不同种植年限蔬菜土壤磷淋失风险评价

不同种植年限蔬菜土壤磷淋失风险评价

0土壤中磷淋失[研究意义]世界上大约有300-104-400-104吨p2o5从土壤转移到水中。水体富营养化，水质恶化。在中国有92%的湖泊全磷含量超过0.02mg·L-1的临界指标,平均比国际上的一般标准高出10倍以上。土壤中磷素主要以径流的方式向水体迁移,但对于高磷、高有机质、粗质地的土壤,垂直淋失也是磷向水体迁移的重要途径之一。农田长期大量施用磷肥导致土壤磷素大量积累,对水体环境的威胁越来越大。近几十年来,中国磷肥消耗量大幅度增加,土壤速效磷含量平均每年以1mg·kg-1的速度提高,一些城市郊区的蔬菜保护地土壤有效磷高的可达数百mg·kg-1。菜地土壤磷含量为一般耕地土壤的几倍至十几倍,有效磷高达数百mg·kg-1,磷素淋失风险极大。因此,了解菜地土壤磷含量状况是控制农田面源污染的前提。【前人研究进展】研究表明,表层土壤磷素状况与磷释放进入水体的浓度呈显著的正相关,当土壤有效磷达到某一临界值时,土壤中磷淋失显著增加,淋失将成为磷向水体迁移不可忽视的一个来源。土壤径流、排水和渗漏液中磷浓度随土壤磷的积累量的增加而增加,而且这种变化存在临界值,超过该临界值时,土壤径流、排水和渗漏液中磷含量将明显增加。由于土壤中0.01mol·L-1CaCl2-P与磷的淋失具有极显著的正相关,国际上常采用CaCl2-P来预测从土体排出水的磷浓度,从而对磷素淋失进行风险评估。土壤中磷淋失潜力与土壤磷积累的关系较为复杂,不同地区,不同土壤条件土壤磷淋失临界值差异很大。钟晓英等从中国13个省(市)采集23种耕作土壤,研究发现不同土壤磷淋失Olsen-P临界值为29.96—156.78mg·kg-1。Heckrath等研究了洛桑实验站土壤Olsen-P含量从7—110mg·kg-1田块中渗漏水中磷含量,结果发现土壤磷淋失Olsen-P临界值为57mg·kg-1。洛桑实验站(Broadbalk)长期定位试验结果表明土壤磷淋失Olsen-P临界值为60mg·kg-1。鲁如坤认为,土壤Olsen-P50—70mg·kg-1可能是面源磷通过渗漏污染水源的一个大致临界指标。姜波等研究杭州市郊菜地土壤的磷素状况表明,土壤磷淋失Olsen-P临界值为76.19mg·kg-1。利用土壤磷淋失临界值,可以有效的对土壤磷淋失风险进行评价。但目前对土壤磷淋失风险等级划分的研究比较少,相应的理论研究更少。除了王彩绒等将土壤0.01mol·L-1CaCl2-P平均值相对应的土壤Olsen-P作为土壤发生中等强度磷淋失的指标,其它对土壤磷淋失风险等级划分方法的研究还没有见到。指示克立格是条件普通克立格的非参数形式,它可以在不必去掉重要而实际存在的特异值的条件下处理各种不同的现象,并且给出在一定风险条件下未知量的估计值及概率。李保国等应用指示克立格方法对华北冲积平原区浅层地下水硝酸盐含量进行评价,绘制了硝酸盐含量分布图及概率分布图。徐英等利用指示克立格对黄河河套灌区盐渍化土地上关键时期的土壤水盐特征进行了空间分布的分析和不同尺度上农业水土资源质量的评价。【本研究切入点】蔬菜地是长沙市郊重要的土地利用方式之一,农民长期大量施用磷肥必然会导致磷在土壤表层的大量累积,磷是否会超过临界值而淋失,以及淋失的风险有多大,目前鲜见报道。本研究选择长沙市郊3种不同种植年限的蔬菜土壤为材料,分析土壤有效磷含量与磷素淋失之间的关系,确定长沙市郊菜地土壤磷发生淋失的临界指标,并利用GIS和指示克立格法对土壤磷素淋失风险进行评估。【拟解决的关键问题】了解长沙市郊3种不同种植年限菜地土壤磷含量状况并进行风险评价,为蔬菜基地合理施肥和保护生态环境提论依据。