不同外源添加物質對土壤磷素淋溶和遷移特征的影響

張 一，李厚華，何緒生，呂家瓏

（1.西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100；2.漢中市農業科學研究所，陜西 漢中723000）

不同外源添加物質對土壤磷素淋溶和遷移特征的影響

張 一1，李厚華2，何緒生1，呂家瓏1

（1.西北農林科技大學資源環境學院，農業部西北植物營養與農業環境重點實驗室，陜西楊凌712100；2.漢中市農業科學研究所，陜西 漢中723000）

采用室內模擬淋溶土柱的方法，研究四種外源添加物質（土壤調理劑、砒砂巖、秸稈、生物炭）對土壤磷素淋溶和遷移特征的影響。結果表明：（1）不同外源添加物質均增加了淋溶液中總磷（TP）的累積量，淋溶濃度介于0.05～2.86mg·L－1，其中生物炭和秸稈的效果顯著；（2）添加生物炭的土柱淋溶液中總可溶性磷（TDP）的變化趨勢與TP相似，整體上先升高后降低；添加秸稈減少了土柱淋溶液中可溶性反應磷（DRP）在TDP中所占的比例。（3）添加秸稈減少了土柱中速效磷（Olsen－P）含量，而添加生物炭的處理，隨著添加比例的增大，分別比對照增加141%、290%、382%；（4）添加秸稈的各土層中土壤可溶性磷（CaCl2－P）含量無明顯差異，在其它處理中，呈現先減小后增大的趨勢。添加生物炭的各土層中CaCl2－P含量變化幅度大。綜上，生物炭顯著地增大了土壤中磷素的淋溶和遷移能力，秸稈可減少淋溶液中DRP的含量，阻止土壤中CaCl2－P向下層遷移。

外源添加物質；磷；淋溶；遷移

磷是大多數湖泊水體富營養化的主要因子，農田土壤磷的徑流和滲透淋失是導致受納水體磷濃度升高的主要原因［1］。國內外對土壤磷的流失形式進行了大量研究［2－3］，傳統觀點認為磷沿土壤剖面垂直向下淋溶的可能性不大［4］，所以地表徑流是農田土壤磷素流失的主要方式［5］。但近期的一些研究發現［6－7］，滲漏淋失也是磷向水體遷移的重要途徑之一，當土壤有效磷達到某一臨界值時，土壤中磷淋失顯著增加［8］。秦嶺北麓作為陜西省主要工業和農產品生產基地［9］，長期施用磷肥導致土壤有效磷含量明顯增加。同時，為了增加產量，調節土壤的理化性質，當地居民不合理的使用外源添加物質也增加了土壤中磷素淋溶的風險。劉利花等［10］報道渭河位于秦嶺北麓，其水體總磷濃度在 0.175～1.467 mg·L－1，平均 0.663mg·L－1，超過了水體富營養化標準（0.1mg·L－1）。

目前，外源添加物質對土壤中磷素的影響已經引起了研究人員的廣泛重視。花莉等［11］研究發現，添加生物質炭的土壤淋出液中磷的質量濃度顯著降低。Laird等［12］研究發現，施用 20 g·kg－1生物炭，濾液中可溶性磷含量減少69%。陳心想等［13］研究表明，生物炭可以改善土壤化學性質，提高土壤中速效磷含量。胡宏祥［14］和陸文龍等［15］研究發現，原狀秸稈對土壤全磷淋溶損失起到促進作用。但也有試驗表明［16］秸稈還田能降低流失泥沙中全磷、速效磷含量。攝曉燕等［17］試驗結果表明，砒砂巖能增強風沙土的持水能力，促進土壤中磷的有效性。土壤調理劑是當地農戶常使用的一種土壤改良劑，能有效改善土壤的理化性質，增加作物產量。但是目前關于不同外源物質對磷素淋溶的影響結果不一致，而且集中在改善土壤的理化性質、提高有效養分含量方面，缺乏對淋溶液中磷素濃度變化和淋溶后土壤中磷素遷移的系統研究。周至縣竹峪鄉地處渭河南岸，整個地形地貌呈漏斗狀，其主要糧食作物為小麥和玉米，具有相對的獨立性和代表性。同時，為增加產量，當地存在過量或不合理的施肥情況，提高了土壤中磷素的淋溶風險。因此，本研究基于室內土柱試驗，研究四種外源添加物質對農田土壤磷素淋溶和遷移特征的影響，為控制磷從農田生態系統的輸出，有效防治渭河水質農業非點源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及材料的采集

