《Agricultural Water Management》：Addressing phosphorus hotspots using controlled drainage
编辑推荐：
农业磷素（P）热点区域可定义为由于磷素施用量超过作物移除量而导致土壤有效磷（STP）浓度升高的局部区域。这些热点区域通常在长期或高强度施磷后形成，并可能加剧农田边缘的磷素流失。本研究采用配对农田的“处理前-处理后-对照-影响”（BACI）设计，评估了磷素热点和
农业磷素（P）热点区域可定义为由于磷素施用量超过作物移除量而导致土壤有效磷（STP）浓度升高的局部区域。这些热点区域通常在长期或高强度施磷后形成，并可能加剧农田边缘的磷素流失。本研究采用配对农田的“处理前-处理后-对照-影响”（BACI）设计，评估了磷素热点和控制排水（CD）对通过地下排水产生的农田边缘磷素流失的单独及联合影响。研究人员对位于伊利湖西岸（俄亥俄州）、农艺管理措施相同的两块相邻农田进行了为期四年（2020–2023年）的监测。通过在“影响农田”中，分两次在8%的排水区域内按每次102 kg P/ha的速率施用磷肥，人为诱导了一个磷素热点。结果，热点区域内表层（0–5 cm）土壤有效磷浓度翻倍（从55增至119 mg P/kg）。此外，地下排水中每周平均总磷（TP）浓度从0.33 mg/L增至0.42 mg/L，但溶解性活性磷（DRP）的增加在统计上不显著。当对热点农田实施控制排水管理时，每周平均排水量减少了79%（从0.27 mm降至0.05 mm）。在此期间，排水中的每周平均DRP和TP浓度显著增加，但由于排水量减少，导致每周DRP负荷降低了89%，TP负荷降低了97%。这些结果表明，尽管磷浓度升高，但控制排水下的排水量减少导致地下磷负荷大幅降低。
**研究背景与问题**
农业面源污染，特别是磷（P）通过农田地下（暗管）排水系统的迁移，已被确定为导致伊利湖磷水平升高、加剧水体富营养化、引发有害藻华并导致缺氧状况的主要因素。为减轻排水系统的磷损失，已研究了多种磷减排策略，包括管理措施（如4R养分管理、保护性耕作和覆盖作物）以及农田边缘结构性保护措施（如控制排水和磷去除结构）。然而，磷损失在农业景观中并非均匀分布，这影响了磷减排策略的有效性和结果。为了确保磷减排策略具有针对性、成本效益高且能成功减少磷损失，必须全面了解驱动磷损失的因素，特别是土壤磷分布与减排措施之间的相互作用。
土壤有效磷（STP）较高的农田（通常称为遗留磷农田）与处于农艺需磷范围内的农田相比，通常与更高的磷损失相关。然而，农田内的STP浓度在空间上通常是异质的，存在局部磷浓度升高的区域，即“磷素热点”。这些热点可能通过重复施磷、粪肥和化肥分布不均、牲畜集中或长期管理实践（如干粪堆放）而形成。局部区域STP升高增加了通过地表径流或地下排水造成磷损失的风险，可能放大农田边缘的磷浓度并恶化下游水体。尽管磷素热点可能仅占农田总面积的很小一部分，但它们对总磷损失的贡献可能很显著，这凸显了需要有针对性的管理策略来处理这些关键源区。因此，更好地理解磷素热点如何影响STP浓度及相关的磷损失，是完善管理实践和更有效进行保护工作的关键。尽管科学界和政策界对高STP条件有相当大的兴趣，但其精细尺度的空间异质性、潜在驱动因素和变异尺度，无论是源于长期积累还是近期大量施用，仍不清楚。
除了土壤管理措施，水管理策略如控制排水（CD，也称为排水管理）因其减少农田边缘养分损失的潜力而受到关注。该实践通常在相对平坦的地形（一般<1%）、具有中高水力传导率的土壤中实施，以便有效调节地下水位而不引起地表积水或作物胁迫。CD通过调节地下排水系统的出水口高程来提高有效排水位，从而减少排水量。由此产生的排水量减少可降低地下排水水中溶解性活性磷（DRP）和总磷（TP）的损失。尽管其潜力已得到证实，但评估CD对磷损失影响的研究仍然非常有限，且主要集中于假设土壤磷分布均匀的农田。这一假设可能并不总是成立，因为土壤磷的田内变异性会影响磷的迁移，并可能导致对CD性能的误解。
