王 瑞，仲月明，李慧敏，施衛(wèi)明，李奕林*

高投入菜地土壤磷累積、損失特征及阻控措施的研究進(jìn)展①

王 瑞1,2，仲月明1，李慧敏1,2，施衛(wèi)明1，李奕林1*

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

“大肥大水”已經(jīng)成為我國(guó)蔬菜種植體系的生產(chǎn)特征，這種生產(chǎn)方式導(dǎo)致大量磷流失到環(huán)境中，通過(guò)地表徑流和地下淋溶導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。目前菜地因其在農(nóng)田磷污染排放中的占比最高已成為種植業(yè)磷損失的優(yōu)先阻控對(duì)象。該研究在明確菜地磷賦存形態(tài)特征的基礎(chǔ)上，針對(duì)露天及設(shè)施菜地磷損失特征包括損失途徑及其影響因素，綜述目前一些減少潛在磷污染負(fù)荷的源頭管理措施、控制磷的遷移過(guò)程的生態(tài)工程措施以及末端治理，同時(shí)評(píng)價(jià)其在菜地磷污染阻控中的效果。這些研究進(jìn)展增強(qiáng)了對(duì)菜地磷循環(huán)的理解，摸清高投入生產(chǎn)系統(tǒng)磷鏈條當(dāng)中磷下游損失排放特征，為有效阻控磷肥損失、實(shí)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

磷；菜地；淋溶；徑流；阻控措施

蔬菜種植業(yè)在我國(guó)發(fā)展迅速，1978年我國(guó)蔬菜播種面積不足3.33×106hm2，人均占有量?jī)H有170 kg，到2015年蔬菜播種面積達(dá)到2.2×107hm2，人均占有量為600 kg，我國(guó)蔬菜總產(chǎn)量在近50年增加了2倍[1]。目前我國(guó)蔬菜種植體系的生產(chǎn)特征是高量施肥以及大水漫灌，這種生產(chǎn)方式導(dǎo)致大量肥料殘留在土壤當(dāng)中，土壤殘留養(yǎng)分隨灌水徑向流失或向下層土壤淋失，從而導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)加劇。2017年《第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》[2]表明農(nóng)業(yè)源污染物排放對(duì)水環(huán)境的影響較大，其中種植業(yè)總氮和總磷排放量分別為71.95萬(wàn)t和7.62萬(wàn)t，分別占我國(guó)水污染氮磷排放總量的23.66% 和24.16%。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在種植業(yè)中以菜地氮磷損失最為嚴(yán)重，以露天菜地為例，盡管其種植面積遠(yuǎn)低于糧食作物，但露天菜地氮磷徑流排放量均高于糧田，其中蔬菜氮磷排放分別占農(nóng)田總排放量的46% 和66%[3]。以往對(duì)菜地環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)研究多集中于非點(diǎn)源氮污染及重金屬污染等，目前菜地磷污染排放及阻控也受到越來(lái)越多的關(guān)注，菜地已成為農(nóng)田磷流失的優(yōu)先控制對(duì)象[4]。磷素?fù)p失途徑主要有地表徑流、土壤侵蝕和地下滲漏淋溶3種方式。一般情況下持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的小雨易產(chǎn)生滲漏流失，而短時(shí)間暴雨沖擊易產(chǎn)生地表徑流[5]。土壤侵蝕是隨著地表徑流而發(fā)生的，使土壤中積累的磷素隨水流發(fā)生遷移[6]。由于土壤膠體吸附磷素的能力有一定限度，當(dāng)磷素超過(guò)飽和吸附點(diǎn)時(shí)，由于位點(diǎn)限制土壤無(wú)法繼續(xù)吸附過(guò)量磷素，導(dǎo)致降雨和灌溉過(guò)程易產(chǎn)生磷素向下淋洗，從而造成淋溶損失[7]。菜地因其高施磷量及有機(jī)肥投入比重相對(duì)較大等導(dǎo)致土壤磷形態(tài)及轉(zhuǎn)化與糧田相比有所不同，這些差異也將進(jìn)一步影響菜地磷素?fù)p失。本文針對(duì)目前菜地體系普遍存在的磷高積累、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，綜述了高投入菜地土壤磷素累積形態(tài)特征、菜地磷素?fù)p失途徑及磷損失形態(tài)，分析菜地土壤磷損失的影響因素，并評(píng)價(jià)高投入菜地土壤磷素?fù)p失阻控措施及其效果，以期為通過(guò)阻控菜地磷損失來(lái)有效降低農(nóng)業(yè)磷面源污染提供思路及理論支撐。

1 高投入菜地土壤磷素累積形態(tài)特征

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)露天菜地的磷肥投入年均為P 117 kg/hm2，設(shè)施菜地的磷肥投入年均為P 571 kg/hm2[8]。菜地由于長(zhǎng)期高量施肥而導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變以及大量磷在土壤中富集，而這種高磷環(huán)境又將進(jìn)一步影響磷肥施入土壤后的物理化學(xué)行為。因此菜地土壤磷賦存形態(tài)以及轉(zhuǎn)化等磷庫(kù)特征也必然有別于糧田土壤，這些特性一方面直接影響蔬菜當(dāng)季磷肥吸收利用，另一方面也將直接影響磷遷移導(dǎo)致的損失排放。

