三峡库区消落带紫色潮土磷形态转化过程

何立平， 兰 波， 林俊杰*， 段林艳， 廖雨涵， 徐正佳

1.重庆三峡学院， 重庆市三峡库区水环境演变与污染防治重点实验室， 重庆 404100 2.三峡库区生态和灾害防治重庆市协同创新中心， 重庆 404100

三峡水库蓄水后，库区水流放缓，支流水体富营养化程度加剧[1-3]. 磷是水体富营养化的关键因子[4]，农业面源污染是消落带和水体磷素的主要来源[5]. 消落带连接水陆生态系统，是流域农业面源污染进入水库的必经地带[6]. 随水位波动，消落带受周期性淹水-落干交替环境影响[7]，其土壤磷释放进一步增加了水体富营养化风险[8-10].

磷在土壤中的赋存形态决定了其向水体的迁移和释放能力[11-12]. 磷的形态转化过程主要包括：有机磷和矿物磷在解磷菌的作用下转化为水溶态磷(H2O-Pi)[13-14]；H2O-Pi被微生物同化为微生物磷；H2O-Pi通过化学沉淀和土壤吸附形成磷酸盐沉淀和吸附态磷[15-16]；铁磷(Fe-P)厌氧释放转化为H2O-Pi[17-18]. 在上述磷形态转化过程中，磷酸盐沉淀和吸附态磷可进一步划分为Fe-P、铝磷(Al-P)、钙磷(Ca-P)以及物理、化学吸附态磷. 修正的Hedley磷连续浸提法近来被广泛应用于土壤磷形态分级[19]，该方法将土壤磷素分为H2O-Pi、碳酸氢钠提取态磷〔NaHCO3-Pt，吸附于晶体矿物表面，包括无机磷(NaHCO3-Pi)和有机磷(NaHCO3-Po)〕、氢氧化钠提取态磷〔NaOH-Pt，与Fe3+、Al3+和有机物通过化学键结合，包括无机磷(NaOH-Pi)和有机磷(NaOH-Po)〕、盐酸提取态无机磷(HCl-Pi，与Ca2+通过化学键结合的无机磷)和残渣态磷(Residual-Pt，惰性磷).

目前三峡消落带土壤磷形态的研究主要包括土壤磷形态的分布特征[20-22]，外源物质输入对土壤磷形态的影响[23-25]，淹水-干湿交替过程对土壤无机磷形态变化的影响等[26-28]，而有关落干-淹水条件下消落带土壤有机及无机磷形态转化过程的研究却鲜有报道. 鉴于此，该研究以三峡库区消落带紫色潮土为研究对象，在落干和淹水条件下对消落带土壤进行连续培养，采用修正的Hedley连续分级提取法分析土壤磷形态变化，探讨消落带土壤磷形态转化过程，以期为降低三峡库区水体富营养化风险提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 采样及预处理

供试土壤为紫色潮土(微碱性沙土，三峡库区消落带主要土壤类型之一). 2015年6月，于万州段(30°49′26″N～30°49′38″N、108°24′45″E～108°26′16″E)消落带采用蛇形布点法沿145～175 m水位高程(农田和坡地)随机采集表层(0～20 cm)土壤样品20个. 采样后，样品立即于4 ℃下保存，送往实验室. 经去除动植物残体和石砾，自然风干，过2 mm筛，混匀形成混合样品后，立即分析土壤理化性质并开展培养试验. 土壤基本理化性质包括pH、土壤含水率(SMC)、碳氮比(C/N)、阳离子交换量(CEC)、土壤质地以及土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)含量，测定结果见表1. 土壤磷形态含量见表2.

表1 消落带土壤理化性质

表2 消落带土壤磷形态含量

1.2 土壤培养

将20 g土壤平铺于50 mL塑料瓶底部，调整土壤含水率至21.60%(消落带土壤含水率). 使用parafilm保水透气膜密封塑料瓶口，扎小孔透气，于25 ℃(落干期和淹水期土壤平均温度[7])恒温培养箱中预培养14 d，以消除采样、干燥、过筛等过程带来的干扰[19].

落干期土壤环境模拟：保持预培养土壤处理不变.

淹水期土壤环境模拟：缓慢添加40 mL去离子水后，采用高纯氮气(99.99%)排尽塑料瓶内空气(手套箱内完成，O2体积分数小于1×10-6)并加盖密封. 正式培养期间土壤培养温度设置为25 ℃.

预培养及落干期模拟培养期间土壤需定期补充水分(重量法)以维持21.60%的含水率. 正式培养期间分别于第0、1、3、6、10、15、20天破坏性取样. 试验共计培养土壤样品42个(7次破坏性取样×2个土壤环境×3个重复).

