保护性耕作及多样化轮作下稻田土壤肢体磷的赋存规律及阻控研究

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胶体磷作为土壤中磷素迁移的主要载体,与农业面源磷污染密切相关。本研究以农田胶体磷为研究对象,实验拟基于大田试验,分别在两种土壤(粘壤土和壤质土)和八种处理(翻耕/秸秆不还田/冬闲(CHF),翻耕/秸秆还田/冬闲(CRF),翻耕/秸秆不还田/小麦(CHW),翻耕/秸秆还田/豌豆(CRB),免耕/秸秆不还田/冬闲(NHF),免耕/秸秆还田/冬闲(NRF),免耕/秸秆不还田/小麦(NHW),免耕/秸秆还田/豌豆(NRB))下进行,利用先进的同步辐射X射线吸收近边结构谱(XANES)等技术从分子水平上表征稻田土壤胶体磷的储存形态,明确保护性耕作与多样化轮作实施后不同时期土壤胶体磷赋存规律。同时,利用室内模拟实验,在八种不同土壤质地的土壤中施加阴离子型聚丙烯酰胺(PAM),以扫描电镜-能谱技术(SEM-EDS)表征土壤胶体的形貌特征,探究了不同添加比例的PAM对土壤胶体磷流失潜能的阻控作用。研究结果如下:(1)壤质土在免耕两年后会提升土壤总磷含量,且有无秸秆还田对土壤总磷没有影响。与实验初期(435mgkg-1)相比,土壤总磷含量逐年升高,但4个处理(CHF、CRF、NHF、NRF)间总磷含量在第一年水稻季末(442~443mgkg-1)以及第一年末(444~447 mg kg-1)差异并不显著(p<0.05)。第二年水稻季,NRF(459mgkg-1)显著高于其他处理(无显著差异,452~454 mg kg-1),第二年结束后,NRF(471mgkg-1)处理显著大于 CRF(458mgkg1)和 CHF(454mg kg-1)处理(p<0.05),NHF(462mg kg-1)与CHF差异显著。粘壤土在两年免耕条件下,秸秆还田具有提高磷含量的效果:与实验初期相比(954mgkg-1),粘壤土土壤总磷含量逐年升高,在第二年水稻季末和冬闲季末,NRF为所有处理中的最大值,并显著大于NHF处理。此外,在轮作系统中,免耕可以提高土壤磷含量:NRB在每一季均为各轮作处理中的最大值,且在第二年显著大于其余三种轮作处理。(2)壤质土在第一年秸秆还田条件下,免耕土壤胶体磷含量小于翻耕,而在第二年秸秆还田时,免耕土壤胶体磷含量大于翻耕:在第一年水稻季,翻耕处理(15.291mgkg-1)高于免耕处理(11.210 mg kg-1);第一年结束后,CHF(4.560 mgkg-1)显著高于其他处理(无显著差异,2.918~3.526mgkg-1);第二年水稻季,免耕处理大于翻耕处理;第二年结束后,NHF处理(7.778mgkg-1)显著高于其他处理(3.590~5.445 mg kg-1),其中NRF最小。这可能是因为壤质土砂粒含量较高,易受耕作扰动的影响,从而进一步影响土壤胶体磷的赋存。粘壤土第二年免耕和秸秆还田均可以使土壤胶体磷含量下降,但免耕+秸秆还田并不会增强胶体磷下降的效果:第一年水稻季免耕(12.308 mg kg-1)处理均高于相应的翻耕(11.575 mg kg-1)处理;而在第一年结束后,CHF(13.619 mg kg-1)显著大于除CRB外的其他处理(7.721~11.400 mg kg-1),而且在第二年水稻季也出现这种现象;第二年结束后,CHF处理(11.249 mg kg-1)显著高于其他处理(6.073~9.214 mg kg-1)。结果表明两年后NHF、CRF处理的土壤胶体磷含量均显著小于CHF处理后的胶体磷含量。(3)壤质土在第一年秸秆不还田条件下,免耕土壤胶体磷占总磷比例显著小于翻耕,而在第二年不还田条件下,免耕显著大于翻耕。与实验初期(2.73%),壤质土胶体磷占总磷的比例相比在两年后(0.76%~1.68%)显著下降。第一年水稻季翻耕胶体磷占比(3.46%)显著高于免耕(2.54%)占比。第一年结束后CHF处理(1.03%)的占比显著高于其他处理(无显著差异,0.66%~0.79%)。与第一年不同第二年水稻季,免耕处理(1.31%)的占比显著高于翻耕处理(0.78%)。第二年结束后,NHF(1.68%)处理显著高于其他处理(0.76%~1.20%)。两年结束后(0.62%~1.16%),粘壤土中胶体磷占总磷的比例与实验初期(1.79%)相比显著下降(p<0.05),但下降的幅度(0.9%)小于壤质土(1.5%)。除第一年水稻季,CHF处理的胶体磷占比为各处理间最大值。两种供试土壤胶体磷的XANES结果表明在一周年结束后,铁氧化物结合态磷在稻田土壤胶体磷中相对含量显著升高,且其含量(45.8%~61.8%)为各磷形态间的最大值。在第二年水稻季末和冬季末,铁氧化物结合态磷无显著性变化,表明稻田土壤中胶体磷形态主要为铁氧化物结合态磷。(4)PAM对土壤胶体磷释放的阻控研究表明,PAM可以有效地抑制土壤胶体和水分散性胶体磷的流失潜能。对照组中供试土壤胶体磷的流失潜能为6.9 mg kg-1~46.1mgkg-1,其中砂壤土的流失潜能最大。向土壤中添加12.5kgha-1(低)、25 kg ha-1(中)、50 kg ha-1(高)三种水平的PAM后,土壤胶体总磷的流失潜能分别平均降低了 47.0%,67.9%和79.3%。但是,PAM的施加可能会促进土壤中胶体态MRP、真溶态TP、真溶态MRP、真溶态MUP的释放。土壤中砂粒含量是预测WDC和胶体磷的重要因素。在已知PAM施加量和砂粒含量的情况下,多元回归方程较好的预测了 WDC和胶体磷(R~2=0.542,p<0.001)的流失潜能。
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