土壤P解吸研究

磷(P)素是引起水体富营养化的关键元素。在我国,湖泊的磷50%以上来自于非点源污染。如密云水库、巢湖、滇池、太湖等,大部分非点源污染比例都超过点源污染[1]。司友斌等[2]调查的25个湖泊中,只有2个湖泊(大理洱海和新疆博斯腾湖)的总磷含量低于引起“水华”的临界指标(总磷含量超过0.02mg•L1时,会引起水体的富营养化),其余92%的湖泊皆超过这一标准,比国际标准高出10倍或10倍以上。土壤磷素在雨水的冲刷和淋溶下可形成溶解性总磷,不仅对地表水造成污染,并且具有对地下水造成污染的潜质[3]。滇池水体富营养化程度较高,滇池流域又以红壤土为主,固磷能力强,除被当季作物吸收10%~25%外,都以不同形态积累于土壤中。一旦土壤中的磷素和土壤水分发生作用后,磷素的流失便成为可能[4]。2005年对滇池流域污染负荷调查表明,来自农业非点源污染的总磷占50%~60%[5];据2009年调查数据显示,滇池流域非点源污染中总磷排放量为547t,占全流域总磷排放量的70.95%[6]。近年来国家投入大量资金开展滇池污染治理工作,然而,滇池的富营养化表征并没有明显改善,其主要原因为滇池流域农村非点源污染还没有得到有效控制[7]。目前国内对土壤磷素开展了较多的研究[811],但针对不同土地利用方式土壤磷素的解吸平衡时间及最大析出量的研究较少。本文以滇池全流域土壤磷素为对象,调查研究了该流域不同土地利用方式非点源污染磷素的土壤吸收量、溶解性总磷平衡时间与最大值,为滇池流域磷素的合理控制提供依据。

1材料与方法

1.1滇池流域概况

滇池是我国著名的高原淡水湖泊,位于云南省昆明市西南,流域面积2920km2,年径流量为9.7亿m3,整个流域南北长114km,东西平均宽25.6km。滇池水面面积298km2,平均水深4m,蓄水量12.9亿m3,是一个典型的浅水湖泊[12]。气候属于中亚热带湿润季风气候,年均降雨量1035mm,年均降雨日数135d,地带性土壤为山地红壤。目前沿湖乡镇农业生产已发展到集约化、高肥耗的初级阶段,化肥施入量普遍较高,尤其温室大棚内化肥施用量更高。其中呈贡县斗南镇(主要种植花卉,全部为大棚)年化肥施用强度最高,达12241.73kg•hm2,晋城(主要种植水稻、玉米等)最低,为2187.7kg•hm2[13]。

1.2采样方案

在实地考察的基础上,遵循均匀分布、代表性、典型性的原则,采用GPS定位,在滇池流域(102°31~102°56E、24°32~25°17N之间),包括宝象河、松华坝、斗南、晋宁县、马金铺、双龙水库和西山区等区域,共布设130个采样点。采样点土地利用方式为林地、坡地、坝平地、大棚和湖滨废弃大棚。林地主要植被为云南松林、坡地主要植被为玉米、坝平地主要植被为蔬菜、大棚主要植被为花卉、湖滨废弃大棚主要植被为杂草。根据土地利用方式,兼顾土壤类型,选定53个点进行土壤全磷测定。对各样点数据进行整理,选择每种用地类型中接均含量水平的样点作为代表,进行深入的解吸试验。解吸试验样点共17个点(林地4个、坡地4个、大棚3个、坝平地4个、湖滨废弃大棚2个),其土地利用方式、经纬度、土壤质地类型和主要植物见表1。采集土层为表层(0~20cm),采取三点混合法,风干后尽可能除去未分解的有机残体、煤渣、木炭等。采集的土壤样品用木棒压碎,通过2mm、0.25mm尼龙筛,常温保存。采样时间为2010年5月15日。

1.3土壤样品分析

土壤样品过2mm筛测定速效磷含量、溶解性总磷含量(磷素解吸试验)和溶解性磷酸盐含量,过0.25mm筛测定全磷含量。土壤全磷用硫酸高氯酸消解后钼锑抗比色法测定,速效磷采用NaHCO3法测定[14]。称取土样0.25g若干份,置于三角瓶中,分别加入蒸馏水25mL,在恒温[(25±1)℃]摇床振荡不同时间(5min、10min、15min、30min、1h、2h、3h、4h),过0.45m滤膜,滤液未消煮直接用钼锑抗比色法测定其中溶解性磷酸盐含量,滤液消煮后用钼锑抗比色法测定其中溶解性总磷含量[15]。1.4数据分析采用Excle2007进行数据分析。