土壤中磷素按照形態(tài)可分為無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷兩大類，菜地土壤耕作層土壤磷素組成中通常以無(wú)機(jī)磷形態(tài)為主[9-10](表1)。這是由于水溶態(tài)磷進(jìn)入土壤后，很容易發(fā)生化學(xué)固定或吸附固定，無(wú)機(jī)磷在土壤中移動(dòng)性較差，菜地土壤耕作層無(wú)機(jī)磷積累率通常高于有機(jī)磷[11]。黃運(yùn)湘等[12]研究發(fā)現(xiàn)，湖南省長(zhǎng)沙市菜地?zé)o機(jī)磷占全磷比例高達(dá)74.96% ～ 95.86%。當(dāng)磷肥施入土壤后很快轉(zhuǎn)化為不同化學(xué)形態(tài)的無(wú)機(jī)磷酸鹽，而不同形態(tài)磷酸鹽的有效性存在很大差異。Chang和Jackson[13]提出了土壤無(wú)機(jī)磷的分級(jí)體系，可以較清楚地區(qū)分不同化學(xué)性質(zhì)的土壤無(wú)機(jī)磷，包括鋁磷酸鹽(Al-P)、鐵磷酸鹽(Fe-P)、鈣磷酸鹽(Ca-P)、閉蓄態(tài)磷(O-P)，但此方法只適用于酸性土壤。蔣柏藩和顧益初[14]提出了石灰性土壤無(wú)機(jī)磷的分級(jí)體系，將Ca-P按其化學(xué)活性分為Ca2-P、Ca8-P和Ca10-P，其中Ca2-P有效性最高，是作物磷營(yíng)養(yǎng)的主要來(lái)源[15]。研究表明，我國(guó)南方酸性土壤以Fe-P、Al-P為主，由于受雨水淋溶作用較強(qiáng)，土壤含磷量低，有效磷含量更低；北方的石灰性土壤呈堿性，形態(tài)以Ca-P為主，同時(shí)雨量少，淋溶作用較弱，土壤磷含量較高[16]。王勁松等[17]在北方菜地土壤中也發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，設(shè)施菜地?zé)o機(jī)磷主要以Ca-P為主，隨著種植年限的增加顯著提高了土壤中Ca2-P、Ca8-P和Al-P占無(wú)機(jī)磷總量的比例；經(jīng)過(guò)15 a的種植，Ca8-P占無(wú)機(jī)磷的比例達(dá)到50%，Ca2-P占無(wú)機(jī)磷的比例提高到8% 左右，之后趨于穩(wěn)定。

土壤中有機(jī)磷占全磷的比例變幅較大，在高有機(jī)質(zhì)土壤中甚至高達(dá)90%[18]。菜地有機(jī)肥的投入量極高，尤其是在有機(jī)蔬菜種植體系中。據(jù)統(tǒng)計(jì)南京有機(jī)蔬菜種植體系每年糞肥投入大約為2 000 ～ 20 000 kg/hm2[19]，這就意味著菜地土壤有機(jī)磷含量要比我們想象中高得多。設(shè)施菜地有機(jī)磷含量約占全磷的16.5% ～ 29.8%，露天菜地有機(jī)磷占比略低于設(shè)施菜地，平均為14.6%(表1)。這種差異可能是由于設(shè)施菜地土壤常處于碳源匱乏狀態(tài)而影響微生物生理活性，并且隨著種植年限增長(zhǎng)，設(shè)施菜地土壤微生物區(qū)系發(fā)生紊亂，因而導(dǎo)致有機(jī)磷礦化速率較低而積累量高[20]。有機(jī)磷以正磷酸酯形式存在于土壤中，分為活性、中度活性、中度穩(wěn)定、高度穩(wěn)定4個(gè)組分[21]。黃運(yùn)湘等[22]以湖南省3種典型的菜園土(第四紀(jì)紅土發(fā)育的紅菜園土、河流沉積物發(fā)育的沖積菜園土、洞庭湖湖積物發(fā)育的潮菜園土)為研究對(duì)象，結(jié)果表明，3種母質(zhì)類型發(fā)育的菜園土有機(jī)磷組分均以中活性有機(jī)磷含量最高，占土壤有機(jī)磷總量的50% ～ 70%，中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷分別占有機(jī)磷總量的20% ～ 30% 和10% ～ 15%，活性有機(jī)磷含量最低。楊艷菊等[23]在陜西栗鈣土也發(fā)現(xiàn)同樣的現(xiàn)象，中活性有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷是栗褐土有機(jī)磷的主體，約占有機(jī)磷總量的70%，活性有機(jī)磷所占的比例較小。

無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷可以吸附在土壤膠體上形成膠體磷。研究表明，菜地膠體磷含量為12.3 mg/kg，是茶園和稻田的1.23倍和5.06倍，占土壤全磷含量的1.75%[24]。膠體態(tài)磷的移動(dòng)性顯著大于顆粒態(tài)磷和真溶態(tài)磷，是磷素從土壤向河流、湖泊等地表水體運(yùn)移的重要形式之一[25]。并且有研究表明，在河流水域中，大部分磷素與釋放到河流中的土壤膠體有關(guān)[26-27]。因此菜地膠體磷的運(yùn)移在今后磷損失阻控中應(yīng)受到進(jìn)一步的關(guān)注。

表1 不同土壤類型菜地?zé)o機(jī)磷和有機(jī)磷含量

2 高投入菜地土壤磷素?fù)p失途徑及形態(tài)

2.1 高投入菜地土壤磷素?fù)p失途徑

蔬菜生產(chǎn)體系不同于糧食作物，蔬菜生產(chǎn)又分為設(shè)施和露天種植。設(shè)施菜地屬于封閉式體系，而露天菜地相當(dāng)于開(kāi)放式體系，受外界環(huán)境的影響更大。明確這兩種不同體系的土壤磷損失途徑及特征對(duì)于有針對(duì)性地削減我國(guó)菜地磷面源污染至關(guān)重要。

