三峽庫區(qū)消落帶紫色潮土磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程

何立平， 蘭 波， 林俊杰*， 段林艷， 廖雨涵， 徐正佳

1.重慶三峽學(xué)院， 重慶市三峽庫區(qū)水環(huán)境演變與污染防治重點實驗室， 重慶 404100 2.三峽庫區(qū)生態(tài)和災(zāi)害防治重慶市協(xié)同創(chuàng)新中心， 重慶 404100

三峽水庫蓄水后，庫區(qū)水流放緩，支流水體富營養(yǎng)化程度加劇[1-3]. 磷是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因子[4]，農(nóng)業(yè)面源污染是消落帶和水體磷素的主要來源[5]. 消落帶連接水陸生態(tài)系統(tǒng)，是流域農(nóng)業(yè)面源污染進(jìn)入水庫的必經(jīng)地帶[6]. 隨水位波動，消落帶受周期性淹水-落干交替環(huán)境影響[7]，其土壤磷釋放進(jìn)一步增加了水體富營養(yǎng)化風(fēng)險[8-10].

磷在土壤中的賦存形態(tài)決定了其向水體的遷移和釋放能力[11-12]. 磷的形態(tài)轉(zhuǎn)化過程主要包括：有機(jī)磷和礦物磷在解磷菌的作用下轉(zhuǎn)化為水溶態(tài)磷(H2O-Pi)[13-14]；H2O-Pi被微生物同化為微生物磷；H2O-Pi通過化學(xué)沉淀和土壤吸附形成磷酸鹽沉淀和吸附態(tài)磷[15-16]；鐵磷(Fe-P)厭氧釋放轉(zhuǎn)化為H2O-Pi[17-18]. 在上述磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程中，磷酸鹽沉淀和吸附態(tài)磷可進(jìn)一步劃分為Fe-P、鋁磷(Al-P)、鈣磷(Ca-P)以及物理、化學(xué)吸附態(tài)磷. 修正的Hedley磷連續(xù)浸提法近來被廣泛應(yīng)用于土壤磷形態(tài)分級[19]，該方法將土壤磷素分為H2O-Pi、碳酸氫鈉提取態(tài)磷〔NaHCO3-Pt，吸附于晶體礦物表面，包括無機(jī)磷(NaHCO3-Pi)和有機(jī)磷(NaHCO3-Po)〕、氫氧化鈉提取態(tài)磷〔NaOH-Pt，與Fe3+、Al3+和有機(jī)物通過化學(xué)鍵結(jié)合，包括無機(jī)磷(NaOH-Pi)和有機(jī)磷(NaOH-Po)〕、鹽酸提取態(tài)無機(jī)磷(HCl-Pi，與Ca2+通過化學(xué)鍵結(jié)合的無機(jī)磷)和殘渣態(tài)磷(Residual-Pt，惰性磷).

目前三峽消落帶土壤磷形態(tài)的研究主要包括土壤磷形態(tài)的分布特征[20-22]，外源物質(zhì)輸入對土壤磷形態(tài)的影響[23-25]，淹水-干濕交替過程對土壤無機(jī)磷形態(tài)變化的影響等[26-28]，而有關(guān)落干-淹水條件下消落帶土壤有機(jī)及無機(jī)磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程的研究卻鮮有報道. 鑒于此，該研究以三峽庫區(qū)消落帶紫色潮土為研究對象，在落干和淹水條件下對消落帶土壤進(jìn)行連續(xù)培養(yǎng)，采用修正的Hedley連續(xù)分級提取法分析土壤磷形態(tài)變化，探討消落帶土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，以期為降低三峽庫區(qū)水體富營養(yǎng)化風(fēng)險提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 采樣及預(yù)處理

供試土壤為紫色潮土(微堿性沙土，三峽庫區(qū)消落帶主要土壤類型之一). 2015年6月，于萬州段(30°49′26″N～30°49′38″N、108°24′45″E～108°26′16″E)消落帶采用蛇形布點法沿145～175 m水位高程(農(nóng)田和坡地)隨機(jī)采集表層(0～20 cm)土壤樣品20個. 采樣后，樣品立即于4 ℃下保存，送往實驗室. 經(jīng)去除動植物殘體和石礫，自然風(fēng)干，過2 mm篩，混勻形成混合樣品后，立即分析土壤理化性質(zhì)并開展培養(yǎng)試驗. 土壤基本理化性質(zhì)包括pH、土壤含水率(SMC)、碳氮比(C/N)、陽離子交換量(CEC)、土壤質(zhì)地以及土壤有機(jī)碳(SOC)、總氮(TN)、總磷(TP)含量，測定結(jié)果見表1. 土壤磷形態(tài)含量見表2.