1材料和方法1.1土壤样品采集研究区位于长沙市郊3个不同种植年限的蔬菜基地(宁乡超大集团蔬菜基地,陈家渡和黄兴镇蔬菜基地),该地区属于亚热带大陆性季风气候,年平均气温17.2℃,年平均降雨量1360mm,土壤特性见表1。研究区内蔬菜地复种指数较高,每年种植5—10茬蔬菜,其中以露地蔬菜为主,大棚蔬菜有零星分布。不同农户及蔬菜品种施肥差异较大,但总体施肥量大。施肥主要以基肥为主,包括16-16-16复合肥和钙镁磷肥。平均每季·hm-2施用复合肥1125kg·hm-2、钙镁磷肥150kg·hm-2左右。部分菜地还追施尿素,平均每季300kg·hm-2。陈家渡属于老蔬菜基地,蔬菜种植面积约70hm2,种植年限30年左右,蔬菜品种比较丰富,有叶菜类、瓜类、茄果类和豆类;黄兴镇蔬菜种植面积约1300hm2,种植蔬菜年限10—15年,蔬菜品种主要有叶菜类,其次为瓜类、茄果类和豆类;宁乡超大蔬菜基地是超大蔬菜公司新开辟的一个蔬菜基地,蔬菜种植面积约330hm2,种植蔬菜的年限只有1—2年,蔬菜种植品种相对也比较少,主要有瓜类和茄果类。2008年8月中旬,以网格采样法在每个代表样点半径10m内采集10个0—20cm表层土样混合为1个土样,用GPS确定精确经纬度。以平均1.7hm2取一个采样点为标准,研究区内共采集土壤样品284个,其中陈家渡蔬菜基地采集土壤样品37个;黄兴镇选择蔬菜种植比较密集的光达村和金凤村约80hm2菜地,集中采集土壤样品47个;宁乡超大蔬菜基地采集土壤样品200个。3个取样地点代表了3种蔬菜种植年限类型,其中陈家渡为超过30年的老蔬菜基地,黄兴镇为发展中的蔬菜基地,宁乡为新兴的蔬菜基地。1.2样品中镉/二甲酰胺p的浸提土壤样品采集后,新鲜土壤过2mm孔径土筛,4℃保存。速效磷(Olsen-P)采用0.5mol·L-1NaHCO3(pH8.5)浸提,钼锑抗比色法测定;CaCl2-P用0.01mol·L-1CaCl2按土水比1﹕5浸提15min,钼锑抗比色法测定;土壤溶液中磷含量测定参考张慧敏等室温培养的方法:设定土水比25﹕14,在25℃室温下培养一周后,震荡摇匀,放置24h,离心后用0.45µm孔径滤膜过滤,钼锑抗比色法测定滤液中磷浓度。1.3土壤中磷浓度的分析Olsen-P含量测定完成后,按Olsen-P含量从低到高挑选出40个土壤样品,测定CaCl2-P和土壤溶液中磷浓度。采用分段线性模型(split-linemodel)拟合,利用Excel2003和SPSS15.0统计软件分析Olsen-P含量与CaCl2-P及土壤溶液中磷含量的关系。采用数学方法,以不偏离突变点为基础,分别计算突变点前后两段的关系方程,再根据这两个方程计算土壤Olsen-P淋失临界值或突变点。1.4磷淋失概率综合运用GIS和指示克立格法计算研究区Olsen-P含量超过临界值的概率,借鉴层次分析法的原理,赋予不同淋失概率大小不等的权重,计算磷淋失风险综合指数。磷淋失概率小于0.1,土壤几乎不发生磷淋失,风险等级定义为0,权重赋值为0;磷淋失概率0.1—0.3,土壤可能发生低强度淋失,风险等级定义为1,权重赋值为1;磷淋失概率0.3—0.7,土壤可能发生中等强度淋失,风险等级定义为2,权重赋值为2;磷淋失概率大于0.7,土壤可能发生高强度淋失,风险等级定义为3,权重赋值为3。式中,n代表风险等级和权重赋值(0,1,2,3),N%=发生n级磷淋失风险的采样面积/总采样面积,代表发生n级磷淋失风险的概率。2结果2.1蔬菜种植年限对土壤olsen-p含量的影响按蔬菜种植年限(采样地点)分3类对土壤Olsen-P含量进行统计分析(表2),分析结果表明,不同种植年限土壤Olsen-p含量差异显著,种植年限越长,土壤Olsen-p含量越高。