红壤性水稻土磷素淋溶流失特征及环境阈值研究
Characteristics of Phosphorus Leaching Losses and Environmental Threshold in Red Paddy Soils
-
Keywords:
- red paddy soil /
- phosphorus /
- leaching loss /
- the environmental threshold value
-
贵州省是中国西部重要农业生产区，其农作物播种面积和产量(如水稻、玉米、油菜、烤烟、马铃薯、猕猴桃和刺梨等)在中国占重要地位，秋季是该区农作物播种、生长和成熟的关键时期，该时期发生的连续性降水将深刻影响农作物耕种和收获，甚至引起秋涝，造成严重的农业损失[1]。秋绵雨是主要发生于中国西部地区(包括贵州省)的秋季连续阴雨现象，它是中国雨季的重要阶段[2]。在全球气候变化背景下，不同区域秋季降水特点发生了明显变化[3]，这将深刻影响秋绵雨变化规律。厘清贵州省秋绵雨变化规律对该区秋季农业气象服务、秋绵雨科学预报以及应对气候变化具有重要的意义。
目前，学者们已从秋绵雨演变特征、对农作物的影响和成因等方面开展相关研究，其中秋绵雨演变研究主要关注中国西部地区，如王春学等[4]分析了中国华西秋雨的气候变化规律，薛春芳等[5]分析了1960—2009年渭河流域秋雨变化特征，仅有少量学者关注中国北方[6]以及南海地区[7]。此外，秋绵雨对农作物产量和生产的影响也受到关注，如余显权等[8]和李长权等[9]分别分析了秋雨对水稻产量和烟叶生产的影响。大量学者从大气环流(如位势高度场、水汽场、风场、海温和环流异常等)方面开展不同区域秋绵雨的成因分析，研究表明大气环流演变及异常是影响秋绵雨的重要因素[10-12]。贵州省作为秋绵雨发生频繁地区，在全球气候变化背景影响下，其变化规律的研究还未见报道。因此，本研究利用逐日降水量观测资料，分析1960—2017年贵州省秋绵雨时空变化特征。
1. 材料与方法
1.1 资料及概念界定
本研究主要利用贵州省84个气象站点1960—2017年9—11月逐日降水观测资料，缺测数据多为短期(单日或几日)，无月或年的长时间缺测，该数据质量整体较好，数据利用临近站点平均值进行插值。依据文献[13]将贵州省秋绵雨界定为：每年9月1日~11月30日发生的持续时间5 d及以上的日降水量≥0.1 mm的时段，如秋绵雨持续时间为5~10 d即为轻度绵雨，持续时间为11~15 d即为中度绵雨，持续时间≥16 d即为重度绵雨。
1.2 方法
1.2.1 秋绵雨发生频率
表示某一时间段内秋绵雨发生频繁状况，计算公式为
$P = n/N \times 100{\text{%}}$
(1) 式中，P为秋绵雨发生频率，%；n为某一气象站点发生秋绵雨的总年份；N为研究总年份。
1.2.2 秋绵雨发生站次比
表示秋绵雨发生的空间范围大小，计算公式为
$W = m/M \times 100{\text{%}}$
(2) 式中，W为秋绵雨发生站次比，%；m为发生秋绵雨的站数；M为气象站总数。如W≥50%，表示发生全域性秋绵雨，50%>W≥25%表示发生区域性秋绵雨，25%>W≥10%表示发生局域性秋绵雨，W<10%表示无明显秋绵雨。
1.2.3 秋绵雨指数
依据文献[14]，引入秋绵雨指数分析秋绵雨强度变化特征，计算公式为
$I = {P_i}/{P_j} \times W$
(3) 式中，I为秋绵雨指数；Pi为秋季降水量；Pj为全年降水量；W为秋绵雨日数。
1.2.4 其他方法
采用线性回归方程[15]和小波分析法[16]研究贵州省秋绵雨变化趋势及周期特征，利用IDW空间插值法[17]分析贵州省秋绵雨变化的空间特征。
2. 结果与分析
2.1 秋绵雨发生频次变化
由图1可见：1961、1967、1972、1978、1981、1982、1987和2010年是秋绵雨发生频次较高年份，1979、1980、1998、2001、2002和2015年是秋绵雨发生频次较低年份。58年间轻度、中度、重度和全部的秋绵雨发生次数均呈下降趋势，其中轻度和全部的秋绵雨下降幅度较大，而中度和重度的秋绵雨下降幅度较小。从不同年代看(表1)，20世纪60年代至21世纪00年代全部的秋绵雨发生频次一直呈下降趋势，而至21世纪10年代，秋绵雨发生频次呈增加趋势。轻度的秋绵雨发生频次呈先增加，然后下降，最后再增加的特点。中度和重度的秋绵雨发生频次均经历先下降再增加，然后下降，最后再增加的特点，其中20世纪70年代和21世纪00年代是发生频次低谷期。
![]()
