邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的磷素吸附-解吸特征

夏振堯, 牛鵬輝, 梁永哲, 薛海龍, 吳 彬，許文年

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北宜昌 443002; 3.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 4.東北林業(yè)大學(xué) 生態(tài)研究中心, 黑龍江 哈爾濱 150040)

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邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的磷素吸附-解吸特征

夏振堯1,2, 牛鵬輝1,2, 梁永哲1, 薛海龍3, 吳 彬4，許文年1,2

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院, 湖北宜昌 443002; 3.三峽大學(xué) 生物與制藥學(xué)院, 湖北 宜昌 443002; 4.東北林業(yè)大學(xué) 生態(tài)研究中心, 黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要：[目的] 明確邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的磷素保持能力，為優(yōu)化基材配方提供依據(jù)。[方法] 以向家壩水電站邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材為對(duì)象，采用恒溫振蕩培養(yǎng)法進(jìn)行吸附和解吸試驗(yàn)，比較不同基材的磷素吸附和解吸能力，并用因子分析法比較基材磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)。[結(jié)果] 最大吸附量(Qm)、最大緩沖容量(MBC)和磷吸持指數(shù)(PSI)3個(gè)指標(biāo)均顯示，5種基材的固磷能力為：天然次生林>客土噴播>厚層基材>框格梁覆土>植被混凝土，Qm與基材的黏粒含量顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量和pH值顯著負(fù)相關(guān)；磷的解吸能力為：植被混凝土>框格梁覆土>客土噴播>厚層基材>天然次生林，平均解吸率與pH值極顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)，與黏粒含量顯著負(fù)相關(guān)；因子分析表明Qm，MBC，PSI、平均解吸率和易解吸磷5個(gè)指標(biāo)可以表示邊坡磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)。邊坡磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的大小為：植被混凝土>框格梁覆土>客土噴播>厚層基材>天然次生林。[結(jié)論] 5種生態(tài)防護(hù)方式中，天然次生林對(duì)磷的保持能力最好，植被混凝土基材對(duì)磷的保持能力最差；在施工中應(yīng)當(dāng)增大基材中黏粒的比重，并適當(dāng)減少水泥用量或加入緩沖物質(zhì)，以使基材能夠具有較強(qiáng)的磷吸附能力、較大的磷庫(kù)容和較小的磷流失風(fēng)險(xiǎn)，從而提高磷素的利用率并使其具有持久的供磷能力。

關(guān)鍵詞：邊坡; 生態(tài)防護(hù)工程; 磷素; 吸附; 解吸

文獻(xiàn)參數(shù)： 夏振堯, 牛鵬輝, 梁永哲, 等.邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的磷素吸附—解吸特征[J].水土保持通報(bào)，2016,36(3)：346-352.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.059

在水電工程建設(shè)中，開挖、回填等工程擾動(dòng)導(dǎo)致邊坡生態(tài)系統(tǒng)退化，水土流失。目前，單獨(dú)使用植物或者植物與土木工程和非生命的植物材料相結(jié)合的邊坡生態(tài)防護(hù)工程，是擾動(dòng)邊坡生態(tài)恢復(fù)和水土保持的常用措施。邊坡生態(tài)防護(hù)工程在實(shí)施時(shí)，通常利用土木工程手段在擾動(dòng)坡面附著一層基材，以利于植物生長(zhǎng)和發(fā)育，而基材的肥力持續(xù)性往往是邊坡生態(tài)防護(hù)工程后期植被生長(zhǎng)和演替的重要影響因素[1]。

基材中的磷是植物生長(zhǎng)必須的大量元素之一，其含量與植物的生長(zhǎng)關(guān)系密切。植物生長(zhǎng)所吸收的磷直接來(lái)源于土壤溶液，而土壤溶液中的磷與基材顆粒表面的磷處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，此平衡受到土壤固相對(duì)磷的吸附—解吸作用和植物對(duì)磷的吸收作用的影響[2-3]。一般認(rèn)為，磷的固定和釋放過(guò)程決定著土壤中有效磷的含量。目前定量研究土壤磷素吸附—解吸能力普遍采用Barrow[4]法，并主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤。邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材由多種混合物組成(其中當(dāng)?shù)赝寥蕾|(zhì)量比重占90%以上)，對(duì)此類基材磷素吸附—解吸特征的研究還未見報(bào)道。