由表2可见,蔬菜种植年限已有30年左右的陈家渡土壤Olsen-P含量最高,平均值为224.96mg·kg-1;蔬菜种植年限10—15年的黄兴镇土壤Olsen-P含量居中,平均值为146.93mg·kg-1;蔬菜种植年限只有1—2年的宁乡土壤Olsen-P含量最小,平均值为30.77mg·kg-1。方差分析表明,陈家渡的土壤Olsen-P含量显著高于黄兴镇,黄兴镇的则显著高于宁乡超大蔬菜基地。2.2磷酸流失极限值的确定2.2.1土壤磷素淋失临界值/合土壤Olsen-P与CaCl2-P之间的关系见图1。从图1可见,土壤中CaCl2-P浓度随Olsen-P含量的增加而增加,其变化并非一条直线关系,而是两条斜率明显不同的直线,两条直线之间有一个明显的突变点(changepoint),该点被认为是土壤磷素淋失临界值。分段线性模型拟合CaCl2-P与土壤Olsen-P的关系,得到拟合方程:y=0.0054x-0.0421,R2=0.5221n=18(1)y=0.0434x-3.0188,R2=0.8685n=22(2)根据方程(1)、(2)求两条直线的交点,得到研究地区土壤磷素淋失临界值为78.33mg·kg-1。2.2.2土壤cacl2-p、土壤磷素淋失临界值分析土壤溶液中磷浓度与CaCl2-P和Olsen-P含量的关系(图2、图3),可以看出土壤CaCl2-P与土壤溶液中磷浓度之间存在极显著的正相关,与Olsen-P含量的关系也存在一个突变点,就是土壤磷素淋失临界值,为80.03mg·kg-1。2.3土壤磷淋失风险分别利用CaCl2-P与Olsen-P含量的关系以及水溶性磷与Olsen-P含量的关系得到的磷淋失的Olsen-P临界值非常接近,分别为78.33和80.03mg·kg-1,平均值为79.18mg·kg-1,约为80mg·kg-1。为了方便对研究区域磷淋失的风险进行评价,本研究确定80mg·kg-1为长沙市郊菜地土壤磷淋失的临界值。从不同种植年限土壤磷含量分布概率(表3)可见,陈家渡100%土壤样品大于80mg·kg-1Olsen-P临界值,黄兴镇89.36%的土壤样品大于临界值,而宁乡99.39%的土壤样品是小于临界值的。然后综合运用GIS和指示克立格法绘制研究区Olsen-P含量超过80mg·kg-1临界值的概率,统计结果见表4和图4。可以看出,宁乡磷淋失风险最低,94.60%采样区域土壤磷淋失概率介于0—0.1之间;黄兴镇磷淋失风险比较严重,有15.86%的采样区域土壤磷淋失概率介于0.8—0.9之间,70.59%介于0.9—1.0之间;相比较而言,陈家渡磷淋失风险最为严重,整个采样区域土壤磷淋失概率介于0.9—1.0之间。为了定量地对研究区域土壤磷进行风险评价,本研究利用磷淋失概率,定义不同的风险等级,将磷淋失风险划分为4个等级(表5)。由表5可见,陈家渡作为超过30年的老蔬菜基地,采样区域全部有可能发生高强度淋失风险,磷淋失风险综合指数为3,风险等级属于高强度淋失。黄兴镇有93.25%的采样区域淋失风险等级为3,6.54%为2级,0.20%为1级,磷淋失风险综合指数为2.93,风险等级属于高强度淋失。相比较而言,宁乡基本不存在磷淋失的风险,风险综合指数为0.06,94.60%采样区域淋失风险等级为0,5.23%为1级,0.18%为2级,没有属于3级淋失风险的区域。3讨论3.1土壤溶液中磷浓度的关系田间实际观测磷素淋溶状况可以较好地评价土壤磷的淋失风险,但受到田间试验条件的限制,采用简便、可靠的实验室测试方法来评价土壤磷素淋溶风险十分必要,也有待于进一步的探索。