农业磷素流失途径与控制方法研究进展

1、sunshine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11016120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管理模式。文章编号:1008-

2、181X (2002) 02-0183-061O年开1960年磷1945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 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

3、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。 始，世界上许多地区增加了磷素的投入，到 年达到一个稳定的投入水平，但由

4、于过去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 sunshine磷素剩余10 kg，美国则高达26 kg O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 Oise n-P 已高出一般农田的10倍以上。联合国粮农组织1993年统计，到1992年我国土壤积累磷（P2O5） 达6 X107 t，农田磷素进入水体的通量为19

5、.5kg/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

6、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sunshine11o。另。有机Q/l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）PP （颗粒结合态磷）形式存在，其中大部分是 （占80%以上），这部分磷可

7、以被水流运输至较23。在垂直方向上 DRP有渗 97%渗漏是DRP24，25。澳大利PP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。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，在粪便的处理上应用A

8、l2（SO4）3 4H2O的固定作用可以有效控制 NH 3挥发和减少磷素流失12 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

9、的结果 16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。因为吸附一解吸 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（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

10、）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一解吸是决定土 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

11、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和PP远的地区而输出农田 漏和积累的现象，亚西南农田池塘沉积物中磷素形态的研究表明， 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

12、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

13、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

14、含量降低，其中<0.02mm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

15、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。

16、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60cm。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

17、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Oisen-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

18、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

19、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)=刀(characteristic rati ng vable x weight)，并由此把 PI的源头划分为 难

20、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，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 Pl =(erosion rating xrunoff rating xreturn period) xE (source characteristic rati ng xweighrt)，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

21、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Gbu

22、rek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Nl= (texture rati ng x permeability rating) x E (source charateristic rating x weight)，由此推出源头 Nl<3, 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

23、的治理则主要集中在易流失区。23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

24、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 man ageme nt p ractices )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

25、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

26、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.ANDREW SHARPLEY , BOB FOY , PAUL WITHERS. Practical and inno vative measures for the con trol of agricultural p hos phorus losses to water: an overview.J En viro n Qual, 2000, 29: 1-9.PAUL J A WITHERS, LAN A DAVIDSON,

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