室內(nèi)模擬水分管理對(duì)土壤溶液磷質(zhì)量濃度影響研究

吳瑞，胡正義,，孫藝齊，耿紫琪，崔巖山,2*

室內(nèi)模擬水分管理對(duì)土壤溶液磷質(zhì)量濃度影響研究

吳瑞1，胡正義1,3，孫藝齊1，耿紫琪3，崔巖山1,2*

（1.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，北京 101408；2.中國(guó)科學(xué)院 生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 中丹學(xué)院，北京 100190）

探究不同水分管理模式下、不同土層土壤溶液磷的環(huán)境行為。本研究采取土柱試驗(yàn)研究了3種水分管理模式下（模式1—模式3土壤含水率均恒定分別為：50%、75%、100%）84 d剖面土壤（表層0～10 cm、中層10～20 cm、下層20～30 cm）溶液磷質(zhì)量濃度變化規(guī)律及其與土壤溶液中TOC、總鐵、總鋁、總鈣之間關(guān)系。水分管理對(duì)土壤溶液磷質(zhì)量濃度有顯著的影響，并與土層有關(guān)；表層土壤表現(xiàn)為：模式3（1.27 mg/L）＞模式2（0.82 mg/L）；中層土壤表現(xiàn)為：模式3（1.60 mg/L）＞模式2（1.40 mg/L）；下層土壤表現(xiàn)為：模式3（0.31 mg/L）＞模式2（0.17 mg/L）＞模式1（0.13 mg/L）。逐步回歸分析揭示土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與土壤溶液TOC、總鐵、總鋁、總鈣有關(guān)，并受水分管理模式和土壤層深度的影響。室內(nèi)模擬3種水分管理模式下土壤溶液總磷質(zhì)量濃度都大于地表水富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值（0.1 mg/L）。退耕還濕期間土壤磷釋放可能會(huì)引起上覆水磷質(zhì)量濃度突然升高，其造成的生態(tài)環(huán)境問題值得關(guān)注。

