模擬酸雨對茶園土壤磷素溶出特征與形態(tài)的影響

姚龍仁，王肖君，卓 超，冷明珠，倪吾鐘，*

(1.浙江大學 環(huán)境與資源學院，浙江省農業(yè)資源與環(huán)境重點實驗室，浙江 杭州 310058；2.浙江安吉宋茗白茶有限公司，浙江 安吉 313300；3.浙江省安吉縣農業(yè)農村局，浙江 安吉 313300)

茶是世界3大飲料之一，是我國重要的經濟作物之一。據報道，我國茶葉種植面積超過300萬hm2[1]，茶園主要分布在云南、福建、浙江和安徽等地，其中，浙江省茶葉種植面積約占全國總面積的10%。磷是一種重要的營養(yǎng)元素，參與茶樹生長的多個生理過程，直接影響茶葉品質。植物生長所需的磷主要來自于土壤，施用磷肥是改善土壤供磷能力和提高作物品質與產量的重要途徑[2]。然而，農民為了追求經濟效益，盲目長期大量施用磷肥，導致一些茶園土壤中的磷素累積效應明顯，流失風險不斷增大[3]。我國茶園大多處于熱帶、亞熱帶的高溫多雨地區(qū)，磷素易隨雨水淋失。同時，土壤中的鐵鋁氧化物對磷具有強烈的固定作用，導致茶園土壤中磷的有效性普遍較低。土壤缺磷現(xiàn)已成為茶樹生長的主要限制因素[4]。

降水是導致土壤磷素流失的最重要的驅動力[5]，直接影響土壤中的磷素水平，在酸雨條件下，土壤磷素的淋失風險更大。自20世紀70年代起，酸雨已成為我國突出的環(huán)境問題之一，據估計，我國約有40%的國土面積受到酸雨危害[6-7]。浙江省安吉縣地處太湖流域，通過西苕溪與太湖連通。相關數據表明，西苕溪流域2015—2020年的年均降水pH值在4.60～4.98，6年中位數為4.75，酸雨率超過90%。研究表明，長期的酸雨侵蝕會導致土壤磷素流失，且不同酸度酸雨的效應各不相同。目前，學者們普遍認為，土壤磷流失總量與酸雨pH值存在顯著的非線性關系，隨著pH值降低，土壤磷流失總量呈先增加后降低的趨勢[8]。徐華勤等[9]研究表明，一定強度的酸雨(pH值≥4.0)能有效促進土壤磷的釋放，但當pH值<4.0時土壤磷的有效性反而受到抑制。Jalali等[8]研究發(fā)現(xiàn)，pH值為4.0和5.0的處理下，土壤磷流失量遠高于其他處理。韓亞萍等[10]和張華等[11]也報道了類似的結果。廖雪菊等[12]對桉樹人工林土壤的研究發(fā)現(xiàn)，土壤全磷含量與淋洗液pH值呈正相關，pH值越低，土壤全磷流失量越大。李澤等[13]研究了模擬酸雨對水稻土磷素動態(tài)變化的影響，結果表明，經過酸雨淋溶，土壤有效磷含量下降，pH值為5.5的酸雨淋溶的水稻土有效磷含量最低。許中堅等[14]報道，旱地紅壤經不同酸度的酸雨淋溶后，水溶性磷的含量隨pH值的降低有一定的增加趨勢。Liang等[15]研究表明，當酸雨的pH值為1.6～6.0時，隨著pH值降低，膠體態(tài)磷的流失風險有所增加。典型設施環(huán)境條件下，土壤酸化能增加土壤中的可溶性磷(CaCl2-P)、有效磷(Olsen-P)含量，而微生物生物量磷(MB-P)含量顯著下降[16]。這一結果間接反映了酸雨對土壤磷素流失的影響。徐華勤等[9]的研究結果表明，模擬酸雨有助于土壤中Fe-P、Al-P和Ca-P的溶出，以及有機磷的礦化，增加了磷素流失的風險。