表1 消落帶土壤理化性質(zhì)

表2 消落帶土壤磷形態(tài)含量

1.2 土壤培養(yǎng)

將20 g土壤平鋪于50 mL塑料瓶底部，調(diào)整土壤含水率至21.60%(消落帶土壤含水率). 使用parafilm保水透氣膜密封塑料瓶口，扎小孔透氣，于25 ℃(落干期和淹水期土壤平均溫度[7])恒溫培養(yǎng)箱中預(yù)培養(yǎng)14 d，以消除采樣、干燥、過篩等過程帶來的干擾[19].

落干期土壤環(huán)境模擬：保持預(yù)培養(yǎng)土壤處理不變.

淹水期土壤環(huán)境模擬：緩慢添加40 mL去離子水后，采用高純氮氣(99.99%)排盡塑料瓶內(nèi)空氣(手套箱內(nèi)完成，O2體積分?jǐn)?shù)小于1×10-6)并加蓋密封. 正式培養(yǎng)期間土壤培養(yǎng)溫度設(shè)置為25 ℃.

預(yù)培養(yǎng)及落干期模擬培養(yǎng)期間土壤需定期補(bǔ)充水分(重量法)以維持21.60%的含水率. 正式培養(yǎng)期間分別于第0、1、3、6、10、15、20天破壞性取樣. 試驗共計培養(yǎng)土壤樣品42個(7次破壞性取樣×2個土壤環(huán)境×3個重復(fù)).

1.3 化學(xué)分析方法

采用修正的Hedley磷分級法對土壤磷進(jìn)行分級提取[19]，測定H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-Pt含量. 提取液TP(過硫酸鉀消解)和無機(jī)磷濃度均采用磷鉬藍(lán)比色法測定，TP濃度和無機(jī)磷濃度之差為有機(jī)磷濃度. 土壤TP含量和CEC分別采用堿熔-鉬銻抗分光光度法和氯化鋇緩沖液法測定[29-30]；土壤pH采用酸度計法測定(水土比為5∶1)；土壤質(zhì)地和含水率分別采用比重計法和重量法測定；土壤TN和SOC含量分別采用凱氏法和重鉻酸鉀氧化-分光光度法測定.

1.4 磷形態(tài)轉(zhuǎn)化速率

磷形態(tài)轉(zhuǎn)化速率計算公式：

Vi=(Ci-C0)/i

(1)

式中：Vi為土壤培養(yǎng)第i天的磷形態(tài)轉(zhuǎn)化速率，mg/(kg·d)；C0和Ci分別為土壤正式培養(yǎng)前和培養(yǎng)第i天的磷形態(tài)含量，mg/kg.

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法

采用單因素方差分析法檢驗土壤培養(yǎng)期間H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-Pt在非殘渣態(tài)磷中的占比及其轉(zhuǎn)化速率差異的顯著性；采用Pearson相關(guān)分析法檢驗落干期和淹水期磷形態(tài)含量之間的相關(guān)性. 使用SPSS 18.0和SigmaPlot 14分別進(jìn)行統(tǒng)計分析和制圖. 檢驗顯著性標(biāo)準(zhǔn)均設(shè)置為P<0.01.

2 結(jié)果與分析

2.1 H2O-Pi的轉(zhuǎn)化速率

落干期和淹水期，H2O-Pi的轉(zhuǎn)化速率呈指數(shù)衰減模式逐漸減小，分別由2.07和4.51 mg/(kg·d)逐漸降至0.43和0.63 mg/(kg·d)(見圖1，R2=0.99，P<0.01)，最終于15～20 d內(nèi)保持穩(wěn)定(P>0.05). 這表明落干期和淹水期土壤中存在其他磷形態(tài)向H2O-Pi轉(zhuǎn)化的過程，且隨著培養(yǎng)時間的增加，該轉(zhuǎn)化過程逐漸結(jié)束.

