降雨量對不同質(zhì)地土壤外源Cl-淋洗效率及其空間分布的影響

孫 磊，原 琳，符 強，聶 鑫，于洪濤，湯金融，董 樂

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院綏化分院，黑龍江 綏化 152052）

氯是植物必需微量元素之一[1]，植物體內(nèi)氯含量達到0.1%即可滿足正常生長需求[2]，一般達到10%也不受影響，馬鈴薯、煙草等“氯敏感作物”吸收過量Cl-，會因氯中毒降低產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4]。植物體內(nèi)氯主要來源于土壤，Cl-在土壤中極為活躍，不易形成穩(wěn)定復(fù)合物，也不易被土壤吸附，但易隨灌溉或降雨遷至下層土壤[5]，同位素示蹤法模擬稻田施用氯化銨研究表明，21 d后外源Cl-約有51.61%隨水淋失，僅27.02%殘留在土壤中[6]，長期定位試驗表明Cl-在土壤剖面分布受降雨量影響較大，土壤中Cl-殘留量隨施肥量增加而增加，但僅10% Cl-殘留在0～20 cm土壤層[7]，60% Cl-隨降水淋洗至100 cm以下土層[8-9]。目前研究多集中于含氯肥料對作物產(chǎn)量或品質(zhì)影響，雖然Cl-在土壤中極易淋洗，但更關(guān)注作物收獲后土壤中Cl-殘留情況，缺少Cl-在不同降雨量條件下在耕層土壤空間分布情況。

黑龍江省是我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一，雨量充沛且雨熱同季，因此馬鈴薯生產(chǎn)多以雨養(yǎng)為主。因缺乏灌溉，在生產(chǎn)中氯化鉀應(yīng)用比例不足全部鉀肥用量6%[10]，明確Cl-在土壤中的行為特征，可為“氯敏感作物”合理施用含氯肥料提供參考。以黑龍江省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)4種質(zhì)地土壤為研究對象，通過模擬試驗研究降雨量對Cl-淋洗效率、殘留Cl-在土壤耕層分布的影響，確定土壤Cl-殘留量與降雨量、施氯量和土壤質(zhì)地關(guān)系。研究結(jié)果可對不同質(zhì)地土壤根據(jù)降雨量和施氯量估算土壤Cl-殘留量，或根據(jù)降雨量、土壤Cl-閾值確定含氯肥料施用量，為氯敏感作物以及雨養(yǎng)地區(qū)不同質(zhì)地土壤確定含氯化肥施用量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自黑龍江省馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)克山、綏化、牡丹江和齊齊哈爾馬鈴薯種植田塊0～30 cm耕層土壤，土壤顆粒分級及土壤質(zhì)地采用國際制確定[11]，基本理化性質(zhì)見表1。

1.2 模擬試驗設(shè)計

1.2.1 淋溶裝置

采用自制內(nèi)徑5 cm，高35 cm玻璃柱進行降雨模擬試驗。玻璃柱底部用濾紙-石英砂-濾紙三明治方式防漏，根據(jù)不同土壤容重（見表1）先裝入25 cm供試土壤，再填充2 cm混有肥料的土壤，最后用3 cm土壤覆蓋，為防止降雨過程中產(chǎn)生優(yōu)勢流，土壤表層覆蓋直徑4.7 cm濾紙。每個土柱填裝完畢后用蠕動泵從底部注水至表層見水，排除土壤中空氣，土壤老化48 h，用去離子水進行降雨模擬試驗（見圖1）。

表1 土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Basic physical and chemical properties of soil

圖1 土柱淋溶裝置Fig.1 Soil column leaching device

1.2.2 施肥量

供試肥料為尿素（N 46%）、磷酸氫二銨（N 18%，P2O546%）、氯化鉀（K2O 60%，氯含量45%）和硫酸鉀（K2O 50%），每種土壤設(shè)置5個氯化鉀不同用量處理，每個處理3次重復(fù)。為便于觀察模擬試驗淋洗效果，肥料用量為田間試驗施肥2倍，每個土柱肥料用量根據(jù)土柱表面積計算，具體肥產(chǎn)用量見表2。

