农业磷素流失途径及控制方法研究进展

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ农业磷素流失途径及控制方法研究进展王道涵，梁成华沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳110161摘要：综合评述了农业磷素面源污染产生的原因及其控制方法方面的国内外研究进展。在控制磷污染源方面要注意磷肥用量和磷肥有效性的提高，减少磷素在土壤中的积累；在控制磷素流失方面要针对磷素地表和土体内迁移流失采取有效措施，减少磷素对地表水和地下水污染。磷素污染的治理关键是切断磷源和流失途径的联系，根据磷污染源的等级划分因地制宜地采取治理措施；要将磷和氮综合治理，制定适合我国国情的BMP管理模式。关键词：磷素流失；磷素污染；磷污染控制中图分类号：S157文献标识码：A文章编号：1008-181X（2002）02-0183-06磷是动植物生长所必需的营养元素，长期以来磷素的投入一直被认为是维持动植物产品产量，满足全球食品需求的重要手段，但磷素的大量应用也产生了许多环境问题。近年来的研究表明，磷是水体产生富营养化的限制因素，如果磷素未达到一定含量，仅有氮、碳等元素不会引起水体富营养化[1]。20世纪90年代初，欧盟、北美等国家已经把重点转移到控制磷素营养向水体输入的环节，而不是花费大笔的资金用于净水厂的建设[2]特别是针对农业面源磷素污染采取了一系列的管理措施。1磷素污染现状农业生产实践在引起水体富营养化方面的作用一直受到国内外许多学者的高度重视。中科院对我国淡水生态环境质量的现状分析表明，在已监测的全国131个主要湖泊中有67个是富营养化，其中农业面源氮、磷负荷占的比例较大。据报道[3]，在英格兰和威尔士的128个湖泊中69%的水中磷素含量超过0.1mg/L，1995年美国49个州地表水和地下水非点源污染调查表明，已有27个州的湖泊受到面源污染的严重压力。在丹麦和北爱尔兰的监测湖泊中发现，减少城市点源的磷素输入只能使湖水中的磷素含量略有降低，这说明农业磷素的输入是水体中磷素含量增加的主要原因。农业磷素的流失与土壤中积累的磷素总量关系密切。1945年开始，世界上许多地区增加了磷素的投入，到1960年达到一个稳定的投入水平，但由于过去20年磷素的高量输入使土壤中磷的积累量远远超出了作物所需要量，尽管60年代后减少了磷素的施用但土壤中的磷素含量在相当长的时间内仍保持很高的水平，而且每年对磷素的稳定投入还会使土壤中的磷含量继续增加[4~5]，欧盟等国平均每年每公顷磷素剩余10kg，美国则高达26kg。我国农田的磷素平均投入量远低于发达国家，但是在一些高产农田，尤其是菜田和保护地上的投入量还是较大的，磷素积累也较明显，其中多数保护地土壤的Olsen-P已高出一般农田的10倍以上[6]。联合国粮农组织1993年统计，到1992年我国土壤积累磷（P2O5）达6×107t，农田磷素进入水体的通量为19.5kg/hm2[7]看来，对高量积累磷素土壤的纠正是是控制磷素流失的重要环节。2磷素污染源及控制措施施入土壤中的磷肥经过转化之后，在性质上、形态上都已在很大程度上不同于原来的肥料，因此了解磷肥的转化过程一直是合理施肥和研究磷肥肥效的理论基础。在现代施肥概念中，合理施肥包括两个含义，一是充分发挥肥料的增产作用；二是严格控制施肥数量，不对环境造成危害，这两者同样重要。在合理施肥的情况下，土壤磷素也会逐渐积累，所以必须严格注意磷素的积累过程，适时调整磷肥用量，不使磷素积累达到危害环境的程度。2.1肥料用量的控制世界上许多国家和地区都迫切需要有一个切实可行的方法来预测农田磷素对水质的潜在影响。荷兰和比利时长期监测表明，在一些地区特别是畜牧业发达的地区土壤磷素含量非常高，必须控制对所有形式的磷输入才能保护水质。大量的研究证实[8]，畜牧业发达地区和大量施用有机肥的地区土壤磷含量已大大超过了作物达到经济产量所需的磷量，其中大量施用有机肥的地区土壤磷素过剩的原因是有机肥的用量是以作物氮素需求量为基础，而不考虑有机肥中磷素含量。