土壤樣品采自周至縣竹峪鄉（N33°42′～34°14′、E107°39′～108°37′）農田耕作層（0～20 cm），地處秦嶺淺山區，南依秦嶺，北瀕渭水，總面積為101.91 km2。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫為13.2℃，年降雨量為724 mm，一般主要集中在7—9月。土壤為淋溶褐土，采集土樣后自然風干，挑去肉眼可見的細根和石塊后過2 mm篩備用，供試土壤的基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的基本理化性質Table 1 Chemical properties of soil in the experiment

土壤調理劑由楊凌生物科技有限公司提供；砒砂巖來自內蒙古東勝至準格爾旗一帶的砒砂巖地區，經敲碎研磨后過2 mm篩。供試玉米秸稈采自陜西省楊凌試驗區，將其清洗烘干后，經粉碎機粉碎，過2 mm篩；生物炭是將蘋果木屑放入馬弗爐中熱解炭化所得到的，熱解溫度為350℃，磨細后過2 mm篩備用。不同外源添加物質的基本理化性質見表2。

表2 不同外源添加物質的基本理化性質Table 2 Chemical properties of different externalmaterials

1.2 試驗設計

試驗設置7個處理：（1）CK（無外源物質添加）；（2）T（土壤調理劑，施入量是 1.2 g，為 1 500 kg·hm－2）；（3）P（砒砂巖，施入量是 667 g，為土壤干重的 25%）；（4）J（秸稈，施入量是 80 g，為土壤干重的4%）；（5）S－1（生物炭，施入量是 40 g，為土壤干重的2%）；（6）S－2（生物炭，施入量是 80 g，為土壤干重的 4%）；（7）S－3（生物炭，施入量是 160 g，為土壤干重的8%）。本實驗在施高量磷肥（P2O5）和氮肥（尿素）條件下進行，施肥量分別為 P 210 kg·hm－2、N 480 kg·hm－2。每個處理 3個重復。

將風干土樣與各外源物質充分混合均勻，分層填裝入直徑10 cm，高30 cm的PVC管，共裝土2 kg，容重為1.3 g·cm－3，每 5 cm裝一次土，裝填至第 4層時，將基肥與添加了外源物質的土樣充分混勻后再進行裝填。裝填之前在PVC管內壁涂抹凡士林，裝填土柱時將土柱內壁邊緣的土壤壓實，以確保無貼壁水流現象發生，同時分層填裝的目的是保證土柱內土壤容重上下一致，每裝完一層要將界面刮毛，以保證上下兩層之間無明顯的分層。土柱上端填裝3 cm石英砂層（粒徑為3～4 mm），以防進水對土壤的擾動。試驗模擬裝置見圖1。

1.3 淋溶試驗

試驗前將填裝好的土柱放入裝有去離子水且高度為10 cm的水槽中，使土柱的土壤水分保持在最大持水量，在此條件下培養4 d，使肥料充分溶解，PVC管底端無滲出液體后進行淋溶試驗。試驗累積淋洗降雨總量為385 mm（試驗地7—9月份總降雨量占當地平均年降雨量53.2%）。淋溶試驗在室內常溫條件下進行，開始時間為2015年4月20日，共進行7次，每隔3 d進行一次淋洗。試驗過程中，采用注射器（50 mL）從土柱上端加入去離子水。每次用去離子水模擬降雨450mL，折合降雨量55mm，下端收集淋溶液并冷藏待測。淋洗結束后，將土柱管中的水排空后每2.5 cm為一層，共分8層，分別取土，風干，測定。

1.4 測定方法與數據分析

圖1 試驗模擬裝置Fig.1 Diagram of simulation column device in the leaching study

水樣測定：總磷（TP）采用過硫酸鉀消解－鉬銻抗比色法測定，總可溶性磷（TDP）采用普通注射器使水樣經0.45μm的微孔濾膜過濾，過濾后同總磷（TP）的測定方法。可溶性反應磷（DRP）采用普通注射器使水樣經0.45μm的微孔濾膜過濾，直接用鉬銻抗比色法測定。

