李利霞，武桂芝，于宗民，刘耀辉

(青岛理工大学环境与市政工程学院，山东 青岛 266520)

大沽河位于胶东半岛，是青岛市的重要饮用水水源地，大沽河流域也是青岛市重要的粮食、蔬菜、水果基地。为了使农作物获得高产，常年大量施用化肥导致大沽河流域农田土壤酸化，大部分施入的磷素易被土壤中的铁、铝、钙氧化物及黏土矿物等固定为难溶性的磷酸盐，从而导致土壤全磷含量较高的情况下有效磷缺乏，磷素利用率低。随着施磷量提高以及磷肥不断投入，土壤中的磷素含量逐渐由亏转为盈，导致土壤磷素大量累积，土壤中盈余的磷素可通过地表径流、侵蚀、淋溶的途径迁移到水环境中，造成水体富营养化。因此，对于提高农田土壤磷素有效性、减少土壤磷素淋失的研究对提高农作物磷肥利用率、降低农民的生产成本、减少因磷素淋失造成的磷面源污染具有一定的意义。土壤中Olsen—P是能够被植物根系直接吸收的磷的主要形态，向土壤中施肥可以提高土壤磷素的有效性。周婕等研究发现，施加有机肥和磷肥能有效提高土壤Olsen—P含量；郭玉冰研究发现，有机肥对土壤有效磷积累的贡献率大于磷肥；朱婧等研究了生物炭和沸石联合施用对潮土有效性的影响发现，生物炭的含量和比例是影响潮土中磷素有效性的重要因素；占亚楠等整合分析了生物炭对土壤有效磷的影响发现，无论什么试验条件，添加生物炭均能使土壤有效磷含量显著提高；张博凯等研究了不用有机肥(鸡粪、猪粪、牛粪)对矿区复垦土壤Olsen—P含量的影响。农田土壤磷的淋失风险主要受土壤磷素库容大小、形态转化及有效性的影响。有研究指出，CaCl—P可用以表征土壤磷素流失风险。根据土壤Olsen—P与CaCl—P含量之间的关系，借助土壤Olsen—P含量进行土壤磷淋失风险评价是目前主要的研究手段。代银分等研究了秸秆生物炭对施有机肥土壤磷流失的影响；尹俊慧等研究了不同类型生物炭混施对土壤磷素淋失的影响；Recena等进行了小麦和向日葵轮作的磷饥饿试验，研究了土壤特质对Olsen—P阈值的影响。而对不同类型的农田土壤在单一理化性质影响下磷素有效性和全磷淋失的研究鲜有报道。本文以大沽河沿岸3种农田土壤为研究对象，通过室内土柱试验，探究温度、pH、含水率、氮肥和生物炭配施等因素对大沽河沿岸3种农田土壤有效磷和全磷淋失的影响，为提高农田土壤磷素有效性、减少全磷淋失和磷素面源污染提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 土样采集

2020年9月4日，结合前期调查，沿青岛市大沽河下游干流与支流共布置了3个采样点，选取3种典型土壤(砂壤、河潮土、砂姜土)作为供试土壤。土样采集时沿着土壤剖面自上而下分层采样，土壤层次分别为0—20，20—40，40—60 cm，将采集的土样剔除杂质后置于聚乙烯瓶内保存备用。供试土壤基本性质见表1。

表1 供试土壤基本性质

1.2 试验装置

试验同时采用3个土柱，每个柱子装有不同类型的土壤。试验土柱高72 cm、内径12 cm，材质为有机玻璃，为防止试验过程中水沿内壁直接流下产生优先流，内壁采用磨砂面。

土柱上端敞口，填充完土壤后在顶部设置布水板，使入渗水流均匀，中间布设3个土壤取样口，取样口直径为2 cm，分别距离土柱上端10，30，50 cm，土柱底部铺设1层粒径大约为2～3 cm石子，并在石子上面铺设1层孔径为1 mm的纱网将土壤与石子分隔。土柱底端预留1个出水孔，出水孔处安装出水软管以便收集淋滤液。试验过程中取样口用橡胶塞封闭。试验装置见图1。