本文以向家壩水電站邊坡生態(tài)防護(hù)工程典型生境基材為對(duì)象，以天然次生林地土壤為對(duì)照，采用恒溫振蕩培養(yǎng)法研究基材的磷素吸附—解吸特征，揭示不同邊坡生態(tài)防護(hù)工程基材的磷素吸附、解吸的差異，旨在提高磷素利用率、減少土壤磷素流失，并為邊坡生態(tài)防護(hù)工程基材的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

向家壩水電站位于長(zhǎng)江上游金沙江的向家壩河谷出口處，壩址左岸位于四川省宜賓縣內(nèi)。向家壩庫(kù)區(qū)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，庫(kù)區(qū)內(nèi)熱量充足、降雨較為豐沛、四季分明、夏季溫度高濕度大、冬季較為溫暖、無(wú)霜期長(zhǎng)，對(duì)亞熱帶林木、農(nóng)作物的生長(zhǎng)有利。最大年日照時(shí)數(shù)為1 260.9 h，年平均氣溫12.0～18.1 ℃，最大年降雨量1 168.5 mm，年最小降雨量852.4 mm。

向家壩水電站的建設(shè)產(chǎn)生了大量的擾動(dòng)邊坡，對(duì)這些邊坡的治理采用了框格梁覆土技術(shù)、植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)、厚層基材邊坡綠化技術(shù)和客土噴播技術(shù)等邊坡生態(tài)防護(hù)工程方法。其中框格梁覆土邊坡生境基材為當(dāng)?shù)赝寥?；植被混凝土邊坡生境基材為土壤、水泥、有機(jī)質(zhì)、復(fù)合肥、混凝土綠化添加劑和保水劑的混合物；厚層基材為土壤、有機(jī)質(zhì)、粘合劑、木纖維、復(fù)合肥及保水劑的混合物；客土噴播生境基材為土壤、有機(jī)質(zhì)、粘合劑、復(fù)合肥及保水劑的混合物。目前這些擾動(dòng)邊坡生態(tài)防護(hù)工程已經(jīng)取得良好的恢復(fù)效果。

2材料與方法

2.1取樣方法

基材樣品于2012年6月采集于向家壩水電站邊坡生態(tài)防護(hù)工程的4種典型邊坡。其中，框格梁覆土2004年施工，植被混凝土基材2005年施工，厚層基材2005年施工，客土噴播2004年施工，另取1種天然次生林地，作為對(duì)照樣。5種取樣分別編號(hào)為A，C，E，H，M。施工中的土壤均取自同一土料場(chǎng)。各邊坡坡度53°～68°[5]

依據(jù)所選取的單個(gè)邊坡面積大小，土壤樣品按“S”形多點(diǎn)取樣，取樣深度0—10 cm，每個(gè)樣點(diǎn)取3次，混勻，帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，除去雜質(zhì)，磨碎，過(guò)100目篩。將過(guò)篩后的土壤充分混合，四分法取出供試驗(yàn)分析的土樣。

2.2試驗(yàn)方法

(1) 基材各基本指標(biāo)測(cè)定方法。pH值用電位法測(cè)定；有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀加熱法測(cè)定；全磷用鉬銻抗比色法測(cè)定；有效磷用0.5 mol/LNaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤有機(jī)磷用Bowman-Cole法測(cè)定；黏粒含量用篩分稱重法測(cè)定。

(2) 吸附試驗(yàn)。準(zhǔn)確稱量2.00 g土樣8份于100 ml的塑料離心管中，分別加入含磷0，4，8，16，24，32，40，60 mg/L的KH2PO4標(biāo)準(zhǔn)溶液[6-7](以pH=7.0的0.01 mol/LKCl為溶劑)50 ml，滴加3滴甲苯抑制微生物活性。每個(gè)處理做4個(gè)重復(fù)。于25 ℃，振速200 r/min的恒溫振蕩器中振蕩培養(yǎng)24 h后，4 000 r/min離心15 min，取上清液，用鉬藍(lán)比色法測(cè)定上清液中的磷濃度，根據(jù)振蕩前后溶液中磷濃度的差值，計(jì)算土壤對(duì)磷的吸附量。