可溶性有機磷（DOP）和顆粒磷（PP）計算公式如下：

DOP＝TDP－DRP

PP＝TP－TDP

土樣測定：土壤速效磷等土壤基本性質的測定方法參照《土壤農化分析》，CaCl2－P采用1∶5土液比，0.01mol·L－1CaCl2浸提，鉬銻抗比色法測定。

試驗數據采用Excel 2010和 SPSS 18.0軟件進行統計分析。各處理之間的顯著性差異采用單因素方差分析法。

2 結果與分析

2.1 不同處理對淋溶液中磷素變化特征的影響

2.1.1 淋溶液中TP濃度變化 圖2為不同處理條件下淋溶液中TP的累積淋溶量，可見，不同處理均增加了淋溶液中TP的累積淋溶量。與CK相比，處理T和P的增加效果不顯著（P＞0.05），經過7次淋溶后，CK的累積淋溶量為0.223 mg，處理 T和 P的累積淋溶量分別為0.302 mg和0.403 mg。其它處理淋溶液中TP的累積淋溶量從大到小依次為S－3（6.75 mg）＞S－2（4.49 mg）＞S－1（2.51 mg）＞J（1.52mg）。處理 T、P、J、S－1、S－2、S－3淋失總磷量占添加總磷量的 0.181%、0.055%、0.575%、1.249%、1.895%、2.181%。從不同曲線的斜率可以看出，第3次和第4次淋溶時，淋溶速度最快。

圖3為淋溶液中TP的濃度變化。由圖可見，除了處理J淋溶液中TP的濃度隨著淋溶次數的增加不斷增加，在其它處理中，淋溶液中TP的濃度整體上呈先升高后降低的趨勢。與CK相比，在第5次淋溶后，處理T和P減少了淋溶液中TP的濃度，但效果不顯著（P＞0.05）。與CK相比，其它處理都顯著增加了淋溶液中TP的濃度（P＜0.05），添加生物炭的淋溶液中，TP濃度在第4次或第5次淋溶時達到峰值，隨著添加比例的增加，濃度依次為1.01、1.92、2.86mg·L－1。

2.1.2 淋溶液中TDP濃度變化 由圖4可知，不同處理淋溶液中TDP濃度的變化趨勢與TP相似，也呈先升高后下降的趨勢。與CK相比，處理T和P對淋溶液中TDP的濃度影響不顯著（P＞0.05）。其它處理均與 CK有顯著差異（P＜0.05），處理 S－1、S－2、S－3的淋溶液中TDP濃度較早的出現峰值，處理S－3和S－1在第3次淋溶時出現峰值，濃度分別為 1.99、0.754 mg·L－1，處理 S－2在第 2次淋溶時達到峰值，濃度為 1.35mg·L－1。

表3 各處理土壤中TP的淋失量占添加TP量的比值Table 3 The percentage of leaching TP in added TPwith different treatments

圖2 不同處理下淋溶液中TP的累積淋溶量Fig.2 Cumulative TP in leaching solution under different treatments

圖3 不同處理下淋溶液中TP的濃度變化Fig.3 Concentration of TP in leaching solution under different treatments

2.1.3 淋溶液中各形態磷占 TP比例 如圖5所示，在整個室內土柱淋溶模擬過程中，處理J中土壤磷素主要以DOP和PP形態淋溶，在其它處理中，土壤磷素主要以DRP形態淋溶。各處理中，PP占TP的比例為6.7%～47.5%，其中處理J的占比最大，CK最小。處理J中DRP占TDP的比例僅為9.4%，其它處理中比例高達72.5%～90.4%。處理 J中DOP占TDP的比例為90.6%，其它處理中比例為11.4%～27.5%。

圖4 不同處理下淋溶液中TDP的濃度變化Fig.4 Concentration of TDP in leaching solution under different treatments

圖5 不同處理下不同形態磷濃度Fig.5 Concentration of different forms P under different treatments

2.2 不同處理對土壤中磷素變化特征的影響

2.2.1 土壤中Olsen－P含量變化 從圖6可以看出，經過7次淋溶后，不同外源添加物質處理的土柱中Olsen－P總含量均與 CK有顯著性差異（P＜0.05）。處理 T、P、J中各剖面 Olsen－P總含量分別比 CK減少22.1%、44.0%、39.9%。處理 S－1、S－2、S－3分別比 CK增加 141.0%、290.0%、382.0%。除處理S－3外，各土柱剖面Olsen－P含量隨著土層深度的增加而減少，主要集中在0～5 cm土層中。處理T、P、J中10 cm以下各剖面Olsen－P含量變化幅度較小，與CK相同，處理S－3中10 cm以下各剖面Olsen－P含量變化幅度相對較大。

圖6 不同處理各土層Olsen－P含量Fig.6 The concentration of Olsen－P in different soil layers under different treatment