注：1为有机玻璃；2为取样孔；3为法兰底座；4为出水口。

1.3 试验方法

1.3.1 土壤理化性质单因素试验

(1)pH：分别向3个试验土柱加入配置好的NaOH和HCl溶液调节土壤pH，从取样口取土样测定其pH并记录，24 h后取土样检测有效磷含量；同样按照上述方法调节土壤pH，土壤pH调节分为5个处理过程，分别记为P1、P2、P3、P4、P5。其中P1为加酸处理，P2不做处理，P3～P5为加碱处理，且加碱的量依次增多，然后用蠕动泵向土柱内加纯净水，在出水口处收集淋滤液，3 h后检测其全磷含量。

(2)含水率：调节蠕动泵输出功率5%，10%向土柱内加入纯净水，用湿度仪测定土壤实际含水率，24 h后取土样检测有效磷含量。

(3)温度：在土柱外层包裹电热毯，通过调节电热毯的挡位来控制土柱温度，24 h后取土样检测有效磷含量；同样按照上述方法调节土柱温度，然后用蠕动泵向土柱内加纯净水，在出水口处收集淋滤液，3 h后检测其全磷含量。

每个影响因素设置1组对照试验。

1.3.2 生物炭和氮肥配施试验 每种类型的土样试验分别设置8个处理，即T0～T7，3个土柱生物炭和氮肥的施加情况见表2。试验所施加的肥料皆一次性施入。其中T0为对照组，不进行施肥处理。土壤每个处理设置3个重复，施肥24 h后取土壤样品检测其有效磷含量。全磷淋失检测前期处理与有效磷检测方案一致，然后调节蠕动泵向土柱内加纯净水，在出水口处收集淋滤液，3 h后检测其全磷含量。

表2 不同处理的施肥情况

1.4 测定方法

土壤pH：称取10.0 g土壤样品于500 mL烧杯中，以水土比2.5∶1浸提，放置在磁力搅拌器上搅拌1 h后静置约30 min，用pH计测定。

有效磷(Olsen—P)：采用NaHCO浸提-钼蓝比色法(HJ 704—2014)，取2.5 g试样于150 mL具塞锥形瓶中，加入50.0 mL浓度为0.5 mol/L的浸提剂，于恒温反复振荡器上振荡30 min，振荡频率为180 r/min，过滤，取10 mL滤液于50 mL容量瓶中，用钼蓝比色法测定。

全磷(TP)：采用钼酸氨分光光度法(GB 11893—89)，量取25 mL淋滤液于50 mL具塞刻度管中采用过硫酸钾法进行消解后，用钼酸氨分光光度法测定。

含水率：采用SMAWS016型湿度测32定仪测定。

2 结果与分析

2.1 pH对土壤有效磷及全磷淋失的影响

pH对土壤中Olsen—P含量的影响见图2。3种土壤表层土壤(0—20 cm)的Olsen—P等浓度线比中层土壤(20—40 cm)的等浓度线更密集，表明浅层土壤中Olsen—P的变化幅度比深层土壤大，且Olsen—P随土层深度增加降低明显。随着pH的增大，砂壤中Olsen—P含量表现为先升高后降低。表层土壤pH为6.5和8.2时，Olsen—P出现2个极大值，Olsen—P最大值为102.4 mg/kg。表明弱碱或弱酸性条件下，土壤中的Olsen—P含量较高。河潮土有效磷含量等浓度图变化趋势与砂壤一致。河潮土表层土壤(0—20 cm)在pH为8.0时，Olsen—P含量最大，为98.1 mg/kg，与砂壤相比，河潮土中各土层Olsen—P最大值出现的位置更偏碱性。砂姜土Olsen—P含量的等浓度线的变化趋势砂壤一致，pH在6.5～8.2磷素有效性较高。