水分管理；土壤溶液；磷；三江平原；退耕還濕

0 引言

【研究意義】三江平原地區(qū)作為我國(guó)三大濕地之一[1]。歷史上，三江平原的開發(fā)曾為滿足國(guó)家糧食需求、保障國(guó)家糧食安全做出過重要貢獻(xiàn)[2]。但是，1980—2015年三江平原濕地沼澤面積減少了53.27%[3]，減少的濕地主要轉(zhuǎn)化為耕地，耕地面積比從1954年15.7%增加到了2015年的56.5%[4]。三江平原濕地退化嚴(yán)重，2000—2015年濕地植被覆蓋度由91.8%減小至74%[5]。長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)開墾和農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)，使三江平原地區(qū)濕地面積逐漸萎縮，旱澇災(zāi)害頻率增加，水土流失加劇。農(nóng)業(yè)堤防排水渠改變了濕地的水文條件，導(dǎo)致濕地C、N、P循環(huán)過程發(fā)生極大改變[6]。為此，三江平原自然保護(hù)區(qū)于2000年被列為國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，隨后退耕還濕工程力度不斷加大。濕地周邊農(nóng)田停止農(nóng)業(yè)耕種后，生態(tài)補(bǔ)水是退耕還濕工程重要技術(shù)方法。有研究表明，水分管理可以顯著地影響土壤氮磷養(yǎng)分釋放[7]，進(jìn)而影響植物生長(zhǎng)[8-12]及水體氮磷質(zhì)量濃度?！狙芯窟M(jìn)展】田娟等[13]研究淹水土壤磷釋放發(fā)現(xiàn)上覆水可溶磷最大值可達(dá)到0.16 mg/L，大于地表水富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值0.1 mg/L[14]。有關(guān)淹水及干濕交替磷釋放機(jī)理研究也較多。崔虎等[15]通過室內(nèi)模擬干濕交替發(fā)現(xiàn)Fe-P是土壤釋放磷的主要組分，Al-P也有較少釋放。周健等[16]發(fā)現(xiàn)水庫(kù)消落帶持續(xù)淹水土壤Al-P量隨時(shí)間先降低后升高，F(xiàn)e-P量隨淹水時(shí)間先升高后降低。【切入點(diǎn)】雖然水分對(duì)土壤磷釋放研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但土壤溶液磷能更好反映磷的環(huán)境效應(yīng)，下層土壤溶液磷可以影響地下水水質(zhì)、中層土壤溶液磷可以影響植物生長(zhǎng)、表層土壤溶液磷對(duì)地表水水體有重要影響。然而，不同水分模式下剖面土壤溶液中磷變化規(guī)律還缺乏研究，制約了退耕還濕過程中土壤磷釋放對(duì)水質(zhì)影響和植物磷供需的評(píng)價(jià)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以黑龍江省三江平原國(guó)家級(jí)濕地自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的撫遠(yuǎn)市烏蘇鎮(zhèn)農(nóng)田土壤為對(duì)象，采用室內(nèi)土柱模擬實(shí)驗(yàn)，研究水分管理模式對(duì)剖面土壤溶液磷變化規(guī)律，以期為退耕還濕工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自黑龍江省撫遠(yuǎn)市烏蘇里鎮(zhèn)某農(nóng)田（48° 4'N，134°32 E），農(nóng)田種植的主要作物是玉米。選擇典型采樣地，挖土壤剖面，分層采集0～10、10～20、20～30 cm土壤，分別放到袋子里密封保存，帶回實(shí)驗(yàn)室內(nèi)風(fēng)干，挑去秸稈殘留，過1 mm篩。供試驗(yàn)用。留部分過1 mm篩土壤分析有效磷、pH值、機(jī)械組成。取部分過1 mm篩土壤樣品，再磨碎，過100目篩，供有機(jī)質(zhì)、總磷分析。供實(shí)驗(yàn)土壤為東北黑土；表層和中層土壤屬于粉砂質(zhì)壤土，下層土壤屬于粉砂質(zhì)黏壤土；土壤總磷量很高，但是有效磷低。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 土壤基本理化性質(zhì)

1.2 土柱模擬裝置及運(yùn)行

試驗(yàn)?zāi)M裝置如圖1所示，土柱為PVC管，直徑160 mm、高450 mm。首先向每個(gè)土柱底部墊入脫脂棉與面紗布，然后放入洗凈石英砂（直徑1～2 mm）1 kg，隨后依次向每根柱子裝填下層土壤（20～30 cm）1.2 kg，中層土壤（10～20 cm）1 kg，表層土壤（0～10cm）1.4 kg土壤。水位探頭放置于觀測(cè)管中，水位控制系統(tǒng)通過膠管與觀測(cè)管相連，通過設(shè)置不同位置的水位探頭來控制土壤中的含水率。當(dāng)土柱中水位低于探頭探測(cè)的最低水位時(shí)，水泵啟動(dòng)，水泵通過水管自動(dòng)向土柱中注水，直到水位達(dá)到設(shè)定水位為止。土柱外表安裝有3個(gè)相距10 cm的土壤溶液采樣器[17]，用于采集不同深度的土壤溶液，供分析。土柱底部設(shè)有裝置室，裝置室底部設(shè)有底座。在沖洗液收集裝置與隔離裝置連接的管路上設(shè)有開關(guān)閥。水位控制系統(tǒng)包括液位探頭、水泵、繼電器和接觸器；液位探頭通過電纜與繼電器連接。

1.試驗(yàn)?zāi)M柱；2.淋洗液收集裝置；3.觀測(cè)管；4.橡膠軟管；5.土培室；6.設(shè)備室；7.底座；8.隔離裝置；9.開關(guān)閥；10.液位探頭；11.水泵；12.水箱；13.土壤溶液采樣器