图 1 1960—2017年贵州省秋绵雨发生频次年际变化Figure 1. Interannual variability of occurrence frequency for autumn rain from 1960 to 2017 in Guizhou Province表 1 1960—2017年贵州省秋绵雨发生频次不同年代变化Table 1. Decadal variability of occurrence frequency of autumn rain from 1960 to 2017 in Guizhou Province年代years 轻度mild 中度moderate 重度severe 全部total 1960—1969 1.98 0.56 0.14 2.68 1970—1979 2.15 0.47 0.05 2.67 1980—1989 2.02 0.52 0.12 2.55 1990—1999 1.63 0.32 0.13 2.08 2000—2009 1.32 0.29 0.05 1.67 2010—2017 1.84 0.35 0.06 2.23 由图2可知：贵州省绝大部分地区的轻度、中度和重度秋绵雨发生频次均呈下降趋势，仅有零星地区的发生频次呈增加趋势。轻度秋绵雨发生频次下降高值区位于西北部和南部，仅有西部小部分地区发生频次呈增加趋势，中度秋绵雨发生频次下降高值区主要分布在西部和西北部，仅有中部地区呈增加趋势，重度秋绵雨发生频次下降高值区主要位于西部以及东部零星地区，仅有西北部和中部等零星地区呈增加趋势。贵州省各地的全部秋绵雨发生频次均呈下降趋势，其中下降高值区位于西北部和南部，下降低值区位于西南部和中北部。
![]()
图 2 1960—2017年贵州省秋绵雨发生频次变化趋势空间格局Figure 2. Spatial pattern of variation trend of occurrence frequency for autumn rain in Guizhou Province from 1960 to 20172.2 秋绵雨发生频率空间格局
由图3可知：轻度秋绵雨发生频率呈现北部较高、南部和西部较低的特点，中度和重度秋绵雨发生频率均呈现从东部和南部向西部增加的特点，全部秋绵雨发生频率呈现西部和北部较高、南部较低的特点。
![]()
图 3 1960—2017年贵州省秋绵雨发生频率空间格局Figure 3. Spatial pattern of occurrence frequency for autumn rain in Guizhou Province from 1960 to 20172.3 秋绵雨发生站次比变化
由图4可知：除2016年外，其他年份全省均发生了全域性轻度秋绵雨，此外，全省大部分年份发生了区域性和局域性中度秋绵雨，但大多数年份没有发生重度秋绵雨，仅有1964、1965、1982、1991、1993、1997和2006年发生了范围相对较大的重度秋绵雨，全省全部年份均发生了全域性全部秋绵雨。从不同年代看(表2)，轻度秋绵雨发生站次比呈现先增加、后下降和再增加的特点；中度和全部秋绵雨发生站次比呈现先下降、后增加和再下降、最后增加的特点；重度秋绵雨发生站次比呈现先下降、后增加和再下降的特点。
![]()
图 4 1960—2017年贵州省秋绵雨发生站次比年际变化Figure 4. Interannual variability of occurrence station proportion of autumn rain from 1960 to 2017 in Guizhou Province表 2 1960—2017年贵州省秋绵雨发生站次比不同年代变化Table 2. Decadal variability of occurrence station proportion of autumn rain from 1960 to 2017 in Guizhou Province年代years 轻度mild 中度moderate 重度severe 全部total 1960—1969 88.95 44.74 12.11 97.37 1970—1979 90.00 40.53 4.74 93.68 1980—1989 88.42 42.63 11.58 96.84 1990—1999 87.37 24.74 13.16 92.63 2000—2009 77.37 27.89 5.26 86.32 2010—2017 81.58 28.29 4.61 86.84 2.4 秋绵雨发生变化周期性特征
由图5可知：轻度秋绵雨发生频次上存在7、11和19年3个时间尺度的变化周期，其中19年为变化的第1主周期，经历了5次变化循环。中度秋绵雨发生频次上存在5、8和23年3个时间尺度的变化周期，其中8年为变化的第1主周期，经历了10余次变化循环。重度秋绵雨发生频次上存在5、8、13和22年4个时间尺度的变化周期，其中13年为变化的第1主周期，经历了8次变化循环。全部秋绵雨发生频次上存在7和19年2个时间尺度的变化周期，其中19年为变化的第1主周期，经历了5次变化循环。