對土壤磷素進行分級，有利于研究土壤磷素分布、遷移與轉化特征，對了解土壤磷素狀況具有重要意義[17]。關于酸雨對土壤磷素流失的影響，現(xiàn)有研究多集中在單次模擬酸雨對土壤無機磷組分的影響上，且多側重于累積溶出量的直接比較，而關于連續(xù)酸雨過程對土壤磷素溶出動力學特性和土壤磷素形態(tài)變化的影響還少見報道。為此，本文以磷素積累和酸化明顯的茶園土壤為對象，通過土柱淋溶試驗，研究模擬酸雨連續(xù)多次淋洗對土壤磷素流失和形態(tài)轉化的影響，以期為酸雨頻發(fā)區(qū)土壤磷素流失的控制提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤樣品于2019年10月取自安吉縣溪龍鄉(xiāng)黃杜村白茶種植園區(qū)(30°44′18″N，119°45′59″E)，土壤類型為紅壤，茶園坡度為15°，采樣深度為0～20 cm。采集的土樣用自封袋帶回實驗室，自然風干，揀去枯枝落葉與碎石，過5 mm篩，用于土柱淋洗試驗。經測定，供試土壤的基本理化性狀如下：有機碳含量11.81 g·kg-1，pH值4.17，全氮含量1.43 g·kg-1，全磷含量0.96 g·kg-1，全鉀含量7.5 g·kg-1，堿解氮含量164.5 mg·kg-1，有效磷(Bray-P)含量115.7 mg·kg-1，速效鉀含量134.0 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

土柱裝置以蠕動泵為動力源，使淋洗液從底部以恒定的流速進入管內，從管的上部收集淋出液(圖1)。具體操作如下：將PVC管(直徑5.6 cm，高35 cm)用橡皮塞封住底口，在管子底部放一張200目的尼龍布，尼龍布上鋪60 g(2 cm厚)的蒸餾水洗凈的石英砂，再加入過5 mm篩的風干土550 g，土柱上方覆蓋60 g蒸餾水洗凈的石英砂。土柱裝好后，加對應淋洗液，使土壤水分充滿整個裝置至出水口。預培養(yǎng)24 h后，設置流速為1.5 mL·min-1，加400 mL淋洗液進行第一次淋溶，以后每天淋溶1次，共淋溶10次。淋洗液總量相當于安吉縣的年平均降水量(1 700 mm)。

圖1 土柱淋溶試驗裝置示意圖

1.3 測定項目與方法

收集淋出液，直接采用過硫酸鉀消化-鉬銻抗比色法測定總磷(TP)質量濃度；淋出液經0.45 μm濾膜過濾后，采用鉬銻抗比色法測定濾液中的可溶性無機磷(DIP)質量濃度，采用過硫酸鉀消化-鉬銻抗比色法測定濾液中的可溶性總磷(TDP)質量濃度；采用差減法計算顆粒態(tài)磷(PP)和可溶性有機磷(DOP)的質量濃度，其中，PP質量濃度等于TP與TDP質量濃度之差，DOP質量濃度等于TDP與DIP質量濃度之差[18]。

淋溶試驗結束時，采集各處理土柱中的土壤樣品，用于土壤磷形態(tài)分級。Tiessen磷素分級法在Hedley磷素分級法的基礎上進行了改進，包括對無機磷和有機磷的分類[19]，有助于全面估計土壤中磷素的有效性，是目前應用最廣泛的方法[20]。本研究采用該方法，將土壤中的磷劃分為NH4Cl浸提的無機磷(P1)、NaHCO3提取的無機磷(P2)、NaHCO3提取的全磷(P3)、NaOH提取的無機磷(P4)、NaOH提取的全磷(P5)、稀鹽酸提取的無機磷(P6)、濃鹽酸提取的無機磷(P7)、濃鹽酸提取的全磷(P8)和殘留態(tài)磷(P9)。