表2 試驗各處理養(yǎng)分用量Table 2 Nutrient usage of each treatment in the experiment

1.2.3 模擬降雨量

根據(jù)黑龍江省近18年5～9月最小至最大降雨量區(qū)間，分別設(shè)置55、110、220和440 mm 4個降雨量，每個降雨量平均分成10次淋洗，即每次為5.5、11、22和44 mm，用蠕動泵以10 mL·h-1流速進行降雨模擬，每個降雨量試驗周期為1個月，每次淋洗間隔3 d。

1.3 田間試驗

2021年在黑龍江省綏化市北林區(qū)進行田間試驗，供試馬鈴薯為早熟品種‘尤金’，生育期65～70 d，采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)6壟，壟長12 m，壟寬0.8 m，小區(qū)面積57.6 m2，供試肥料尿素（N 46%）、磷酸氫二銨（N 18%，P2O546%）、氯化鉀（K2O 60%，氯含量45%）和硫酸鉀（K2O 50%），肥料用量分別為N 160 kg·hm-2，P2O590 kg·hm-2，K2O 200 kg·hm-2，分別設(shè)置氯化鉀用量125 kg·hm-2（施氯量為56 kg·hm-2）和氯化鉀用量250 kg·hm-2（施氯量為112 kg·hm-2）2個處理，3次重復(fù)。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 淋出液

如圖1所示，每次降雨模擬時在淋溶裝置下方收集淋出液，稱量淋出液重量，用溶質(zhì)氯度儀（CLS-10A）測定淋出液中Cl-濃度，火焰光度計測定淋出液中K+濃度。

1.4.2 土壤

降雨模擬結(jié)束，用真空泵將土柱完整取出，按照0～10 cm，10～20 cm和20～30 cm分成3部分，田間試驗取耕層（0～30 cm）土壤，自然風(fēng)干后磨細過1 mm篩，去離子水（水土比5∶1）浸提，溶質(zhì)氯度計（CLS-10A）測定各層土壤浸提液中Cl-含量。

1.4.3 田間取樣日期

2021年于5月3日播種，5月31日追肥，分別在播種后降雨量62.8、79.4、159.2和212.1 mm，追肥后降雨量94.6、147.6 mm進行取土。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

第i次離子淋出量（mg）=第i次淋出液離子濃度×第i次淋出液體積

采用Excel 2016軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，采用SPSS 21.0軟件分析數(shù)據(jù)。

圖2 黑龍江省2001～2018年（62站）平均降雨量Fig.2 Average rainfall in Heilongjiang Province from 2001-2018(62 stations)

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量和土壤質(zhì)地對淋出液體積的影響

如圖3所示，為不同降雨量和不同質(zhì)地土壤經(jīng)10次淋洗獲得平均淋出液體積。不同降雨量條件下，不同質(zhì)地土壤淋出液體積均表現(xiàn)為砂土＞砂質(zhì)壤土＞壤土＞黏壤土。降雨量為55、110、220和440 mm條件下，淋洗液體積分別為1.7～2.0 mL、11.9～14.1 mL、35.0～38.7 mL和74.9～77.1 mL，分別占降雨量17.1%、60.3%、85.3%以及88.0%。結(jié)果表明，降雨量少時，土壤本身保水能力強，液體不易淋出。其中在不同降雨量條件下，淋出液體積與土壤砂粒含量呈正相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為0.903。這是因砂粒含量越多土壤持水能力越弱導(dǎo)致。

圖3 淋出液體積Fig.3 Volume of leaching solution

2.2 不同質(zhì)地土壤中外源Cl-的淋洗動態(tài)

