施用粪肥对农田土壤磷素累积和饱和度增加速率的影响

针对施用粪肥导致的我国集约化种养区域农田土壤磷素高量累积和高环境风险问题,利用长期定位试验定量分析了施用粪肥对农田土壤磷素累积和磷饱和度(DPS,degree of P saturation)增加速率(每年1 kg P·hm^(-2)磷素盈余所导致的土壤磷素含量或DPS变化量)的影响。结果表明:连续22年过量磷素投入明显提高了土壤磷素含量和DPS,0~20 cm土层土壤磷素累积、DPS增加与磷素盈余均存在明显的线性相关性。与单施化肥相比,施用粪肥对土壤全磷的累积速率影响不大,但是明显提高了土壤Olsen-P累积和DPS增加速率。施用粪肥下,每年1 kg P·hm^(-2)的磷盈余所导致的0~20 cm土层土壤Olsen-P、CaCl_2-P累积和DPS增加量分别为0.071 mg P·kg^(-1)(r=0.608,P=0.029)、0.003 mg P·kg^(-1)(r=0.528,P=0.066)和0.036%(r=0.863,P=0.002),分别为不施粪肥的3.3、6.0倍和1.2倍。土壤DPS变化与磷含量变化之间也存在明显的线性关系,0~20 cm土层土壤每年全磷、Olsen-P和CaCl_2-P含量增加1mg P·kg^(-1)所导致的土壤DPS增加值分别为0.13%、0.42%和7.78%。20~40 cm土层土壤磷素累积、DPS增加与磷素盈余之间的线性相关性均较差,但与0~20 cm土层相比,施用粪肥和不施粪肥之间累积速率的差异性有增大的趋势,说明施用粪肥促进了磷素向下层土壤的移动。施用粪肥加速了土壤有效磷累积和DPS增加,进而提高了土壤中磷素损失风险,合理施用粪肥是控制集约化种养区域农田磷面源污染的关键。

土壤磷素淋溶预测指标研究

对西北农林科技大学农作一站长期肥料试验地0—20 cm耕层土壤研究表明:(1)易释放的各形态磷与全磷呈正相关关系;(2)土壤磷素的释放能力随pH值的增大而减小,不同处理的缓冲能力不同。释放能力的大小也与全磷的多少有关;(3)土壤全磷与PSD(土壤磷饱和度)有很好的正相关性。因此,基于以土壤饱和度为25%作为预测指标,把土壤全磷环境敏感指标(TP)为1.92 g/kg作为关中磷淋溶的环境敏感指标。

施用粪肥和沼液对设施菜田土壤磷素累积与迁移的影响

针对有机蔬菜生产普遍施用粪肥和沼液的现状,利用多年田间定位试验,研究基施不同数量粪肥（CM1：30 t·hm^-2;CM2：60t·hm^-2;CM3：90 t·hm^-2）和追施相同量沼液对有机设施蔬菜产量、土壤磷素累积及其移动性的影响。结果表明,2011—2014年不施粪肥单施沼液处理中（CK：0 t·hm^-2粪肥）累积磷素盈余量为290 kg P·hm^-2,0～30 cm土层土壤中Olsen-P和磷饱和度（DPS）均超过了磷素淋失的环境阈值。粪肥配施沼液处理显著增加了磷素盈余和磷素在土壤中的累积,试验期间2011—2014年累积磷素盈余量为不施粪肥单施沼液处理的6～22倍。随着粪肥施用量的增加,土壤全磷、Olsen-P、Ca Cl2-P、Mehlich3-P和DPS均迅速增加,当粪肥用量达到60 t·hm^-2时,显著增加了0～60 cm土层土壤全磷、Olsen-P、Ca Cl2-P、Mehlich3-P含量和DPS,大量粪肥施用并配施沼液处理使表层土壤DPS接近或达到100%。有机蔬菜生产中盲目大量施用粪肥和沼液,显著增加了土壤磷素累积和淋失风险,4年连续每茬90 t·hm^-2粪肥施用并配施沼液处理导致磷素在土壤剖面的迁移到达90 cm土层。与不施粪肥单施沼液处理相比,粪肥配施沼液显著提高了作物产量,但是较多量粪肥投入并没有继续增加作物产量,而显著增加了磷素淋失风险。因此,在有机蔬菜生产中推荐施用不超过30 t·hm^-2粪肥并配施沼液模式。