具體操作步驟如下。

NH4Cl浸提態(tài)無機磷：取1.5 g過100目的土壤樣品移入50 mL離心試管中，加30 mL 1 mol·L-1NH4Cl，振蕩30 min，將離心管于0 ℃、10 000 r·min-1的條件下離心10 min，過0.45 μm濾膜，上清液用鉬藍比色法測定P1。

NaHCO3提取態(tài)磷：將上述步驟濾膜上的土壤用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液(pH值8.5)沖回離心管中，使得離心管中的NaHCO3溶液為30 mL，振蕩整夜(16 h)，離心10 min，濾膜過濾。將濾膜過濾后的清液分成兩份：一份加入0.9 mol·L-1的H2SO4酸化，冷凍，離心10 min后測定P2；另一份加入過硫酸銨后，在高壓滅菌鍋內121 ℃蒸煮1 h后測定P3。

NaOH提取態(tài)磷：將濾膜上土壤用0.1 mol·L-1NaOH溶液沖回離心管中，使得離心管中NaOH溶液的體積為30 mL，振蕩整夜(16 h)，離心10 min后，濾膜過濾。將濾膜過濾后的清液分成兩份：一份加入0.9 mol·L-1的H2SO4酸化，冷凍，離心10 min后測定P4；另一份加入過硫酸銨后，在高壓滅菌鍋內121 ℃蒸煮1.5 h后測定P5。

稀鹽酸提取態(tài)無機磷：將濾膜上土壤用1 mol·L-1HCl沖回離心管中，使得離心管中的HCl溶液體積為30 mL，振蕩16 h，離心10 min后，濾膜過濾，上清液用來測定P6。

濃鹽酸提取態(tài)磷：在土壤殘留樣中加入10 mL的濃HCl，80 ℃水浴加熱10 min，取出后再加入5 mL濃鹽酸，冷卻后，離心10 min，將上清液轉移至干凈容器中。此后向土壤殘留樣中加10 mL水，離心5 min，將離心后的清液導入上述容器中，并再加入10 ml水，離心5 min，將清液繼續(xù)導入容器中，以保證濃HCl浸提液收集完全。將收集到的清液定容后(如仍有少量土渣可用40號濾紙過濾)，測定清液中的P7；另取一份清液加入過硫酸銨后，在高壓滅菌鍋內121℃消煮1 h，測定P8。

殘留態(tài)磷：最后將土壤殘渣轉移至75 mL消煮管中，加入5 mL濃H2SO4，在360 ℃條件下加入無磷H2O2(0.5 mL)反復消煮，直至消煮管中液體澄清(通常10次)。冷卻后定容，搖勻，轉移至容器中，過濾或者將殘渣靜置過夜后，測定溶液中的P，即為P9。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2019軟件對試驗數據進行整理和作圖，采用SPSS 20.0軟件進行方差分析，對有顯著(P<0.05)差異的，采用Duncan法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 土壤淋出液中TP、TDP和DIP質量濃度變化

隨淋洗液體積增加，土壤淋出液中的TP質量濃度呈下降趨勢(圖2)。T1、T2、T3、CK處理淋出液中TP的質量濃度分別為0.22～0.47、0.26～0.61、0.25～0.57、0.22～0.44 mg·L-1。當淋洗液體積在0.4～2.0 L時，T2和T3處理淋出液的TP質量濃度顯著(P<0.05)高于CK處理，而T1與CK無顯著差異；當淋洗液體積增大至2.4～4.0 L時，各處理淋出液的TP質量濃度無顯著差異。

圖2 不同處理下土壤淋出液的總磷(TP)質量濃度

隨淋洗液體積增加，土壤淋出液的TDP質量濃度總體呈下降趨勢(圖3)。當淋洗液體積低于2 L時，淋出液TDP質量濃度下降幅度較大；之后，隨著淋洗液體積的進一步增加，淋出液中TDP質量濃度的變化較為平緩。T1、T2、T3和CK處理的淋出液TDP質量濃度分別為0.16～0.43、0.18～0.51、0.15～0.49、0.15～0.37 mg·L-1。整個淋溶過程中，T1處理的淋出液TDP質量濃度在淋洗液體積為1.2、3.2、3.6 L時顯著(P<0.05)高于CK處理，T2處理的淋出液TDP質量濃度始終顯著(P<0.05)高于CK處理，T3處理的淋出液TDP質量濃度僅在淋洗液體積為0.4 L時顯著(P<0.05)高于CK處理。