降雨強度為11 mm·次-1條件下（見圖4），降雨量達到110 mm時，4種質(zhì)地土壤淋出液中Cl-淋出量持續(xù)增加，其中砂土在第6次、砂質(zhì)壤土和壤土在第7次、黏壤土在第8次Cl-淋出量顯著增加（P＜0.05），并未出現(xiàn)拐點；當(dāng)降雨強度為22 mm·次-1時，黏壤土、壤土和砂質(zhì)壤土Cl-淋出量在第6次淋洗時Cl-單次淋出量達到峰值，砂土在第5次時Cl-單次淋出量達到最高值；降雨強度為44 mm·次-1時，砂土和砂質(zhì)壤土在第5次，黏壤土和壤土在第6次淋洗后不再有大量Cl-淋出。結(jié)果表明，不同質(zhì)地土壤中Cl-分別在降雨量為66 mm（砂土）、77 mm（壤土和砂質(zhì)壤土）和88 mm（黏壤土）時開始淋出，降雨量為110 mm（砂土）和132 mm（黏壤土、壤土和砂質(zhì)壤土）時單次淋出量達到最大值，降雨量為220 mm（砂土和砂質(zhì)壤土）和264 mm（黏壤土和壤土）時累計淋出量達到最大值，繼續(xù)增加降雨量，施氯處理土壤中Cl-淋出液濃度與Cl0處理無顯著差異。

圖4 不同質(zhì)地土壤中外源Cl-淋洗動態(tài)Fig.4 Leaching dynamics of exogenous Cl-in soils with different textures

2.3 不同質(zhì)地土壤中外源Cl-淋洗效率

為了解外源氯用量對不同質(zhì)地土壤中Cl-淋洗影響，根據(jù)2.2分析結(jié)果，選取降雨量為220 mm、淋洗量為22 mm·次-1的處理為主進行深入探討。如圖5所示，為不同質(zhì)地土壤中Cl-淋出率。由圖5可見，不同質(zhì)地土壤中Cl-在第4～8次大量淋出，此階段Cl-淋出量可占總淋出量91.5%（黏壤土）、90.7%（壤土）、93.4%（砂質(zhì)壤土）和90.4%（砂土）。在不同質(zhì)地土壤中，Cl-單次淋出率均隨降雨量增加呈先升后降趨勢，表明即使在黏壤土中，Cl-也極易發(fā)生淋洗。同一質(zhì)地土壤中，不同氯用量對Cl-淋出率無顯著影響，但淋洗液中Cl-濃度均隨施入量增加而增加。

圖5 不同質(zhì)地土壤中Cl-淋出率（以220 mm為例）Fig.5 Leaching rate of Cl-in soils with different textures(Taking 220 mm as an example)

由表3可見，不同質(zhì)地土壤中Cl-最大淋出速率表現(xiàn)為黏壤土＜壤土＜砂質(zhì)壤土和砂土，平均淋出速率表現(xiàn)為砂土≈砂質(zhì)壤土＞壤土＞黏壤土。砂土最大淋出速率低于砂質(zhì)壤土，因砂土中Cl-較早開始淋出，砂質(zhì)壤土中Cl-淋洗比砂土更為集中，結(jié)果見圖4。

表3 不同質(zhì)地土壤中Cl-淋出速率（以降雨量220 mm，氯用量以300 kg·hm-2為例）Table 3 Leaching rate of Cl-in soils with different textures（The rainfall is 220 mm,and the chlorine dosage is 300 kg·hm-1 as an example）

如圖6所示，在黏壤土中，降雨強度為11和22 mm·次-1時，在110 mm降雨量時，土壤Cl-累計淋出率分別為16.40%和28.91%（P＜0.05），降雨強度為22和44 mm·次-1時，在132 mm降雨量時，土壤Cl-累計淋出率分別為56.54%和77.10%（P＜0.05）。壤土、砂質(zhì)壤土和砂土中外源Cl-在不同降雨強度下累計淋出率變化趨勢與黏壤土相似且均高于黏壤土。結(jié)果表明，降雨量相同時，增加降雨強度可加速不同質(zhì)地土壤中Cl-淋出。

圖6 不同質(zhì)地土壤中Cl-累計淋出率Fig.6 Cumulative leaching efficiency of Cl-in soils with different textures