1.3 化学分析方法

采用修正的Hedley磷分级法对土壤磷进行分级提取[19]，测定H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-Pt含量. 提取液TP(过硫酸钾消解)和无机磷浓度均采用磷钼蓝比色法测定，TP浓度和无机磷浓度之差为有机磷浓度. 土壤TP含量和CEC分别采用碱熔-钼锑抗分光光度法和氯化钡缓冲液法测定[29-30]；土壤pH采用酸度计法测定(水土比为5∶1)；土壤质地和含水率分别采用比重计法和重量法测定；土壤TN和SOC含量分别采用凯氏法和重铬酸钾氧化-分光光度法测定.

1.4 磷形态转化速率

磷形态转化速率计算公式：

Vi=(Ci-C0)/i

(1)

式中：Vi为土壤培养第i天的磷形态转化速率，mg/(kg·d)；C0和Ci分别为土壤正式培养前和培养第i天的磷形态含量，mg/kg.

1.5 数据统计方法

采用单因素方差分析法检验土壤培养期间H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-Pt在非残渣态磷中的占比及其转化速率差异的显著性；采用Pearson相关分析法检验落干期和淹水期磷形态含量之间的相关性. 使用SPSS 18.0和SigmaPlot 14分别进行统计分析和制图. 检验显著性标准均设置为P<0.01.

2 结果与分析

2.1 H2O-Pi的转化速率

落干期和淹水期，H2O-Pi的转化速率呈指数衰减模式逐渐减小，分别由2.07和4.51 mg/(kg·d)逐渐降至0.43和0.63 mg/(kg·d)(见图1，R2=0.99，P<0.01)，最终于15～20 d内保持稳定(P>0.05). 这表明落干期和淹水期土壤中存在其他磷形态向H2O-Pi转化的过程，且随着培养时间的增加，该转化过程逐渐结束.

图1 落干期和淹水期土壤H2O-Pi的转化速率Fig.1 Transformation rate of H2O-Pi during the drying and flooding period

2.2 NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的转化速率

NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的转化速率在落干期和淹水期随着培养时间变化的趋势均符合指数衰减模式〔见图2，R2=0.99，P<0.01〕. 落干期，NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的转化速率分别由1.74和-6.27 mg/(kg·d)逐渐减至0.42和增至-0.69 mg/(kg·d). 淹水期，NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的转化速率分别由-1.84和-4.98 mg/(kg·d)逐渐增至-0.26和-0.55 mg/(kg·d). 上述转化速率均随着培养时间的增加而逐渐趋近于0 mg/(kg·d)，并于15～20 d保持稳定(P>0.05). 结果表明:落干期土壤中存在其他磷形态向NaHCO3-Pi转化的过程，而淹水期则相反；落干期和淹水期土壤中均存在NaHCO3-Po向其他磷形态转化的过程，且随着培养时间的增加，这些转化过程逐渐结束.

图2 落干和淹水期土壤NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的转化速率Fig.2 Transformation rates of NaHCO3-Pi and NaHCO3-Po during the drying and flooding periods

2.3 NaOH-Pi和NaOH-Po的转化速率

NaOH-Pi的转化速率在落干期和淹水期随培养时间变化的趋势均符合指数衰减模式〔见图3(a)，R2=0.99，P<0.01〕，在落干期由-1.78 mg/(kg·d)逐渐增至-0.21mg/(kg·d)，在淹水期由2.00 mg/(kg·d)逐渐减至0.22 mg/(kg·d)，最终均趋近于0 mg/(kg·d)，于10～20 d保持稳定(P>0.05). NaOH-Po的转化速率在落干期趋近于0 mg/(kg·d)，且无显著变化〔见图3(b)，P>0.05〕，在淹水期由-1.72 mg/(kg·d)呈指数衰减模式，逐渐增至-0.12 mg/(kg·d)(R2=0.99，P<0.01)，最终于10～20 d保持稳定(P>0.05). 结果显示，落干期土壤中存在NaOH-Pi向其他磷形态转化的过程，而淹水期则相反；同时，淹水期土壤中还存在NaOH-Po向其他磷形态转化的过程，且这些过程均随着培养时间的增加而逐渐结束.

图3 落干和淹水期土壤NaOH-Pi和NaOH-Po的转化速率Fig.3 Transformation rates of NaOH-Pi and NaOH-Po during the drying and flooding periods

2.4 HCl-Pi和Residual-Pt的转化速率

HCl-Pi的转化速率在落干期趋近于0 mg/(kg·d)，且无显著变化〔见图4(a)，P>0.05〕，在淹水期呈指数衰减模式，由0.47 mg/(kg·d)逐渐减至0.05 mg/(kg·d)(R2=0.99，P<0.01)，最终于10～20 d保持稳定(P>0.05). 这表明淹水期土壤中存在其他磷形态向HCl-Pi转化的过程，且该过程随着培养时间的增加而逐渐结束. 落干和淹水期，Residual-Pt的转化速率均趋近于0 mg/(kg·d)，在培养期间无显著变化〔见图4(b)，P>0.05〕.

