长期猪粪施用对南非夸祖鲁-纳塔尔两种典型土壤剖面磷组分分布的影响及环境风险评价

本文系统研究了长期猪粪（PS）施用对南非两种典型土壤（Luvisol与Ferralsol）剖面中磷（P）组分分布的影响。结果表明，长期PS施用导致土壤全磷（Total P）、有效磷（Available P）及铝结合磷（Al-P）、铁结合磷（Fe-P）等无机磷组分显著累积，尤其在表层400 mm内富集明显。研究揭示了PS施用虽可提升土壤肥力，但也大幅增加了磷通过径流和侵蚀污染水体的风险，强调了在维持土壤肥力的同时需加强环境风险监测与管理的迫切性。

　　

摘要

本研究探讨了长期猪粪（PS）施用对南非夸祖鲁-纳塔尔地区两种对比土壤——Luvisol和Ferralsol剖面中磷（P）组分分布的影响。通过50年以上PS施用的牧草地土壤、未扰动土壤以及玉米-大豆轮作体系下不同施用年限的Ferralsol土壤的对比分析，发现年均P输入量在Luvisol和Ferralsol中分别达到147 kg P ha^?1和58.8 kg P ha^?1，另加矿物肥料提供的30 kg P ha^?1。土壤多深度样本分析显示，全P在Luvisol和Ferralsol中分别增至2 824 mg kg^?1和3 415 mg kg^?1，有效P在表层400 mm内分别达到101 mg kg^?1和112 mg kg^?1。有机P也显著增加，Ferralsol中为2 597 mg kg^?1，Luvisol中为1 891 mg kg^?1。两种土壤中，Fe-P（355和491 mg kg^?1）和Al-P（255和239 mg kg^?1）在超过20年PS施用后均显著上升。在Luvisol中，Al-P积累（255 mg kg^?1）局限于表层100 mm，而在Ferralsol中延伸至400 mm。这表明磷淋失风险较低，但通过径流和侵蚀导致地表水污染的风险较高。研究强调了监测PS施用效果对减轻环境风险、同时维持土壤肥力的重要性。

引言

集约化生产系统中产生大量猪粪（PS），其含有氮（N）、磷（P）、钾（K）等植物必需养分。PS施用可提高土壤有机碳（SOC）和养分水平，减少对矿物肥料的依赖，从而提升农业可持续性。然而，重复施用PS可能导致P累积超过植物需求，引发富营养化等环境问题。PS中的P主要以有机形式添加，经矿化后与铝（Al）、铁（Fe）或钙（Ca）沉淀，或固定在Fe和Al氧化物中，其分布受土壤条件和气候因素影响。尽管已有研究关注PS对P有效性的影响，但关于P组分在土壤剖面中分布的研究较少，尤其在南非缺乏相关数据。本研究通过分析Luvisol和Ferralsol两种土壤中P组分的剖面分布，旨在为养分管理和环境保护提供依据。

材料与方法

PS施用对半干旱条件下Luvisol牧草地的影响

研究位于Ukulinga研究农场（29°39′44″ S, 30°24′17″ E），海拔788 m，半干旱气候，年均降水量750 mm，年均气温18.3 °C。土壤为Bonheim型（Haplic Luvisol），粘土含量约39%。样本采自50年以上PS施用的牧草地、未施用的对照区及常规耕作的玉米地。按0–100、100–200、200–400、400–600、600–800和800–1 000 mm深度采集复合并处理样本。

PS施用年限对亚湿润条件下Ferralsol玉米-大豆轮作体系的影响

研究位于Baynesfield庄园（29°45′28″ S, 30°20′32″ E），海拔837 m，亚湿润亚热带气候，年均气温17.2 °C，年均降水量844 mm。土壤为Hutton型（Rhodic Ferralsols），粘土含量55–68%。土地实行玉米-大豆轮作，常规耕作，年施无机NPK肥料提供30 kg P ha^?1和40 kg K ha^?1，另加石灰调整pH。PS以70 m3 ha^?1年率施用，样本按对照、3–5年和>20年PS处理采集。

土壤分析

选择理化性质

分析0–100、100–200和200–400 mm深度的pH（KCl）、交换性酸度（EA）、有效K、铜（Cu）、锰（Mn）和锌（Zn）。pH按1:2.5土壤:1 M KCl测定，EA通过滴定法，有效养分使用AMBIC-2提取后ICP-OES测定。交换性Ca和Mg用1 M KCl提取后分析。