淋溶損失主要由于降水和灌溉的作用，使農(nóng)田土壤表層未被植物吸收的氮磷養(yǎng)分隨水分向下層土壤運(yùn)移，使植物根系難以接觸吸收，是土壤養(yǎng)分的主要損失方式之一，也是造成地下水污染的重要原因之一[28-29]。設(shè)施菜地磷肥年均施肥量為P 571 kg/hm2，是露天菜地的4.8倍；過(guò)量的磷肥投入導(dǎo)致有效磷的大量累積。0 ～ 20 cm表層土壤Olsen-P平均含量，設(shè)施菜地為P 179 mg/kg，露天菜地為P 100 mg/kg[8]。土壤磷素的淋溶受土壤磷水平的影響較大，由此可見(jiàn)，設(shè)施菜地較露天菜地更易發(fā)生磷素淋溶損失。設(shè)施菜地在傳統(tǒng)“大水大肥”施肥灌溉模式下磷素淋溶風(fēng)險(xiǎn)極大。研究表明，西紅柿–甜瓜輪作周年磷素淋失量可達(dá)P 4.91 kg/hm2[30]。露天菜地作為一個(gè)開(kāi)放式種植體系受外界降雨等環(huán)境因素影響較大，更易發(fā)生地表徑流。胡志平等[31]通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)上海菜園灰潮土徑流中侵蝕泥沙的磷流失情況發(fā)現(xiàn)，當(dāng)季徑流磷損失量為P 8.08 kg/hm2，其中侵蝕泥沙為P 7.85 kg/hm2，并且流失的磷素中有26.9% 來(lái)自當(dāng)季施用的化肥磷。露天菜地耕層土壤中磷素養(yǎng)分也存在一定的淋失風(fēng)險(xiǎn)。廣東佛山露天菜地在常規(guī)施肥水平下，表層土壤總磷淋溶平均質(zhì)量濃度為10 mg/L；隨土層深度增加，淋溶濃度呈先上升后下降趨勢(shì)，20 cm深度總磷淋溶濃度最高為12.7 mg/L[32]。雖然目前的研究還難以明確量化地表徑流和淋溶導(dǎo)致的磷流失在露天菜地和設(shè)施菜地的貢獻(xiàn)率，但研究表明，菜地磷的淋溶損失小于徑流損失。例如湖南菜地磷素徑流流失率在2.23% ～ 3.24%，而磷素淋失率不超過(guò)0.1%[33]。

2.2 高投入菜地土壤磷素?fù)p失形態(tài)

一般認(rèn)為磷素的遷移轉(zhuǎn)化存在于穩(wěn)定的固相和可移動(dòng)的水相。目前的研究將磷流失的形態(tài)分為顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷，以粒徑0.45 μm作為界限區(qū)分這兩種形態(tài)的磷。楊麗霞等[34]通過(guò)研究太湖流域菜地磷素徑流流失特征發(fā)現(xiàn)，土壤磷素徑流的主要形態(tài)是顆粒態(tài)磷，占總磷含量的68% ～ 80%。溶解態(tài)磷是設(shè)施菜地淋溶損失的主要形態(tài)，并且隨耕層深度呈先升高再下降的趨勢(shì)，其中以20 cm耕層中溶解態(tài)磷的淋溶液濃度最高(11.8 mg/L)[35]，遠(yuǎn)超水體富營(yíng)養(yǎng)化的磷素臨界值(0.05 mg/L)[36]。然而，膠體作為第三相，也是地表徑流和土壤溶液中磷遷移的形態(tài)之一。但在實(shí)際研究中，由于測(cè)定方法和條件的限制，對(duì)于膠體磷取樣和檢測(cè)方法缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。陳丁等[37]研究表明，水體中膠體磷(粒徑范圍在10 kDa ～ 0.2 μm)能夠向活性磷和真溶態(tài)磷(小于10 kDa)轉(zhuǎn)化，和顆粒態(tài)磷一樣屬于潛在生物可利用磷。膠體磷在湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽循環(huán)中可能起著重要作用。孫小靜等[38]首次報(bào)道了太湖水體膠體磷(1 kDa ～ 1 μm)含量范圍在0.017 ～ 0.029 mg/L，占總磷 20.8% ～ 44.8%；真溶態(tài)磷(≤1 kDa)含量為0.001 ～ 0.032 mg/L。研究表明，在浙江省稻田土壤中，膠體磷的流失量為0.003 ～ 0.079 kg/hm2，占總磷流失量的7.32% ～ 10.8%，膠體磷的流失量隨施磷量的增加而增加[39]。雖然不同研究報(bào)道的膠體磷流失量及流失占比之間存在較大差異，但膠體磷是磷向地表和地下水體遷移過(guò)程中不可忽視的一個(gè)重要磷組分，菜地作為高磷投入種植體系，研究菜地土壤膠體磷的有效管控對(duì)于流域水體富營(yíng)養(yǎng)化控制至關(guān)重要。

3 高投入菜地土壤磷損失影響因素

筆者最新研究發(fā)現(xiàn)[3]，菜地氮素徑流損失的主控因素是徑流量，而磷肥投入量則是磷徑流損失的主要影響因素，同時(shí)土壤磷庫(kù)中的Olsen-P對(duì)其也有較大的影響。菜地土壤磷素?fù)p失還因磷源種類、種植模式、種植年限、生長(zhǎng)季節(jié)、蔬菜種類、土壤類型等不同，存在較大差異。

3.1 磷源種類及用量

許多研究表明，當(dāng)季施肥量是影響磷流失的重要因素。當(dāng)季施用化肥的地表徑流總磷流失量為P 5.5 ～ 8.1 kg/hm2，隨徑流排出菜地的磷素中有20% ～ 26.9% 是當(dāng)季施用的化肥磷素，且磷的流失量隨施肥量增大而增加[40]。但也有研究表明，磷的流失負(fù)荷并不會(huì)隨施肥量的增加而增加。謝真越等[41]在常規(guī)施肥的基礎(chǔ)上分別減少20% 和30%，結(jié)果表明，常規(guī)施肥、減肥20% 和減肥30% 施肥處理在監(jiān)測(cè)期內(nèi)的總磷累積流失負(fù)荷分別為P 1.7、2.4和2.9 kg/hm2。可能是因?yàn)樵谳^短的監(jiān)測(cè)期內(nèi)，施肥不是影響菜地徑流中磷素流失的主要因子，長(zhǎng)期施肥才是造成菜地徑流中磷素流失加劇的根本原因[42]。