圖3 不同處理下土壤淋出液的可溶性總磷(TDP)質量濃度

與土壤淋出液TDP的質量濃度變化特征類似，隨淋洗液體積增加，土壤淋出液的DIP質量濃度總體呈下降趨勢，且在淋洗液體積為0.4～2.0 L時下降幅度較大，之后趨于平緩(圖4)。T1、T2、T3、CK處理的淋出液DIP質量濃度分別為0.09～0.25、0.12～0.34、0.08～0.35、0.07～0.24 mg·L-1。整個淋溶過程中，T1處理的淋出液DIP質量濃度僅在淋洗液體積為2.4 L時顯著(P<0.05)高于CK處理，T2處理的淋出液DIP質量濃度在淋洗液體積為1.6、3.6 L時顯著(P<0.05)高于CK處理，T3處理的淋出液DIP質量濃度在淋洗液體積為0.4～1.2 L和2.4～3.2 L時顯著(P<0.05)高于CK處理。

圖4 不同處理下淋出液的可溶性無機磷(DIP)質量濃度

2.2 淋出液中各形態(tài)磷的溶出量

試驗期間，T1、T2、T3、CK處理土壤淋出液中總的TP溶出量分別為1.414、1.788、1.622、1.357 mg(圖5)，T2處理的TP溶出量最高，T3處理次之，二者均顯著(P<0.05)高于CK處理，增幅分別為31.8%、19.5%?；貧w分析結果顯示，不同處理下土壤TP累積溶出量(y1)與淋洗液體積(x)的關系均可用一級動力學方程擬合(表1)，擬合的決定系數(R2)在0.999 8以上。從回歸方程可以看出，T1、T2、T3、CK處理的TP最大溶出量(理論值)分別為2.51、3.06、2.71、2.70 mg，以T2處理最大，較CK增加了13.35%。此外，T1、T2、T3處理的速率常數(k)均高于CK處理。

表1 不同處理下土壤總磷(TP)溶出的動力學方程

圖5 不同處理的總磷(TP)累積溶出量

試驗期間，T1、T2、T3、CK處理土壤淋出液中總的DIP溶出量分別為0.643、0.866、0.771、0.579 mg(圖6)，T1、T2、T3處理總的DIP溶出量分別較CK處理顯著(P<0.05)增加了11.0%、49.6%、33.2%。與土壤TP溶出量類似，土壤DIP累積溶出量(y2)隨淋洗液體積(x)的變化也可用一級動力學方程描述(表2)。T1、T2、T3、CK處理的DIP最大溶出量(理論值)分別為0.95、1.23、0.95 mg，分別較CK增加了16.0%、49.9%、16.0%。

表2 不同處理下土壤可溶性無機磷(DIP)溶出的動力學方程

圖6 不同處理的可溶性無機磷(DIP)累積溶出量

將不同處理下各種形態(tài)的磷素溶出量整理于表3。從土壤TP和DIP累積溶出量來看，均以T2處理最大，T3處理次之，且二者均顯著(P<0.05)高于CK處理。分析淋出液中各形態(tài)磷素溶出量占TP的比例可得，DIP占比42.6%～48.4%，DOP占比24.9%～35.7%，PP占比18.9%～28.1%。T1～T3處理的TDP、DIP累積溶出量均較CK處理顯著(P<0.05)增加，T1、T2處理的DOP溶出量顯著(P<0.05)高于CK處理。此外，T1處理的PP累積溶出量顯著(P<0.05)低于其他3個處理。