2结果与分析

2.1不同土地利用方式下土壤全磷、速效磷、溶解性总磷和溶解性磷酸盐含量的变化

表2为滇池流域17个典型样地土壤的全磷、速效磷、溶解性总磷和溶解性磷酸盐含量。其中上蒜林地与上蒜坝平地土壤全磷含量最高,达7.857g•kg1和8.434g•kg1,其原因是这两个样点位于磷矿区的出口,自然土本身就含有大量的磷。其余样点全磷含量依次为湖滨废弃大棚区>大棚区>坝平地区>坡地区>林地区。湖滨废弃大棚和大棚主要位于斗南、马金铺,废弃大棚区原来主要种植蔬菜、花卉,于2008—2009年退耕还湖。本次试验表明滇池流域0~20cm土层全磷含量在0.137~2.935g•kg1之间,平均为1.203g•kg1(不包括磷矿区的上蒜林地和上蒜坝平地),明显高于南方酸性土壤全磷含量的一般值(根据全国第2次土壤普查,南方土壤全磷含量一般低于0.56g•kg1)。滇池流域土壤磷素有明显积累,特别是废弃大棚区和大棚区。17个典型样地土壤速效磷含量范围在0.311~96.238mg•kg1之间,全磷含量最高的上蒜林地和上蒜坝平地的速效磷含量同样也非常高。除这两点外,不同土地利用方式速效磷含量(平均值)从高到低依次为废弃大棚区(80.846mg•kg1)>大棚区(69.733mg•kg1)>坝平地区(27.977mg•kg1)>坡地区(11.296mg•kg1)>林地区(2.018mg•kg1),与全磷含量分布规律相同。17个典型样地土壤析出的溶解性总磷含量在0.66~9.52mg•kg1范围之间,远超过了水质含磷标准。表明滇池流域大面积的土壤所积累的磷素在经过雨水冲刷及淋溶时具有较大磷素流失风险。除磷矿区外,不同土地利用方式的溶解性总磷含量(平均值)最高为湖滨废弃大棚(9.1mg•kg1),然后依次为大棚(4.9mg•kg1),坡地(2.1mg•kg1)和坝平地(1.9mg•kg1),最后为林地(1.1mg•kg1)。17个典型样地土壤溶解性磷酸盐含量较低,随溶解性总磷含量增加而增加。通过对溶解性总磷和全磷含量的相关分析(图1)可以看出,滇池流域溶解性总磷与全磷含量之间呈线性关系,土壤全磷含量决定溶解性总磷的含量,溶解性总磷含量随全磷含量升降而升降(R2=0.6853,n=15)。

2.2不同土地利用方式下溶解性总磷的解吸平衡时间

图2为滇池流域不同土地利用方式下土壤溶解性总磷的解吸平衡时间,可以看出大部分土地利用方式下土壤磷的解析约在0.5h左右达到平衡,只有马金铺大棚、斗南湿地土样约在1h左右达到平衡,表明不同土地利用方式下溶解性总磷解吸平衡时间没有太大差异,在0.5~1h内都达到平衡。由于在滇池流域,降雨径流产生过程一般都超过1h,所以可以认为降雨形成的径流中,溶解态磷基本达到平衡浓度。

2.3不同土地利用方式下磷素在土壤液相固相之间的分配关系

从表3可以看出滇池流域不同土地利用方式下磷素在液相和固相的比例为1/1000~5/1000,表明不同土地利用方式下土壤磷素不易解吸,土壤吸附磷素能力很强,磷素不易析出。滇池流域不同土地利用方式下土壤全磷量普遍较高,因此1/1000~5/1000的磷素溶到液相后,仍可以引起水体富营养化。

2.4不同土地利用方式下溶解性总磷与溶解性磷酸盐的关系

表4为溶解性磷酸盐占溶解性总磷的百分比,可以看出溶解性磷酸盐在溶解性总磷中占20%~95%。图3表明,滇池流域土壤溶解性磷酸盐含量与溶解性总磷含量线性正相关,反映了土壤中磷酸盐的溶出能力主要决定于溶解性总磷的含量。

3讨论

近年来大量施用化肥导致土壤磷素大量积累现象严重。已有资料表明,蔬菜保护地土壤全磷、Olsen-P平均含量为一般耕地土壤的2.7~14.0倍[16]。本试验也表明,扣除部分区域成母土含磷高的因素,滇池流域表层土仍出现了大量的磷素积累,尤其湖滨废弃大棚区和大棚区。从表层土的全磷含量顺序磷矿区>湖滨废弃大棚>大棚>坝平地>坡地>林地就可看出土地利用强度越高,施肥量越大,表土中积累的全磷含量越高的规律。

本次试验表明,滇池流域表层土全磷含量平均值为1.203g•kg1,明显高于南方酸性土壤全磷含量的一般值(低于0.56g•kg1)。17个典型样地土壤可析出的溶解性总磷含量在0.66~9.52mg•kg1之间,相当于平均含量的0.85%。但土壤中溶解性全磷与土壤中全磷的含量存在较高的正线性关系,说明土壤中全磷含量越高,溶出风险越大。所以过量施肥带来污染风险的相应增加。溶解性磷酸盐在溶解性总磷中占20%~95%,说明溶解性磷酸盐是溶解性总磷的重要组成部分。滇池流域土壤溶解性磷酸盐含量与溶解性总磷含量线性正相关,反映了土壤中磷酸盐的溶出能力主要决定于其中的溶解性总磷的含量。磷素解析试验结果表明,土壤中溶解性总磷的解吸过程,在0.5~1.0h之内达到平衡,说明在地下水或地表径流的输移过程中有足够多时间达到溶解平衡。