有機(jī)肥磷和無(wú)機(jī)肥磷對(duì)菜地磷素流失的影響不同。謝國(guó)雄等[43]通過(guò)土柱培養(yǎng)試驗(yàn)研究杭州市菜地磷的淋溶發(fā)現(xiàn)，淋出液中磷濃度及磷的淋失量隨化肥和有機(jī)肥用量的增加而增加，但有機(jī)肥處理的總磷濃度明顯高于化肥處理，可能與有機(jī)磷比無(wú)機(jī)磷難固定且易發(fā)生垂直遷移有關(guān)。相對(duì)于無(wú)機(jī)肥和復(fù)合肥，有機(jī)物料釋放的有機(jī)酸會(huì)和正磷酸鹽競(jìng)爭(zhēng)土壤鐵、鋁化合物的位點(diǎn)，減弱了土壤對(duì)磷的吸附[44]。研究表明，動(dòng)物糞肥中有機(jī)磷的含量占全磷的10% ～ 80%，當(dāng)其施用于田間時(shí)，正磷酸鹽和低分子量有機(jī)磷(肌醇)更易溶解而發(fā)生淋溶損失[45]。但也有研究表明，菜地施用有機(jī)肥不會(huì)增加菜地磷的損失。孫倩倩等[46]在紫色土上單施化肥以及增施有機(jī)肥(泥炭或菜籽粕)后發(fā)現(xiàn)，泥炭和菜籽粕處理的菜地土壤Olsen-P的含量分別為P 61.3和55.5 mg/kg，均低于菜園土壤磷素淋溶臨界值(P 76.2 mg/kg)，在大幅增產(chǎn)的基礎(chǔ)上也不會(huì)增加磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。這是由于土壤磷與有機(jī)質(zhì)中功能團(tuán)如羥基等發(fā)生鰲合作用，降低了磷在土壤溶液中的遷移能力[47]。有機(jī)肥對(duì)菜地磷淋失正面與負(fù)面影響的差異可能主要在于有機(jī)肥的種類和土壤類型的不同。不同磷肥品種對(duì)菜地磷損失的影響也存在很大差異。莊遠(yuǎn)紅等[48]通過(guò)土柱淋溶模擬試驗(yàn)研究不同磷肥種類施用對(duì)磷素淋失的影響，研究表明，在福建省酸性菜園土中，磷銨和過(guò)磷酸鈣這兩種水溶性磷肥導(dǎo)致菜地磷的淋失量最大，總磷的累積損失量分別為2.02 mg和1.81 mg，且施用鈣鎂磷肥不僅可以減少磷素淋失，還可以改良土壤pH，提供蔬菜生長(zhǎng)所需的鈣、鎂營(yíng)養(yǎng)。

3.2 種植模式

不同種植模式下，磷素流失量差異較大。相對(duì)于板栗園和竹園，太湖流域菜地磷的損失量最高，年均流失量為P 2.79 kg/hm2，是板栗園和竹園的4.23倍和9.96倍[49]。這是由于板栗和竹園相對(duì)于菜地來(lái)說(shuō)人為擾動(dòng)少，地表凋落物豐富，表土層的有機(jī)質(zhì)積累較多，有利于雨水下滲同時(shí)降低地表徑流的流速[50]，因而侵蝕量和徑流量都低于菜地，所以磷的流失量也少；另一方面，板栗園和竹園的磷肥年施用量低，分別為菜地磷肥年施用量的28.5% 和0.84%[49]，相對(duì)于其他種植模式，蔬菜單作的磷損失量最大。朱曉瑞等[51]通過(guò)對(duì)不同種植模式下菜地土壤磷淋溶監(jiān)測(cè)的研究結(jié)果表明，茄子單作下土壤磷淋溶損失量是茄子/白菜間作的1.7倍。

3.3 種植年限

大量研究表明，種植年限越長(zhǎng)，土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)越大。研究表明，長(zhǎng)沙市超過(guò)30 a的菜地(Olsen-P平均為P 224.96 mg/kg)和種植年限為15 a的菜地(Olsen-P平均為P 146.93 mg/kg)均存在高強(qiáng)度磷淋失風(fēng)險(xiǎn)，磷淋失風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)分別為3和2.93；種植年限為1 ～ 2 a新墾菜地磷淋失風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.06，基本不存在淋失風(fēng)險(xiǎn)[52]。造成這種現(xiàn)象的原因可能是：①隨著種植年限的延長(zhǎng)，菜地磷含量累加效應(yīng)明顯，磷素淋洗風(fēng)險(xiǎn)隨種植年限增加而增強(qiáng)[20]。②隨蔬菜種植年限的延長(zhǎng)，表層土壤磷最大吸附量和磷最大緩沖容量明顯降低，而土壤磷吸附飽和度和解吸率明顯提高。如種植年限15 ～ 20 a、25 ～ 30 a菜地土壤磷的解吸率明顯高于3 ～ 5 a土壤[53]。因此，蔬菜種植年限越長(zhǎng)，土壤磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)越高。

3.4 生長(zhǎng)季節(jié)

