紫色土稻田磷素迁移流失及环境影响研究

论文摘要

磷是植物生长必需的营养元素,但不合理过量施用时,又成为环境污染因子。为了实现作物高产和环境友好的双重目标,必须将土壤有效磷水平维持在既能满足作物高产需求又能降低磷流失风险的环境阈值之间。因此,研究农田土壤磷素的迁移动态、流失特征及影响因素,弄清土壤磷累积与作物高产及磷素流失之间的关系,探讨土壤磷素环境风险评估的方法和指标,对于降低磷素流失、控制农业磷的面源污染、制定磷肥优化管理措施具有重要意义。国内外对旱地磷素流失进行了大量研究,但对稻田磷素流失研究较少,关于水旱轮作、长期不同施肥条件下紫色土稻田磷素的迁移流失及环境效应未见报道。水旱轮作由于干湿交替的水分管理,磷素在土-水中的迁移和淋失必定不同于旱地和湿地;长期不同的施肥方式必然导致土壤的物理、化学和生物学特性变化,土壤对磷的吸附固定能力发生变化,进而影响磷素在土-水界面的迁移转化。为此,本文采用田间长期定位试验与短期试验、渗漏池试验与室内模拟试验相结合的方法,通过15年水早轮作长期定位试验研究了长期不同施肥处理紫色土磷素累积状况及其在土壤剖面和水体中的迁移特征,探讨了长期施肥条件下紫色土对磷的吸附解吸特性及其影响因素,为紫色土水旱轮作稻田磷肥的优化管理和控制稻田磷素流失提供依据。采用单排单灌的田间试验,在水稻生长季节研究不同磷肥用量和不同有机肥品种对土-水磷素迁移流失的影响,并对其可能产生的环境风险进行分析,为紫色土区稻田水肥的优化管理提供理论依据。利用原状土壤渗漏池,研究水旱轮作条件下不同类型紫色土磷素渗漏淋失特征及其对地下水体环境质量的影响。通过土壤测试和模拟试验分析了土壤有效磷水平与磷素淋失之间的关系,探讨了紫色土磷素环境阈值,为紫色土区农田磷素环境风险评价提供依据。15年长期定位试验结果表明,紫色土磷素盈亏量（x）与土壤耕层Olsen-P的增减（y）呈极显著正相关:y=0.0394x+5.923（r=0.944**,n=11）,紫色土每积累100kg·hm-2的磷素,土壤Olsen-P提高3.94mg·kg-1。水旱轮作每年施用磷肥120kg·hm-2（P2O5,常规施磷水平）,磷素盈余53.9kg·hm-2,提高了土壤速效磷含量;有机肥与化学磷肥配合施用能加快土壤速效磷的积累。长期施用在表层土壤的磷肥有向下移动的趋势,施磷处理20～60cm土壤速效磷含量比不施磷处理高,在水旱轮作条件下磷己迁移至60cm土层,增加了磷渗漏淋失的风险。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,配施猪粪比配施秸秆更容易导致磷的迁移;稻油轮作土壤剖面中有效磷含量比稻麦轮作高1.25～6.5mg·kg-1,稻油轮作体系磷素的迁移能力比稻麦轮作强,磷素流失的风险增大。从长期定位试验水稻季土-水磷素动态变化看,土壤磷向水体的迁移主要发生在淹水种稻后的前10天,所有处理水稻移栽后l0天田面水磷含量较高,之后急剧下降;施肥35天后各处理田面水磷含量低(在0.1 mg·L-1左右波动)并趋于稳定。在水稻移栽前10天应禁止稻田排水,在水稻移栽后30天内最好不要进行稻田排水,采取浅水移栽的稻田水分管理策略可以减少磷素流失。不同施肥处理之间,田面水含磷量在水稻移栽的前30天差异较大,以高量施磷处理1.5NPK+M的TP浓度最高;其次为配施猪粪尿的处理,不施磷的处理最低;稻—油轮作田面水TP浓度高于稻—麦轮作;配施猪粪提高了土壤磷素向水体的迁移和流失。土壤易解吸磷（RDP）、活性磷（藻类有效磷）、磷零吸持平衡浓度（EPC0）、最大吸磷量（Qm）、磷吸持指数（SI）等参数是评价水-土界面磷迁移能力的重要指标。长期倍量施磷（1.5NPK+M）以及化肥与猪粪配施（NPK+M）处理土壤磷素在土壤剖面和水体的迁移能力高于其它处理的机理在于这2个处理土壤的易解吸磷、活性磷、磷零点吸持平衡浓度、磷吸持饱和度最高,土壤对磷的固定能力和缓冲能力降低,提高了磷向环境迁移的风险。在水旱轮作条件下土壤对磷的固定能力与土壤活性铝、pH呈极显著正相关;与土壤有机质和土壤Olsen-P含量呈极显著负相关。