(3) 解吸試驗(yàn)。傾去離心管中的上清液，向經(jīng)過(guò)磷吸附的土壤中加入30 ml 95%的乙醇，在振蕩器上震蕩30 min，以洗去土壤顆粒表面的磷，離心后倒掉上清液，再重復(fù)洗滌2次。向各離心管中加入pH值為7.0的0.01 mol/L的KCl溶液50 ml，繼續(xù)恒溫振蕩培養(yǎng)24 h后測(cè)定上清液中的磷濃度，振蕩和測(cè)定方法同吸附試驗(yàn)。上清液中磷的含量即為磷解吸量[8-9]。并計(jì)算磷的解吸率。

2.3基材固磷參數(shù)

(1) 磷吸持指數(shù)PSI。加入磷濃度為60 mg/L時(shí)，即在土液比為1∶25的條件下，每克土加1.5 mg磷使二者充分混合,平衡后的土壤吸磷量Q與平衡溶液中磷濃度C的對(duì)數(shù)值之比為PSI,即：

(1)

式中：Q60——加入磷濃度為60 mg/L時(shí),平衡后基材的磷吸附量(mg/100 g)；C60——平衡溶液中磷濃度(μmol/L)。PSI可以表征土壤的固磷能力，該值越大，土壤對(duì)磷的吸持能力越大，反之則吸持能力越小，越易流失[8]。

(2) 磷零點(diǎn)吸持平衡濃度EPC0?；娜芤褐械牧自谶_(dá)到吸附與解吸的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)的濃度，等溫吸附曲線與x軸的截距即為基材的EPC0值(mg/L)。EPC0可用來(lái)表征磷從基材固相進(jìn)入溶液的風(fēng)險(xiǎn)大小[10]。

(3) 易解吸磷R(shí)DP。當(dāng)加入溶液中磷濃度為0時(shí)，達(dá)到平衡的吸附量，即0.01 mol/L的KCl提取的磷量(mg/kg)[7]。RDP可以表征磷由固相進(jìn)入液相的能力,越大磷越容易流失。

以上參數(shù)可根據(jù)試驗(yàn)直接得出，其他可用于表征基材對(duì)磷吸附能力的參數(shù)，需通過(guò)基材對(duì)磷的吸附方程來(lái)計(jì)算。目前常用Langmuir,Freundlich和Tempkim方程等經(jīng)驗(yàn)方程來(lái)擬合土壤對(duì)磷的吸附過(guò)程。利用Langmuir 方程及其等溫吸附特征值,可以很好地表征土壤的供磷特性、磷流失風(fēng)險(xiǎn)及計(jì)算合理的指導(dǎo)施磷量，而Freundlich方程和Tempkim方程不能給出這些特征值，因此普遍采用Langmuir 方程來(lái)研究磷素等溫吸附特征[11]。本文用Langmuir方程來(lái)擬合基材對(duì)磷的吸附過(guò)程，并根據(jù)方程計(jì)算固磷參數(shù)。Langmuir吸附模型：

(2)

式中：C——平衡液中磷的濃度(mg/L)；Q——達(dá)到平衡時(shí)磷的吸附量(mg/kg)；k——吸附常數(shù)；Qm——磷的最大吸附量(mg/kg)。下同。

(5) 土壤最大緩沖容量MBC。磷素吸附的強(qiáng)度與容量的綜合參數(shù)，能較好地表征土壤的對(duì)磷的吸附能力。計(jì)算公式為(3)：

MBC=kQm

(3)

該值越大，說(shuō)明基材貯存磷的能力越強(qiáng)。如果基材的Qm高而MBC低，則磷因與基材結(jié)合能力低而容易進(jìn)入土壤溶液中并隨水流失。只有Qm高，MBC 也較高時(shí)，基材中的磷素才不易流失[13]。

(6) 磷吸持飽和度DPS。基材有效磷水平和基材固磷能力的綜合指標(biāo)[14]。等于有效磷含量Oslen-P與最大吸附量的比值。計(jì)算公式為(4)：

(4)