研究表明，在不考慮濕沉降和徑流泥沙的情況下，種植季露天菜地磷素流失總量整體呈夏秋季高于冬春季，夏秋季磷素流失量為P 7.32 kg/hm2，磷素流失比例高達(dá)1.31%[54]。高超等[49]通過(guò)連續(xù)3 a觀測(cè)太湖流域菜地土磷徑流發(fā)現(xiàn)，菜地磷徑流損失主要集中在6—8月降雨集中分布的梅雨和臺(tái)風(fēng)季節(jié)期間，菜地平均地表徑流深度為79.9 mm，占全年的57.8%；11月均沒(méi)有發(fā)生徑流事件，1月、2月和10月的徑流量也很小。姜佳燕等[55]也發(fā)現(xiàn)，不同土壤類型，旱地、林地、水田的磷素流失的季節(jié)性變化均表現(xiàn)為地表徑流中總磷和溶解態(tài)磷濃度：夏季>秋季>春季>冬季，總的來(lái)說(shuō)，夏秋季是土壤磷素流失最高的季節(jié)。菜地磷素淋失除了受降雨的影響，還受到施肥等農(nóng)事活動(dòng)的影響，若施肥之后立即有降雨發(fā)生，也會(huì)導(dǎo)致磷的大量流失。設(shè)施菜地磷排放污染也是主要集中在6—9月的雨季，污染負(fù)荷占全年總量的90%，但設(shè)施菜地因有大棚覆蓋，阻擋了雨水對(duì)土壤的直接沖刷，因此設(shè)施菜地的磷流失量低于露天菜地[56]。因此，在降雨較為集中的季節(jié)應(yīng)特別注意減少和避免那些會(huì)加劇土壤侵蝕和磷流失的農(nóng)事活動(dòng)。

3.5 蔬菜種類

菜地磷損失因種植蔬菜種類不同存在顯著差異。研究表明，太湖流域果菜(茄子)磷損失量高于葉菜(青菜)，果菜每季磷徑流量P 3.21 kg/hm2，是葉菜類的9.7倍[57]。湯宏等[58]研究洞庭湖不同蔬菜類型對(duì)菜地磷徑流的研究發(fā)現(xiàn)，茄子地磷的損失顯著高于白菜地和甘藍(lán)地，其磷損失量是白菜地和甘藍(lán)地的3倍以上。目前設(shè)施蔬菜磷肥施用量普遍高于露天蔬菜：我國(guó)設(shè)施黃瓜肥料磷年均用量(416.9 kg/hm2)>設(shè)施番茄(347.4 kg/hm2)>設(shè)施茄子(281.2 kg/hm2)>設(shè)施辣椒(224.2 kg/hm2)；露天辣椒、白菜、大白菜和甘藍(lán)磷肥年均用量分別為P 165.8、140.3、150.1和111.4 kg/hm2[59]。導(dǎo)致這種顯著的磷損失差異的主要原因是蔬菜種類間磷肥用量差異很大，磷素?cái)y出量也不同導(dǎo)致土壤中磷素盈余量不同，因此磷損失風(fēng)險(xiǎn)存在差異。除此之外，菜地磷損失還與蔬菜的生長(zhǎng)季節(jié)有關(guān)，在我國(guó)，瓜果類蔬菜多種植于夏秋季，磷肥施用量高并且雨水較為集中，因此瓜果類蔬菜磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)最大[3]。

3.6 土壤類型

目前許多研究發(fā)現(xiàn)土壤Olsen-P含量與CaCl2-P含量線性關(guān)系存在一個(gè)明顯的“突變點(diǎn)”，并以此臨界值表征土壤磷素流失潛能的閾值及其流失的潛力[60]。研究表明，不同土壤類型磷素環(huán)境閾值存在很大差異，主要是由土壤性質(zhì)影響磷的吸附解吸能力造成的[61]。鐘曉英等[62]對(duì)我國(guó)23個(gè)土壤磷素淋失的臨界值進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，受土壤性質(zhì)的影響，土壤磷素發(fā)生淋失臨界值差異很大，臨界值Olsen-P在P 30.0 ～ 156.8 mg/kg。不同質(zhì)地的菜地土壤，環(huán)境磷素淋失的閾值不同，與土壤黏粒含量呈正相關(guān)。王榮萍等[63]研究了廣東省不同質(zhì)地菜地土壤磷素流失潛能，結(jié)果表明，壤質(zhì)黏土、黏壤土、砂質(zhì)黏壤土和砂質(zhì)壤土的磷素?fù)p失臨界值分別為79.74、51.08、43.99和8.63 mg/kg，即壤質(zhì)黏土的磷淋失風(fēng)險(xiǎn)最小，砂質(zhì)壤土的淋失風(fēng)險(xiǎn)最大。在滇池流域大棚種植模式下，滲漏總磷流失濃度的大小順序?yàn)椋荷百|(zhì)黏土(3.94 mg/L)>壤質(zhì)黏土(2.43 mg/L)>黏壤土(1.35 mg/L)>粉砂質(zhì)壤土(0.39 mg/L)，表明土壤黏粒含量越高，粉粒含量越低，總磷淋溶濃度越高[64]。研究表明，土壤pH影響徑流液pH，土壤pH越低則土壤中游離態(tài)離子含量越高，尤其是陰離子；陰離子不易被土壤吸附，極易受到降雨沖洗而從表層土壤流失，或產(chǎn)生徑流或滲漏到地下[65]。PO3– 4是地表徑流中溶解態(tài)磷的主要組成部分[66]，因此徑流中磷濃度與土壤性質(zhì)也有較大關(guān)系。