圖1 落干期和淹水期土壤H2O-Pi的轉(zhuǎn)化速率Fig.1 Transformation rate of H2O-Pi during the drying and flooding period

2.2 NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的轉(zhuǎn)化速率

NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的轉(zhuǎn)化速率在落干期和淹水期隨著培養(yǎng)時間變化的趨勢均符合指數(shù)衰減模式〔見圖2，R2=0.99，P<0.01〕. 落干期，NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的轉(zhuǎn)化速率分別由1.74和-6.27 mg/(kg·d)逐漸減至0.42和增至-0.69 mg/(kg·d). 淹水期，NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的轉(zhuǎn)化速率分別由-1.84和-4.98 mg/(kg·d)逐漸增至-0.26和-0.55 mg/(kg·d). 上述轉(zhuǎn)化速率均隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸趨近于0 mg/(kg·d)，并于15～20 d保持穩(wěn)定(P>0.05). 結(jié)果表明:落干期土壤中存在其他磷形態(tài)向NaHCO3-Pi轉(zhuǎn)化的過程，而淹水期則相反；落干期和淹水期土壤中均存在NaHCO3-Po向其他磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，且隨著培養(yǎng)時間的增加，這些轉(zhuǎn)化過程逐漸結(jié)束.

圖2 落干和淹水期土壤NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po的轉(zhuǎn)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的轉(zhuǎn)化速率

NaOH-Pi的轉(zhuǎn)化速率在落干期和淹水期隨培養(yǎng)時間變化的趨勢均符合指數(shù)衰減模式〔見圖3(a)，R2=0.99，P<0.01〕，在落干期由-1.78 mg/(kg·d)逐漸增至-0.21mg/(kg·d)，在淹水期由2.00 mg/(kg·d)逐漸減至0.22 mg/(kg·d)，最終均趨近于0 mg/(kg·d)，于10～20 d保持穩(wěn)定(P>0.05). NaOH-Po的轉(zhuǎn)化速率在落干期趨近于0 mg/(kg·d)，且無顯著變化〔見圖3(b)，P>0.05〕，在淹水期由-1.72 mg/(kg·d)呈指數(shù)衰減模式，逐漸增至-0.12 mg/(kg·d)(R2=0.99，P<0.01)，最終于10～20 d保持穩(wěn)定(P>0.05). 結(jié)果顯示，落干期土壤中存在NaOH-Pi向其他磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，而淹水期則相反；同時，淹水期土壤中還存在NaOH-Po向其他磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的過程，且這些過程均隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸結(jié)束.

圖3 落干和淹水期土壤NaOH-Pi和NaOH-Po的轉(zhuǎn)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的轉(zhuǎn)化速率

HCl-Pi的轉(zhuǎn)化速率在落干期趨近于0 mg/(kg·d)，且無顯著變化〔見圖4(a)，P>0.05〕，在淹水期呈指數(shù)衰減模式，由0.47 mg/(kg·d)逐漸減至0.05 mg/(kg·d)(R2=0.99，P<0.01)，最終于10～20 d保持穩(wěn)定(P>0.05). 這表明淹水期土壤中存在其他磷形態(tài)向HCl-Pi轉(zhuǎn)化的過程，且該過程隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸結(jié)束. 落干和淹水期，Residual-Pt的轉(zhuǎn)化速率均趨近于0 mg/(kg·d)，在培養(yǎng)期間無顯著變化〔見圖4(b)，P>0.05〕.

圖4 落干和淹水期土壤HCl-Pi和Residual-Pt的轉(zhuǎn)化速率Fig.4 Transformation rates of HCl-Pi and Residual-Pt during the drying and flooding periods

2.5 土壤磷形態(tài)占比

落干期，土壤中H2O-Pi和NaHCO3-Pi含量在非殘渣態(tài)磷中的占比呈逐漸上升趨勢，分別增加了13.50%和13.41%〔見圖5(a)，P<0.01〕，而NaHCO3-Po和NaOH-Pi的占比則呈相反的變化趨勢，分別減小了21.58%和5.95%(P<0.01). 淹水期，土壤中H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi的占比呈逐漸上升趨勢，分別增加了28.83%、2.46%和1.18%〔見圖5(b)，P<0.01〕，而NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po的占比則呈相反的變化趨勢，分別減小了9.12%、19.33%和4.03%(P<0.01). 落干和淹水培養(yǎng)15 d后，各土壤磷形態(tài)占比均保持穩(wěn)定.

