茭草淹水還田對土水界面磷素遷移與轉變的影響

周 楊,姚岳良,施麗珍,陳建霞,章明奎

(1.浙江省縉云縣農業局,浙江 縉云 321400;2.浙江大學 環境與資源學院,浙江 杭州 310058)

磷是地表水體富營養化的主要控制元素[1-5]。在自然條件下,地表水體中磷的背景濃度較低,不至于造成明顯的富營養化;但人為活動(包括施肥、畜禽養殖、工業生產等)可顯著增加向地表水體中磷的輸入,大大提高地表水體中磷的水平[6-9]。農業土壤中的磷是地表水體中磷的重要來源,其主要由地表徑流和水土流失等方式進入地表水體[10]。農田向地表水體釋放磷主要與土壤中磷的積累水平與環境條件有關,長期施肥導致土壤中磷的積累可增加土壤向地表水體磷的釋放潛力[8-11],而土壤酸堿度、氧化還原狀況及土壤中陰離子濃度的改變可通過影響土壤磷的吸附和解吸行為而影響土壤中磷的釋放[12-14]。有研究表明,長期淹水可改變土壤磷的形態,增加氧化鐵結合態磷的溶解,從而增加土壤磷的生物有效性[15-16];而低分子有機陰離子的增加可促使被土壤吸附磷的釋放[12,17-18]。近30年來,浙江省縉云縣有大面積的稻田改種茭白,茭白已成為縉云縣農業的主導產業之一。縉云縣茭白生產具有長年淹水種植、秸稈全量還田的特點。由于茭白生產經濟效益高,肥料投入量大,已導致土壤中磷素的積累。而長年淹水種植、秸稈全量還田顯著地改變了農田土壤的氧化還原狀況,并明顯地增加了秸稈還田期間土壤中低分子有機物的積累,這些變化可能會影響田面水體中磷的濃度。為此,本研究通過室內模擬試驗,探討了茭白秸稈(下文稱茭草)淹水還田下土水界面磷素遷移與轉變的變化,目的是為茭白生產中農田面源污染的控制提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤采自縉云縣新建鎮,為種植8年茭白的農田土壤,土壤類型屬水稻土土類、培泥砂田土屬,采樣深度0～20 cm。將田間采集的土壤保持潮濕狀態直接運回溫室,并用原始濕土直接進行試驗。經測定,試驗土壤有機質含量為32.74 g/kg, pH 6.14,全氮2.34 g/kg,全磷0.78 g/kg,有效鉀158 mg/kg。試驗茭草為成熟茭白的莖葉,其(干物)氮(N)、磷(P)、鉀(K)含量分別為15.47、4.01、15.21 g/kg。在試驗前將茭草剪成2～3 cm。

1.2 試驗方法

試驗在1個長、寬、高分別為40、40和60 cm的PVC容器中進行。試驗時,向該容器中轉入30 cm厚度的上述新鮮土壤,土壤中充分混合有土壤重量0.5%的茭草;向容器中添加適量的水使土表形成10 cm厚的上覆水層。試驗前在容器側壁離底部15 cm處設置直徑1 cm的閥門接口，用于抽取土壤孔隙水,接口內端用塑料網隔離，防止土粒進入閥門。分別在試驗后的第1、4、6、8、10、15、20、30、50、75、100、125天,用100 mL的注射器取上覆水,同時從閥門接口處抽取50 mL孔隙水,用于分析pH值、Eh值、DOC、Fe、Ca、Al、P含量。pH和Eh在取樣后立即測定;其它項目測定前水樣過0.45 μm濾膜。另外，分別在試驗后的第1、10、30和125天，用直徑1 cm左右的塑料管采集30 cm厚的土壤樣品。為了避免對閥門口水質及對下次采樣的擾動影響,在容器的另一側采集土樣,4次土樣采集位置間隔3 cm。對采集的土樣用離心方法去除超飽和的水后直接進行游離態鐵、無定形鐵和磷形態的化學分析,同時檢測樣品中含水量，用于校正游離態鐵、無定形鐵和磷形態的分析結果。每次采樣后添加適量水調節土表水層厚度，使其與試驗前保持一致。在試驗期間溫室溫度控制在25～35 ℃。

1.3 分析方法

Eh用電極法測定;pH值用pH計測定; DOC用Shimadzu TOC自動分析儀測定;P用比色法測定;Fe、Al用試鐵靈比色法[19]測定;Ca用原子吸收光譜法測定。土壤游離態鐵和無定形鐵分別用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉-碳酸氫鈉(DCB)溶液和草酸-草酸銨溶液提取[19],用原子吸收光譜法測定。土壤無機磷采用張守敬和Jackson(1957)提出的方法[20]測定。