4 高投入菜地土壤磷素?fù)p失阻控措施及效果

4.1 源頭阻控

4.1.1 優(yōu)化施肥 由上述可知，磷肥的當(dāng)季施用量對(duì)菜地磷徑流的影響最大，這就意味著減少磷肥投入可以直接有效地減少菜地磷的損失(圖1)。研究表明，茄子-豆角輪作模式中，在農(nóng)戶常規(guī)施磷肥的基礎(chǔ)上減施30% 可以有效地減少淋溶液中總磷質(zhì)量濃度，較常規(guī)處理降低45.4%，同時(shí)保證蔬菜不減產(chǎn)[67]。在華北平原，種植3 a以上的設(shè)施菜地，較農(nóng)民常規(guī)減施磷肥60%，可以顯著改善磷素盈余，降低土壤磷素深層遷移量，并保證蔬菜產(chǎn)量處于中高產(chǎn)水平[68]。在河北栗鈣土中，土豆生育期內(nèi)，較常規(guī)施肥減量25% 處理對(duì)磷素徑流損失的削減效果最為明顯，與常規(guī)施肥相比，可顯著降低磷素徑流損失量59.64%[69]。由此可見(jiàn)，蔬菜生產(chǎn)減磷潛力較大。

由于菜地土壤中磷的盈余量大，通過(guò)一些措施使蔬菜能夠高效地利用土壤殘留磷，則可以減少磷肥投入，并減少磷從土壤向水體的轉(zhuǎn)移[70](圖1)。由于大多數(shù)殘留的磷不能被蔬菜直接吸收利用，因此可以考慮添加土壤磷素活化劑，如微生物肥料(溶磷微生物和磷酸酶)和有機(jī)物料(有機(jī)肥、生物質(zhì)炭等)。研究表明，施用溶磷微生物能夠?qū)⑼寥乐须y溶性磷轉(zhuǎn)化為可溶形態(tài)(可被植物吸收利用)，是一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的提高蔬菜磷吸收利用的措施[71]。南方菜地田間試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，施用微生物有機(jī)肥(雞糞+鐵還原菌微生物)不僅提高了小白菜的產(chǎn)量，而且活化了土壤中的磷，同時(shí)降低穩(wěn)定態(tài)磷的含量，提高活性磷和中等活性磷(NaOH提取態(tài)磷)的含量[72]。魏曉蘭等[73]以安徽黃褐土種植小白菜，在減少常規(guī)施肥用量的15% ～ 25%的條件下，配施生物有機(jī)肥(含功能菌≥2億個(gè)/g，有機(jī)質(zhì)≥60%)，對(duì)小白菜的生物量、氮磷鉀吸收量均不產(chǎn)生不利影響，可以活化土壤中的氮磷鉀，提高肥料利用率，并且可減少農(nóng)業(yè)面源污染和環(huán)境污染壓力。研究表明，菜地秸稈還田配合優(yōu)化氮肥處理可以有效地促進(jìn)土壤磷的轉(zhuǎn)化，同時(shí)減少磷淋溶損失[74]。生物質(zhì)炭可以提高土壤陽(yáng)離子交換能力，增強(qiáng)土壤保水保肥的能力[75]。在蘇州設(shè)施菜地中添加竹炭，與對(duì)照相比，竹炭處理下蔬菜產(chǎn)量顯著增加21.5%，溝渠水總磷平均濃度顯著下降48.3%[76]。

圖1 菜地土壤磷素源頭阻控和生態(tài)工程阻控措施

除此之外，施肥模式也顯著影響菜地磷損失量(圖1)。黃東風(fēng)等[77]采用模擬土柱試驗(yàn)方法，研究不同施肥模式(化肥基施，化肥基施、追施各半，有機(jī)無(wú)機(jī)各半配施，有機(jī)肥基施，不施等)對(duì)灰黃泥菜園土隨滲漏水淋溶損失的影響，有機(jī)無(wú)機(jī)配施的施肥模式磷損失量最小，淋失量為0.17 kg/hm2；化肥基追各半的施肥模式明顯增加了模擬土柱滲漏水的水溶性磷淋失量，磷損失量為0.23 kg/hm2。因此在該地區(qū)的蔬菜生產(chǎn)中應(yīng)采取有機(jī)無(wú)機(jī)配施的模式，避免使用化肥基追各半的模式。

4.1.2 保護(hù)性耕作 保護(hù)性耕作，如秸稈覆蓋等措施，可以明顯減緩水土流失，增加雨水入滲作用[78-79]。有研究表明，秸稈覆蓋加免耕可以顯著地減少?gòu)搅?，與秸稈覆蓋單一措施相比，免耕使土壤結(jié)構(gòu)和孔隙都保持良好，因而水分入滲性能好，徑流量也相應(yīng)減少[80](圖1)。青花秸稈覆蓋、地膜覆蓋、未覆蓋對(duì)農(nóng)田徑流中總磷流失量的削減與裸地差異顯著，與未覆蓋及裸地相比，青花秸稈覆蓋分別削減總磷損失35.5% 和70.8%[81]。

4.1.3 優(yōu)化種植結(jié)構(gòu) 當(dāng)前種植業(yè)結(jié)構(gòu)中糧食作物比例下降，而蔬菜瓜果類等經(jīng)濟(jì)作物的播種面積大幅度增長(zhǎng)和復(fù)種指數(shù)的提高，是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染物排放量增加的重要原因[82]。合理的間套作模式可以有效地減少農(nóng)田磷徑流損失(圖1)。研究表明，在云南省砂質(zhì)紅壤農(nóng)田中，菜–菜(油毛菜–西葫蘆)輪作模式地表徑流總磷流失量最高(P 0.54 kg/hm2)，是玉米‖白菜–豌豆間作和玉米‖青花–馬鈴薯間作這兩種間套作模式的13.5倍和17倍，其中玉米‖青花–馬鈴薯間套作模式削減農(nóng)田地表徑流總磷流失的效果最好[83]。湛方棟等[84]對(duì)滇池流域蔬菜(豌豆、西葫蘆)單作與玉米套作蔬菜兩種種植模式下地表徑流特征的研究結(jié)果表明，豌豆和西葫蘆單作種植模式下地表徑流總磷流失量分別為P 0.26和0.19 kg/hm2，與單作種植模式相比，玉米/豌豆和玉米/西葫蘆套作種植模式顯著減少地表徑流總磷的流失，其削減量分別為46.4% 和44.4%。合理的種植模式能有效減少地表徑流產(chǎn)生和流失，主要原因是：①玉米和蔬菜間作模式保證了在蔬菜收獲后仍有玉米地上部分覆蓋地表，從而遮擋降雨，削弱雨滴對(duì)地面的濺擊，起到了減少?gòu)搅鞯淖饔肹85]。②合理的間套作能夠提高作物對(duì)養(yǎng)分的利用率，增強(qiáng)作物根系對(duì)土壤的固持作用[86]。