表3 不同處理下各形態(tài)磷素的累積溶出量

2.3 模擬酸雨淋溶后土壤磷形態(tài)的變化

具體分析土壤中各形態(tài)磷素的質量分數可知，與CK處理相比：T1、T2、T3處理土壤中P2、P3的質量分數顯著(P<0.05)增加，P1、P4、P8的質量分數顯著(P<0.05)降低；T2處理P6、P7的質量分數顯著(P<0.05)增加，P9的質量分數顯著(P<0.05)下降；T3處理P9的質量分數顯著(P<0.05)下降(表4)。除此以外，其他處理各形態(tài)磷素的質量分數無顯著差異。由于各處理的TP質量分數無顯著差異，經測算，各處理下各形態(tài)磷素占TP比例的變化趨勢與各形態(tài)磷素質量分數的變化趨勢一致(表5)。

表4 處理后土壤中各形態(tài)磷的質量分數

表5 處理后土壤中各形態(tài)磷占總磷的比例

3 討論

本研究采用土柱試驗，探索模擬酸雨對茶園土壤磷素溶出特征的影響。結果顯示，模擬酸雨能顯著增加土壤中TDP、DIP和DOP的累積溶出量，其中，pH值為4.5的模擬酸雨處理對土壤磷素溶出的效果最為明顯。淋出液中TP、DIP的累積溶出量與淋洗液體積的關系均可用一級動力學方程來描述，估算的3個模擬酸雨處理的TP、DIP最大溶出量均較CK增大，進一步證實酸雨能促進土壤磷素的溶出，增加磷素的流失風險。經模擬酸雨淋洗后，土壤中P2、P3的質量分數顯著增加，P1、P4、P8的質量分數顯著降低，土壤中具有較高活性的磷組分比例增加，而穩(wěn)定性磷、中等活性磷組分比例降低，反映出土壤中磷的有效性提高。一方面，土壤中的磷素更易被茶樹吸收；另一方面，過高的有效磷含量也會加大磷的流失潛能。

3.1 模擬酸雨淋出液中土壤磷形態(tài)的變化

酸雨對土壤磷素流失的影響一直是學者們關注的焦點。研究表明，酸雨可以促進土壤磷的釋放，且不同酸度酸雨的影響存在差異[12]。本研究中，酸雨淋溶期間，隨著淋出液體積的增加，土壤淋出液中的總磷質量濃度呈下降趨勢，與韓亞萍等[10]的結果一致；可溶性總磷和可溶性無機磷的質量濃度呈先下降后趨穩(wěn)的趨勢，與Cui等[21]、Rashmi等[22]的研究結果有所不同。這些試驗結果間的異同可能與供試土壤的磷素含量和酸雨的pH值有關。在本試驗中，當模擬酸雨的pH值為3.5～6.5時，土壤淋出液的TP和TDP質量濃度隨著模擬酸雨pH值的降低先增加后減小，當模擬酸雨的pH值為4.5時達到最大。Jalali等[8]認為，土壤磷素流失與酸雨pH值呈現(xiàn)一種開口向下的拋物線形關系，當酸雨的pH值為4.0～5.0時，土壤磷素流失達到最大值。這與本文結果基本一致。徐華勤等[9]認為，一定強度的酸雨有助于土壤磷素的釋放，但是高強度的酸雨會破壞黏土礦物的結構，H+進入土壤后，會將原有的鹽基離子交換下來，導致土壤中活性鐵、鋁的大量釋放，增加磷的活性吸附位點，從而抑制磷的流失[23-24]。