全磷及其组分

全P通过高氯酸-硝酸消化法测定。有效P用AMBIC-2提取。P组分分级提取包括：1 M NH₄Cl提取可溶和松散结合P，0.5 M NH₄F提取Al-P，0.1 M NaOH提取Fe-P，柠檬酸钠+碳酸氢钠+连二亚硫酸钠提取还原溶性P（与Al和Fe氧化物结合P），0.25 M H₂SO₄提取Ca-P。有机P为全P与无机P组分之和的差。P浓度通过抗坏血酸法测定。

数据分析

数据经正态性、独立性和方差齐性检验后，进行二因素方差分析（ANOVA），显著差异（p < 0.05）时使用Tukey检验进行多重比较。

结果

土地利用和土壤深度对Luvisol理化性质的影响

土地利用和深度对pH、有效P和Mn无显著交互作用，但对Cu和Zn有显著影响。PS施用牧草地的pH（4.94）和对照（4.99）高于耕作地（4.15）。有效P在PS处理牧草地（101 mg kg^–1）显著高于耕作地（39.4 mg kg^–1）和对照（20.2 mg kg^–1）。PS增加表层100 mm的Zn和Cu含量。Mn在耕作地较高（56.7 mg kg^–1），深度仅影响Mn，表层200内较高。

土地利用和深度对Luvisol中P组分的影响

全P、可溶和松散结合P、Al-P和Fe-P受土地利用和深度交互作用显著。PS处理牧草地表层100 mm全P（2 824 mg kg^–1）显著高于对照（1 257 mg kg^–1）和耕作地（1 554 mg kg^–1）。可溶和松散结合P在PS处理表层100 mm（53.5 mg kg^?1）较高。Al-P在PS处理（255 mg kg^?1）显著高于其他处理，且仅限于100 mm内。Fe-P在PS处理表层100 mm（355 mg kg^–1）较高。还原溶性P和Ca-P在PS处理中也有所增加。有机P在PS处理表层100 mm达1 891 mg kg^–1，随深度递减。

PS施用年限和深度对Ferralsol理化性质的影响

PS施用年限和深度对有效P、Zn和Cu有显著交互作用。>20年PS处理降低pH（4.33），增加有效Mn（21.5 mg kg^–1）。有效P在>20年处理中（58.6–112 mg kg^–1）显著高于3–5年（20–50 mg kg^–1）和对照（7.4–39.2 mg kg^–1），且延伸至400 mm深度。PS增加表层200 mm的Zn和Cu。

PS施用和深度对Ferralsol中P组分的影响

全P、Al-P、Fe-P和Ca-P受施用年限和深度交互作用显著。>20年PS处理全P（2 026–3 415 mg kg^–1）在表层400 mm内较高。Fe-P（258–491 mg kg^–1）和Al-P（达239 mg kg^–1）在>20年处理中增加，Al-P延伸至400 mm。可溶和松散结合P及还原溶性P未受处理影响。有机P在>20年处理中100–200 mm层达2 596 mg kg^–1，随深度递减。

讨论

长期PS施用导致Luvisol和Ferralsol全P和有效P显著积累，超过作物需求和环境阈值。Al-P和Fe-P在表层富集，尤其在Ferralsol中延伸更深，反映土壤矿物学和风化程度差异。Ca-P增加与PS和石灰添加有关。有机P占总P的62–69%，矿化可能进一步增加有效P。结果强调PS作为养分源和环境风险的双重角色，需通过监测土壤P水平和调整管理策略平衡生产和环境保护。

结论

长期PS施用显著增加土壤P储量，提高有效P至环境风险水平。虽然淋失风险低，但径流和侵蚀导致地表水污染风险高。土壤类型影响P组分分布，需定制管理策略。建议定期监测土壤P，停止过量PS施用，种植耐酸作物以减少可用P。政策需引导限制PS使用并推广吸P作物，未来研究应关注P转移动态和土壤特异性P阈值。

其他信息

研究地点：Ukulinga研究农场和Baynesfield庄园。资金：南非国家研究基金会（Grant no:122563）。数据可索取。无伦理问题。使用AI工具进行语法校对和结构优化。无利益冲突。作者贡献：PM设计并监督研究，SMZ执行实验和数据分析并撰写初稿。