![]()
图 5 1960—2017年贵州省秋绵雨发生频次变化周期特征Figure 5. Cycle characteristics of occurrence frequency for autumn rain in Guizhou Province from 1960 to 20172.5 秋绵雨指数(强度)变化
由图6可见：1961、1963、1972、1978、1981、1982和1994年是秋绵雨指数较高年份，1980、1992、1998、2002、2004和2009年是秋绵雨指数较低年份。58年间，秋绵雨指数整体呈下降趋势。从不同年代看(表3)，秋绵雨指数呈现先增加、后下降和再增加趋势，其中20世纪70年代和21世纪00年代分别为高峰期和低谷期。
表 3 1960—2017年贵州省秋绵雨指数不同年代变化Table 3. Decadal variability of autumn rain index from 1960 to 2017 in Guizhou province年代 time 1960—1969 1970—1979 1980—1989 1990—1999 2000—2009 2010—2017 秋绵雨指数 autumn rain index 5.31 5.49 4.92 3.74 2.64 3.83 ![]()
图 6 1960—2017年贵州省秋绵雨指数年际变化Figure 6. Interannual variability of autumn rain index from 1960 to 2017 in Guizhou province由图7可知：贵州省全部地区的秋绵雨指数均呈下降趋势，其中下降高值区位于全省西部以及东部小部分地区，下降低值区主要分布全省中北部以及东南部和西南部的小部分地区。
![]()
图 7 1960—2017年贵州省秋绵雨指数变化趋势空间格局Figure 7. Spatial pattern of change trend for autumn rain index from 1960 to 2017 in Guizhou Province3. 讨论
本研究发现58年间贵州省秋绵雨发生频次呈下降趋势，这与张顺谦等[18]对中国西南地区华西秋雨的研究结果、高阳华等[19]对重庆市秋雨的研究成果较为一致。已有研究表明秋雨的形成与水汽输送强弱、大气环流有关[20]。印度洋通道、孟加拉湾通道及南海太平洋通道作为影响华西秋雨的主要水汽通道，其在过去几十年间呈现减弱趋势[21]。西太平洋副热带高压与印度低压作为影响秋雨年际变化的重要因素[22]，西太平洋副热带高压偏西、偏北和偏南时以及印度低压(较强)明显时秋雨发生频率增强[22]。近几十年来，西太平洋副热带高压偏东以及印度低压偏弱[23]，造成秋雨发生频率下降。此外，张顺谦等[18]对华西秋雨发生频率空间格局的研究结果与本研究结果存在一定偏差，这主要与秋绵雨的界定存在一定差异有关。值得注意的是，21世纪10年代开始贵州省秋绵雨发生频次和强度均呈增加趋势，这会对秋绵雨发生频率较高地区(如贵州西部)产生严重负面影响，亟须构建应对策略，减少农业生产损失。
4. 结论
58年间贵州省秋绵雨发生频次整体上呈下降趋势，轻度和全部的秋绵雨下降幅度高于中度和重度。21世纪各等级及全部的秋绵雨均呈增加趋势。各等级及全部的秋绵雨变化趋势及发生频率的空间格局存在明显差异。轻度和全部的秋绵雨以全域性发生为主，中度秋绵雨以区域性和局域性发生为主，重度秋绵雨以无明显发生为主。各等级及全部的不同年代秋绵雨发生站次比变化波动较大。轻度、中度、重度和全部的秋绵雨分别存在3、3、4和2四个时间尺度的变化周期。秋绵雨指数整体上呈下降趋势，下降高值区位于全省西部以及东部小部分地区，下降低值区主要分布全省中北部以及东南部和西南部的小部分地区。
-
![]()
图 1 不同磷素水平红壤性水稻土各土层渗漏液中磷素的平均含量
Figure 1. The average content of phosphorus in the leachate of various soil layers of red paddy soil with different phosphorus levels
![]()
图 2 不同磷素水平水稻土磷素下渗流失量
Figure 2. Leachingout of phosphorus infiltration in red paddy soils with different phosphorus levels