2.2.2 土壤中 CaCl2－P含量變化 CaCl2－P在土壤中的含量一般較少，從圖7中可以看出，不同處理對土柱中CaCl2－P的影響與Olsen－P不同，只有S－1、S－2、S－3三個處理與 CK有顯著性差異（P＜0.05），CaCl2－P含量隨著添加比例的增加而顯著增加，處理S－3中12.5～20 cm各層剖面土壤CaCl2－P含量與 0～2.5 cm土層無明顯差異（P＞0.05）。處理J的土壤CaCl2－P含量隨土層深度的增加而逐漸減小，各土層中CaCl2－P含量無明顯差異（P＞0.05），且其層間變化小于CK，其它各處理中土壤各剖面的變化趨勢相同，都呈現先減小后增大的趨勢。

3 討 論

圖7 不同處理各土層CaCl2－P含量Fig.7 The concentration of CaCl2－P in different soil layers under different treatments

本試驗中，除添加秸稈的土柱外，其它土柱淋溶液中TP、TDP含量都呈先升高后降低的趨勢，這與王靜等［18］的研究結果一致，主要是因為兩種形態磷在前幾次淋溶遷移時大多數被土壤所吸附，經過4～5次淋溶后，土壤所吸附的磷逐漸趨向飽和［19］，從而隨著淋溶次數的增加，越來越多的磷被土壤吸附或固定，進而淋溶液中兩種形態磷的濃度逐漸降低［20］。添加生物炭的土柱淋溶液，在第7次淋溶時兩種形態磷的濃度均增加，這是因為隨著淋溶次數增加，土壤內部逐漸壓實，土柱上層出現了輕微的積水現象，導致了淋溶液減少，但積累在土柱底端的磷素仍向下淋溶，所以濃度升高。

生物炭對土壤中磷素的淋溶和遷移具有顯著的促進作用。一方面由于生物炭具有發達的孔隙結構、巨大的比表面積以及酸／堿性官能團，生物炭不僅能直接吸附 Al3＋、Fe3＋和 Ca2＋等離子，而且其表面已吸附的部分有機分子也能與Al3＋、Fe3＋和Ca2＋等離子形成螯合物，都提高了磷素的有效性，間接地提高了淋溶風險［21］；另一方面，添加生物炭顯著地增加了土壤中的有機碳含量［22］，從而減弱土壤對磷素的吸附作用［23］。與李際會等［24］、潘復燕等［25］的試驗結果不同，本研究結果表明生物炭會增加土壤磷素的損失。這可能由于生物炭的理化性質不同導致的。本試驗的生物炭為酸性，而且未加入FeCl3等改良劑。相關研究也表明［26］，不同類型的生物炭對不同土壤磷素淋溶作用差異較大，而且生物炭對磷的淋溶流失影響過程十分復雜，還需要進一步深入研究。生物炭顯著地增大了土壤中Olsen－P的含量。這與高德才等［27］的研究結果一致，生物炭中含有豐富的有機大分子和孔隙結構，可改良土壤理化性質，如易形成大團聚體，提高養分離子的吸附和保持，進而提高磷的有效性。靖彥等［28］研究也指出，隨著生物炭用量的增加，Olsen－P含量隨之增加。Gundale等［29］研究發現，生物炭中水溶性PO43－含量較高，生物炭施入土壤后，能夠促使土壤中閉蓄態磷轉化為有效態磷，直接增加土壤中Olsen－P含量。

秸稈的加入促進了土壤中總磷的淋溶，這主要是由于施入秸稈后增加了土壤中有機碳源，降低了粘質土壤對磷素的吸附力，同時秸稈還田促進土壤微生物呼吸，提高土壤磷素的活性，降低了土壤對磷素的固定作用，增加了土壤淋溶液中總磷的含量［14］。TDP濃度在第6次淋溶時出現峰值，而且淋溶液中PP占TP的比例最大，說明土壤開始以PP的形式隨大孔隙流動的液體進行淋溶，這可能是因為秸稈的加入使土壤孔隙變大，通透性發生改變，造成短期內土柱土層疏松［15］。TDP由 DRP和 DOP組成，其中DRP是比較活躍的磷，被藻類吸收的利用率可達100%，所以常被用作水體有效磷的評價指標［30］，添加秸稈的處理中，DRP占 TDP比例僅為9.4%，與對照相比，減少了DRP含量，同時各土層剖面土壤幾乎沒有變化，這與相關的研究結果一致［31］，說明秸稈能減少淋溶液中DRP的含量，阻止土壤中CaCl2－P向下遷移。秸稈的加入顯著降低了土壤中Olsen－P含量，本研究與胡紅祥等［14］的研究結果不同，這主要是因為試驗條件不同所致。胡紅祥等［14］的研究是在加水使土壤飽和，放置30 d后的條件下進行第一次淋溶實驗。相關試驗也表明秸稈施入土壤2個月后顯著增加土壤中Olsen－P含量［32］。而本試驗添加秸稈后，加水達到田間持水量平衡4 d后，進行了第一次淋溶試驗，秸稈與土壤作用時間短且不充分。