土壤質(zhì)地對外源Cl-累計淋出率影響隨降雨量變化而不同，結(jié)果見表4。降雨量為55 mm時，不同質(zhì)地土壤Cl-累計淋出率差異顯著（P＜0.05）；當(dāng)降雨量達到110 mm時，土壤中Cl-大量淋出，土壤質(zhì)地影響較為明顯，不同質(zhì)地土壤Cl-累計淋出率差異極顯著（P＜0.01），且4種質(zhì)地土壤中Cl-累計淋出率表現(xiàn)為砂土＞砂質(zhì)壤土≈壤土＞黏壤土；當(dāng)降雨量達到220 mm時，土壤中大部分Cl-已淋出耕層，土壤質(zhì)地影響開始減弱，不同質(zhì)地土壤Cl-累計淋出率差異不顯著，仍表現(xiàn)為黏壤土Cl-累計淋出率低于壤土、砂質(zhì)壤土和砂土；當(dāng)降雨量達到440 mm時，土壤質(zhì)地影響基本消失，4種質(zhì)地土壤中外源Cl-均達到累計最大淋出率，且4種質(zhì)地土壤Cl-累計淋出率差異不顯著。結(jié)果表明，土壤質(zhì)地僅在土壤外源Cl-大量淋洗過程中影響Cl-淋出，不同質(zhì)地土壤Cl-淋出率與Cl-大量淋出的降雨量區(qū)間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），相關(guān)系數(shù)為0.957（黏壤土），0.913（壤土），0.958（砂質(zhì)壤土）和0.952（砂土），只要有足夠降雨量（264 mm），4種質(zhì)地土壤中外源Cl-累計淋出率均可達到92%以上。

表4 外源Cl-累計淋出率在不同降雨量下與土壤質(zhì)地相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of cumulative exogenous Clleaching efficiency with soil texture under different rainfall amounts

2.4 降雨量和氯用量對不同質(zhì)地土壤中K+淋出率的影響

不同降雨量條件下，不同質(zhì)地土壤中淋出液中K+淋出率如表5所示，K+淋出率均隨降雨量增加而增加，K+累計淋出率與降雨量相關(guān)系數(shù)為0.904（黏壤土）、0.976（壤土）、0.977（砂質(zhì)壤土）和0.978（砂土）（P＜0.05）。降雨量達到220 mm時，土壤中Cl-淋出率達到92%以上，但除砂土中K+淋出率達到10.7%～12.4%，其他3種土壤K+淋出率均在1.5%～6.0%之間，說明氯用量增加不顯著提高K+淋洗。

表5 降雨量和氯用量對不同質(zhì)地土壤中K+淋出率的影響Table 5 Effects of rainfall and chlorine dosage on K+leaching from soils with different textures

2.5 降雨量對不同質(zhì)地土壤中Cl-空間分布的影響

淋洗結(jié)束后對土壤中Cl-含量測定表明，不同質(zhì)地土壤中外源Cl-殘留率分別為98.1%～99.2%（55 mm），52.5%～83.6%（110 mm），7.6%～12.4%（220 mm）和6.1%～6.9%（440 mm），外源Cl-在土壤中最大殘留率為6.9%，外源Cl-殘留量與降雨量相關(guān)系數(shù)為-0.628（黏壤土）、-0.583（壤土）、-0.647（砂質(zhì)壤土）和-0.633（砂土）（P＜0.05），結(jié)果見表6。

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降雨量為55 mm時，在黏壤土、壤土和砂質(zhì)壤土中不同土層Cl-含量差異不顯著，砂土在20～30 cm土層中Cl-含量均顯著高于0～10 cm、10～20 cm土層（P＜0.05），說明土壤中Cl-雖已明顯開始下移，但未淋出耕層；降雨量為110 mm時，不同質(zhì)地土壤Cl-已開始部分淋出，20～30 cm土層中Cl-含量均顯著高于0～10 cm土層（P＜0.05），但0～20 cm土層中Cl-分布不同，黏壤土和壤土中10～20 cm土層中Cl-含量顯著高于0～10 cm（P＜0.05），砂土兩個土層中Cl-含量差異不顯著。Cl-在耕層土壤殘留率仍較高，分別為83.6%（黏壤土）、76.6%（壤土）、75.6%（砂質(zhì)壤土）和52.5%（砂土）；降雨量為220 mm時，土壤中Cl-大量淋出，不同質(zhì)地土壤中殘留率約為7.6%～12.4%，黏壤土和壤土3個土層中Cl-含量仍有差異顯著（P＜0.05），20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm土層，砂土和砂質(zhì)壤土土層中Cl-含量與不施氯處理間差異均不顯著；降雨量為440 mm時，土壤可淋出Cl-已淋出耕層，施氯土壤與不施氯土壤中Cl-含量無顯著差異，由不施氯土壤Cl-含量繼續(xù)降低可知，土壤中原有Cl-也發(fā)生淋洗。

