长期施肥下紫色土磷素累积特征及其环境风险
磷是是作物生长发育必需的大量元素之一。为了提高作物产量，需要施用磷肥，当施磷量超过作物需求时，导致土壤磷素累积，当土壤磷素累积超过环境阈值时会增加磷的流失风险，容易引起水体富营养化等环境问题。研究土壤磷素的累积变化规律，评价土壤磷素的流失风险，对减轻和控制农田磷的环境风险和保证粮食产量有重要意义。本研究以重庆“国家紫色土肥力与肥料效益测基地”为平台，以22年长期定位试验作物产量及土壤理化性质数据为基础。通过分析测试、模型模拟及室内模拟等方式，探究紫色土长期施肥下土壤磷素的累积特征及其环境风险，为紫色土磷素优化管理以及环境保护提供依据和支撑。本研究主要内容包括： ⑴22年长期定位试验表明，稻麦轮作每年施用120～180 kg/hm2(P2O5)化学磷肥，提高了耕层土壤速效磷(Olsen-P)和全磷含量，土壤速效磷含量比试验前提高26.4～63.6 mg/kg，每年增加0.80～2.32 mg/kg;秸秆还田或者有机肥与化学磷肥配合施用能有效活化土壤中的磷素，加快土壤速效磷的积累，单施化学磷肥处理(NPK)耕层速效磷每年平均增加0.8 mg/kg，而秸秆还田或有机肥与化学磷肥配施处理速效磷每年平均增加1.10～1.24 mg/kg。 ⑵耕层土壤Olsen-P的增减与土壤磷素平衡盈亏量呈极显著正相关。长期施用磷肥处理，紫色土每盈余100 kg/hm2的磷素，土壤Olsen-P平均提高4.76mg/kg;长期不施磷肥处理，每亏缺100 kg/hm2的磷素，土壤Olsen-P平均降低0.44 mg/kg。施用化学磷肥的NPK处理每盈余100 kg/hm2的磷素，土壤Olsen-P提高4.72 mg/kg，化肥配施秸秆及配施有机肥处理NPKM、NPKS土壤Olsen-P提高6.19和3.86 mg/kg。磷素盈余量随磷肥用量的增加而增加，每年施用120kg/hm2(P2O5)化学磷肥的NPK处理22年土壤磷盈余361.9 kg/hm2，在此基础上配施秸秆或有机肥处理盈余392.0和706.9 kg/hm2，倍量施磷(NPK)1.5S处理盈余磷量为1057.2 kg/hm2。不施磷处理土壤磷活化系数(PAC)为0.47～0.56％，施用化学磷肥的NPK处理为2.52％，秸秆还田或有机肥配施化肥处理则在2.73～2.96％之间。 ⑶长期施磷下紫色土速效磷的累积速率和累积量变化可以用Olsen-P=Olsen-Pi×exp(A t)-B和Olsen-P=Olsen-Pi+(D/pH)×（Pm-CmYm）×t模型进行模拟，土壤速效磷的累积速率和累积量主要与施磷量、作物地上部收获带出的磷、pH有关。各施肥处理速效磷年均累积速率0.90～3.90 mg/kg，累积速率顺序为(NPK)1.5S＞NPKM＞PK＞NPKS＞NPK;前10年的累积速率均大于后12年的累积速率。根据各施磷处理22年平均累积速率，可以预测出1.5NPKM、NPKM、PK、NPKS、NPK土壤有效磷达到径流阈值(40 mg/kg)和淋失阈值(60 mg/kg)的时间分别为13、20、22、46、65和21、32、36、80、118年。 ⑷四种模型模拟得到小麦土壤Olsen-P农学阈值均值为10.44mg/kg，相对产量为84.06％;水稻土壤Olsen-P农学阈值均值为10.73mg/kg，相对产量为87.36％。 ⑸长期施用在耕层土壤的磷肥有向下移动的趋势，施磷处理20～40cm土壤速效磷含量比不施磷处理高0.23～9.84 mg/kg，40～60 cm土壤速效磷含量比不施磷处理高0.45～7.13 mg/kg，60～80 cm土壤速效磷含量比不施磷处理高1.53～7.82 mg/kg;在稻麦轮作条件下磷已迁移至80 cm土层，增加了磷渗漏淋失及对地下水污染的风险。磷在土壤剖面中的迁移能力受磷肥用量、有机肥种类和种植方式的影响，向下迁移的磷数量随着磷肥施用量的增加而增加;在等养分情况下，配施有机肥比配施秸秆更容易导致磷的迁移，磷素流失的风险也更大。 ⑹长期施磷累积在土壤中的磷在淹水种稻期间存在向田面水迁移的径流风险。在淹水种稻后的前10天，田面水磷含量较高，TP浓度在0.32～28.39 mg/L之间，此时排水会对周围的水体环境造成污染，因此在水稻移栽后前10天应禁止稻田排水，减少水体污染。长期不同施肥处理之间，以(NPK)1.5S处理的TP浓度最高;其次为有机肥处理、偏施氮磷肥和磷钾肥处理，不施磷的处理最低，高量施肥及配施有机肥提高了土壤磷素的径流风险。 ⑺土壤最大吸磷量(Qm)、磷吸持饱和度(DPSS)、磷吸持指数(PSI)、易解吸磷(RDP)、最大缓冲容量(MBC)等参数可以作为表征水-土界面磷迁移能力的指标。长期倍量施磷(NPK)1.5S以及秸秆还田NPKS处理土壤磷素易解吸磷、磷吸持饱和度和磷吸持指数高于NPK处理，(NPK)1.5S、NPKS处理土壤对磷的固定能力降低，土壤磷在土壤剖面和水体的迁移能力较高，磷向环境迁移的风险增大。磷吸持饱和度(DPSS)磷吸持指数(PSI)、易解吸磷(RDP)与全磷、Olsen-P、有机质呈显著正相关，与pH呈显著负相关。 ⑻采用线性分割模型(Split-line)对土壤Olsen-P和CaCl2-P拟合得土壤磷淋失临界点及磷淋失的环境阈值为（Olsen-P27.45，CaCl2-P0.70），土壤Olsen-P含量超过27.45 mg/kg时，土壤中的可浸提CaCl2-P快速增加，磷流失风险增大。结合土壤Olsen-P的农学阈值，获得既能满足作物高产又能减少土壤磷素流失的土壤Olsen-P含量范围为10.73～27.45 mg/kg。可以利用这些指标对紫色土区域土壤磷进行农学效率和环境风险进行评价，并确定区域磷肥的最佳管理策略。
紫色土壤;长期施肥;磷素累积;环境风险
西南大学
硕士
植物营养学
石孝均;张跃强
2015
中文
S155.25;S158.5
89
2015-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）