砒砂巖的處理增加了淋溶液中TP和TDP的含量，但效果不顯著。攝曉燕等［17］的研究結果表明，改良土壤中隨著砒砂巖添加比例的增加，土壤對磷的吸附量呈減小趨勢。這可能是由于砒砂巖中含有蒙脫石，其蒙脫石呈負電性［33］，磷酸鹽也呈負電性，所以砒砂巖對磷酸鹽的負吸附作用明顯增強。砒砂巖對土壤中Olsen－P和CaCl2－P含量的作用效果與對照相比均不顯著，而且各土層各形態磷的變化趨勢也與對照相同。

土壤調理劑是一種新型土壤改良劑，對環境的作用效果不顯著。淋溶液中總磷的淋失率為0.181%，相比對照，土壤中 Olsen－P減少 22.1%，CaCl2－P增加11.3%。這可能與土壤調理劑中含鐵、鈣等物質有關，磷肥施入土壤后生成難溶的磷酸鹽［34］，從而在一定程度上影響磷素的釋放，減少土壤Olsen－P含量，但由于添加量很小，均未與對照形成顯著差異。

4 結 論

（1）生物炭顯著增加了淋溶液中TP的累積淋溶量，并促進了兩種形態磷向下遷移。生物炭顯著地增加了該地區土壤磷素淋溶的風險，在實際中，應盡量選擇堿性、低磷含量的生物炭來抑制土壤磷素淋溶，具體機理還需要進一步研究。

（2）秸稈顯著地增加了淋溶液中TP的累積淋溶量，但DRP占TDP的比例僅為9.4%，同時各土層剖面CaCl2－P無明顯差異，說明秸稈可減少淋溶液中DRP的含量，阻止CaCl2－P向下遷移。

（3）砒砂巖和土壤調理劑對土壤磷素有效性無明顯影響。

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Effect of different externalmaterials on the leaching and movement characteristics of soil phosphorus

ZHANG Yi1，LIHou-hua2，HE Xu-sheng1，LV Jia-long1
（1.College of Nɑturɑl Resourcesɑnd Environment，Northwest A＆F University，Key Lɑborɑtory of plɑnt Nutritionɑnd the Agri-environment in Northwest Chinɑ，Ministry of Agriculture，Yɑngling，Shɑɑnxi 712100，Chinɑ；2.Hɑnzhong Institute of Agriculture Science，Hɑnzhong，Shɑɑnxi 723000，Chinɑ）

A series of soil column experimentswere conducted to study the effectof differentexternalmaterials（soil conditioner、sandstone、biochar、straw）on the leaching and movement characteristics of soil phosphorus.The results showed that：（1）The concentration of total phosphorus（TP）in the leachate increased dramatically from 0.05 to 2.86 mg·L－1under different treatment sand biochar and straw had significant effects on the leaching amounts of TP；（2）In biochar-enriched soil column，the total dissolved phospherus（TDP）concentration increased and then decreased with the increasing of leaching times，and the trend of TDPare similar to thatof TP.The addition of straw reduced the percentage of dissolved reactive phosphorus（DRP）in TDP；（3）Straw caused a reduction of the available phosphorus（Olsen－P）concentration.Furthermore，Olsen－P concentration was increased by 141%、290%、382%as the amount of adding biocharwas increased compared with that of CK；（4）Except for straw，the trend of soluble P（CaCl2－P）in different soil layersofall treatmentswas similar，as the concentration of CaCl2－Pwas decreased and then increased.The concentration of CaCl2－P had no differencies in different layers under straw condition，but that had significant differences in the biochar enriched soil layers.The results indicate thatbiochar significantly increased the leaching andmovementability of phosphorous.Straw reduced the concentration of DRP in the leachate，and it can reduce the downwardmovementof CaCl2－P.

externalmaterials；phosphorus；leaching；movement

S152.4

A

1000-7601（2017）05-0151-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.22

2016-08-02

2016-09-20

國家“十二五”科技支撐計劃項目子課題（2012BAD15B04）

張 一（1991—），女（滿族），遼寧鐵嶺人，碩士，研究方向為土壤磷素面源污染。E-mail：308280117＠qq.com。

呂家瓏（1962—），男，甘肅山丹人，博導，主要從事土壤化學研究。E-mail：ljlll＠nwsuaf.edu.cn。