1.3 試驗(yàn)處理與采樣

設(shè)3種水分管理模式，模式1為土壤質(zhì)量含水率恒定50%、模式2為土壤質(zhì)量含水率恒定75%、模式3為土壤質(zhì)量含水率恒定100%。預(yù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定實(shí)現(xiàn)土柱含水率50%、75%、100%分別對(duì)應(yīng)水位-37、-22、-5 cm（以土柱外壁最高點(diǎn)為相對(duì)高程0點(diǎn)，以豎直向上為正方向）。所以將水位探頭分別設(shè)置位距離土柱外壁最高點(diǎn)37、22、5 cm處（最低水位為以探頭中心點(diǎn)為原點(diǎn)-2.5 cm、最高水位為+2.5 cm）。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)期間室溫為23℃。土壤溶液采樣時(shí)間前期5 d左右1次，28 d以后大約14 d為1次。

1.4 分析與測(cè)試方法

用膜孔為0.45 μm土壤溶液取樣器（Rhizon 19.60.22 F）收集土壤溶液[18]。土壤經(jīng)雙氧水消化，激光粒度儀（Mastersizer 2000）測(cè)定土壤粒徑[19]；ICP-OES（Optima 5300 DV ）測(cè)定土壤溶液總磷、總鋁、總鐵、總鈣[20]；TOC分析儀（Multi N/C 3100）測(cè)得土壤溶液中TOC[20]；土壤溶液pH值用pH計(jì)（上海梅特勒-托利多公司SG2）測(cè)定[20]；土壤溶液采用便攜數(shù)字化多參數(shù)分析儀[20]（HQ40d HACH）；鉬銻抗分光光度法測(cè)定土壤溶液中無機(jī)磷[20]；土壤pH值采用pH計(jì)（上海梅特勒-托利多公司SG2）測(cè)定（土、水比為1∶2.5）[19]。用HCl（0.025 mol/L）+NH4F（0.03 mol/L），浸提土壤有效磷，鉬銻抗比色法測(cè)定[19]；土壤有機(jī)質(zhì)采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法-滴定法測(cè)定[19]；土壤經(jīng)過微波消解儀（美國(guó)CEM公司Mars 6）（硝酸、雙氧水、氫氟酸比為5∶3∶2）消解，通過ICP-OES（Optima 5300 DV ）測(cè)定總磷、總鐵[19]；土壤無機(jī)磷組分采用酸性土壤無機(jī)磷形態(tài)的分級(jí)測(cè)定[19]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用AutoCAD 2012 (Autodesk) 繪制土柱裝置示意圖。采用Excel 2019（Microsoft）繪制參數(shù)動(dòng)態(tài)變化圖。所有測(cè)定指標(biāo)應(yīng)用SPSS 22（IBM, USA）軟件中Wilcxon檢驗(yàn)方法分析處理間差異顯著性水平，并應(yīng)用該軟件分析土壤溶液總磷與總鐵、總鋁、總鈣、TOC之間相關(guān)性。用SPSS 22（IBM, USA）多元逐步回歸擬合土壤溶液總磷與土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC之間關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分管理模式下土壤溶液pH值和Eh的變化

模式1表層和中層土壤沒有收集到土壤溶液，下層土壤收集到土壤溶液，模式2和模式3各層土壤都收集到土壤溶液。3種水分管理模式下土柱中土壤溶液pH值、變化見圖2。3種水分管理模式下，表層、中層土壤溶液pH值表現(xiàn)為：模式3＞模式2；下層表現(xiàn)為：模式3＞模式2＞模式1。各土層土壤溶液pH值：模式3表現(xiàn)為：表層＞中層＞下層，模式2表現(xiàn)為：中層＞下層＞表層。

3種水分管理模式下，表層和中層土壤溶液表現(xiàn)為，模式3＜模式2；下層土壤溶液表現(xiàn)為，模式3＜模式2＜模式1；各土層土壤溶液：模式3表現(xiàn)為：下層＞中層＞表層，模式2表現(xiàn)為：下層＞表層＞中層，表層和中層土壤中，培養(yǎng)到20 d以后差別更加明顯，而下層土壤直到40 d以后才明顯。