![]()
图 3 土壤中Olsen-P含量与渗漏液中总磷浓度的关系
Figure 3. Relationship between Olsen-P content in soil and total phosphorus concentration in leachate
表 1 供试土壤(0~20 cm)的基本性质
Table 1 Basic properties of the tested soil (0-20 cm)
磷素水平
phosphorus levelspH 有机质含量/
(g·kg−1) OM无定形氧化铁含量/
(g·kg−1) Fe无定形氧化铝含量/
(mg·kg−1) Al速效磷含量/
(mg·kg−1) AP全磷含量/
(g·kg−1) TP土壤质地
soil textureP1 5.92±0.04 37.90±0.56 2.33±0.20 11.76±0.05 18.20±1.38 a 1.00±0.06 黏土clay P2 6.70±0.07 35.91±0.34 2.20±0.06 11.28±0.11 57.16±1.22 b 1.19±0.02 黏土clay P3 5.03±0.03 16.97±0.33 1.74±0.12 9.39±0.31 107.85±5.61 c 1.25±0.04 壤质黏土loamy clay 注：同一列不同字母表示在P<0.05水平差异显著。
Note: Different letters in the same column indicate significant difference at P<0.05 levels.
下载: 导出CSV
表 2 红壤性水稻土磷素剖面分布
Table 2 Distribution of phosphorus profiles in red paddy soils
剖面深度/cm
soil depth全磷含量/(g·kg−1) TP 速效磷含量/(mg·kg−1) AP P1 P2 P3 P1 P2 P3 0~20 1.00±0.06 1.19±0.02 1.25±0.04 18.20±1.38 57.16±1.22 107.85±5.61 >20~40 0.94±0.04 0.96±0.02 1.08±0.05 14.26±1.09 31.21±2.61 50.21±4.42 >40~60 0.60±0.02 0.86±0.04 0.82±0.09 12.16±0.75 15.33±1.59 15.92±1.60
下载: 导出CSV
-
[1] 刘星, 梁成华, 杜立宇, 等. 施磷对水稻土磷素淋溶的影响[J]. 广东农业科学, 2012(9): 55. DOI: 10.3969/j.issn.1004-874X.2012.09.038. [2] 李卫正, 王改萍, 张焕朝, 等. 两种水稻土磷素渗漏流失及其与Olsen磷的关系[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2007, 31(3): 52. DOI: 10.3969/j.issn.1000-2006.2007.03.011. [3] 张红爱, 张焕朝, 钟萍. 太湖地区典型水稻土稻—麦轮作地表径流中磷的变动规律[J]. 生态科学, 2008, 27(1): 17. DOI: 10.3969/j.issn.1008-8873.2008.01.004. [4] 宋春丽, 樊剑波, 何园球, 等. 不同母质发育的红壤性水稻土磷素吸附特性及其影响因素的研究[J]. 土壤学报, 2012, 49(3): 607. DOI: 10.11766/trxb201104200142. [5] 李忠佩, 李德成, 张桃林, 等. 红壤水稻土肥力性状的演变特征[J]. 土壤学报, 2003, 40(6): 870. DOI: 10.11766/trxb200212080611. [6] 王姗娜. 长期施肥下我国典型红壤性水稻土肥力演变特征与持续利用[D]. 北京: 中国农业科学院, 2012. [7] 叶会财, 李大明, 黄庆海, 等. 长期不同施肥模式红壤性水稻土磷素变化[J]. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1521. DOI: 10.11674/zwyf.2015.0618. [8] 黄庆海, 李茶苟, 赖涛, 等. 长期施肥对红壤性水稻土磷素积累与形态分异的影响[J]. 土壤与环境, 2000, 9(4): 290. DOI: 10.3969/j.issn.1674-5906.2000.04.010. [9] 张翼, 岳玉波, 赵峥, 等. 