不同磷肥用量和有机肥对稻田磷素迁移的试验结果表明,田面水磷浓度随着施磷水平的提高而提高,施肥24h后各处理田面水磷素浓度最高,TP浓度在0.928～3.824mg·L-1之间。前10d田面水总磷浓度高,平均浓度为0.869mg·L-1,前30d田面水含磷波动大,各处理TP平均浓度在0.258～1.433mg·L-1之间,这期间的田间排水会对周围的水体环境造成污染。径流水各形态磷的浓度随着降雨强度和磷肥用量的增加而增加,有机无机肥配施的处理稻田土壤磷素向水体释放磷的持续时间更长,施用牛粪比施用秸秆更容易导致磷素的流失。稻田磷素流失总负荷随着磷肥用量的增加而增加,流失磷量最低和最高分别为0.52kg·hm-2和3.20kg·hm-2。稻田磷素流失负荷不仅与施用磷肥的量有关,而且与有机肥的种类有关,配施秸秆能减少土壤磷的流失。磷素渗漏淋失试验结果表明,水旱轮作条件下,无论是旱季还是稻季在3种紫色土上磷素渗漏淋失量都随着施磷量的增加而增加。磷素的渗漏淋失与土壤性质关系较大,旱季和稻季在3种类型紫色土上磷素渗漏淋失浓度和渗漏淋失负荷为中性紫色土＞钙质紫色土＞酸性紫色土;在100cm土层稻季的磷渗漏量在75.4～158.2g·hm-2之间,麦季在12.0～25.2g·hm-2之间,稻季是旱季的5～8倍。在水稻生长季不同土层渗漏水中总磷浓度随着水稻生育期的延长呈下降趋势,前期磷素渗漏淋失量高且变幅较大,在施磷后第5d各土层渗漏水中磷素浓度最高;施肥60d后稻田磷素渗漏淋失负荷显著降低,不同土层和各处理趋于一致。渗漏水中磷素浓度随土壤剖面深度的增加而降低,磷在土壤剖面中的迁移能力弱,整个水稻生育期磷渗漏量较低,最高磷渗漏量为0.262kg·hm-2。但是,在水稻移栽初期中性和钙质紫色土耕层磷肥有明显向下移动的趋势,表现为60cm土层渗漏水中磷浓度高,且施磷处理显著高于不施磷处理,淹水种稻初期是磷向下迁移最强和淋失量最高的时期,控制基肥中磷肥的施用是减少淹水初期磷素向下迁移的重要措施。水旱轮作条件下,为了降低灌水种稻初期由于水分的剧烈移动而导致的磷素渗漏淋失,可以在水稻移栽成活后施用磷肥。利用具有不同富磷梯度的三种紫色土模拟稻田和旱地研究了Olsen-P与CaCl2-P之间的关系,探讨了紫色土磷素环境阈值。结果表明,无论是稻田或旱地生境,三种紫色土Olsen-P与CaCl2-P之间都存在一个‘转折点”,当土壤Olsen-P含量低于转折点时,随着Olsen-P含量的增加,浸提液中CaCl2-P含量上升很小,但当土壤Olsen-P含量高于转折点时,CaCl2-P含量急剧增加,这个点就是旱地磷素淋失临界值或稻田土壤磷的环境警戒值。紫色土旱地磷素环境敏感淋失临界值在酸性、中性和钙质上分别为（Olsen-P含量）67.2、85.8和113.8mg·kg-1,与此对应的CaCl2-P含量分别为2.5、1.6、2.3mg·kg-1。三种紫色土磷的淋失临界值差别较大,受土壤性质和对磷的吸附解吸特性影响,钙质紫色土对磷的吸附固定能力强,最大吸附量(Qm为769.2mg·kg-1)比中性和酸性土高20%和60%。稻田土壤磷素的环境警戒值在酸性、中性和钙质紫色土上Olsen-P含量分别为49.2、77.9和92.1mg·kg-1,相应的CaCl2-P含量分别为2.0、1.4、1.2mg·kg-1。三种紫色土在淹水还原条件下土壤磷环境敏感临界值比旱地低,淹水还原条件提高了紫色土磷向水体释放的风险。根据土壤测试而获得的紫色土最大吸磷量（Qm）、磷吸持指数（SI）、易解吸磷（RDP）、活性磷（藻类有效磷）和磷零吸持平衡浓度（EPC0）等参数,可以作为表征水-土界面磷迁移能力的指标。磷吸持指数（SI）可以作为Qm的替代指标来评价磷流失风险,将SI值35作为评价紫色土磷素流失的临界值,当低于此值时,紫色土固磷能力低,土壤磷素流失的风险就大;反之亦然。可以利用这些指标对紫色土区域土壤磷环境风险进行评价,并确定区域磷肥的最佳管理策略。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 农田土壤磷素累积及流失现状