蔬菜种植年限对土壤磷素吸附解吸特性的影响

为揭示不同种植年限土壤磷的固定和释放机制,通过土壤磷的等温吸附、解吸试验研究种植年限分别为3～5年、15～20年、25～30年的黄棕壤0～5cm和5～20cm土层磷的吸附、解吸特性。结果表明:土壤磷的等温吸附曲线、吸附量-解吸量曲线分别与Langmuir方程(R2为0.8728～0.8436)、二次函数方程拟合良好(R2为0.9545～0.9970);随蔬菜种植年限延长,表层土壤磷最大吸附量(Qm)、磷最大缓冲容量(MBC)明显降低,而土壤磷吸附饱和度(DPS)和解吸率明显提高;种植年限15～20年、25～30年土壤磷的解吸率明显高于3～5年土壤。对表征土壤磷素吸附、解吸特性的主要因子如MBC及DPS等作相关分析发现,无定形铁铝含量的变化是影响土壤磷吸附解吸特性的主要因素。

杭州市郊典型菜园土壤磷素状况及磷素淋失风险研究

采用化学测试方法研究杭州市郊25个典型菜园土壤的磷素状况以及农学和环境磷素测试值间的相互关系，以建立磷素淋失的评价指标．结果表明，菜园土壤全磷（TP）和土壤测试磷如水溶性磷（CaCl2—P）、速效磷（Olsen—P）、Mehlich Ⅲ提取的磷（PM3）均存在较大的变幅，分别为0．7～2．9g·kg^-1、0．48～19．64mg·kg^-1、10．65～151．60mg·kg^-1和50．53～904．95mg·kg^-1,72％的土壤超过菜园土磷素丰缺的有效磷临界值（Olsen—P=60mg·kg^-1）．草酸浸提的土壤磷饱和度（DPSOX）和Mehlich Ⅲ浸提的土壤磷饱和度（DPSM3）分别在6．91％～49．15％和5．82％～52．56％之间，与TP、Olsen-P、PM3之间存在极显著的正相关，DPSOX与DPSM3间存在极显著正相关．通过分段线性模型分析水溶性磷与Olsen—P、DPSOX和DPSM3的关系，均存在一个明显的突变点（土壤磷素淋失的临界值），该值分别为Olsen-P=76．19mg·kg^-1，DPSOX=26％，DPSM3=22％，供试土壤中超过上述Olsen-P或者DPS临界值的占60％以上，存在磷素淋溶的风险．土壤磷素淋失的Olsen—P临界值高于农学磷素丰缺的临界值，因此，合理施用磷肥和有机肥使土壤磷水平低于上述磷素淋失临界值，不仅可以满足作物的磷素营养需要，而且可以避免磷淋溶进入水体．

城市复合土地利用系统中土壤磷素的积累和流失潜力的空间分异

为了解城市复合土地利用系统中土壤磷素的积累和流失潜力特点,以浙江大学华家池校区为例,应用化学分析方法和GIS技术研究该校区复合土地利用系统中土壤磷素积累和流失潜力的时空变化特征.结果表明,近50年来,研究区内土壤全磷和有效磷呈明显的增加趋势,磷素积累受城市化和大量施用有机肥、化肥等的影响.土壤磷素空间异质性非常明显,深受土地利用方式的影响,土壤全P平均含量由高至低分别为畜牧场(3.22 g?kg-1)>果园(1.67 g?kg-1)>桑园(1.54 g?kg-1)>蔬菜地(1.52 g?kg-1)>教学区(1.37 g?kg-1)、绿化用地(1.37 g?kg-1)>水田(1.14 g?kg-1)>旱地(1.06 g?kg-1)>水旱轮作地(1.02 g?kg-1)、生活区(1.02 g?kg-1).研究区内土壤磷饱和度平均达22.29%,土壤水可提取态P明显高于一般农业区,有很高的P流失风险.土壤磷饱和度25%这一磷素流失风险临界指标也适合于对研究区土壤磷流失风险的评价,该指标大致与有效P 77 mg?kg-1和全P 1.20 g?kg-1相当.研究认为,城市复合土地利用系统中土壤磷素积累显著,磷素流失造成水体污染风险很大,应引起注意.