2.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel 表格擬合Langmuir方程，并做等溫吸附、解吸和解吸率曲線，用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行方差分析、多重比較和因子分析。

3結(jié)果與分析

3.1基材基本理化性質(zhì)

基材的一些基本理化性質(zhì)見表1。4種工程防護(hù)邊坡基材的pH值顯著或極顯著高于天然次生林，其中以植被混凝土基材最高，這是因?yàn)橄蚣覊蔚靥幬髂纤嵊陣?yán)重地區(qū)，地表土壤一般呈酸性，邊坡防護(hù)工程所用土壤大多取自地下較深處，pH值高于地表土壤，并且植被混凝土基材中加入了水泥，由此產(chǎn)生的Ca(OH)2提高了基材的pH值，這與周明濤等[15]的研究結(jié)果一致。框格梁覆土、植被混凝土基材和厚層基材的有基質(zhì)含量均顯著高于客土噴播和天然次生林，客土噴播和天然次生林差異不顯著，這一結(jié)果與施工加入的材料、植物的種類、植被的演替狀況及其凋落物等多種因素有關(guān)。植被混凝土基材的全磷和有效磷含量顯著高于其他4種樣地，一方面是因?yàn)槭┕r(shí)植被混凝土對(duì)磷肥的添加量較大，使其全磷和有效磷的含量較大，另一方面是因?yàn)槭┕び猛寥∽缘叵螺^深處，肥力低于天然次生林的地表土，框格梁覆土、厚層基材和客土噴播對(duì)磷肥的添加不顯著，因此磷含量低于植被混凝土而與天然次生林無(wú)顯著差異。黏粒含量為：天然次生林>客土噴播>框格梁覆土>厚層基材>植被混凝土基材。

表1　邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的基本理化性質(zhì)

注：同列不同大寫字母表示在p=0.01水平上有顯著性差異； 不同小寫字母表示在p=0.05水平上有顯著性差異。

3.2基材磷素的吸附特征

3.2.1磷的等溫吸附曲線圖1為5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材對(duì)磷的等溫吸附曲線。從圖1能看出，不同生態(tài)防護(hù)工程基材對(duì)磷的吸附能力不同。在低濃度下，吸附速率高，基材對(duì)磷的結(jié)合能大，吸附的方式主要為化學(xué)吸附(土壤中的不定型鐵、鋁等)和黏粒上的鹽基離子對(duì)磷的共價(jià)吸附。土壤對(duì)磷的吸附量隨著平衡液濃度的增大而增大，在高濃度下，基材對(duì)磷的結(jié)合能小，以物理吸附為主[7]。當(dāng)磷濃度達(dá)到一定值時(shí)，吸附量達(dá)到最大值。圖1表明，天然次生林地土樣對(duì)磷整個(gè)吸附過(guò)程中的吸附速率和吸附量均大于其他4種生境基材，這主要是由于基材之間的無(wú)定形鐵、鋁及黏粒上鹽基離子對(duì)磷的共價(jià)吸附不同引起的[16]。

注：A框格梁覆土； C植被混凝土； E厚層基材；

H客土噴播； M天然次生林。下同。

圖1邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材對(duì)磷的等溫吸附

3.2.2基材的磷素吸附特性與基本固磷參數(shù)將5種基材對(duì)磷的吸附特征用Langmuir方程擬合，結(jié)果見表2。擬合的相關(guān)性均達(dá)到了極顯著水平(R2在0.955 8～0.983 3)，因此適合用來(lái)描述5種基材對(duì)磷的吸附特性。