4.2 生態(tài)工程

4.2.1 植物過(guò)濾帶 植物過(guò)濾帶是控制非點(diǎn)源污染的“最佳管理措施”之一，在歐美等國(guó)家得到了較多的研究和應(yīng)用[87](圖1)。植被過(guò)濾帶是位于污染源和水體之間的帶狀植被區(qū)域，可以使地表徑流中的污染物通過(guò)植物吸收，土壤吸附達(dá)到對(duì)污染物的降解及轉(zhuǎn)化、固定，從而減少對(duì)水體的污染[88]。李偉等[89]以狗牙根作為過(guò)濾帶攔截植物，1.5 m的過(guò)濾帶寬度對(duì)菜地排水中總磷的去除效果為85.9%。植物過(guò)濾帶(香根草生物籬)可以有效地減少辣椒地的地表徑流量，在自然降水情況下香根草生物籬種植小區(qū)(總產(chǎn)流量446.5 t/hm2)比對(duì)照的(總產(chǎn)流量768.0 t/hm2)徑流量降低了41.9%[90]。植物過(guò)濾帶是一項(xiàng)有效減少面源污染的措施，但植物過(guò)濾帶需要相對(duì)較大的空間，水力停留時(shí)間短，更適用于面源污染較為嚴(yán)重的地區(qū)[91]。

4.2.2 生態(tài)溝渠 生態(tài)溝渠是通過(guò)對(duì)自然排水溝渠進(jìn)行生態(tài)改造以及功能強(qiáng)化，如在溝渠內(nèi)種植水生植物，利用生物、化學(xué)以及物理手段對(duì)農(nóng)田排水中的磷污染物進(jìn)行吸附、降解，從而降低進(jìn)入下游水體中的磷污染物濃度[92-94](圖1)。種植植物的溝渠比無(wú)植物的溝渠對(duì)磷的攔截吸收更為顯著。單立楠等[95]對(duì)比了普通排水溝渠與生態(tài)溝渠對(duì)菜地磷徑流的攔截效果后發(fā)現(xiàn)，2012年強(qiáng)降雨5 d內(nèi)生態(tài)溝渠對(duì)總磷的累計(jì)去除率達(dá)到了80% 以上，為普通排水溝渠同時(shí)段累計(jì)去除率的2倍以上。主要是因?yàn)樯鷳B(tài)溝渠延長(zhǎng)了水力停留時(shí)間，從而促進(jìn)農(nóng)田排水中顆粒態(tài)磷及吸附態(tài)磷的重力沉降和攔截沉降，同時(shí)溝渠內(nèi)的植物通過(guò)吸收水體中溶解態(tài)磷，使得生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)田排水中的磷污染物得以充分去除[96]。

4.3 末端治理

蔬菜種植模式常采用輪作方式，在菜地休閑期種植填閑作物可吸收土壤殘留磷，并降低磷素?fù)p失。珠三角地區(qū)設(shè)施菜地休閑期種植短生育期玉米有效降低設(shè)施菜地土壤總磷濃度，阻控效率達(dá)到31.0% ～ 64.7%；同時(shí)填閑玉米種植不會(huì)過(guò)度消耗耕作層中的土壤養(yǎng)分，對(duì)下茬芥菜產(chǎn)量無(wú)顯著影響[97]。研究表明，蔬菜–水稻輪作模式(菜–稻模式)可以充分利用蔬菜和水稻在磷養(yǎng)分吸收強(qiáng)度上的生理差異，有效協(xié)調(diào)蔬菜持續(xù)高產(chǎn)與環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)控制之間的矛盾[98]。菜–菜–稻輪作淋溶液中總磷平均濃度只有菜–菜連作的42.6%，菜–菜–稻輪作可以大幅度降低農(nóng)田土壤滲漏水總磷濃度，起到了減少磷淋失的作用[99]。菜地面源污染的末端治理除了采用填閑作物進(jìn)行末端土壤磷素消耗等措施外，還包括末端污染水的治理。通過(guò)加強(qiáng)菜地灌溉排水的優(yōu)化管理，并在污水流入河道前采取一些工程措施，如建立暴雨蓄積池或穩(wěn)定塘，從而最大程度地減少?gòu)搅魑廴舅魅牒拥?，是控制面源污染的關(guān)鍵措施之一[100]。

5 研究展望

隨著種植結(jié)構(gòu)的改變，糧田種植體系已不再是農(nóng)田磷流失的最大來(lái)源，菜地來(lái)源的磷流失成為了目前種植業(yè)磷流失的優(yōu)先控制對(duì)象。種植年限較長(zhǎng)的老菜地，以及瓜果類蔬菜地在夏秋季的施肥管理也將成為降低菜地磷面源污染的主要控制對(duì)象。盡管菜地磷環(huán)境損失因其局部強(qiáng)度更高、總體損失量更大使其阻控方面研究需求變得更為迫在眉睫，但現(xiàn)實(shí)是當(dāng)前對(duì)于農(nóng)田磷環(huán)境損失阻控的研究仍是以糧田磷損失特征及阻控放于優(yōu)先位置。結(jié)合菜地磷累積及損失特征，本文提出今后菜地磷損失阻控研究的幾個(gè)重點(diǎn)方向：