不同施肥方式下稻田氮磷流失特征[J]. 上海交通大学学报(农业科学版), 2015, 33(1): 1. DOI: 10.3969/j.issn.1671-9964.2015.01.001. [10] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000. [11] 李学平, 石孝均, 刘萍, 等. 紫色土磷素流失的环境风险评估—土壤磷的" 临界值”[J]. 土壤通报, 2011, 42(5): 1153. DOI: 10.19336/j.cnki.trtb.2011.05.024. [12] 庄远红. 蔬菜地土壤磷素状况及其淋失风险研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2006. [13] 徐红娇, 包立, 张乃明, 等. 滇池流域不同利用方式红壤渗滤液的磷素形态变化[J]. 水土保持学报, 2015, 29(3): 267. DOI: 10.13870/j.cnki.stbcxb.2015.03.048. [14] 袁兴程, 钱新, 庞宗强, 等. 不同土地利用方式土壤表层氮、磷流失特征研究[J]. 环境化学, 2011, 30(9): 1657. [15] 陆欣欣, 岳玉波, 赵峥, 等. 不同施肥处理稻田系统磷素输移特征研究[J]. 中国生态农业学报, 2014, 22(4): 394. DOI: 10.3724/SP.J.1011.2014.31036. [16] 项大力, 杨学云, 孙本华, 等. 灌溉水平对土磷素淋失的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(1): 112. DOI: 10.11674/zwyf.2010.0116. [17] HANSEN N C, GUPTA S C, MONCRIEF J F. Snowmelt runoff, sediment, and phosphorus losses under three different tillage systems[J]. Soil and Tillage Research, 2000, 57(1/2): 93. DOI: 10.1016/s0167-1987(00)00152-5.
[18] GAYNOR J D, FINDLAY W I. Soil and phosphorus loss from conservation and conventional tillage in corn production[J]. Journal of Environmental Quality, 1995, 24(4): 734. DOI: 10.2134/jeq1995.00472425002400040026x.
[19] HESKETH N, BROOKES P C. Development of an indicator for risk of phosphorus leaching[J]. Journal of Environment Quality, 2000, 29(1): 105. DOI: 10.2134/jeq2000.00472425002900010013x.
[20] 颜晓, 王德建, 张刚, 等. 长期施磷稻田土壤磷素累积及其潜在环境风险[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(4): 393. DOI: 10.3724/SP.J.1011.2013.00393. [21] 张焕朝, 张红爱, 曹志洪. 太湖地区水稻土磷素径流流失及其Olsen磷的" 突变点”[J]. 南京林业大学学报(自然科学版), 2004, 28(5): 6. DOI: 10.3969/j.issn.1000-2006.2004.05.002. [22] 梁圆, 王兴祥, 张桃林. 基于水环境风险的红壤性水稻土Olsen-P 突变点研究[J]. 土壤, 2008, 40(5): 770. DOI: 10.3321/j.issn:0253-9829.2008.05.016. -
期刊类型引用(2)
1. 衮毅，施倩雯，王志红，胡妍妍，聂祥. 毕节市秋绵雨时空特征分析. 山地气象学报. 2024(04): 96-101 . 
百度学术
2. 曹蔚，汪卫平，王烁，陈早阳，李忠燕，王玥彤. 贵州省秋季连阴雨时空变化特征及典型过程研究. 沙漠与绿洲气象. 2023(01): 32-38 . 百度学术
其他类型引用(1)
计量
- 文章访问数: 2470
- PDF下载量: 13
- 被引次数: 3