图2 不同pH下土壤的Olsen—P含量变化

由图3可知，相对于砂壤和河潮土，砂姜土的全磷淋失最为严重。在P1处理下，全磷淋失量最大，为1.05 mg/L，P2处理下，全磷淋失量最小，为0.97 mg/L。在P3～P5处理下，随碱量的增加，砂姜土中的全磷淋失没有明显变化。砂壤全磷淋失量稍大于河潮土，在P1处理下，全磷淋失同样最为严重。在P3～P5处理下，全磷淋失量随碱量的增大呈先降低后增高趋势，在P3处理下全磷淋失量最小。河潮土与砂壤的全磷淋失规律类似，但P3～P5处理下，全磷淋失量随碱量的增加先升高后降低。表明在加酸处理时，土壤全磷淋失更为严重，加碱处理时，不同土质表现出不同的变化趋势。

图3 不同pH下土壤的全磷淋失量

2.2 含水率对土壤有效磷的影响

由图4可知，砂壤表层土壤(0—20 cm)中有效磷含量随含水率增加而升高，含水率>10%时，砂壤中Olsen—P含量增大幅度减小，最大值为102 mg/kg，比对照组增加30.5%；中层土壤(20—40 cm)中，当含水率提高40%和80%，Olsen—P含量分别提高10.2%和17.3%，深层土壤(40—60 cm)中Olsen—P含量更容易随含水率提高而增加。河潮土表层土壤的Olsen—P含量随含水率的增加表现为先升高后降低。当含水率为16%时，Olsen—P含量最大，为75.2 mg/kg，比对照组增加19%。中、下层土壤随着含水率提高，磷素有效性持续增大。砂姜土表层土壤(0—20 cm)的Olsen—P随含水率的变化规律不同于砂壤和河潮土，随含水率提高，砂姜土的Olsen—P含量不断增大，最高值为100.4 mg/kg，比对照组增加39%，变化幅度大于砂壤和河潮土，表明砂姜土中磷素有效性对含水率的变化更加敏感。中、下层土壤砂姜土Olsen—P含量的变化趋势与砂壤和河潮土一致。

图4 不同含水率下土壤的Olsen-P含量变化

2.3 温度对土壤有效磷及全磷淋失的影响

由图5可知，随着温度的提高，砂壤各土层磷素有效性均有所增加。可能是因为温度提高，增强土壤中微生物的活性，促进土壤中有效磷的转化。

图5 不同温度下土壤的Olsen-P含量变化

26 ℃条件下，表层土壤(0—20 cm)Olsen—P含量最大，为88.2 mg/kg。河潮土与砂姜土的有效磷随温度的变化趋势与砂壤一致，在26 ℃时磷素有效性达到最大。

由图6可知，河潮土的全磷淋失量最小，且随温度的升高，全磷淋失量逐渐减小。砂壤与砂姜土全磷淋失规律与河潮土类似。但在19 ℃时，砂姜土中的全磷淋失量下降幅度明显大于河潮土，一方面可能与砂姜土土质有关，另一方面可能是因为对照组试验时间与本次试验存在一定时间差，土壤性质发生改变，所以在改变温度条件下全磷淋失量降低的幅度较大。

图6 不同温度下土壤的全磷淋失量

2.4 生物炭与氮肥配施对土壤有效磷的影响

由图7可知，表层土壤(0—20m)中，T0～T7处理下，3种土壤的Olsen—P的变化规律相同，即T0处理下的Olsen—P含量最低。T1～T3处理下，3种土壤的Olsen—P含量随着施氮量的增加逐渐升高，T4～T6处理下，3种土壤中的Olsen—P含量均高于T1～T3处理，且随着氮肥和生物炭施加比例的增加呈现上升的趋势。相对于T0处理，T4～T6处理下，砂壤Olsen—P含量分别提高7.5%，9.8%，10.1%，河潮土分别提高11.5%，13.7%，14.7%，砂姜土分别提高14.6%，16.7%，17.7%。T7处理下的Olsen—P含量介于T1～T3和T4～T6处理。说明单独施加氮肥、单独施加生物炭与氮肥和生物碳配施均会提高土壤磷素有效性，生物炭和氮肥配施对提高土壤Olsen—P含量的效果更显著。