表2　Langmuir方程對(duì)邊坡生態(tài)工程磷的等溫吸附擬合情況

注：*表示顯著相關(guān)(p<0.05); **表示極顯著相關(guān)(p<0.01)。下同。

表3是5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的基本固磷參數(shù)。結(jié)果顯示，Qm，MBC和PSI 3個(gè)指標(biāo)大小順序一致，表示固磷能力從大到小依次為：天然次生林>客土噴播>厚層基材>框格梁覆土>植被混凝土。磷零點(diǎn)吸持平衡濃度EPC0表現(xiàn)為厚層基材最大，為0.143 mg/L植被混凝土最小，為0.131 mg/L，均在一個(gè)極小的水平。易解吸磷R(shí)DP以植被混凝土和框格梁覆土較大，同為1.642 mg/kg，其次是厚層基材和客土噴播，同為1.148 mg/kg，植被混凝土最小，為0.654 mg/kg。磷吸持飽和度DPS是水土界面磷遷移的指標(biāo)，該值越低磷吸持能力越強(qiáng)，反之越容易流失。一般認(rèn)為土壤DPS大于25%時(shí)，磷素容易流失[17]。DPS以植被混凝土最高(86.9%)，遠(yuǎn)高于25%，因此流失風(fēng)險(xiǎn)極大，其次是框格梁覆土(21.9%)，客土噴播和厚層基材較小(15.9%和15.4%)，天然次生林最小(14.5%)。相關(guān)性分析(表4)表明，5種基材的最大吸磷量Qm與基材黏粒含量成顯著正相關(guān)，與pH和有基質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)。這是由于基材中黏粒表面具有鋁氧化物而帶永久性負(fù)電荷，因此對(duì)磷的化學(xué)吸附強(qiáng)，再加上土壤黏粒的比表面積大、吸附位點(diǎn)多而對(duì)磷的物理吸附強(qiáng)等原因，導(dǎo)致土壤對(duì)磷的吸附能力與黏粒含量正相關(guān)。這與賈學(xué)萍[11]、劉霄等[9]的研究結(jié)果相似。植被混凝土基材中添加的水泥使基材pH值顯著高于其他土壤，其對(duì)磷的吸附能力較其他生態(tài)防護(hù)工程弱。

幾乎所有的研究表明，土壤對(duì)磷的最大吸附量Qm與土壤黏粒含量呈顯著正相關(guān)，而與pH值和有機(jī)質(zhì)含量的相關(guān)性各有不同。曹志洪等[18]的研究表明，黃土性土壤的最大吸磷量與pH值和有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著相關(guān)性。這是因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)能屏蔽吸附位并和磷產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附，但同時(shí)又提供了H+而有利于磷酸根離子的吸附，但在不同條件下或是因?yàn)橥寥佬再|(zhì)不同的原因，這2種作用所占比重不同，因此不同學(xué)者的研究結(jié)果有所不同。5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材對(duì)磷吸附行為的差異主要與基材性質(zhì)有關(guān)。因?yàn)樗嵝曰闹械蔫F、鋁氧化物是基材磷素的主要吸附載體，而氫氧化鋁和氫氧化鐵凝膠對(duì)磷的吸附量隨會(huì)pH值的升高而減小。另外，隨著pH值的增加，基材顆粒表面的負(fù)電荷會(huì)增加，正電荷會(huì)減少，由于電荷的排斥作用，基材的吸磷量也會(huì)減小[6]，這是本試驗(yàn)中Qm與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)的原因。馬良等[19]的研究也說(shuō)明了這一點(diǎn)。而有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生的碳水化合物能掩蔽基材顆粒上的吸附位點(diǎn)。同時(shí)，有機(jī)質(zhì)降解產(chǎn)生腐殖酸，腐殖酸能被基材顆粒有效的吸附，在一定程度上與磷形成競(jìng)爭(zhēng)。另外，有機(jī)質(zhì)與無(wú)機(jī)膠體形成有機(jī)—無(wú)機(jī)復(fù)合體的形式存在于基材中，該復(fù)合體可以和鐵、鋁絡(luò)合，使Fe-P和Al-P得以釋放。因此有機(jī)質(zhì)含量與最大吸磷量Qm呈顯著負(fù)相關(guān)。這與Yuan[20]的研究結(jié)論一致。

根據(jù)以上5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材對(duì)磷的吸附特征，以Qm，MBC和PSI 3個(gè)指標(biāo)評(píng)判土壤的固磷能力，從大到小依次為:天然次生林>客土噴播>厚層基材>框格梁覆土>植被混凝土。

表3　邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材基本固磷參數(shù)

注：Qm為最大吸磷量；k為吸附常數(shù)； MBC為最大緩沖容量； DPS為磷吸持飽和度； PSI為磷吸持指數(shù)； EPC0為磷零點(diǎn)吸持平衡濃度； RDP為易解吸磷。下同。