图4 落干和淹水期土壤HCl-Pi和Residual-Pt的转化速率Fig.4 Transformation rates of HCl-Pi and Residual-Pt during the drying and flooding periods

2.5 土壤磷形态占比

落干期，土壤中H2O-Pi和NaHCO3-Pi含量在非残渣态磷中的占比呈逐渐上升趋势，分别增加了13.50%和13.41%〔见图5(a)，P<0.01〕，而NaHCO3-Po和NaOH-Pi的占比则呈相反的变化趋势，分别减小了21.58%和5.95%(P<0.01). 淹水期，土壤中H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi的占比呈逐渐上升趋势，分别增加了28.83%、2.46%和1.18%〔见图5(b)，P<0.01〕，而NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po的占比则呈相反的变化趋势，分别减小了9.12%、19.33%和4.03%(P<0.01). 落干和淹水培养15 d后，各土壤磷形态占比均保持稳定.

图5 落干和淹水期不同磷组分在非残渣态中的占比Fig.5 Proportions of soil P forms in ex-Residual-P during the drying and flooding periods

2.6 不同磷形态之间的相互关系

落干期结束时，土壤中H2O-Pi含量与NaHCO3-Pi含量呈极显著正相关(见表3，P<0.01)，但与NaHCO3-Po(NaOH-Pi)含量呈极显著负相关(P<0.01)；NaHCO3-Pi含量与NaOH-Pi(NaHCO3-Po)含量呈极显著负相关(P<0.01). 淹水期结束时，土壤中H2O-Pi含量与NaOH-Pi(HCl-Pi)含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与NaHCO3-Po(NaHCO3-Pi、NaOH-Po)含量呈极显著负相关(P<0.01)；NaHCO3-Pi含量与NaOH-Pi含量呈极显著负相关(P<0.01)；NaOH-Po(NaHCO3-Po)含量与HCl-Pi含量呈极显著负相关(P<0.01).

表3 落干和淹水培养结束后土壤磷形态含量之间的相关性

3 讨论

3.1 落干期土壤磷形态转化

落干期，H2O-Pi和NaHCO3-Pi的转化速率均大于0 mg/(kg·d)，呈指数衰减模式，随着培养时间的增加而逐渐减小，并最终保持稳定〔见图1和图2(a)，R2=0.99，P<0.01〕，其含量在非残渣态磷中的占比分别增加了13.50%和13.41%〔见图5(a)，P<0.01〕；相反，NaHCO3-Po和NaOH-Pi的转化速率均小于0 mg/(kg·d)，呈指数衰减模式，随着培养时间的增加而逐渐增加，并最终保持稳定〔见图2(b)和图3(a)，R2=0.99，P<0.01〕，其占比分别减小了21.58%和5.95%(P<0.01)；NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-Pt的转化速率均趋近于0 mg/(kg·d)，其占比保持稳定〔见图3(b)和图4〕. 根据质量守恒原则，NaHCO3-Po和NaOH-Pi均向H2O-Pi和NaHCO3-Pi转化.

上述结果可从以下两方面加以解释： ①在周期性淹水和落干的过程中，三峡库区消落带存在植物碳的不断输入[31-32]，这可能使得落干模拟培养期间土壤微生物量碳含量增加[33]，在有氧环境下，微生物解磷可使NaHCO3-Po和NaOH-Pi向H2O-Pi转化[34]. 因此，H2O-Pi含量与NaHCO3-Po(NaOH-Pi)含量呈极显著负相关(见表3，P<0.01). ② H2O-Pi可被土壤晶体矿物吸附使得NaHCO3-Pi增加[35]. 因此，NaHCO3-Po(NaOH-Pi)含量与NaHCO3-Pi含量呈极显著负相关(P<0.01)，相反，H2O-Pi含量与NaHCO3-Pi含量呈极显著正相关(P<0.01). 同时，由于微生物解磷及H2O-Pi的吸附过程分别受到底物含量和吸附点位的限制，因此所涉磷形态的转化速率与培养时间的关系均符合指数衰减模式，并逐渐趋近于0 mg/(kg·d). 可见，NaHCO3-Po和NaOH-Pi是落干期消落带土壤H2O-Pi的重要来源. 目前，有关落干期土壤环境下H2O-Pi的形态来源研究尚鲜见报道. 因此，上述结果为落干期消落带土壤磷素流失的防治提供了重要线索.