鉴于人们日益认识到磷素热点是磷损失的关键源区，迫切需要了解这些高磷区域如何影响通过地下系统的磷迁移，以及CD是否能减轻其影响。据研究人员所知，尚无田间尺度的研究不仅评估磷素热点对地下磷损失的影响，还评估了当两者同时存在于同一农田时，CD在现实条件下抵消其影响的能力。理解这些相互作用对于完善养分管理实践、为政策决策提供信息以及最终减少导致有害藻华和其他水质损害的磷负荷至关重要。
**研究目标与方法概述**
本研究的主要目标是利用“处理前-处理后-对照-影响”（BACI）设计，研究在美国俄亥俄州农田中人为创建磷素热点对地下磷损失的影响。研究人员进一步评估了在具有磷素热点的农田中实施CD对排水量及相关磷损失的影响。具体目标包括：（i）评估局部区域升高的STP浓度如何随时间影响STP趋势和地下磷损失；（ii）确定CD是否能减轻与热点相关的不利影响。研究假设为：（1）创建磷素热点会由于STP升高以及溶解态和弱吸附态磷库增加而增加排水中的DRP和TP浓度，从而在排水事件期间增强浓度梯度和迁移潜力；（2）采用CD将通过水文调节（通过地下水位管理减少排水量和频率、增加水停留时间）减少DRP和TP负荷，从而尽管源强增加但仍限制了质量迁移，可能抵消磷素热点的负面影响。
为开展研究，研究人员选择了位于俄亥俄州伊利湖西岸流域迪法恩斯县、属于美国农业部农业研究局（USDA-ARS）农田边缘（EoF）监测网络的一个研究点。该地点由配对的排水农田（A田和B田）组成，每块田均配备独立的地下暗管排水出口。两块田在统一的作物轮作、农艺措施以及粪肥和化肥施用管理下运作，采用玉米-小麦两年轮作和保护性耕作（免耕）系统。通过自动化监测系统连续记录地下排水量并收集周期性水样，用于分析DRP和TP。研究采用BACI实验设计，利用四年（2020–2023）的水文和水质数据，评估磷素热点单独及其与CD结合对排水量和磷损失的影响。在B田（影响田）内一个0.8公顷（占排水区域8%）的区域，分两次施用磷酸一铵（MAP）肥料（每次448 kg/ha，约合102 kg P/ha）以创建磷素热点。CD于2021年10月在B田开始实施。使用广义线性混合模型（GLMM）进行统计分析，以周为时间单位评估处理效果。
**研究结果**
**3.1 土壤有效磷（STP）**
在热点区域内，表层（0–5 cm）STP浓度从2020年9月的55 mg P/kg显著增加到2023年9月的119 mg P/kg，表明成功创建了磷素热点。5–15 cm和15–30 cm土层STP也出现明显增加，表明磷在土壤剖面中发生了垂直再分配。对照田相应土层的STP浓度则呈下降趋势。热点区域内的额外采样进一步证实了施肥后磷的积累和垂直再分配，其中2021年9月记录到最高的STP浓度（0–5 cm层达299 mg P/kg），随后有所下降并伴随向更深土层的迁移。
**3.2 磷素热点对通过排水造成的磷损失的影响**
*3.2.1 DRP负荷及相关浓度指标*
创建磷素热点对每周排水量、每周DRP负荷、DRP流加权平均浓度（FWMC）或每周平均DRP浓度均未产生显著的BACI（处理前-处理后-对照-影响交互作用）效应。尽管数值上有所增加，但统计上不显著。
*3.2.2 TP负荷及相关浓度指标*
同样，磷素热点对每周TP负荷和TP FWMC也未产生显著的BACI效应。然而，每周平均TP浓度表现出显著的BACI效应，在对照田略有下降（-20%），而在影响田则增加（+28%）。这表明热点可能导致了与颗粒结合磷或其他非DRP形态磷相关的损失增加。
**3.3 磷素热点与控制排水结合对排水量和磷损失的影响**
*3.3.1 排水量*
实施CD后，影响田的每周平均排水量大幅减少（-79%），并检测到显著的BACI效应。这归因于CD通过抬高排水出口来减少出流。
*3.3.2 DRP负荷及相关浓度指标*
CD显著减少了每周DRP负荷（-89%），并检测到显著的BACI效应。每周DRP FWMC无显著变化，但每周平均DRP浓度在影响田显著增加（+131%）。BACI对比和CI-发散度指标表明处理后期两块田的差异更大。