圖5 落干和淹水期不同磷組分在非殘渣態(tài)中的占比Fig.5 Proportions of soil P forms in ex-Residual-P during the drying and flooding periods

2.6 不同磷形態(tài)之間的相互關(guān)系

落干期結(jié)束時，土壤中H2O-Pi含量與NaHCO3-Pi含量呈極顯著正相關(guān)(見表3，P<0.01)，但與NaHCO3-Po(NaOH-Pi)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；NaHCO3-Pi含量與NaOH-Pi(NaHCO3-Po)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01). 淹水期結(jié)束時，土壤中H2O-Pi含量與NaOH-Pi(HCl-Pi)含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而與NaHCO3-Po(NaHCO3-Pi、NaOH-Po)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；NaHCO3-Pi含量與NaOH-Pi含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；NaOH-Po(NaHCO3-Po)含量與HCl-Pi含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01).

表3 落干和淹水培養(yǎng)結(jié)束后土壤磷形態(tài)含量之間的相關(guān)性

3 討論

3.1 落干期土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化

落干期，H2O-Pi和NaHCO3-Pi的轉(zhuǎn)化速率均大于0 mg/(kg·d)，呈指數(shù)衰減模式，隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸減小，并最終保持穩(wěn)定〔見圖1和圖2(a)，R2=0.99，P<0.01〕，其含量在非殘渣態(tài)磷中的占比分別增加了13.50%和13.41%〔見圖5(a)，P<0.01〕；相反，NaHCO3-Po和NaOH-Pi的轉(zhuǎn)化速率均小于0 mg/(kg·d)，呈指數(shù)衰減模式，隨著培養(yǎng)時間的增加而逐漸增加，并最終保持穩(wěn)定〔見圖2(b)和圖3(a)，R2=0.99，P<0.01〕，其占比分別減小了21.58%和5.95%(P<0.01)；NaOH-Po、HCl-Pi和Residual-Pt的轉(zhuǎn)化速率均趨近于0 mg/(kg·d)，其占比保持穩(wěn)定〔見圖3(b)和圖4〕. 根據(jù)質(zhì)量守恒原則，NaHCO3-Po和NaOH-Pi均向H2O-Pi和NaHCO3-Pi轉(zhuǎn)化.

上述結(jié)果可從以下兩方面加以解釋： ①在周期性淹水和落干的過程中，三峽庫區(qū)消落帶存在植物碳的不斷輸入[31-32]，這可能使得落干模擬培養(yǎng)期間土壤微生物量碳含量增加[33]，在有氧環(huán)境下，微生物解磷可使NaHCO3-Po和NaOH-Pi向H2O-Pi轉(zhuǎn)化[34]. 因此，H2O-Pi含量與NaHCO3-Po(NaOH-Pi)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(見表3，P<0.01). ② H2O-Pi可被土壤晶體礦物吸附使得NaHCO3-Pi增加[35]. 因此，NaHCO3-Po(NaOH-Pi)含量與NaHCO3-Pi含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相反，H2O-Pi含量與NaHCO3-Pi含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01). 同時，由于微生物解磷及H2O-Pi的吸附過程分別受到底物含量和吸附點位的限制，因此所涉磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化速率與培養(yǎng)時間的關(guān)系均符合指數(shù)衰減模式，并逐漸趨近于0 mg/(kg·d). 可見，NaHCO3-Po和NaOH-Pi是落干期消落帶土壤H2O-Pi的重要來源. 目前，有關(guān)落干期土壤環(huán)境下H2O-Pi的形態(tài)來源研究尚鮮見報道. 因此，上述結(jié)果為落干期消落帶土壤磷素流失的防治提供了重要線索.

3.2 淹水期土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化

淹水期，H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi的轉(zhuǎn)化速率大于0 mg/(kg·d)，隨著培養(yǎng)時間的增加呈指數(shù)衰減模式逐漸減小，并最終保持穩(wěn)定〔見圖1、圖3(a)和圖4(a)，R2=0.99，P<0.01〕，其占比分別增加了28.83%、2.46%和1.18%〔見圖5(b)，P<0.01)〕；相反，NaHCO3-Pi，NaHCO3-Po和NaOH-Po的轉(zhuǎn)化速率小于0 mg/(kg·d)，隨著培養(yǎng)時間的增加呈指數(shù)衰減模式逐漸增加，并最終保持穩(wěn)定〔見圖2(a)(b)和圖3(b)，R2=0.99，P<0.01)〕，其占比分別減小了9.12%、19.33%和4.03%(P<0.01)；而Residual-Pt的轉(zhuǎn)化速率趨近于0 mg/(kg·d)，其占比保持穩(wěn)定〔見圖4(b)〕. 根據(jù)質(zhì)量守恒原理，NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po均向H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi轉(zhuǎn)化.