酸雨長期作用必定會引起土壤酸化，從而影響土壤對磷素的吸附與解吸能力[25]。本研究中，隨著淋洗液體積的不斷增加，TP和DIP的累積溶出量呈不斷上升趨勢，說明促進了土壤磷素的釋放。這可能與酸雨對紅壤中鐵鋁化合物的溶蝕作用有關[14]。這一趨勢應引起人們對酸雨頻發(fā)地區(qū)磷素管控問題的重視。自然條件下，南方地區(qū)降水次數相對更多，且降水量更大。在此背景下，建立適當的磷素管理措施具有積極的意義。分析淋出液中各形態(tài)磷素的累積溶出量可以看出，土壤磷素溶出主要以可溶性無機磷為主，但可溶性有機磷的溶出也不容忽視。在研究中，pH值為3.5和4.5的模擬酸雨處理下，DOP的溶出量顯著高于其他處理，這說明當酸雨的pH值降低到一定水平時，能進一步促進土壤有機磷的溶出，從而加大土壤磷的流失風險。關于低pH值酸雨對有機磷組分特征的影響還有待進一步深入研究。

3.2 模擬酸雨對土壤磷形態(tài)的影響

酸雨對土壤生態(tài)系統(tǒng)有多方面的影響，長期的酸雨淋洗會加劇土壤酸化程度，進而導致礦物質風化、鹽基離子釋放，使土壤中的磷素形態(tài)發(fā)生變化。相對于其他土壤類型，紅壤受酸雨的影響程度更大[26]。徐華勤等[9]認為，長期酸雨會導致土壤中不同形態(tài)磷素的相互轉化，從而影響土壤磷素的流失。本研究中，模擬酸雨淋溶后，土壤P2、P3的質量分數顯著增加，P1、P4、P8的質量分數顯著減少。各處理中，以pH值為4.5的模擬酸雨處理對土壤磷素形態(tài)轉化的影響最大。這有助于解釋該處理下土壤TP和DIP溶出量顯著高于其他處理的現(xiàn)象。一方面，酸雨對土壤的侵蝕作用促進了穩(wěn)定性磷(P8和P9)和中等活性磷(P5)的活化，使原本活性很低的閉蓄態(tài)磷釋放出來，從而引起土壤活性磷(P3)含量顯著增加；另一方面，土壤pH值下降，可提高磷在土壤固相表面的可交換能力，有利于土壤有效磷含量的上升[16]。本研究還發(fā)現(xiàn)，與供試土壤的初始性狀相比，對照處理下土壤各形態(tài)磷素質量分數的變化也有與酸雨淋溶類似的趨勢(數據未展示)。這可能是因為供試土壤持續(xù)處于淹水狀態(tài)，部分吸附較弱的磷酸根離子進入土壤溶液，使得土壤磷的有效性得到了一定的提升[27]。不過，綜合土壤各形態(tài)磷素的質量分數和占比變幅來看，酸雨對土壤磷素形態(tài)的影響依舊明顯。

進一步分析發(fā)現(xiàn)，相比于其他磷素，酸雨淋溶后土壤中P2、P3、P4、P5質量分數的變幅較大，說明酸雨淋溶有效促進了土壤有效磷的釋放。其中，酸雨對土壤有機質的分解作用應引起重視。Liu等[28]認為，酸雨能使原本難溶的有機質大分子分解為可溶性有機質小分子，導致酸雨淋出液中可溶性有機磷含量顯著增加。這可能是因為，在一定的酸性環(huán)境下，某些與有機質分解相關的微生物活性變高，加快了有機質的分解過程。郭杏妹等[29]也認為，小分子有機物受酸雨溶蝕的作用比較明顯，而大分子有機物只有被分解成小分子有機物之后才會被溶出。因此，在酸雨頻發(fā)地區(qū)，土壤中有機質含量也是影響磷素流失的重要因素。本研究中，與供試土壤相比，酸雨淋溶后土壤中P8的質量分數顯著降低，而P2的質量分數卻顯著上升，可能是因為在一定的酸性條件下，土壤中穩(wěn)定性較高的有機物質被分解為穩(wěn)定性較低的小分子有機物[30]，即酸雨可以促進穩(wěn)定性高的有機磷向穩(wěn)定性較低的有機磷的轉化，這與酸雨對無機形態(tài)磷的影響相似[9]。此外，值得注意的是，對照處理在蒸餾水淋洗后，土壤中的P8的質量分數不但沒有降低，反而高出供試土壤18%，其具體原因有待進一步研究。