5.1 合理利用土壤累積態(tài)磷

高投入菜地由于長(zhǎng)期高量施磷肥導(dǎo)致菜地磷盈余量高，且土壤中殘留的磷多以Fe-P、Al-P和Ca-P等形態(tài)累積在土壤中。因此可以通過(guò)挖掘蔬菜高效利用磷資源生物學(xué)潛力，如通過(guò)育種手段培育蔬菜磷高效利用的品種，從而充分利用土壤累積態(tài)磷資源。有研究表明，在畜禽糞便堆肥過(guò)程中添加磷素鈍化劑，如以化學(xué)沉淀為主的化學(xué)鈍化劑或以物理吸附為主的物理鈍化劑，有效降低有機(jī)肥中磷素的活性，從而降低有機(jī)肥投入帶來(lái)的累積磷造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[101]。因此，在今后的菜地磷素管理過(guò)程中，除直接投入添加鈍化劑的肥料，可以考慮在蔬菜休閑期添加磷素鈍化劑，將磷素固定在土壤中；在蔬菜種植期增施磷素活化劑活化土壤中被固定的磷素，研發(fā)磷素管理的新技術(shù)，以期達(dá)到在現(xiàn)有磷肥減量基礎(chǔ)上進(jìn)一步源頭減施的目的。

5.2 在磷損失阻控中應(yīng)充分考慮菜地磷流失形態(tài)特征

以往對(duì)農(nóng)田磷素流失的研究只把關(guān)注點(diǎn)放在了顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷上，這種分類方法忽略了粒徑位于1 nm ～ 1 μm之間的膠體磷。膠體作為除固相及液相外的第三相，是向地表和地下水體遷移過(guò)程中不可忽視的一個(gè)重要磷組分。膠體磷作為一種潛在生物可利用磷在湖泊或海洋水體富營(yíng)養(yǎng)化研究中受到較多的關(guān)注，但對(duì)于農(nóng)田磷排放研究相對(duì)較少。盡管隨著目前測(cè)定技術(shù)不斷革新，如錯(cuò)流超濾、核磁共振、X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)光譜等技術(shù)在膠體磷形態(tài)及流失機(jī)制研究中的應(yīng)用讓我們對(duì)其在磷面源污染中的重要性有了更新的認(rèn)識(shí)，但由于膠體磷的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性(有機(jī)、無(wú)機(jī)膠體以及有機(jī)–無(wú)機(jī)復(fù)合物膠體)以及菜地等農(nóng)田土壤中存在的空間異質(zhì)性加之目前現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)的局限性，均給目前膠體磷引起的面源污染防控技術(shù)研究帶來(lái)重重困難。目前首先應(yīng)該建立統(tǒng)一的取樣及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從而明確不同形態(tài)磷，尤其是膠體磷對(duì)菜地磷素?fù)p失的貢獻(xiàn)。同時(shí)針對(duì)不同損失形態(tài)的磷應(yīng)建立不同的損失阻控措施，從多途徑阻控磷素進(jìn)入水體。

5.3 磷損失阻控技術(shù)集成

對(duì)于菜地磷阻控措施研究還比較單一，多以減施磷肥的手段達(dá)到阻控目的，生態(tài)工程等措施在菜地的推廣應(yīng)用相對(duì)較少。目前已有研究將一些技術(shù)集成用于阻控菜地氮徑流損失，通過(guò)合理施用肥料、將傳統(tǒng)的菜–菜輪作改為菜–豆輪作，同時(shí)匹配蔬菜種植區(qū)域建立生態(tài)溝渠和濕地稻田的組合，蔬菜生產(chǎn)的年度氮徑流減少了73%，技術(shù)集成的阻控率高于單一措施(23% ～ 62%)[102]。因此今后將多個(gè)技術(shù)集成可能是菜地磷污染高效減排的新趨勢(shì)。

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Research Progresses on Characteristics of Phosphorus Accumulation and Loss, as well as Loss Control Measures in High Input Vegetable Fields

WANG Rui1,2, ZHONG Yueming1, LI Huimin1,2, SHI Weiming1, LI Yilin1*

(1State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The significant features of the current vegetable production system are massive phosphate fertilizer application and flood irrigation, which causes a large amount of phosphorus (P) into the environment, further, causing water eutrophication through surface runoff and leaching. At present, vegetable fields have become the priority objects of prevention and control of P loss in the planting industry because of the highest proportion of P pollution emissions from vegetable fields. The study was to clarify P morphology features in vegetable fields, distinguish P loss ways and the influencing factors in open and greenhouse vegetable fields, summarize some current source management measures to reduce potential P pollution load, process monitoring measures to P loss by ecological engineering, as well as end of pipe control and evaluate the effects of these measures on preventing and controlling P losses in vegetable fields. These research advances have strengthened the understanding of P cycle in vegetable fields, clarified the characteristics of P loss and emission in the downstream of P chain in high input production systems, and provided theoretical references for effectively preventing P loss and achieving green and sustainable development of the vegetable industry.

Phosphorus; Vegetable field; Leaching; Runoff; Prevent and control measures

X522；S157.2

A

10.13758/j.cnki.tr.2021.06.003

王瑞, 仲月明, 李慧敏, 等. 高投入菜地土壤磷累積、損失特征及阻控措施的研究進(jìn)展. 土壤, 2021, 53(6): 1115–1124.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0200208)資助。

通訊作者(ylli@issas.ac.cn)

王瑞(1993—)，女，山東棗莊人，博士研究生，主要從事蔬菜磷素高效利用生理機(jī)制及菜地磷面源污染研究。E-mail: rwang@issas.ac.cn