在培養(yǎng)期間土壤溶液pH值與與水分管理模式和土壤層次有關(guān)且呈相反的變化規(guī)律，pH值除了模式3表層外在20 d以后呈緩慢上升趨勢(shì)，則相反呈下降趨勢(shì)。模式2表層pH值與在20 d前沒有穩(wěn)定，20 d后pH值下降第70 d開始再次上升，則波動(dòng)上升。

圖2 3種水分管理模式下土柱中土壤溶液pH值和Eh動(dòng)態(tài)變化

2.2 不同水分管理模式下土壤溶液TOC、總鐵、總磷和總鈣質(zhì)量濃度的變化

3種水分管理模式下土柱中土壤溶液TOC、總鐵、總鋁和總鈣質(zhì)量濃度的變化見圖3。由圖3可見，水分管理模式對(duì)土壤溶液TOC、總鐵、總鋁和總鈣質(zhì)量濃度有顯著影響，并與土層和時(shí)間有關(guān)。表層和中層土壤溶液TOC、總鐵、總鋁和總鈣質(zhì)量濃度表現(xiàn)為：模式3＞模式2；而下層土壤溶液TOC、總鐵和總鈣質(zhì)量濃度表現(xiàn)為：模式3＞模式2＞模式1，下層土壤溶液總鋁質(zhì)量濃度表現(xiàn)為：模式3＞模式1＞模式2。模式2和模式3下，各土層土壤溶液TOC、總鐵、總鋁和總鈣質(zhì)量濃度表現(xiàn)為：中層＞表層＞下層。培養(yǎng)期間，土壤TOC、總鐵、總鋁和總鈣質(zhì)量濃度動(dòng)態(tài)變化規(guī)律與水分管理模式、土層次有關(guān)。隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，表層土壤溶液鋁質(zhì)量濃度逐漸增加，而表層土壤溶液TOC、總鐵、總鈣質(zhì)量濃度先升高，在40～54 d達(dá)到最大值，隨后逐漸下降（圖3）。隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，下層土壤溶液TOC、總鐵、總鈣質(zhì)量濃度逐漸升高，而下層土壤溶液總鋁質(zhì)量濃度先逐漸升高，在16～21 d達(dá)到最大值，隨后逐漸下降。隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，中層土壤溶液總鐵、鈣濃質(zhì)量濃度逐漸升高，達(dá)到最大值（總鐵在40～54 d，總鈣在21～38 d）后，再逐漸下降。隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，模式2中層土壤溶液TOC和總鋁質(zhì)量濃度逐漸升高，達(dá)到最大值（TOC在21 d，總鋁在11 d）后，再逐漸下降；模式2中層土壤溶液TOC質(zhì)量濃度逐漸下降，而模式3中層土壤溶液總鋁質(zhì)量濃度趨于逐漸升高。

圖3 3種水分管理模式下土壤溶液TOC、鐵、鋁、鈣動(dòng)態(tài)變化

表2 3種水分管理模式下土壤溶液理化性質(zhì)

注 表中數(shù)值以整個(gè)培養(yǎng)階段平均值形式表示，同列不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著（＜0.05）。

2.3 不同水分條件下土壤溶液無機(jī)磷和總磷質(zhì)量濃度的變化

3種水分管理模式下土柱中土壤溶液無機(jī)磷、總磷質(zhì)量濃度的變化于圖4。由圖4可見，水分管理模式對(duì)土壤溶液無機(jī)磷和總磷質(zhì)量濃度有顯著影響，并與土層和時(shí)間有關(guān)。而3層土壤溶液無機(jī)磷質(zhì)量濃度差異不顯著。各土層土壤溶液總磷、無機(jī)磷質(zhì)量濃度表現(xiàn)為：中層＞表層＞下層。表層、中層和下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度表現(xiàn)為：模式3＞模式2[表層：模式3（1.27 mg/L）＞模式2（0.82 mg/L）；中層：模式3（1.60 mg/L）＞模式2（1.40 mg/L）；下層：模式3（0.31 mg/L）＞模式2（0.17 mg/L）＞模式1（0.13 mg/L）]。

