农业磷素流失途径及控制方法研究进展

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 0.1 mg/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 45，欧盟等国平均每 年每公顷磷素剩余 10 kg，美国则高达 26 kg。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（P 2O5）达 6107 t，农田磷素进入水体 的通量为 19.5 kg/hm27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)314H2O 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 DRP24，25 。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 19891994 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0.02 mm 的微团聚体和0.002 mm 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 19421960 年的 18 年中过磷酸钙中的磷下移至 23 cm，而厩肥中 的磷下移至 60 cm1。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 040 cm 土壤磷素大量积累，而且 40100 cm 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 0.01M CaCl2 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透能力的措 施往往会把耕层土壤中的颗粒结合态磷直接通过 优先空隙输送至地下水源，所以对优势流的控制 是减少磷污染的一个重要环节。目前多以耕作措 施来改善土壤结构，控制优先路径的产生，从而 减少磷素随优势流的渗漏量。 3.4 磷素流失的水力作用及控制 水力作用是磷素迁移流失的主要动力，农田 灌溉是产生磷素流失的一个原因，水稻耕作集中 体现了水力作用对磷素流失的影响 43，暴雨冲刷 引起的表面流失也是磷素向水体迁移的原因之一， 可见引起水生环境富营养化的关键还是水本身。 土壤中磷素积累的情况可以通过灌溉水中的磷素 含量变化反映出来，因此可以以灌溉水中磷值为 指示来控制灌水量从而控制土壤磷素的流失，这 就要求建立有利于提高水资源利用率、减少田间 细流（层流）形成的灌溉制度。另外在降雨季节 要注意施肥的时间和方法。由于河流是磷素输送 的主要通道，所以对河流的特定河段要加强磷素 含量和形态的监测 44，以综合评价流水中的磷素 营养状况及区域农田土壤磷素流失的趋势。 3.5 磷污染综合治理措施 3.5.1 磷污染源等级划分 对土壤磷污染源进行等级划分是治理磷素污 染的基础工作。NRCS-USDA 的土壤磷污染源等级 标准划分是用土壤的含磷水平作为污染源评价的 标准，即 PI (phosphorus index)=(characteristic rating vable weight)，并由此把 PI 的源头划分为 难流失区、中等易流失区、易流失区和极易流失 区。W.J.Gburek 等在 NRCS-USDA 确定的磷污染 源等级标准的基础上制定了一套新的标准 5，这一 方法不仅考虑了污染源，而且还考虑到了流失途 径，即 PI 标准的确定要结合土壤侵蚀、水土流失、 肥料用量及其施用方法等因素。新的 PI 标准计算 公式为 PI=（erosion ratingrunoff ratingreturn period） （source characteristic ratingweighrt） ， 由此得出 PI 5，5，9，922，22 分别为难、中 等、易和极易流失区域。Gburek 确定的标准可以 解释污染源和流失途径之间的相互作用，同时对 各种加权值的确定基于变化的观点，不同的地区 可以根据其本身的地形特点、土壤属性、水文条 件、肥料来源等因素加以明确，进而得出适用本 地区的磷污染源等级划分标准。应该指出的是该 划分方法是针对 CSA 区域（critical source area） 而制定的，其本身还存在一定的缺陷，如加权值 是在定性和粗略定量的基础上确定的，但其对磷 源划分等级分别管理的指导思想是值得借鉴的。 农业面源污染中氮、磷分别管理的措施会有 许多限制，所以氮磷综合治理的措施是十分必要 的。Louise Heathwait 也发展了一套氮素污染源等 级划分标准 45，其基本指导思想与 Gburek 的磷素 污染源等级划分标准相似，也是综合了源头和流 失路径两种因素，计算公式为 NI=（texture ratingpermeability rating）(source charateristic ratingweight)，由此推出源头 NI3, 38, 918, 18 时分别为难、中等、易、极易流失区域。将 PI 和 NI 联合运用治理农业面源污染在理论和实践 上应该是可行的，其核心是要切断污染源与流失 路径的联系，但联合运用并不是简单的加和，对 二者间的交互作用要认真分析。由于氮的作用区 域大于磷的作用区域，因此对氮的管理应该是全 流域性的，而磷的治理则主要集中在易流失区。 我国农业面源污染的问题很突出，但目前的 管理方式还集中在肥料管理上，特别是还没有污 染源等级划分标准，这将导致管理上的盲目性。 因此，有必要建立起我国农田氮磷元素向水体流 失的定量化的管理措施，包括污染源等级划分标 准的确定、计算机辅助决策模型等，特别是 EIS（environment information system）与 GIS（geography informtion system）的耦合是未来 发展的方向 46。我国幅员辽阔，产生面源污染的 时空变化情况比较复杂，影响因素较多，因此， 在等级标准的确定、数学模型的建立等方面还需 进行大量细致而深入的工作。 3.5.2 磷污染治理措施 20 世纪 70 年代起，英、美等国开始实行 BMP（Best management practices）管理方式，以 有效控制面源磷素对水生环境的危害。结果表明， 世界上几个区域实行 BMP 方法后，流域水质得到 了明显的改善。BMP 管理方式核心是不损害生产 者的经济利益，同时又能将农田营养物质对环境 的危害降至最低限度的管理措施 47，内容包括针 对 CSA 区域磷素养分平衡管理、切断磷源和流失 路径的联系以及实现这些目标而实行的经济、教 育、科技等具体措施。英国的 BMP 基本框架 3， 对我国 BMP 措施的制订有借鉴作用。 由于产生磷污染区域必须有磷源和流失途径， 当二者同时作用时污染问题就会产生，BMP 主要 就是针对这些区域的管理措施。农田系统中的磷 素输入、输出量平衡通常用于指导磷素养分管理， 不管何种来源的磷肥，在生产上必须保证土壤基 本的磷素水平，可依据土壤分析和作物反映而确 定 48。通常氮素养分平衡比磷素更易实现，而且 氮、磷在土壤中的转化的化学行为不同，因此很 容易在实践上将二者分开管理，但好的 BMP 方案 应该是建立在氮磷综合治理基础上的。 BMP 是针对不同地区土壤、气候等自然条件 的多样化的管理措施，只有原则而没有具体量化 的指导指标，因此 BMP 的制订和执行必须为生产 者和社会所认可 49。BMP 的执行首先要鼓励生产 者自愿参与，然后是要有明确的管理目标，同时 还要有具体的计划组成、规章制度等，最后要与 教育、财力、技术等结合。 参考文献： 1 鲁如坤. 植物营养与施肥原理M. 北京: 农业出版社，2000: 201- 202. 2 ANDREW SHARPLEY, BOB FOY, PAUL WITHERS. 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