表4　Qm與pH值、有機(jī)質(zhì)、黏粒、平均解吸率的相關(guān)性

3.3基材磷素的解吸特征

3.3.1磷的等溫解吸曲線圖2為5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的磷等溫解吸曲線?？梢钥闯?，解吸量隨吸附量的增大而增加，說(shuō)明土壤和磷的結(jié)合能力隨吸附量的增大而有所降低。這是由于低濃度時(shí)，吸附能大，磷被土壤專性固定而不能解吸出來(lái)，當(dāng)磷含量高時(shí),結(jié)合能小，磷容易解吸出來(lái)[21]。相比于吸附過(guò)程，磷的解吸沒(méi)有明顯的慢速和快速的階段。吸附量相同時(shí)，磷的解吸量從大到小依次為:植被混凝土>框格梁覆土>厚層基材>客土噴播>天然次生林，與吸附的順序相反。5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程基材對(duì)磷的等溫解吸方程見表5，其等溫解吸方程均符合指數(shù)方程(其中y為解吸量，x為吸附量)，擬合的相關(guān)性均達(dá)到了顯著水平。

3.3.2磷的解吸率曲線當(dāng)加入磷濃度為0時(shí)，基材吸附量為負(fù)值，去除該點(diǎn)做磷的解吸率曲線(圖3)。

圖2　邊坡生態(tài)防護(hù)工程基材的磷解吸曲線

邊坡類型 磷解吸曲線方程R2平均解吸率/%框格梁覆土y=9.3358e0.0083x0.9123**27.9植被混凝土y=13.415e0.0069x0.9594**32.7厚層基材 y=4.0078e0.0095x0.8730*20.4客土噴播 y=1.8725e0.011x0.8975*18.2天然次生林y=2.6783e0.0055x0.9576**6.0

圖3　邊坡生態(tài)工程基材磷的解吸率曲線

從圖3可以看出，5種基材的解吸率隨著平衡溶液磷濃度的增加均有不同程度的增大。植被混凝土、框格梁覆土、天然次生林地的解吸率在平衡液濃度升高時(shí)小幅度增大，而厚層基材和客土噴播在濃度升高時(shí)有較大幅度的增加。由于基材對(duì)磷的吸附是多種吸附共同作用的結(jié)果，各種吸附間存在競(jìng)爭(zhēng)作用。當(dāng)加入低濃度的磷溶液時(shí)，磷優(yōu)先被吸附能力較強(qiáng)的化學(xué)吸附作用固定，其結(jié)合牢固，解吸率低。當(dāng)加入低濃度的磷溶液時(shí)，除了少部分被化學(xué)吸附固定，大部分被物理吸附作用固定，該吸附能力較弱，容易解吸，因此解吸率增大[13]。磷的平均解吸率可作為評(píng)價(jià)磷流失風(fēng)險(xiǎn)的一個(gè)指標(biāo)[8]，5種基材磷的平均解吸率(表5)。相關(guān)分析(表4)表明，平均解吸率與pH值極顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)顯著正相關(guān)，與土黏粒含量顯著負(fù)相關(guān)，其原因與pH值、有機(jī)質(zhì)和黏粒含量對(duì)吸附作用的影響機(jī)制相同。另外，有機(jī)酸能活化基材中的磷，對(duì)磷酸鈣鹽和磷酸鐵鋁鹽分別通過(guò)溶解作用和絡(luò)合作用使其活化，這能使被固定的磷釋放出來(lái)[22]，因此在一定范圍內(nèi)，基材中的有機(jī)酸含量越高，基材釋放的磷越多，即基材對(duì)磷的吸附固定能力與有機(jī)酸含量負(fù)相關(guān)，這也是平均解吸率與pH值顯著正相關(guān)的一個(gè)原因。

3.4磷的流失風(fēng)險(xiǎn)