圖4 3種水分管理模式下土壤溶液無機(jī)磷和總磷動(dòng)態(tài)變化

培養(yǎng)期間模式1—模式3無機(jī)磷變化均呈“Ｚ”型雙峰變化（圖4）。隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)模式2—模式3表層和模式1下層在第21天出現(xiàn)最大值隨后迅速下降，下降至最小值后又緩慢升高。而模式2—模式3中層和下層則在第28 d達(dá)到最大值。隨后同樣迅速下降至最小值后又緩慢上升。

在培養(yǎng)期間，模式2和模式3表層和中層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度呈倒“V”型單峰變化，而下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度呈“Z”型雙峰變化（圖4）。隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，模式2和模式3表層土壤溶液總磷質(zhì)量逐漸升高，在40～50 d達(dá)到最大值，隨后逐漸下降，中層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度也有類似規(guī)律，但是最大值出現(xiàn)在20 d；隨時(shí)間延長(zhǎng)，下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度升高，在10 d達(dá)到最大值，隨后下降，在40 d達(dá)到最小值，然后再繼續(xù)升高。

2.4 土壤溶液總磷與溶液總鐵、總鋁、總鈣和TOC之間關(guān)系

表3為土壤溶液中總磷質(zhì)量濃度與土壤溶液中其他物質(zhì)（總鐵、總鋁、總Ca和TOC）之間的相關(guān)系數(shù)，表4為土壤溶液中總磷質(zhì)量濃度（）與土壤溶液總鐵（1）、總鋁（2）、鈣（3）和TOC（4）之間的逐步回歸方程。由表3、表4可知，模式1下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鈣、TOC質(zhì)量濃度之間呈正相關(guān)（＜0.01），而與土壤溶液總鋁質(zhì)量濃度沒有相關(guān)性；模式1下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質(zhì)量濃度逐步回歸分析，只有TOC包含在方程中。模式2表層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與總鋁、總鈣、TOC正極顯著相關(guān)，而與土壤溶液總鐵正顯著相關(guān)；表層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與表層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質(zhì)量濃度之間逐步回歸方程中僅保留總鋁和TOC。模式2中層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與中層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣質(zhì)量濃度極顯著正相關(guān)，與土壤溶液TOC質(zhì)量濃度沒有相關(guān)性；中層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與表層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質(zhì)量濃度之間逐步回歸方程中僅保留總鋁。模式2下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鈣、TOC質(zhì)量濃度極顯著正相關(guān)，而與土壤溶液總鋁質(zhì)量濃度負(fù)相關(guān)達(dá)到顯著水平；下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質(zhì)量濃度之間逐步回歸方程中僅保留總鈣和TOC。

模式3表層和中層土壤溶液總磷與土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC之間呈正相關(guān)（＜0.01）。模式3表層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與表層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC之間逐步回歸方程中僅保留總鐵；模式3中層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與中層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質(zhì)量濃度之間逐步回歸方程中僅保留總鈣。

模式3下層土壤溶液總磷與下層土壤溶液總鐵、總鈣、TOC正相關(guān)，而與總鋁相關(guān)性沒有達(dá)到顯著性水平。模式3下層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC之間逐步回歸方程中僅保留總鈣和TOC。

總體來講，前40 d，土壤溶液總磷質(zhì)量濃度與TOC、總鐵、總鋁和總鈣相關(guān)性要強(qiáng)于整個(gè)時(shí)期。

表3 土壤溶液中總磷與土壤溶液中總鐵、總鋁、總Ca和TOC的相關(guān)系數(shù)