2.6 建立線性回歸方程、獲得通徑系數(shù)

表7表明隨自變量被逐步引入回歸方程，回歸方程相關(guān)系數(shù)和決定系數(shù)逐漸增加，說明增加自變量對土壤中Cl-含量作用增加。

表7 模型匯總Table 7 Model summary

表8為各自變量回歸系數(shù)、截距、標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)（直接通經(jīng)系數(shù)）、標(biāo)準(zhǔn)誤差及相對顯著性檢驗結(jié)果，可得線性回歸方程為：Y=38.518-0.219X1+0.143X2+0.557X3。由通徑系數(shù)可見自變量X1（降雨量）、X2（施氯量）和X3（土壤黏粒含量）對Y（土壤Cl-含量）的直接作用分別為-0.578、0.545和0.149（P＜0.05），說明自變量與因變量間存在顯著差異，具有統(tǒng)計學(xué)意義，應(yīng)留在方程中。可根據(jù)降雨量、含氯肥料施用量和土壤質(zhì)地估算土壤Cl-殘留量。

表8 回歸參數(shù)估計及其顯著性Table 8 Regression parameter estimation and its significance

由表9可知，自變量對Y（土壤Cl-含量）直接作用表現(xiàn)為施氯量（X2）＞土壤黏粒含量（X3）＞降雨量（X1），施氯量和土壤黏粒含量對土壤Cl-含量有正向作用，降雨量與土壤Cl-含量有負向作用，間接作用影響較小。

表9 簡單相關(guān)系數(shù)的分解Table 9 Decomposition of simple correlation coefficient

2.7 田間驗證模擬試驗回歸方程

根據(jù)線性回歸方程Y=38.518-0.219X1+0.143X2+0.557X3，利用降雨量、施氯量和土壤黏粒含量估算土壤中Cl-含量，及綏化壤土（黏粒含量為12.89%）田間試驗實測土壤中Cl-含量見表10。

由表10可知，在降雨量為55～220 mm內(nèi)，實測結(jié)果與估算結(jié)果土壤中Cl-含量誤差范圍在[-9.5%,21.3%]，說明該方程可用于估算田間土壤為Cl-含量。

表10 計算結(jié)果與實際土壤Cl-含量變化對比Table 10 Comparison between the content measured by the regression equation and the actual soil Cl-content

3 討論與結(jié)論

3.1 土壤質(zhì)地對土壤中Cl-淋失與殘留的影響

土壤理化性質(zhì)與土壤中離子含量具有協(xié)同作用[12-13]，土壤中黏粒含量越多，其Cl-積累量越高[14]，本研究結(jié)果也表明，黏粒含量遠高于其他3種質(zhì)地土壤的黏壤土，在相同降雨量條件下，其最大累計淋出率與其他3種質(zhì)地土壤間雖無顯著差異，但Cl-平均淋出速率和最大淋出速率均小于其他土壤，且達到最大淋出速率和最大累計淋出率所需降雨量高于其他土壤。這是因土壤黏粒含量越多，土壤保水能力越強[15]，土壤水分垂直遷移速度越慢。而相同降雨量條件下，不同質(zhì)地土壤淋出液體積表現(xiàn)為砂土＞砂質(zhì)壤土＞壤土＞黏壤土，是因質(zhì)地黏重土壤中細小孔隙構(gòu)成的復(fù)雜孔徑以及帶電團聚體對離子吸附作用在一定程度上阻礙Cl-遷移[16]，要達到同樣淋洗效果，黏壤土所需時間和降水量/灌溉量更多。砂土因土壤孔隙多且連通性好，更有利于Cl-淋洗，砂土Cl-淋出量達到峰值較早，達到峰值時所需降雨量較少。