一般情況下，土壤對(duì)磷吸附和解吸的多個(gè)指標(biāo)并不一致，加上不同研究土樣自身性質(zhì)的差異，適用于一種土壤的判定指標(biāo)并不一定適用于另一種土壤。因此對(duì)磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的判斷需要對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行分析，選取最適合的幾個(gè)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)判，不同學(xué)者的研究均有不同，但總體上都是從磷的固定和釋放兩方面分析，具有較大固磷能力和較小釋磷能力的土壤具有較小的磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。劉子國(guó)等[23]以土壤有效磷含量56.0 mg/kg作為武漢市郊區(qū)土壤磷素流失的臨界值對(duì)磷素流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。張國(guó)林等[24]采用因子分析方法對(duì)水田落干土樣和蔬菜地土壤的基本性質(zhì)和若干磷指標(biāo)的變化量進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)土壤磷進(jìn)入徑流的風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)量首先取決于土壤的供磷能力。黃東風(fēng)等[14]以CaCl2-P 為因變量，速效磷和全磷為自變量，對(duì)福州市郊菜地土壤樣品的測(cè)定值進(jìn)行線性回歸分析，以求得的土壤發(fā)生磷素淋失的速效磷臨界值和全磷臨界值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合流失的DPS閾值(25%)對(duì)福州市郊菜地土壤的磷素流失潛能進(jìn)行了分析。高秀美等[25]以南京市郊集約化蔬菜地為研究對(duì)象，運(yùn)用Langmuir方程獲得表征土壤磷素緩沖性能的土壤磷的MBC和DPS對(duì)土壤磷素流失風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。借鑒以上文獻(xiàn)，本文利用因子分析法將Qm，MBC，DPS，PSI，EPC0，RDP和平均解吸率7個(gè)指標(biāo)處理為F1和F22個(gè)因子，其旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣見表6。

表6　土壤磷流失因子分析法旋轉(zhuǎn)因子荷載矩陣

注：提取方法為主成分分析法;旋轉(zhuǎn)方法為具有Kaiser標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法。

由表6可知，2個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)98.233%，可以很好的結(jié)解釋7個(gè)指標(biāo)的所有信息。由于因子的提取是采用主成分分析，第1個(gè)因子更為重要(貢獻(xiàn)率更高)[8]。F1因子中Qm，MBC，PSI，RDP和平均解析率的荷載絕對(duì)值均大于0.9，說(shuō)明Qm，MBC，PSI，RDP和平均解吸率5個(gè)指標(biāo)可以反映磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)。其中Qm，MBC和PSI 3個(gè)指標(biāo)的為正荷載，說(shuō)明磷的流失風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)量首先取決于土壤的供磷能力，Qm，MBC和PSI值越大，磷越不容易流失，這與張國(guó)林等[24]的研究結(jié)果一致。RDP和平均解吸率為負(fù)荷載，說(shuō)明RDP和平均解吸率值越大，磷素越容易流失。本文以Qm，MBC，PSI，RDP和平均解吸率5個(gè)指標(biāo)為判斷依據(jù)，預(yù)測(cè)向家壩工程擾動(dòng)區(qū)5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材的磷素流失風(fēng)險(xiǎn)，其大小依次為:植被混凝土>框格梁覆土>客土噴播>厚層基材>天然次生林。

4結(jié) 論

(1) 5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材對(duì)磷的吸附符合Langmuir方程；Qm，MBC和PSI 3個(gè)指標(biāo)均從小到大依次為:天然次生林、客土噴播、厚層基材、框格梁覆土、植被混凝土，表明5種基材的固磷能力從大到小為:天然次生林>客土噴播>厚層基材>框格梁覆土>植被混凝土；Qm與基材的黏粒含量顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量和pH值顯著負(fù)相關(guān)。

(2) 5種邊坡生態(tài)防護(hù)工程生境基材對(duì)磷的解吸符合指數(shù)方程；磷的解吸能力和平均解吸率均為:植被混凝土>框格梁覆土>厚層基材>客土噴播>天然次生林；平均解吸率與pH值極顯著正相關(guān)，與有機(jī)質(zhì)含量顯著正相關(guān)，與黏粒含量顯著負(fù)相關(guān)。

(3) 因子分析表明Qm，MBC，PSI、平均解吸率和易解吸磷(RDP)5個(gè)指標(biāo)可以表示5種邊坡上磷的流失風(fēng)險(xiǎn)，從大到小依次為:植被混凝土>框格梁覆土>客土噴播>厚層基材>天然次生林。