由于有机肥中的磷素含量较高，在满足作物对氮素ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ用量时，所施用有机肥中的磷素就已经过剩了。化学磷肥可以在生产环节和施用环节控制磷素含量，所以目前普遍关注的是有机肥中磷素含量的控制。畜牧业中饲料生产是磷素输入的主要环节，目前饲料中磷素的用量普遍超过动物的消化量，大约有50%的磷未经动物消化而随粪便排出体外[9]。对这种状况的改善应通过纠正饲料配方加以解决。要以动物可消化的磷量为配方依据而不是强调饲料的全磷含量，同时也要提高可消化磷的利用率。从食物链的角度来说，生产饲料所投入的磷素量应满足植物所需量而对动物健康没有影响[10，11]。在粪便的处理上应用Al2(SO4)3·14H2O的固定作用可以有效控制NH3挥发和减少磷素流失[12]。另外一项重要管理措施是有机肥的用量以作物需磷量为基础，可能会解决有机肥滥用的问题[13]。关于磷肥的最佳用量比较复杂，涉及作物品种、气候条件、土壤状况等多重因素，必须加以综合考虑[14]。2.2提高磷肥有效性的方法由于磷是不可再生的资源，所以必须发挥磷素的最大生产效益而减少其环境效应，这就要求充分了解磷素在土壤中的转化过程，并通过控制转化条件来提高磷肥的有效性，而磷肥有效性提高的过程就是减少磷素流失的过程，对于生态环境的保护意义重大[15]。土壤中有机磷的矿化分解过程受土壤水、热条件的影响，是微生物作用的结果[16]。有机磷矿化分解后进入无机磷的变化系列，包括溶解－沉淀过程、吸附－解吸过程等。作物在土壤中最直接的磷素来源是从土壤溶液中吸收，其他形态的磷素一般都要进入土壤溶液后才易被作物吸收，所以土壤溶液中的磷的浓度是土壤供磷能力的最主要因素之一。因为吸附－解吸过程起着重要的离子移动的作用，因此土壤中磷素供应依赖于土－水系统间磷离子移动量，应用Q/I（土壤吸附磷量/土壤溶液中磷量）可以评价磷离子溶解（供应）能力[17]，此法比Olsen-P的方法更能表现土壤磷的有效性。土壤对磷素的吸附能力与土壤颗粒大小、pH值、有机质含量、二价铁离子含量以及土壤水分状况有关[18，19]，尤其在淹水－落干（FD）条件下，土壤磷素的吸附－解吸过程比较复杂。研究表明[20]，FD条件下土－水系统中铁离子价变化会使土壤增加对磷素的吸附，这是FD土壤缺磷的主要原因。应用有机肥会减少土壤磷素吸附量[21，22]。由于土壤磷素的吸附－解吸是决定土壤磷素有效性的重要过程，因此减少吸附、增加解吸是提高土壤磷有效性的重要环节；而从环境的角度考虑，增加作物和土壤对磷素的吸收是控制磷素流失的主要方法，这样就与生产上提高有效性的方法产生矛盾，为了实现生产和环境的双重效益，我们必须精确地把握土壤－植物－动物体系中磷素的平衡、有效地监测土壤磷释放的生物和非生物过程、选育高量吸收磷素的作物品种等环节，并兼顾土壤类型的空间变化以综合利用土壤磷素。3磷素流失途径及控制措施磷素流失有地表和土体内两种方向，前者是与地表径流有关的流失过程，后者则与土壤层次、质地、结构等条件关系密切。无论是地表还是土体内的流失都是在水力作用下的磷素迁移过程。3.1磷素的形态转化对水体富营养化的重要意义从农田流失的磷素主要以DRP（非溶解态磷）和PP（颗粒结合态磷）形式存在，其中大部分是PP（占80%以上），这部分磷可以被水流运输至较远的地区而输出农田[23]。在垂直方向上DRP有渗漏和积累的现象，97%渗漏是DRP[24，25]。澳大利亚西南农田池塘沉积物中磷素形态的研究表明，PP是磷素吸收、迁移和积累的最活跃形式，磷素在沉积物中的积累归因于粘粒和有机颗粒的吸收[26]由此可见，控制颗粒进入水体是控制磷素流失的重要内容。控制DRP可以通过控制含水量解决，因为含水量低时DRP多，因此流失量会增加，所以施用磷肥的最好季节在晚秋、初冬、晚春和初夏。此外亚表层灌溉可以减少磷素流失[27]，但要注意PP可以在水力作用下优先迁移（主要是优势流现象）。