，按當年農作物播種面積計算，農作物的平均化肥施用量為209.1 kg/hm2，是世界化肥平均用量的3倍之多。但我國化肥的利用率很低，其中磷肥為10%～20%[7]。目前，農田土壤中富集的磷以及當年施入的化肥是農業非點源污染形成的“源庫”，而農田灌溉過程中的水分垂向運動，是磷從土壤圈向地下水圈遷移擴散的主要動力。因此，研究水肥耦合作用下小麥總磷運移特征，將為合理制定灌溉施肥措施提供科學依據，對提高農田水肥利用效率，減少總磷排放具有重要的現實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

本次試驗選擇在黃河水利科學研究院節水試驗基地進行。該基地位于河南省新鄉市，地處河南省北部，北緯35°18′，東經113°54′。屬暖溫帶大陸性季風氣候，多年平均氣溫14℃，年均濕度68%，最大凍土深度280 mm。多年平均降雨656.3 mm，年蒸發量1 748.4 mm，年平均風速為2.45 m/s。無霜期220 d，全年日照時間約2 400 h。新鄉地處黃河、海河兩大流域，平原占地總面積78%，土地肥沃、光熱充沛。試驗區地下水埋深3 m上下，地下水礦化度一般為2 g/L左右，土體含鹽量0.2%左右，土壤容重按1.3～1.4 g/cm3控制，質地屬于粉砂壤土。

1.2 試驗設計

試驗小區位于黃科院節水試驗基地院內。每個試驗小區面積為2 m×3.3 m，密度為60 000 株/hm2，行距66.7 cm，株距25 cm，隨機區組排列，試驗作物為冬小麥，品種為矮抗58。田間管理按高產田進行。

灌溉水采用當地地下水，施肥采用復合肥(江蘇心實肥業集團有限公司)，其中含氮17%，含磷17%，則每50 kg含純氮量8.5 kg，純磷量8.5 kg。常規試驗量是100 kg/hm2。試驗中設置2個試驗要素，即灌溉定額、施肥量。灌水設置2個處理，即：高水(7.6 mm)、低水(6.1 mm)，施肥設置2個處理，即：高肥(125 kg/hm2)、低肥(75 kg/hm2)，共計4個處理，各處理重復3次，各處理的各重復只測1次。2011-2012年度試驗過程中控制地下水位在1.5 m。

根據當地農民種植習慣，冬小麥只進行一次底肥處理，在播種前直接翻到土里，在小麥生育期內視情況還會有2次追肥。小麥生育期內共灌水、施肥3次，試驗于2011年10月14日播種，分別于2011年10月18日、2012年11月22日和2012年3月31日灌溉、施肥。

1.3 觀測指標和方法

(1)土壤含水量：采用TRIME～IPH測量。其中0～20 cm表層土壤的平均含水量采用插針式水分測量儀(便攜式)測量；20～110 cm深層土壤含水量通過TRIME探測儀器測量，分層深度為20、30、40、50、60、70、80、90、100、110 cm。觀測日期從2011年12月26日-2012年5月2日，每周測量1次。

(2)土壤中總P含量：利用黃科院節水與農業生態實驗室的地下水抽取系統，抽取0～100 cm范圍內每20 cm的土壤溶液及150 cm處地下水，采用鉬酸銨分光光度法測量總磷P的含量，觀測日期從2012年3月26日-2012年5月29日。每隔10 d觀測一次，灌水前后各加測。

1.4 數據處理方法

試驗數據分析采用Microsoft Excel、SPSS軟件。項目實施過程中應用SPSS軟件進行相關的統計分析，試驗數據計算以及圖表制作等利用Microsoft Excel軟件完成。顯著性水平為0.05(LCD)，所有數據在分析前均進行了方差同質性和正態性的檢驗。

2 結果分析

2.1 不同灌水量下土壤總磷運移特征研究

(1)高肥。0～100 cm范圍內土壤總磷平均濃度動態變化過程見圖1。從圖1中可以看出，土壤總磷濃度呈現波浪形的變化趨勢；低水處理的總磷濃度高于高水處理，測量期內平均高0.18 mg/L。

圖1 0～100 cm土壤總磷平均濃度動態變化過程

圖2 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

0～100 cm各層土壤總磷濃度分布見圖2。從圖2中可以看出，受灌溉及下滲等的影響，不同灌水處理的土壤總磷濃度在不同深度的變化范圍較大，低水處理的變化范圍更大。

0～100 cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結果見表1。從檢驗結果來看，施肥處理相同時，不同灌水量對60～80、80～100 cm土壤總磷濃度有顯著影響。可以得出：隨著灌水量的增加，總磷濃度變小，總磷濃度與灌水量呈負相關關系。