(4) 結(jié)合吸附和解吸兩方面，5種恢復(fù)方式中自然恢復(fù)的天然次生林對(duì)磷的保持能力最好，邊坡防護(hù)工程恢復(fù)方式中對(duì)磷保持能力最差的是植被混凝土，因此從有利于磷素保持和利用的角度來(lái)考慮，為了使基材具有較強(qiáng)的磷吸附能力和較大的緩沖容量，在施工中應(yīng)當(dāng)增大基材中黏粒的比重，并適當(dāng)減少水泥用量或加入緩沖物質(zhì)，以使基材能夠具有較強(qiáng)的磷吸附能力、較大的磷庫(kù)容和較小的磷流失風(fēng)險(xiǎn)，從而提高磷素的利用率并具有持久的供磷能力。

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收稿日期：2015-03-19修回日期：2015-07-08

通訊作者：許文年(1960—)，男(漢族)，河北省元氏縣人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事邊坡防護(hù)與生態(tài)恢復(fù)術(shù)研究。E-mail：xwn@ctgu.edu.cn。

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2016)03-0346-07

中圖分類號(hào)：S153

Absorption and Desorption Characteristics of Phosphorus in Substrates Used in Slope Ecological Rehabilitation Engineering

XIA Zhenyao1,2, NIU Penghui1,2, LIANG Yongzhe1, XUE Hailong3, WU Bin4, XU Wennian1,2

(1.CollaborativeInnovationCenterforGeo-hazardsandEco-environmentinThreeGorgesArea,HubeiProvince,Yichang,Hubei443002,China; 2.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China;3.CollegeofBiotechnologyandPharmaceutical,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang,Hubei443002,China; 4.CenterforEcologicalResearch,NortheastForestryUniversity,Harbin,Heilongjiang150040,China)

Abstract：[Objective] To determine the utilization of phosphorus in slope ecological rehabilitation substrate in order to provide theoretical basis for optimizing substrate formulation. [Methods] Adsorption-desorption characteristics of phosphorus in five types of slope ecological rehabilitation substrates were studied via constant temperature shaking culture. Then, the adsorption-desorption capacity and loss risk of the five substrates were compared with factor analysis. [Results] The maximum adsorption capacity(Qm), maximum buffering capacity(MBC) and phosphorus sorption index(PSI) have shown that the phosphorus fixation capacity of the five substrates was in an order of the natural secondary forest>the external-soil spray seeding>the thick layer substrate>the framed beams soil covering>the vegetation-compatible concrete. It showed that Qm had positive correlation with clay content, while it had negative correlation with organic matter content and pH value. The desorption ability of the five types of substrates was the vegetation-compatible concrete>the framed beams soil covering>thick layer substrate>the external-soil spray seeding>the natural secondary forest. The average desorption rate had significantly positive correlation, and it also had positive correlation with organic matter content. The negative correlation was found between the average desorption rate and clay content. This study showed that Qm, MBC, PSI, the average desorption rate and easy desorption phosphorus(RDP) could best reflect the phosphorus loss risk of five different substrates. It showed that from high to low, the order of the phosphorus loss risk was the vegetation-compatible concrete, the framed beams soil covering, the external-soil spray seeding, thick layer substrate and the natural secondary forest. [Conclusion] The natural secondary forest has the highest conservation capacity of phosphorus in the five ecological rehabilitation engineering ways, while the vegetation-compatible concrete has the lowest. In slope ecological rehabilitation engineering， the proportion of clay content should be increased and the dosage of cement should be decreased, or buffering material be added into substrate, so that the substrate can have a stronger phosphorus adsorption capacity, the larger phosphorus storage, the smaller phosphorus loss risk. Thus, the utilization ratio of phosphorus can be improved and the supplying ability can last longer.

Keywords:slope; ecological rehabilitation engineering; phosphorus; adsorption; desorption

資助項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“金沙江梯級(jí)水電開發(fā)區(qū)生態(tài)保護(hù)與入庫(kù)泥沙調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2012BAC06B02); 三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心開放基金(KF2013-10)

第一作者：夏振堯(1981—),男(漢族),湖北省宜昌市人,博士,副教授,主要從事邊坡防護(hù)與生態(tài)恢復(fù)研究工作。E-mail:xzy_yc@ctgu.edu.cn。