图7 表层土壤的Olsen-P含量变化

由图8可知，中层土壤(20—40 cm)中，3种土壤T0处理下的Olsen—P含量依然最低，且砂壤>砂姜土>河潮土。T1～T3处理下，砂壤中Olsen—P含量随氮肥施加量的增加逐渐减小，T4～T6处理下砂壤中Olsen—P含量随氮肥和生物炭施加比例的增大先升高后降低，而河潮土和砂姜土在T1～T3处理和T4～T6处理均表现出相反的变化趋势。T7处理下，砂壤、河潮土、砂姜土中Olsen—P含量分别增加5.2%，5.8%，8.5%，高于单独施加氮肥，低于生物炭和氮肥配施处理。

图8 中层土壤的Olsen-P含量变化

由图9可知，深层土壤(40—60 cm)中，T1～T3处理下3种土壤的Olsen—P随氮肥的增加先升高后降低，说明少量的氮肥促进土壤中有效磷的转化，但超过一定的阈值后则不再起作用。T4～T6处理下，3种土壤的Olsen—P含量仍然高于T1～T3处理，T7处理介于T1～T3处理和T4～T6处理之间。

图9 深层土壤的Olsen-P含量变化

2.5 生物炭和氮肥配施对土壤全磷淋失的影响

由图10可知，3种土壤中砂姜土中全磷的淋失量最大，为0.89 mg/L，砂壤和河潮土的全磷淋失量分别为0.72，0.68 mg/L。T1～T3处理下，砂壤中全磷淋失量分别为0.70，0.71，0.71 mg/L，变化不明显，河潮土全磷淋失量分别为0.63，0.62，0.61 mg/L，砂姜土全磷淋失量为0.89，0.88，0.90 mg/L，表明单独施加氮肥基本不会影响砂壤中的全磷淋失，对河潮土全磷的淋失有一定的抑制作用，但不明显，对砂姜土不仅不能抑制全磷淋失，还会增加磷素的淋失风险。T7处理下，砂壤、河潮土、砂姜土全磷淋失量分别降低8.3%，11.8%，19.1%，说明单独施加生物炭可以有效抑制土壤中全磷的淋失，且生物炭对不同土壤全磷淋失的抑制效果也不同。T4、T5、T6处理下，砂壤全磷淋失量随生物炭含量的增加分别降低9.7%，13.9%，11.1%，河潮土分别降低14.7%，16.2%，13.2%，砂姜土分别降低32.6%，31.5%，32.6%，表明生物炭和氮肥联合施用对抑制土壤磷素淋失的效果更加显著。因此，T1～T7处理下对土壤全磷淋失的抑制效果为生物炭和氮肥联合施加>单独施加生物炭>单独施加氮肥。