3.2 降雨量對土壤中Cl-淋失與殘留的影響

李金剛等指出，降雨量約為220 mm時，Cl-與砂質(zhì)土壤膠體之間吸附作用弱，因此Cl-隨水分遷移能力較強，在砂土耕層土壤中表現(xiàn)較強淋洗效果，黏壤土和壤土則需264 mm降雨量才可保證Cl-大量淋出[17]，與本試驗結(jié)果相同。不同質(zhì)地土壤中Cl-淋出量和淋出率均與降雨量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），4種質(zhì)地土壤中Cl-淋出量和降雨量相關(guān)系數(shù)為0.913～0.958，與王鵬山和關(guān)共湊的離子淋出量和降雨量相關(guān)系數(shù)為0.968～0.970和0.891～0.944一致[18-19]。由于Cl-易被淋洗，閻相奎等指出在降雨量為200 mm以下施用含氯化肥不會明顯增加耕層土壤中氯含量[20]。本試驗中同樣發(fā)現(xiàn)，氯用量在75～300 kg·hm-2內(nèi)，264 mm降雨量情況下4種質(zhì)地土壤耕層中外源Cl-殘留率不足10%，土壤中Cl-殘留量與降雨量呈顯著負相關(guān)（P＜0.01），相關(guān)系數(shù)為-0.647～-0.583。

3.3 降雨量對不同質(zhì)地土壤中Cl-空間分布的影響

Reynolds等采用同位素示蹤法測定收獲后土壤中不同土層氯含量，在0～80 cm土層中殘留率為4%～40%，土壤在0～60 cm幾乎無殘留[21]，本試驗測定隨降雨量變化土壤中氯含量，降雨量為55 mm時，土壤中Cl-分布位置已開始下移，垂直遷移距離不超過20 cm；降雨量為110 mm時，不同質(zhì)地土壤中部分Cl-垂直遷移距離超過25 cm，耕層土壤中Cl-殘留率高達52.5%～83.6%；降雨量為220 mm時，不同質(zhì)地耕層土壤中Cl-殘留率僅為7.6%～12.4%，均表現(xiàn)為20～30 cm＞10～20 cm＞0～10 cm土層，與降雨量達到200 mm，土壤中Cl-集中在土層15 cm以下的結(jié)論接近[22]；降雨量為440 mm時，4種質(zhì)地土壤中Cl-均達到最大淋洗量，與蔡毅等研究結(jié)果接近，作物采收后，施用與未施用氯化鉀處理0～40 cm土壤Cl-總含量無差異，說明耕層土壤中無氯積累，可能是氯已淋洗到更深層土壤中[23]。

3.4 含氯化肥的合理施用

種植馬鈴薯土壤氯適宜濃度為60～70 mg·kg-1，增產(chǎn)10%[24]，所以種植馬鈴薯土壤施氯量不能超過225 kg·hm-2。控制土壤氯含量在安全閾值范圍內(nèi)是氯敏感作物安全施用含氯肥料重要依據(jù)，根據(jù)模擬試驗結(jié)果建立土壤氯殘留量與降雨量、施氯量和土壤黏粒之間回歸方程。2021年綏化壤土（土壤黏粒含量12.89%）田間試驗結(jié)果表明在55～220 mm降雨量范圍內(nèi)，測定值和計算值間誤差范圍在[-9.5%,21.3%]，因此可利用降雨量或灌溉量、含氯肥料施用量及土壤黏粒含量估算土壤Cl-殘留量，或根據(jù)土壤黏粒含量、降雨量或灌溉量以及土壤氯臨界值確定含氯肥料施用量。本田間試驗僅在壤土中進行驗證，后續(xù)將增加不同質(zhì)地土壤田間驗證試驗，確定誤差范圍，提高預(yù)測精度，為氯敏感作物安全施用含氯肥料用量提供參考依據(jù)。