2 結果與分析

2.1 Eh、pH值和DOC的變化

試驗結果(表1)表明：在試驗前期上覆水和孔隙水的Eh隨培養時間的增加呈現顯著的下降,至試驗第10天, Eh達到最低值,其中上覆水的Eh由試驗初期的354 mV下降至-17 mV,孔隙水的Eh由試驗初期的114 mV下降至-242 mV；在第10天以后, Eh逐漸回升,但直至試驗結束,上覆水和孔隙水的Eh始終低于試驗初期的,其中孔隙水的Eh一直保持在0 mV以下；另外，孔隙水的Eh始終低于上覆水的。

在試驗后0～8 d,上覆水和孔隙水的pH值均呈現輕微的下降；此后上覆水和孔隙水的pH值上下波動，但變化幅度較小(小于0.5)。上覆水的pH值平均約比孔隙水的pH值高0.20。在試驗初期上覆水和孔隙水pH值的下降可能與茭草分解釋放出低分子有機酸有關。

從表1可以看出：在試驗初期,隨著還田茭草的分解,上覆水和孔隙水中DOC濃度迅速升高,至第15天前后,DOC濃度達到高峰值,分別約為試驗初期的2.8和4.0倍,即孔隙水中DOC濃度的升速大于上覆水中DOC濃度的升速；在整個試驗期間孔隙水中DOC濃度約為上覆水中DOC濃度的2.0～4.5倍；在試驗第20天后,上覆水和孔隙水的DOC濃度均逐漸下降,至試驗結束時,DOC濃度已接近或低于試驗前的。

2.2 鐵、鋁、鈣濃度的變化

在試驗期間,孔隙水中鐵、鋁、鈣等3種離子的濃度始終高于上覆水中的(表2),前者分別為后者的2.0～4.0、1.2～2.4和1.6～2.2倍。但上覆水和孔隙水中鐵、鋁、鈣等3種離子的濃度變化有較大的差異,鐵濃度的變幅明顯大于鋁與鈣的，上覆水中鐵、鋁、鈣最高濃度與最低濃度的比值分別為9.2、1.6和1.9,孔隙水中鐵、鋁、鈣的最高濃度與最低濃度的比值分別為6.8、1.7和2.0。上覆水和孔隙水中鐵離子濃度在試驗初期迅速增加,至第10天前后達到最高值；之后逐漸下降,以上覆水中鐵離子濃度的下降更為明顯,而孔隙水中鐵濃度至試驗結束始終保持較高的水平。上覆水和孔隙水中鋁、鈣濃度除試驗初期略有升高外,后期主要呈現波動變化,沒有呈現出明顯的下降。

表2上覆水和孔隙水鐵、鈣、鋁和磷濃度隨時間的變化mg/L

指標水樣培養時間/d1468101520305075100125Fe上覆水3.4211.8423.6530.6431.4428.7422.3210.469.6511.3010.409.65孔隙水10.6423.6553.4972.4470.8860.6565.3441.4336.4433.6035.6038.66Ca上覆水7711312695108998910494899982孔隙水153233252206233198176166197186187173Al上覆水91316131012101112131112孔隙水152428232420181720161718P上覆水0.190.290.330.410.430.460.420.380.320.280.260.25孔隙水0.690.830.961.361.391.241.171.030.840.830.710.73

2.3 磷濃度的變化

由表2可知：在試驗期間,上覆水和孔隙水中磷的濃度均呈現出明顯的變化,兩者變化趨勢相似,它們的最高濃度分別約為最低濃度的2.4和2.0倍。孔隙水中磷濃度明顯高于上覆水中的,前者為后者的2.6～3.6倍。在試驗第0～10天,磷濃度明顯上升,至第10天時達到峰值;之后,上覆水和孔隙水中磷的濃度均隨試驗時間的增加呈逐漸下降趨勢。

2.4 土壤中氧化鐵和磷形態的變化

分別于試驗期間第1、10、30和125天取樣分析土壤中游離氧化鐵、無定形氧化鐵和土壤無機磷的形態。結果表明,土壤中游離氧化鐵和無定形氧化鐵含量均呈現出先降低后回升的變化。在第1天取樣時,游離氧化鐵和無定形氧化鐵含量分別為27.66和9.65 g/kg；至第10天時,相應的測定值分別為21.43和8.16 g/kg,分別比第1天下降了22.52%和15.44%；至第30天時,游離氧化鐵和無定形氧化鐵含量分別為23.29和8.21 g/kg；至第125天時,游離氧化鐵和無定形氧化鐵含量分別為24.68和9.12 g/kg,分別比試驗第1天下降了10.77%和5.49%,但比第10天分別高出了1.65%和11.76%。可見,在茭草淹水初期,土壤中部分氧化鐵被還原,且游離氧化鐵含量的降低比無定形氧化鐵更為明顯,而30 d后原來被還原的部分氧化鐵重新形成氧化物。