之前对土壤磷淋失临界值的获得,多采用实验室模拟的方法,通过添加外源磷素,建立不同等级的土壤Olsen-P含量,再计算0.01mol·L-1CaCl2-P与Olsen-P的关系,确定土壤磷淋失临界值。本研究通过野外大量土壤样品的采集,直接利用不同Olsen-P含量的土壤样品,分析0.01mol·L-1CaCl2-P与Olsen-P的关系,所获得的临界值更符合实际的状况。张惠敏等认为稻田土壤渗漏液与土壤溶液较为接近,利用模拟条件下土壤溶液中磷浓度随土壤Olsen-P含量变化的关系,可以找到土壤磷淋失临界值。由于稻田常保持一定水层,此方法是否只是适合稻田土壤,是个疑问。参考张惠敏等测定土壤溶液中磷浓度的方法,本研究利用相同的土壤样品,分析CaCl2-P与土壤溶液中磷浓度之间的关系。从图2可见,CaCl2-P与土壤溶液中磷浓度之间存在极显著的正相关。进一步分析0.01mol·L-1CaCl2-P和土壤溶液中磷浓度与Olsen-P含量的关系,得到土壤磷淋失Olsen-P临界值分别为78.33和80.03mg·kg-1,两种评价方法得到的临界值基本一样。因此,利用土壤溶液中磷浓度作为评价土壤磷淋失指标,不仅适合稻田土壤,旱地土壤也同样适合。不同地区、不同土壤条件土壤磷淋失临界值差异很大,盲目利用其它研究地区,其它土壤类型磷淋失临界值来评价当地土壤磷淋失风险,是不可取的。钟晓英等从中国13个省(市)采集23种耕作土壤,研究发现不同土壤磷淋失Olsen-P临界值为29.96—156.78mg·kg-1,差异达126.82mg·kg-1;Heckrath等研究了洛桑实验站土壤Olsen-P含量从7—110mg·kg-1田块中渗漏水中磷含量,结果发现土壤磷淋失Olsen-P临界值为57mg·kg-1;洛桑试验站(Broadbalk)长期定位试验结果表明土壤磷淋失Olsen-P临界值为60mg·kg-1;姜波等研究杭州市郊菜地土壤的磷素状况表明,土壤磷淋失Olsen-P临界值为76.19mg·kg-1。本研究从长沙市郊不同种植年限菜地土壤中选择Olsen-P含量4—300mg·kg-140份土壤样品,分析0.01mol·L-1CaCl2-P和水溶性磷与Olsen-P含量的关系,得到研究区菜地土壤磷淋失Olsen-P临界值为80.03mg·kg-1。在未来对长沙市郊菜地土壤磷淋失风险的相关研究中,可以把Olsen-P含量80mg·kg-1作为参考数值,作为评价磷淋失的临界值。3.2土壤磷淋失风险概率为了方便对研究区域磷淋失的风险进行评价,本研究使用Arcmap软件中的地统计学插件,运用指示克里格法,以80mg·kg-1为临界值绘制土壤磷淋失的风险概率分布图(图4)。为了验证数据的合理性,使数据满足正态分布后,剔除空间分布中存在的趋势,采用球状模型拟合半方差函数,使用交叉检验方法检验插值结果(表6)。因为陈家渡土壤磷含量最低值远大于80mg·kg-1,所以可以断定在该地区土壤磷淋失的风险接近于3,没有必要使用指示克里格法研究土壤磷淋失风险概率的空间分布。判断指示克里格数据是否可靠按以下标准综合进行:平均误差(ME)的绝对值最接近于0;标准化平均误差(MSE)最接近于0;均方根误差(RMSE)越小越好;平均标准误差(ASE)与均方根误差(RMSE)最接近,如果ASE>RMSE则高估了预测值,反之,则低估了预测值;标准化均方根误差(RMSSE)最接近于1,如果RMSSE<1,则高估了预测值,反之,则低估了预测值。由此标准可以判断,宁乡、黄兴镇土壤磷淋失的风险都有所低估,但误差不是太大,能反映出总体情况。3.3土壤磷淋失风险从表2可见,菜地由于长期大量施肥,