• 1.1.1 农田土壤磷素累积现状
• 1.1.2 农田土壤磷素累积对环境的影响
• 1.2 农田磷素地表径流研究概况
• 1.2.1 稻田磷素地表径流流失
• 1.2.2 旱地磷素地表径流流失
• 1.2.3 旱地磷素渗漏淋失
• 1.2.4 稻田磷素渗漏淋失
• 1.3 磷在土壤剖面的迁移分布特征研究概况
• 1.4 农田磷素流失的环境风险评价
• 1.4.1 土壤测试法
• 1.4.2 土—水磷素的“转折点”关系评估法
• 1.5 问题与展望
• 第2章 前言
• 2.1 选题背景
• 2.2 研究目的
• 2.3 研究内容
• 2.3.1 长期施肥对紫色土磷素累积和迁移的影响
• 2.3.2 水旱轮作条件下紫色土磷素渗漏淋失特征研究
• 2.3.3 紫色土稻田磷素在土-水体系中的迁移及流失研究
• 2.3.4 紫色土农田磷素流失环境风险评价指标研究
• 2.4 技术路线
• 第3章 长期施肥对紫色土磷素累积和迁移的影响
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 长期定位试验地概况
• 3.1.2 长期定位试验设计
• 3.1.3 样品的采集方法
• 3.1.4 样品分析测定方法
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 长期施磷对紫色土磷素累积的影响
• 3.2.2 长期施肥对磷在土壤剖面中迁移和分布的影响
• 3.2.3 长期施肥对磷在水体中迁移的影响
• 3.2.4 长期不同施肥措施对土壤磷吸附解吸的影响
• 3.2.5 影响土壤磷素吸附固定的因素
• 3.3 小结
• 第4章 水旱轮作条件下紫色土磷素渗漏淋失特征研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 田间渗漏试验基本情况
• 4.1.2 田间渗漏试验设计
• 4.1.3 田间渗漏水和土壤样品的采集与分析方法
• 4.1.4 数据处理
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 水稻生长季紫色土磷素渗漏淋失的动态变化特征
• 4.2.2 小麦生长季紫色土磷素渗漏淋失的动态变化特征
• 4.2.3 水旱轮作条件下磷素渗漏淋失量
• 4.2.4 水旱轮作条件下土壤Olsen-P含量和磷素渗漏淋失量的相关分析
• 4.3 讨论
• 4.4 小结
• 第5章 紫色土稻田磷素在土-水体系中的迁移及流失研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 田间试验设计
• 5.1.2 水样和土壤样品的采集
• 5.1.3 分析方法
• 5.1.4 数据处理
• 5.2 结果与分析
• 5.2.1 水稻生长季田面水磷浓度的动态变化
• 5.2.2 田面水磷素流失潜能及稻田水分管理
• 5.2.3 降雨径流中磷浓度和磷组分的变化特征
• 5.2.4 施用有机肥对降雨径流中磷组分浓度的影响
• 5.2.5 磷素流失负荷和磷肥表观流失率
• 5.2.6 紫色土稻田土-水磷素的相关分析
• 5.3 讨论
• 5.4 小结
• 第6章 紫色土农田磷素环境风险评价指标研究
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 室内培养试验设计
• 6.1.2 试验样品的测定
• 6.1.3 临界值的计算方法
• 6.2 结果与分析
• 6.2.1 紫色土旱地土壤磷素淋失临界值
• 6.2.2 紫色土稻田土壤磷素的环境警戒值
• 6.2.3 中性、钙质和酸性紫色土对磷的吸附解吸特征
• 6.2.4 评价土壤磷环境行为的吸附解吸参数
• 6.3 小结
• 第7章 主要结论、创新点和研究展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 研究特色与创新点
• 7.3 研究展望与建议
• 参考文献
• 致谢
• 学习期间发表的专业论文及参加课题情况