有机磷在调节土壤磷素保持与释放过程中的作用

以巢湖沿岸土壤和沉积物为对象,分析了速效磷、藻类可利用性磷、有机磷含量和碱性磷酸酶活性的空间变化格局,并测定了磷吸附参数。结果表明,土壤有机磷含量差异显著,以草地最高,而速效磷和藻类可利用性磷含量无明显差异;酶活性及速效磷含量与有机磷含量呈显著正相关,土壤对正磷酸根的吸附量与土壤中有机磷含量呈正相关;湖泊沉积物中有机磷含量与周边土壤中有机磷含量显著正相关。因此,土壤有机磷及其酶促水解过程是调节沉积物作为磷源或磷汇功能的关键因素之一。

不同有机肥对煤矿复垦土壤磷吸附解吸特性的影响

【目的】石灰性复垦土壤磷素含量极低且易被其他离子吸附固定,严重影响作物的吸收与利用。研究不同有机肥对石灰性复垦土壤磷吸附解吸特征的影响,为加速培肥煤矿复垦土壤提供技术和理论依据。【方法】在山西省孝义市采煤塌陷区进行了4年的定位培肥试验,共设置了6个处理:不施肥、施鸡粪、施猪粪、施牛粪和氮钾肥、施氮磷钾肥。采集各处理土壤样品进行吸附动力学试验,测定复垦土壤磷最大吸附量、最大缓冲容量、吸附饱和度、解吸率,并分析影响磷吸附解吸的关键因素。【结果】采用Langmuir等温吸附方程可以极好地拟合复垦土壤对磷的吸附(R^(2)=0.924~0.992)。复垦年限和施肥处理以及二者的交互作用均对复垦土壤磷吸附解吸产生显著影响。随复垦年限的增加,土壤磷最大吸附量显著降低,而土壤磷吸附饱和度和解吸率显著增加。与复垦第1年相比,复垦第4年各施肥处理的土壤磷最大吸附量降低了12%~26%,土壤磷吸附饱和度增加了218%~885%,土壤磷解吸率增加了86%~118%。与两个化肥处理相比,3种有机肥处理下土壤磷最大吸附量显著降低了30%,最大缓冲容量降低了31%,土壤磷吸附饱和度增加了34%,磷解吸率增加了16%~24%。而且不同有机肥处理间也存在显著差异,有机肥对磷吸附的影响表现为猪粪>鸡粪>牛粪,对磷解吸的影响表现为鸡粪>猪粪>牛粪。冗余分析(RDA)结果表明,全磷和有机质是影响磷吸附–解吸的主要因素,贡献率分别为74%和13%(P<0.01)。【结论】施肥可以降低采煤塌陷复垦土壤对磷的吸附,增加磷的解吸能力,同一磷水平下有机肥的影响效果显著好于化肥。土壤对磷的吸附–解吸主要受土壤全磷和有机质含量的影响。在增加土壤磷有效性方面,鸡粪的效果优于猪粪和牛粪。随着施肥年限的增加磷吸附饱和度逐渐增加,建议持续监测土壤磷吸附–解吸特性,以警惕有机肥长期施用引起的环境磷流失风险。

水稻土磷环境敏感临界值的研究

采用室内测试方法研究了3组质地(粘土、重壤土和轻壤土)水稻土水溶性磷(0.01mol·L-1CaCl2-P)与土壤测试磷(Olsen-P和Bray1-P)及土壤磷饱和度的关系。结果表明,水稻土因淹水耕作,其磷释放潜力明显高于旱地土壤,水溶性磷随土壤测试磷的增加而增加。土壤测试磷及磷的饱和度与土壤水溶性磷的关系存在转折点,当土壤磷超过转折点时,土壤水溶性磷和磷的释放潜力明显增加。在好气条件下,供试水稻土磷环境敏感临界值(转折点)在Olsen-P50～75mg·kg-1、Bray1-P90～140mg·kg-1和磷饱和度21%～23%之间;在厌气条件下,供试水稻土磷环境敏感临界值(转折点)在Olsen-P35～45mg·kg-1、Bray1-P75～115mg·kg-1和磷饱和度16%～18%之间,超过临界值土壤磷素可对环境产生非常明显的负影响,不应再施用磷肥和粪肥。