*3.3.3 TP负荷及相关浓度指标*
CD同样显著减少了每周TP负荷（-97%），并检测到显著的BACI效应。TP FWMC无显著变化，但每周平均TP浓度在影响田显著增加（+61%）。负荷的减少主要归因于排水量的大幅下降。
**讨论与结论**
**讨论部分总结**
研究观察到的STP剖面表明热点区域表层显著富集，并随时间在更深土层出现可测量的增加，表明部分施用的磷在土壤剖面中发生了垂直移动。这种移动可能因单次大量施磷（102 kg P/ha）而加剧，因为大量可溶性磷在达到吸附平衡前更容易向下迁移。
磷素热点本身并未显著影响每周平均排水量，这与先前研究一致，即排水量主要由降水模式和入渗动态控制。相比之下，CD使影响田排水量大幅减少（-79%），这归因于CD通过抬高出口来保持更多水分在土壤剖面中。然而，研究地点的保德林粘土土壤粘重、饱和导水率低，可能影响了CD的响应速度和程度。
磷素热点未显著影响每周DRP负荷、DRP FWMC、平均DRP浓度、TP负荷和TP FWMC，尽管STP显著升高。这可能因为热点仅占排水区域的8%，且约1-2米厚的低磷底土具有相当的磷吸附能力，缓冲了潜在的损失。此外，磷在排水中的迁移不仅受STP影响，还受底土磷平衡、水文路径和土壤化学条件（如pH和氧化还原条件）等因素控制。平均TP浓度的显著增加可能与非DRP形态（如颗粒结合磷）的损失有关，但具体机制因未测量颗粒物指标而未能明确。
CD对磷负荷的影响强于磷素热点。当与热点结合时，CD使每周DRP负荷减少89%，TP负荷减少97%。负荷的减少主要归因于CD限制了排水出流，从而减少了磷的质量迁移。然而，CD期间平均DRP和TP浓度显著增加，这可能反映了第二次施磷、排水量减少以及其他相互作用的水文和生物地球化学过程的综合影响。CD可能通过形成还原条件增加磷的溶解度，或改变土壤水分状况促进优先流，缩短富磷水与底土的接触时间。尽管浓度增加，但由于排水量大幅减少，总体负荷仍显著下降。
本研究方法的一个关键优势是在真实田间条件下使用了配对农田BACI框架，结合了长期边缘监测、高频流量测量、重复水质采样和广义线性混合模型。但需注意，CD是在热点建立后实施的，因此后期研究反映了热点和CD的联合影响而非完全独立的析因比较；此外，研究仅关注地下排水，未包括地表径流路径；分析基于周度聚合指标，结果最适合在周度至季节性时间尺度上解释。
**研究结论**
本研究使用配对农田和BACI实验设计，利用四年（WY2020 – WY2023）的实测数据，评估了磷素热点和CD对俄亥俄州西北部一块农田地下排水量及相关磷损失的单独和联合影响。结果表明，建立局部磷素热点显著增加了地下排水中的每周平均TP浓度，凸显了即使此类区域仅占农田一小部分，其带来的环境风险。然而，磷素热点并未显著影响每周DRP或TP负荷及FWMC，这可能是由于排水量对磷迁移的压倒性影响。
相比之下，实施CD显著减少了每周排水量，从而降低了相关的DRP和TP负荷，凸显了其作为减少地下磷损失的保护性措施的潜力。然而，本研究显示在CD期间观察到磷浓度升高，可能反映了第二次施磷、排水量减少以及其他相互作用的水文和生物地球化学过程的综合影响。这些发现表明，在特定水文条件下，CD等保护措施可能减少地下磷负荷，但可能无法完全缓解与局部磷素热点相关的环境风险。
本研究强调了实施有针对性的排水管理策略对于有效减少农业景观磷损失的关键重要性。鉴于磷动态的复杂性，建议进一步研究。具体而言，未来研究应纳入更深土壤剖面的磷表征、跨越不同天气模式的更长期监测，以及在不同土壤类型和热点强度（大小和浓度）下的评估。此外，由于本研究仅关注地下排水，未来工作应整合地下和地表水文路径。研究地表径流路径，特别是在径流不可忽略的条件下，对于理解径流和排水损失之间的权衡以及全面评估磷减排策略的性能至关重要。此外，改进土壤剖面内侧向流路径的表征将有助于更好地量化替代迁移机制。纳入额外的水质指标，如总悬浮固体（TSS），也将为颗粒磷迁移提供进一步见解，并改进对TP和DRP动态的解释。