图10 氮肥和生物炭配施作用下土壤的全磷淋失量

3 讨 论

3.1 土壤理化性质对土壤磷有效性及全磷淋失的影响

土壤有效磷与全磷含量的变化是由土壤pH、含水率、温度等因子共同作用的结果，且各变化因子存在复杂的交互作用。有研究表明，土壤pH能够影响土壤磷元素的化学形态，是影响磷循环的主要环境因子。在低pH的酸性土壤中，磷酸盐易于被土壤中大量的Fe、Al、Mn氧化物表面吸附或被土壤中游离的铝离子沉淀，从而导致土壤磷素有效性低。在高pH的碱性或石灰性土壤中，磷酸根易与土壤中的Ca形成沉淀。在中性土壤中，土壤中的磷酸盐易于被Fe、Al、Mn的水化氧化物吸附。本试验结果表明，将土壤pH调节至偏中性时，土壤中的Olsen—P含量较高，pH偏酸性时，土壤磷素有效性较低，全磷淋失量较大。也有研究表明，温度升高降低植物磷含量，提高磷元素吸收效率，植物Olsen—P含量增加。通过增加土壤温度改变微生物生物量，刺激土壤磷酸酶活性，加速土壤磷循环，从而提高土壤Olsen—P含量。Yang等研究青藏高原冻土区高山莎草叶片对增温的响应发现，适度的增温降低叶片磷浓度，更大程度的增温增加根系磷浓度，提高磷元素吸收效率，与本文的结论基本一致。而Ren等在荒漠草地研究干、湿年份养分吸收对增温的响应发现，在湿润年份，增温显著提高土壤和植物体的磷含量；在干旱年则没有影响，说明土壤磷素有效性除温度影响外还受到土壤水分影响；何园球等的研究结果表明，红壤Olsen—P含量基本上随红壤水分含量增加而提高，这与本文研究结果相同。因此，在农作物的种植中，可以通过改变土壤条件，如在酸性土壤中施用碱度较高的有机肥，中和土壤酸碱度，增强土壤缓冲酸化的能力；升温和增加土壤水分也会促进农作物对土壤中Olsen—P的吸收，以提高土壤磷肥利用率。

3.2 生物炭和氮肥配施对土壤磷有效性及全磷淋失的影响

有研究表明，生物炭和氮肥与改善土壤肥力、提高作物产量及提高土壤磷素有效性密切相关。生物炭为植物和土壤微生物提供营养物质和能量，改善土壤结构，促进土壤磷素循环，提高土壤有效磷含量，抑制土壤磷素淋失。一方面由于生物炭中含有的元素Ca、Mg、K等溶于水中，提高土壤的盐基饱和度，从而影响土壤的酸碱度；另一方面，生物炭对磷具有明显的吸附作用，生物炭中的有机质对磷的封存减小其淋失的风险。施用氮肥也是提高作物产量的关键措施之一，然而大量施氮不仅容易造成土壤硝酸盐积累，导致土壤质量退化，还影响作物对其他元素的吸收性能。本试验中，与T0处理相比，T1～T7处理均会提高土壤中的Olsen—P含量，抑制土壤全磷淋失。但在T1～T3处理下，3种土壤的中层和深层土壤中Olsen-P含量随施氮量的增加表现为不同变化趋势，表明少量的氮肥会促进土壤中有效磷的转化，但超过一定的阈值后不再与土壤有效磷有明显的相关性，甚至会增加磷素淋失的风险。这与朱浩宇等对紫色土坡耕地磷素流失定点观察中得到的结论一致。出现这种变化的原因一方面与土壤性质有关，另一方面也可能是氮肥过量施加，导致土壤中H含量增加，从而对Olsen—P含量的增加产生削弱作用。因此，在农作物种植中，施加磷肥之后，可以采用氮肥和生物碳配施的措施来改善和提高农田土壤的磷素有效性，降低农田土壤全磷的淋失作用，从而提高农作物对磷肥的利用率。

4 结 论

(1)土壤理化性质如pH、含水率、温度等均会直接或间接影响土壤的磷素有效性和全磷淋失，且不同土壤对土壤理化性质变化的响应不同，3种土壤中，砂姜土对pH、含水率、温度的变化更为敏感。

(2)单独施加生物炭或生物炭与氮肥配施都能提高土壤磷素有效性，但生物炭与氮肥联合施用的效果更加明显。当生物炭和氮肥的比例为2∶1时，土壤Olsen—P含量最大，磷素有效性最高。生物炭与氮肥联合施加对土壤全磷淋失的抑制效果优于单独施加生物炭，氮肥对全磷淋失的抑制效果不明显。