长期施肥对红壤旱地团聚体磷素储存容量的影响

土壤磷素储存容量(SPSC)是基于磷饱和度(DPS)概念提出与发展的指标,可以有效地评估及监测土壤磷素的存储状态及释放潜能。以红壤旱地长期肥料定位试验地(1988-)为依托,以无机肥区的NK、NPK、NP、PK、NPKCa、NPKCaS及有机无机配施的1/2NPK(CK)、1/2NPK+花生秸秆还田(PS)、1/2NPK+稻秆(RS)、1/2NPK+鲜萝卜菜(FR)、1/2NPK+猪厩肥(PM)共11小区的土壤为对象,采用湿筛法获得各粒级团聚体样本,分析红壤旱地及各粒级团聚体SPSC的变化特征,探讨土壤供磷水平对SPSC的影响,评估红壤旱地磷素的流失风险,预测红壤旱地可继续容纳外源磷的"安全寿命"。结果表明:在无机肥区,长期未施磷肥的NK处理土壤SPSC高达265 mg·kg^-1,分别为NPK、NP、PK、NPKCa与NPKCaS处理的1.9倍、1.6倍、1.9倍、2.0倍和2.4倍;各粒级团聚体对土壤SPSC的贡献率由高到低依次为1~0.25 mm、0.053~0.25 mm、>2 mm、1~2 mm;按现有施磷量,红壤旱地仍可以继续安全施用磷肥30年。在有机无机肥配施区,与CK处理相比,配施猪厩肥(PM)处理的SPSC呈现出负值且高达-333mg·kg^-1,应立即停止施肥或调整施肥量;而配施花生秸秆(PS)、稻秆(RS)及鲜萝卜菜(FR)处理的SPSC仍为正值且处理间差异不显著,各粒级团聚体对土壤SPSC的贡献率由高到低依次为1~0.25 mm、>2 mm、0.053~0.25 mm、1~2 mm;按现有施磷量,可继续安全施磷41年、30年、14年,CK处理则可安全施磷51年。由SPSC与TP、Bray-P的相关关系可以发现,当SPSC>10 mg·kg^-1时,红壤旱地磷是绝对"安全"的;当-10 mg·kg^-1≤SPSC≤10 mg·kg^-1时,红壤旱地磷处于极度不稳定状态,极易或已经开始向周围环境或水体释放,需随时监测或停止施磷;当SPSC<-10 mg·kg^-1时,红壤旱地磷已经向周围环境或水体释放,应立刻停止施磷,并调整施肥方案,降低土壤磷素的环境风险。