水中磷素含量和形态受土壤质地、耕作强度和频率、种植制度等因素影响，并有随季节变化的特点[28]，由此可见对磷素流失的控制不仅要有大的基础工程如林草截留带，还要在农田土壤管理上寻找解决方案。3.2磷素地表方向的流失及控制土壤中的磷主要是通过径流进入地表水，这是农田磷素流失的主要途径。伴随着地表径流而发生的土壤侵蚀会使土壤中积累的磷素随水流发生迁移。据英格兰和威尔士13个侵蚀敏感的耕种集水区域的土壤侵蚀和磷素流失状况1989~1994年的监测表明[29]，大约385个监测点的38%发生侵蚀，这些侵蚀区域磷素经细流和沟渠等流失的量是整个农田磷素流失的18%。新西兰坡地土壤磷素流失研ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ究表明[27]，通过控制土壤侵蚀，使土壤中颗粒结合态磷素流失量减少85%时，水体中颗粒结合态磷素的总量只减少25%，表明在这些国家，土壤侵蚀并不是土壤磷素流失的主要原因。我国的土壤肥力下降、养分流失等现象也日益严重。土壤养分的流失不仅造成土壤肥力退化，而且对人类生存的自然环境造成危害[30]。我国山地丘陵地区的植被覆盖率低，特别是在人口密度大的区域，人对土壤的作用就相应强烈，土壤侵蚀也随之加重[31]。此外雨季集中降雨会导致土壤养分流失量增加，黄丽等对三峡库区紫色土养分流失的试验表明[32]，降雨可导致土壤养分含量降低，其中0.02mm的微团聚体和0.002mm的粘粒是养分流失的主要载体。山地坡度对养分的流失也有明显的影响，王百群等[33]对黄土丘陵区坡地土壤养分流失的研究表明，在坡地地形因素中，土壤养分流失随坡长的增加呈指数增加趋势。我国黄河流域水土流失是北方地区农业生态环境恶化的突出问题[34，35]，加强对该地区土壤侵蚀的治理是恢复生产条件，保持土壤肥力，减少农业面源污染的基本措施。据估计[36]，全球每年流失的土壤达250亿t，不仅使人类赖以生存的耕地资源减少，同时伴随着水土流失而进入水体的污染物又危害着人类的健康，必须采取可持续的土壤和水资源利用方式。在控制土壤侵蚀方面主要是通过减少压板、使用有机肥等技术保持上层土壤的结构，以保持最大的水渗漏率，这是重要的控制土壤侵蚀的方法。此外在坡面上还要有沿坡设畦、畦底设沟、沿坡设草带等措施。在控制水路方面比较成功的方法是设立缓冲草带，增加磷素吸收过程，缓冲草带上种植的植物可以使水路中的颗粒结合态磷截留下来，同时通过植被特别是快生物种吸收磷素，从而有效的降低流失量。缓冲草带截留的磷量与带宽成正比，植被的密度对降低水速、增加颗粒沉积有重要作用。利用缓冲草带必须注意随时间的增加草带的缓冲能力会减弱。除缓冲草带外，还可利用缓冲湿地和池塘减少农田磷素的流失，湿地比池塘更有效，因为前者的植被密度较大。3.3磷素土体内流失及控制磷素在土体内主要是靠扩散作用而移动，土壤水分、质地、温度及其相互作用对磷素的扩散都会有影响[37，38]。研究表明，磷素在土壤中的移动是很困难的，因为土壤特别是下层土壤有足够大的吸持磷的能力，但不同肥料中的磷素运动情况是不同的。据研究[39]，有机磷在剖面垂直方向上移动明显。长期试验表明，在1942~1960年的18年中过磷酸钙中的磷下移至23cm，而厩肥中的磷下移至60cm[1]。刘建玲等[40]研究表明，我国北方蔬菜保护地上大量施用磷肥不仅使0~40cm土壤磷素大量积累，而且40~100cm土层中的磷素也有明显的增加。磷素在土体内垂直方向的迁移流失以及由此而产生的环境危害也必须引起高度的重视。一般认为耕层土壤的Olsen-P含量与土壤磷素在土体内的垂直迁移有线性关系，目前有研究用0.01MCaCl2提取磷/Olsen法提取磷的比率来指示磷素的垂直流失，此法比单用Olsen-P法更有说服力，但尚需不同土壤类型和管理方式条件下的研究数据。测定水溶性磷（Pw）的含量变化可以说明磷素渗漏情况[41,42]。由上面的讨论可知，对磷素渗漏的变化情况的了解必须建立土壤测定磷的衡量指标，并将这一指标用于环境治理的目的。另外须注意的是优势流现象会不可避免地造成大量磷素从土体流失[28]。目前值得注意的是为减少磷素径流损失而应用的增加土壤水渗