上述結(jié)果可從以下三方面加以解釋： ①存在植物碳輸入時，淹水培養(yǎng)過程中土壤微生物量碳亦可能增加[36]，使得NaHCO3-Po和NaOH-Po可礦化形成H2O-Pi[37-38]. 因此，NaHCO3-Po(NaOH-Po)含量與H2O-Pi含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(見表3，P<0.01). 相關(guān)淹水培養(yǎng)試驗[39-40]也得到了一致的結(jié)果. ②淹水條件下土壤晶體鐵氧化物也可在微生物的作用下向無定型鐵氧化物轉(zhuǎn)化使得NaHCO3-Pi含量減少，NaOH-Pi含量增加[41-42]. 因此，NaHCO3-Pi含量與NaOH-Pi含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01). Laakso等[39]通過原位監(jiān)測發(fā)現(xiàn)淹水后土壤NaOH-Pi含量顯著增加，這與筆者所得結(jié)果是一致的. Lin等[40]室內(nèi)模擬研究也得到了相同的結(jié)果. 周健等[28]通過原位淹水研究發(fā)現(xiàn)，淹水期間Al-P含量表現(xiàn)為先降后升的趨勢，而Fe-P含量變化與之相反. 這與筆者所得結(jié)果存在差異，可能是由試驗方法的差異所致. ③淹水期NaHCO3-Po和NaOH-Po礦化后可進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)沉淀向HCl-Pi轉(zhuǎn)化[43]. 因此，NaHCO3-Po(NaOH-Po)含量與HCl-Pi含量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，H2O-Pi含量與HCl-Pi含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01). 缺氧環(huán)境下，微生物有機(jī)磷礦化及鐵氧化物晶型轉(zhuǎn)化過程亦受到底物含量的限制，同時，磷素化學(xué)沉淀過程與H2O-Pi含量的變化密切相關(guān). 故而，上述磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化速率均隨著培養(yǎng)時間的增加呈指數(shù)衰減模式變化，逐漸趨近于0 mg/(kg·d). 可見，淹水期，NaHCO3-Po和NaOH-Po是H2O-Pi的重要來源. Ajmone-Marsan等的室內(nèi)厭氧培養(yǎng)研究表明，土壤磷素流失的潛力與有機(jī)磷肥添加量成正比[44]，這與筆者所得結(jié)果是一致的. 因此，落干期采取適當(dāng)措施降低消落帶土壤有機(jī)磷含量能夠有效減小淹水期土壤磷素向三峽水庫的釋放，這為落干期消落帶土地的科學(xué)管理指明了方向.

該研究基于修正的Hedley磷分級法更為細(xì)致地探討了土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，更為全面(包括落干期和有機(jī)磷)地揭示了三峽庫區(qū)消落帶土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程(見圖6)，證實了除無機(jī)磷外，有機(jī)磷是H2O-Pi的重要來源，可為控制三峽消落帶土壤磷素向水體釋放提供科學(xué)對策. 然而，該研究尚未考慮干濕交替條件下土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化過程以及驅(qū)動土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的化學(xué)及微生物機(jī)制，將在接下來的工作中進(jìn)一步探討.

圖6 落干和淹水期土壤磷形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程Fig.6 Transformation processes of soil P forms during the drying and flooding periods

4 結(jié)論

a) 與培養(yǎng)前相比，落干培養(yǎng)后三峽庫區(qū)消落帶土壤中NaHCO3-Po和NaOH-Pi含量在非殘渣態(tài)磷中的占比均減少，而H2O-Pi和NaHCO3-Pi的占比則表現(xiàn)相反；淹水培養(yǎng)后,NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po的占比均減少；而H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi的占比則表現(xiàn)相反.

b) 三峽庫區(qū)消落帶落干期，NaHCO3-Po和NaOH-Pi均向H2O-Pi和NaHCO3-Pi轉(zhuǎn)化；淹水期，NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po和NaOH-Po均向H2O-Pi、NaOH-Pi和HCl-Pi轉(zhuǎn)化.

c) 三峽庫區(qū)消落帶落干期和淹水期，土壤晶體礦物吸附態(tài)有機(jī)磷(NaHCO3-Po)均是H2O-Pi的主要來源. 因此，降低NaHCO3-Po含量能夠有效減少消落帶土壤磷素在雨水淋溶及淹水條件下向三峽水庫的釋放.