(2)低肥。0～100 cm范圍內土壤總磷平均濃度動態變化過程見圖3。從圖3中可以看出，土壤總磷濃度呈現波浪形變化趨勢；低水處理的總磷濃度高于高水處理，測量期內平均高0.13 mg/L。

0～100 cm范圍不同深度土壤總磷濃度變化過程見圖4。從圖4中可以看出，土壤總磷濃度隨深度的增加逐漸降低，表層濃度較高，深層濃度較低。

表1 0～100 cm不同深度配對土壤總磷濃度t檢驗結果(顯著水平=0.05)

圖3 0～100 cm土壤總磷平均濃度變化過程

圖4 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

0～100 cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結果見表2。從檢驗結果來看，施肥處理相同時，不同灌水量對0～20、20～40cm處土壤總磷濃度有顯著影響。通過相同施肥量下的總磷濃度實測數據可以得出：隨著灌水量的增加，總磷濃度變小，總磷濃度與灌水量呈負相關關系。

表2 0～100 cm不同深度配對土壤總磷濃度t檢驗結果(顯著水平=0.05)

2.2 不同施肥量下土壤總磷運移特征研究

(1)高水。小麥高水情況0～100cm土壤總磷平均濃度動態變化過程見圖5。從圖5中可以看出，不同施肥處理土壤總磷濃度變化趨勢基本一致，均呈現波浪形的變化趨勢，前期變化幅度比較大，后期逐漸減小趨于平穩。高肥、低肥條件下總磷濃度均值分別約為0.95、0.61mg/L。

圖5 0～100 cm土壤總磷平均濃度動態變化過程

高水情況0～100cm不同深度土壤總磷濃度分布見圖6。從圖6中可以看出，總磷濃度在各土層中差異比較明顯，不同施肥條件亦有很大差異。

圖6 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

0～100cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結果見表3。從檢驗結果來看，灌水處理相同時，不同施肥量對0～100cm內各層土壤總磷濃度有顯著影響。可以得出：隨著施肥量的增加，總磷濃度變大，總磷濃度與施肥量呈正相關關系。

(2)低水。低水情況下0～100cm土壤總磷平均濃度變化過程見圖7。從圖7中可以看出，不同施肥處理土壤總磷均呈波浪形變化趨勢，不同處理間差距較小，高肥處理的土壤總磷濃度最高。

表3 0～100 cm不同深度配對土壤總磷濃度t檢驗結果(顯著水平=0.05)

圖7 0～100 cm土壤總磷平均濃度變化過程

圖8 0～100 cm各層土壤總磷濃度分布

低水情況下0～100 cm各層土壤總磷濃度分布見圖8。可以看出，總磷濃度在各土層中變化比較大，兩種施肥條件下在20～40 cm、60～80 cm深度范圍內差異較明顯。0～100 cm各層土壤總磷濃度的t檢驗結果見表4。從檢驗結果來看，不同施肥量對40～60、60～80、80～100 cm深度范圍內土壤總磷濃度有顯著影響。

2.3 水肥耦合對不同土層總磷量的影響

土壤中磷素及各種存在形態與作物生長有密切關系。通常用全磷量作為土壤對作物供磷的潛力指標或土壤磷素的基礎肥力。由圖9可以看出，不同水肥耦合處理對小麥在不同土層的總磷量具有一定影響。不同深度處高肥比低肥條件下的總磷濃度稍高；高水條件下，土壤總磷量隨土層的加深呈先降低后增加再降低的趨勢，可能是水的沖刷作用將磷素淋溶到土層下部；根據實驗結果可以得出，總磷主要富集在0～20、40～60、60～80 cm土層處。

表4 0～100 cm不同深度土壤總磷濃度配對t檢驗結果(顯著水平=0.05)

圖9 0～100 cm各層土壤總磷平均濃度分布

3 結 論

(1)灌水量的多少與0～100 cm土壤(水)總磷平均濃度呈現顯著的負相關關系，施肥量的高低與0～100 cm土壤(水)總磷平均濃度呈現顯著的正相關關系。

(2)不同水肥耦合處理對小麥在不同土層的總磷量具有一定影響。不同深度處高肥比低肥條件下的總磷濃度稍高；高水條件下，土壤總磷量隨土層的加深呈先降低后增加再降低的趨勢，總磷主要富集在0～20、40～60、60～80 cm土層處。

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