杭州湾鹭科鸟类集群栖息区表层土壤的磷饱和度和磷流失风险

为了评估杭州湾鹭科(Ardeidae)鸟类栖息地土壤中磷元素的流失风险,在杭州湾国家湿地公园中,选择鹭科鸟类集群栖息的水杉(Metasequoia glyptostroboides)林地、女贞(Ligustrum lucidum)林地和无鹭科鸟类栖息的水杉林地、女贞林地(对照林地)布设采样地,分别于2018年11月(鹭科鸟类迁出后)、2019年5月(集群栖息且繁殖期)、2020年1月(鹭科鸟类迁入前),采集0~10 cm深度和10~20 cm深度的土壤样品,测定了土壤样品的有机碳含量、全氮含量、全磷含量、水溶性磷含量、有效磷含量、pH和电导率;采用Mehlich-3浸提法和草酸铵提取法,估算土壤磷饱和度;以土壤的磷饱和度和有效磷含量作为土壤中磷的流失风险的评估指标,评估表层土壤中磷的流失风险水平。研究结果表明,在杭州湾鹭科鸟类集群栖息的水杉林地和女贞林地,0~10 cm深度土壤的有机碳含量、全氮含量、全磷含量、水溶性磷含量、电导率都显著大于10~20 cm深度土壤,而其0~10 cm深度土壤pH却小于10~20 cm深度土壤;有鹭科鸟类集群栖息的水杉林地0~20 cm深度土壤的全磷含量和水溶性磷含量都大于无鹭科鸟类集群栖息的水杉林地,有鹭科鸟类集群栖息的女贞林地0~20 cm深度土壤的水溶性磷含量大于无鹭科鸟类集群栖息的女贞林地;有鹭科鸟类集群栖息的水杉林地0~20 cm深度土壤的磷饱和度和有效磷含量都大于无鹭科鸟类集群栖息的水杉林地,有鹭科鸟类集群栖息的女贞林地0~10 cm深度土壤的磷饱和度和有效磷含量都大于无鹭科鸟类集群栖息的女贞林地;有鹭科鸟类集群栖息的水杉林地0~20 cm深度土壤的磷饱和度和有效磷含量都明显大于有鹭科鸟类集群栖息的女贞林地;采用草酸铵提取法得到的土壤磷饱和度和土壤的有效磷含量可以作为杭州湾鹭科鸟类集群栖息地土壤中磷的流失风险评估指标;有鹭科鸟类集群栖息的水杉林地0~20 cm深度土壤中磷的流失风险大于有鹭科鸟类集群栖息的女贞林地。

长期施肥对旱地红壤磷素饱和度的影响

磷素饱和度(Degree of phosphorus saturation,DPS)能够有效评估土壤磷素的流失潜能及地表水磷富营养化问题,可用于评价土壤磷素环境风险。DPS值通常由酸性草酸钱提取态磷(PQ与提取态铁铝(FemAlQ的摩尔质量比除以校正常数(Corrected constant,a)计算得到,而a是通过建立土壤饱和吸磷量与影响土壤磷吸附的土壤特征值间的相关关系而计算得到的数值;a的取值大小(常取0.5)会直接影响到DPS的准确估算。因此,本文以中国科学院红壤生态实验站(28。04,~28。37取,116°4 r^117。09馆)为依托,以长期施肥(1988-2014年)的旱地红壤为研究材料,通过两种计算方法得到了土壤的DPS值,分析了校正常数a=0.5在长期施肥的旱地红壤DPS计算中的适用性,并确定了长期施肥旱地红壤DPS计算中a的适用性阈值。研究结果表明:校正常数a=0.5虽适用于长期施肥旱地红壤DPS的估算,但易导致旱地红壤DPS的过高估算;对比计算发现,长期施肥旱地红壤DPS计算时,校正常数a的最适取值范围为0.71-0.81。但是,不同环境背景下旱地红壤DPS计算公式中校正常数a的适应性阈值仍需进一步校正与验证,从而提高红壤区土壤磷素环境风险评估的准确性。

磷细菌对复垦土壤磷素流失风险的影响

以实验室筛选的溶磷能力最强的磷细菌W37为试验菌株,采煤沉陷区复垦土壤为供试土样,通过盆栽试验研究施用磷细菌对复垦土壤磷素养分、油菜产量、磷吸附特性及流失风险的影响。结果表明:磷细菌可以提高复垦土壤有效磷(Olsen-P)含量和油菜产量;施用磷细菌后复垦土壤最大吸磷量(Xm),吸附常数(k)都减小;磷细菌处理易解吸磷(RDP)、磷零点吸持平衡浓度(EPC0)及磷素饱和度(DPS)呈增加的趋势,分别比M处理增加0.014mg·L^(-1),6.54ug·L^(-1),0.80%;通过估算复垦土壤Olsen-P、EPC0、DPS的环境风险值为28.52mg·kg^(-1),129.78ug·L^(-1),5.18%,本试验中磷细菌处理土壤Olsen-P、EPC0、DPS远小于风险值,因此复垦土壤上施用磷细菌对磷素流失风险影响较小。