與此同時,土壤中磷的形態也發生了變化(圖1)。試驗初期土壤中Fe-P、Al-P、Ca-P、O-P含量分別為254.3、70.4、42.1、182.4 mg/kg。在培養過程中變化最明顯的是Fe-P,其呈現出先明顯下降后又逐漸增加的變化,至第10天時其下降至187.4 mg/kg,降幅為27.31%；但至第30天后又逐漸回升；在第125天時Fe-P含量上升至231.9 mg/kg,比試驗初期低8.81%。Al-P、Ca-P和O-P含量在培養過程中也有波動,但變幅較小。

圖1 土壤中磷形態隨時間的變化

3 討論

農田上覆水中磷主要來自土壤。而土壤中磷濃度的變化主要與土壤理化性狀發生變化有關。在本試驗中,由于茭草淹水還田,在試驗初期隨著茭草的分解,土壤中氧氣逐漸被消耗,因此土壤Eh呈現下降的趨勢;同時,由于茭草分解產生低分子有機酸,土壤pH值也呈現輕微下降的趨勢,因此土壤和表水中DOC逐漸增加。Eh下降使土壤還原性增強,促進了土壤中與氧化鐵結合的磷的溶解,同時pH值下降增加了金屬離子的溶解度,而DOC的增加提高了土壤溶液中鐵離子的穩定性,這些變化在一定程度上促進了土壤中鐵結合態磷的釋放,因此,土壤孔隙中磷的濃度在試驗0～10 d期間呈現顯著的提高。而土壤pH值的輕微下降也在一定程度上增加了Al-P、Ca-P中磷的釋放,但與Fe-P比較,Al-P、Ca-P中磷的釋放較弱。而孔隙水中磷和鐵濃度增加,勢必增加土體內磷和鐵向上覆水的釋放,因而,地表水體中磷呈現增加的趨勢。但隨著培養時間的增加,土壤中易分解態碳含量逐漸下降,此時土壤Eh和pH值出現回升,土壤還原能力減弱,溶液中磷和鐵重新結合,向形成Fe-P的方向轉變,因此,土壤中Fe-P含量呈重新增加的變化。與此同時,由于上覆水的Eh高于孔隙水的,且Eh隨時間增加而上升,上覆水中的鐵被重新氧化形成氧化鐵,后者可吸附上覆水中的磷,降低上覆水中磷的濃度。表3中的相關系數表明,上覆水和孔隙水中磷的濃度與Eh、Fe濃度和DOC濃度相關顯著,而與pH和鋁濃度、鈣濃度相關性較低,表明茭草淹水還原過程中氧化還原變化和溶液中DOC濃度變化是引起水體中磷濃度變化的主要原因,而pH及鋁、鈣濃度變化對磷濃度的影響較弱。相關分析結果還表明,表層水中磷濃度與孔隙水中磷濃度存在顯著的相關性,因此,孔隙水中磷濃度的增加可以增強向上覆水中磷的擴散,從而增加表水中磷的濃度。

對上覆水和孔隙水pH、Eh、DOC、Fe、Ca、Al、P共14個指標進行主成分分析,結果(表4)表明,第一主成分(PC1)和第二主成分(PC2)的貢獻率分別為63.08%和22.59%,前2個主成分可概括85.68%的總變化信息。上覆水和孔隙水中磷濃度的變化主要體現在第一主成分中,而孔隙水pH、上覆水和孔隙水Eh、孔隙水DOC、上覆水和孔隙水的Fe及孔隙水的Ca和Al對第一主成分有較高的負荷,表明上覆水和孔隙水中磷濃度與這些因素存在協同變化,也就是說上覆水和孔隙水中磷濃度的變化主要與這些參數有關。上覆水和孔隙水中磷濃度在第二主成分中也具有一定的負荷,而上覆水pH和Al對第二主成分有較高的負荷,表明上覆水pH和Al的變化對上覆水中磷濃度也有一定的影響。

表3 上覆水和孔隙水中磷的濃度與相關性狀間的相關性

表4 各指標在前2個主成分中的負荷

4 結論

本模擬試驗結果表明,在長期淹水種植茭白的農田中,茭草還田可增強土壤中磷的釋放,增加上覆水中磷的濃度。茭草還田對上覆水磷濃度的影響主要出現在還田后的前30 d。因此,應控制茭草還田前期(前30 d)田面水的排放,減少磷進入地表水體。

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