注 *和**分別表示相關(guān)性達(dá)到0.05和0.01顯著性水平。

表4 土壤溶液中總磷質(zhì)量濃度(y)與土壤溶液總鐵(x1)、 總鋁(x2)、鈣(x3)和TOC(x4)之間逐步回歸方程

3 討論

在整個(gè)培養(yǎng)期間內(nèi)，所有土層土壤溶液總磷質(zhì)量濃度都是隨土壤水分增加而升高（圖4）?？赡苡幸韵聨追矫嬖?。水分升高促進(jìn)土壤有機(jī)磷降解、釋放：隨水分升高，土壤微生物活動(dòng)增強(qiáng)[21]，進(jìn)而加速土壤有機(jī)磷分解；TOC可以與磷酸根競(jìng)爭(zhēng)吸附土壤上的吸附位點(diǎn)，促進(jìn)可溶性磷釋放[22]。TOC也可以與磷產(chǎn)生絡(luò)合增溶溶解現(xiàn)象，進(jìn)一步促進(jìn)土壤磷的釋放[23-24]；隨土壤水分升高，土壤溶液TOC質(zhì)量濃度也增加（圖2），土壤溶液TOC與土壤溶液總磷相關(guān)性顯著（表3），3種水分管理模式下層土壤溶液總磷與總鐵、總鋁、總鈣和TOC逐步方程中都含TOC（表4），這些證實(shí)水分升高促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解，間接證實(shí)水分升高促進(jìn)土壤有機(jī)磷分解；水分升高驅(qū)動(dòng)了土壤無機(jī)磷釋放。隨著土壤水分升高，導(dǎo)致土壤還原性增強(qiáng)，土壤Fe3+被還原為Fe2+[25]，從而導(dǎo)致土壤中Fe-P釋放，也破壞了土壤Al-P和Ca-P結(jié)構(gòu)。隨土壤水分升高，土壤溶液趨于下降（圖2）。3種水分管理模式中土壤溶液總磷與總鐵、總鋁、總鈣和TOC逐步方程中含總鐵、總鋁、總鈣因子（表4），指示水分驅(qū)動(dòng)土壤無機(jī)磷組分釋放。土壤TOC維持土壤溶液鐵穩(wěn)定性[25]。土壤可溶有機(jī)質(zhì)與土壤釋放到溶液鐵磷、鋁磷形成絡(luò)合物維持了土壤溶液高質(zhì)量濃度磷存在。研究證實(shí)，低分子有機(jī)物（TOC）可以與鐵磷或者鋁磷形成三元復(fù)合體[22, 24, 26-27]。水分誘導(dǎo)土壤pH值上升，促進(jìn)土壤磷溶解釋放。隨著土壤水分升高，土壤溶液pH值從4.45上升到6.5左右，這與蔡振國(guó)等[25]試驗(yàn)結(jié)果相同，淹水處理高磷土壤pH值從4.85增加到6.5，pH值上升進(jìn)而促進(jìn)酸性土壤磷溶解釋放。酸性土壤中磷有效性一般較低，pH值升高到6.5～6.8，土壤磷固定作用下降，有利于磷釋放，提高土壤磷有效性[28]；土壤淹水引起土壤死亡微生物分解導(dǎo)致的磷釋放。土壤淹水滲透壓上升，會(huì)導(dǎo)致死亡微生物細(xì)胞內(nèi)的磷釋放[29]。王子琬等[29]Blackwell等[30]證實(shí)干濕交替過程中釋放的總?cè)芙饬字辽?8%來自裂解的微生物細(xì)胞。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表層、中層、下層土壤溶液磷質(zhì)量濃度均值分別達(dá)到0.82～1.27、1.40～1.60 mg/L和0.13～0.31 mg/L（圖4），大于地表水富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值（0.1 mg/L）[14]。因此，退耕還濕土壤磷釋放進(jìn)入土壤溶液，隨后通過向上覆水?dāng)U散，提高湖泊水體磷濃度，其影響湖泊水體磷質(zhì)量濃度最關(guān)鍵時(shí)期在退耕還濕40 d前后，因?yàn)榇藭r(shí)土壤磷釋放導(dǎo)致土壤水磷質(zhì)量濃度最大（圖4）。因此，退耕還濕土壤磷釋放引起的磷釋放造成生態(tài)環(huán)境問題值得關(guān)注。隨水分升高，土壤溶液磷質(zhì)量濃度增加（圖4）。因此，退耕還濕過程中，采取逐步灌水措施有利于降低灌水對(duì)水體磷沖擊。這些研究有待野外觀察驗(yàn)。