3.2 淹水期土壤磷形态转化

淹水期，H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi的转化速率大于0 mg/(kg·d)，随着培养时间的增加呈指数衰减模式逐渐减小，并最终保持稳定〔见图1、图3(a)和图4(a)，R2=0.99，P<0.01〕，其占比分别增加了28.83%、2.46%和1.18%〔见图5(b)，P<0.01)〕；相反，NaHCO3-Pi，NaHCO3-Po和NaOH-Po的转化速率小于0 mg/(kg·d)，随着培养时间的增加呈指数衰减模式逐渐增加，并最终保持稳定〔见图2(a)(b)和图3(b)，R2=0.99，P<0.01)〕，其占比分别减小了9.12%、19.33%和4.03%(P<0.01)；而Residual-Pt的转化速率趋近于0 mg/(kg·d)，其占比保持稳定〔见图4(b)〕. 根据质量守恒原理，NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po均向H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi转化.

上述结果可从以下三方面加以解释： ①存在植物碳输入时，淹水培养过程中土壤微生物量碳亦可能增加[36]，使得NaHCO3-Po和NaOH-Po可矿化形成H2O-Pi[37-38]. 因此，NaHCO3-Po(NaOH-Po)含量与H2O-Pi含量呈极显著负相关(见表3，P<0.01). 相关淹水培养试验[39-40]也得到了一致的结果. ②淹水条件下土壤晶体铁氧化物也可在微生物的作用下向无定型铁氧化物转化使得NaHCO3-Pi含量减少，NaOH-Pi含量增加[41-42]. 因此，NaHCO3-Pi含量与NaOH-Pi含量呈极显著负相关(P<0.01). Laakso等[39]通过原位监测发现淹水后土壤NaOH-Pi含量显著增加，这与笔者所得结果是一致的. Lin等[40]室内模拟研究也得到了相同的结果. 周健等[28]通过原位淹水研究发现，淹水期间Al-P含量表现为先降后升的趋势，而Fe-P含量变化与之相反. 这与笔者所得结果存在差异，可能是由试验方法的差异所致. ③淹水期NaHCO3-Po和NaOH-Po矿化后可进一步发生化学沉淀向HCl-Pi转化[43]. 因此，NaHCO3-Po(NaOH-Po)含量与HCl-Pi含量呈显著负相关(P<0.01)，H2O-Pi含量与HCl-Pi含量呈极显著正相关(P<0.01). 缺氧环境下，微生物有机磷矿化及铁氧化物晶型转化过程亦受到底物含量的限制，同时，磷素化学沉淀过程与H2O-Pi含量的变化密切相关. 故而，上述磷形态的转化速率均随着培养时间的增加呈指数衰减模式变化，逐渐趋近于0 mg/(kg·d). 可见，淹水期，NaHCO3-Po和NaOH-Po是H2O-Pi的重要来源. Ajmone-Marsan等的室内厌氧培养研究表明，土壤磷素流失的潜力与有机磷肥添加量成正比[44]，这与笔者所得结果是一致的. 因此，落干期采取适当措施降低消落带土壤有机磷含量能够有效减小淹水期土壤磷素向三峡水库的释放，这为落干期消落带土地的科学管理指明了方向.

该研究基于修正的Hedley磷分级法更为细致地探讨了土壤磷形态转化过程，更为全面(包括落干期和有机磷)地揭示了三峡库区消落带土壤磷形态转化过程(见图6)，证实了除无机磷外，有机磷是H2O-Pi的重要来源，可为控制三峡消落带土壤磷素向水体释放提供科学对策. 然而，该研究尚未考虑干湿交替条件下土壤磷形态转化过程以及驱动土壤磷形态转化的化学及微生物机制，将在接下来的工作中进一步探讨.

图6 落干和淹水期土壤磷形态的转化过程Fig.6 Transformation processes of soil P forms during the drying and flooding periods

4 结论

a) 与培养前相比，落干培养后三峡库区消落带土壤中NaHCO3-Po和NaOH-Pi含量在非残渣态磷中的占比均减少，而H2O-Pi和NaHCO3-Pi的占比则表现相反；淹水培养后,NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po的占比均减少；而H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi的占比则表现相反.

b) 三峡库区消落带落干期，NaHCO3-Po和NaOH-Pi均向H2O-Pi和NaHCO3-Pi转化；淹水期，NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po均向H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi转化.

c) 三峡库区消落带落干期和淹水期，土壤晶体矿物吸附态有机磷(NaHCO3-Po)均是H2O-Pi的主要来源. 因此，降低NaHCO3-Po含量能够有效减少消落带土壤磷素在雨水淋溶及淹水条件下向三峡水库的释放.