4 結(jié)論

土壤水分顯著影響土壤溶液磷質(zhì)量濃度，且隨著水分增加而增加。3種水分管理模式下土壤溶液總磷質(zhì)量濃度都大于地表水富營(yíng)養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)值（0.1 mg/L）[14]，尤其是模式3土壤淹水飽和條件下。因此，退耕還濕期間土壤磷釋放，特別是土壤淹水飽和情況下，可能會(huì)引起上覆水磷質(zhì)量濃度突然升高，其造成的生態(tài)環(huán)境問題值得關(guān)注。

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The Effects of Soil Water Content on Distribution of Mobile Phosphorus Concentration in Soil

WU Rui1, HU Zhengyi1,3, SUN Yiqi1,GENG Ziqi3,CUI Yanshang1,2*

(1. School of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 101408, China;2. Research Center for Eco-environmental Sciences , CAS, Beijing 100085, China;3. Sino-danish College, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

】Concentration of mobile phosphorus (P) in soil affects not only plant growth but also water quality because of its potential leaching. Most studies on soil P focused on topsoil while overlooking subsoil which is equally important.The objective of this paper is to study the dynamics of mobile P at different soil depths and its driving forces in attempts to help improve P uptake by plants while in the meantime reducing its leaching.【】Column experiments filled with soil taken from Sanjiang plain in China were conducted with average volumetric soil water content controlled at 50% (M1), 75% (M2) and 100% (M3) respectively. In each treatment, we measured the changes in mobile phosphorus in the depths of 0～10 cm (topsoil) 10～20 cm (middle soil) and 20～30 cm (subsoil). We also analyzed its relationship with total organic carbon (TOC), total Fe, total Al and total Ca in soil solution; the experiments lasted 84 days.【】When soil water content was 50%, soil solution was not extractable from the topsoil and the middle soil, and only was limited water extracted from the subsoil. When soil water content exceeded 75%, soil solution was more mobile for extraction in which the P concentration in the middle soil was found to be the highest, 1.3～1.7 times that in the topsoil and 5.2～8.2 times that in the subsoil. The impact of soil water on P concentration varied with soil depth and was ranked in the following order: In the topsoil, M3 (1.27 mg/L) > M2 (0.82 mg/L), in the middle soil M3 (1.60 mg/L) > M2 (1.40 mg/L), and in the subsoil M3 (0.31 mg/L) > M2 (0.17 mg/L) >M1 (0.13 mg/L). A stepwise regression analysis indicated that P concentration in the soil solution was related to TOC, total Fe, total Al, and total Ca in soil solution, with the correlations varying with soil water and soil depth. These suggested that improving soil water management could shift dissolution and/or decomposition of P in different forms in the soil, and can thus bed used to manage soil P. Regardless of soil water content, P concentration in the soil was much higher than the critical P concentration, 0.1 mg/L, which could trigger eutrophication in surface water.【】Increasing soil water could result in a quick release of P from soil to the overlying surface water, triggering eutrophication as a result. Care thus must be taken when temporally returning dry farmland to wetland.

water management; soil solution; phosphorus; Sanjiang plain; returning farmland to wetland

X53

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021065

1672 – 3317（2021）08 - 0073 - 08

吳瑞, 胡正義, 孫藝齊, 等.室內(nèi)模擬水分管理對(duì)土壤溶液磷質(zhì)量濃度影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(8): 73-80.

WU Rui, HU Zhengyi, SUN Yiqi, et al. The Effects of Soil Water Content on Distribution of Mobile Phosphorus Concentration in Soil [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(8): 73-80.

2021-02-13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFC0500408）

吳瑞（1994-），男，遼寧沈陽(yáng)人。碩士研究生，主要研究土壤環(huán)境化學(xué)。E-mail: wurui18@mails.ucas.ac.cn

崔巖山（1972-），男。教授，博士生導(dǎo)師，研究方向土壤污染物環(huán)境行為及其修復(fù)技術(shù)。E-mail: cuiyanshan@.ucas.ac.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