河湖消落帶磷素輸移機制研究進展

摘要：河湖消落帶的周期性變化影響著磷素的輸移過程，加劇了水體磷污染發(fā)生機制的復(fù)雜性。對河湖消落帶磷素輸移機制的研究現(xiàn)狀進行了分析總結(jié)?，F(xiàn)有研究主要采用野外觀測、室內(nèi)模擬試驗、模型分析、質(zhì)量衡算等方法，探討干濕交替環(huán)境下消落帶土壤磷素含量的季節(jié)變化和隨消落帶高程的變化特征，分析落干期和淹水期消落帶土壤磷素積累、釋放及輸移過程及其影響因素等；多側(cè)重于單因素和定性分析，各影響因素對磷素遷移的影響程度仍不清晰，對消落帶特有的周期性淹水狀態(tài)下土壤磷素釋放過程與機制研究仍存在不足，未來需深入對消落帶磷素輸移主控因素及多種方法耦合下磷素輸移機制開展研究。

關(guān)鍵詞：磷元素；輸移機制；研究進展；消落帶；河湖中圖分類號：X53文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.07.008引用格式：鄭若琳，李楠鑫，于興修.河湖消落帶磷素輸移機制研究進展[J].中國水土保持，2025（7）：24-28.

磷素是水體富營養(yǎng)化的主要限制因子之一，明晰其遷移變化過程對深入認(rèn)識面源污染發(fā)生機制具有重要意義。河湖消落帶作為河流湖庫的重要組成部分，周期性水位漲落使水陸兩種生態(tài)系統(tǒng)交替控制著消落帶，可對消落帶土壤中的磷素輸移過程產(chǎn)生重要影響[]，進而對水質(zhì)安全造成威脅。消落帶磷素的具體輸移過程有其特殊性，在淹水期土壤中的磷素易向水體釋放，此時消落帶土壤是水體污染物的“源”；在落干期以溶解態(tài)、顆粒態(tài)或有機態(tài)存在的磷素在消落帶土壤中匯集，此時消落帶土壤是水體污染物的“匯”[2]。消落帶水位周期性的變化無疑增加了磷素輸移過程的復(fù)雜性，值得深人研究。學(xué)者對影響消落帶磷素積累與流失的因素[3]、磷素的輸移機制[4]及磷素釋放風(fēng)險[5開展了研究，取得了大量成果。筆者基于消落帶磷素輸移機制研究成果，綜合分析后，闡述其研究進展，指出未來研究方向，以期為消落帶磷素積累與釋放機制的深入研究提供參考。

1消落帶土壤磷素變化特征

湖庫水位變化使消落帶處于干濕交替過程中，磷素在消落帶積累、釋放和轉(zhuǎn)化具有周期性，導(dǎo)致其分布有一定的特殊性。

從時間變化看，夏半年土壤全磷（TP）含量較冬半年稍高。夏季多降水，植被茂盛，根莖對徑流、泥沙有攔截作用，顆粒態(tài)磷得以在地表沉積，而且徑流下滲使可溶態(tài)磷進人土壤；夏末秋初枯枝落葉多，被植被吸收的無機磷會通過腐殖質(zhì)以有機磷的形式回歸到土壤中。有春季灌溉和抗旱需要的水庫，通常在冬半年水位更高，淹水厭氧環(huán)境有利于磷素的釋放[6-7]，且水體側(cè)蝕會帶走土壤表層營養(yǎng)物質(zhì)[8]

從空間變化來看，隨著消落帶高程的增加，土壤全磷含量普遍降低。土壤全磷主要來自成土母質(zhì)風(fēng)化、泥沙沉積和動植物殘體的歸還，在高程較高的地帶易受降水、徑流的侵蝕而流失，在高程較低的地帶更有利于顆粒態(tài)磷的堆積[9]。在土層垂直方向上，土壤全磷含量沒有顯著變化，雖在土壤表層有腐殖質(zhì)堆積，但降水與徑流作用也易使表層全磷淋失，在土壤內(nèi)部由于母巖風(fēng)化會對全磷進行補充，因此全磷含量在土層內(nèi)分布相對穩(wěn)定[10]

2消落帶磷素輸移過程與影響因素

2.1 落干期

落干期消落帶磷素主要隨降雨徑流向河湖水體輸移，在此過程中，植被、地形、耕作方式等均會對磷素的輸移產(chǎn)生影響。

落干期發(fā)生降雨事件時，雨水濺蝕、徑流侵蝕土壤表層，磷素易以顆粒態(tài)形式隨泥沙進入水體，尤其是夏季降水強度大，極易造成消落帶水土流失，大量磷素隨泥沙向水體輸移[11]，在此過程中，消落帶植被對磷素截留、吸收、同化，從而減少其向河湖水體的輸移。植被根莖提高了地表粗糙度，能有效減緩徑流流速，提高土壤抗沖性，并過濾其中的污染物；同時，植被根系有助于改善土壤結(jié)構(gòu)，增大土壤孔隙度，保持土質(zhì)疏松，增強土壤下滲能力，此時可溶態(tài)磷會隨徑流進入土壤[12] C

地形對磷素輸移的影響在坡度較大的消落帶較為明顯。消落帶地勢陡峭區(qū)域受降雨徑流的沖刷作用更為強烈，土壤養(yǎng)分會隨地表徑流轉(zhuǎn)移至地形較平緩的下坡區(qū)，且地勢陡峭區(qū)的植被生長狀況較差，土壤磷素流失增加，尤其在多雨的夏季，這類區(qū)域易發(fā)生崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，使磷素大量向消落帶下部和水體輸移。

農(nóng)用地的不同耕作方式會在一定程度上影響磷素輸移。有研究認(rèn)為[13]，未施肥處理的磷素流失量多于施肥處理的，其原因可能是施肥處理改變了土攘結(jié)構(gòu)，增加了土壤孔隙度，減少了地表徑流，有助于增加作物生物量和磷的吸收量，從而減少磷的輸移。然而也有學(xué)者認(rèn)為[5]，消落區(qū)土壤添加磷肥后增加了土壤的磷含量，增大了土壤的釋磷潛力。這種截然相反的研究結(jié)果，雖可從施肥量及消落帶植被的吸收量等方面進行解釋，但其機制仍需深入研究。

2.2 淹水期

淹水期消落帶磷素主要通過土壤與上覆水體的交換等形式向河湖水體輸移，受消落帶植物、水體擾動、溫度等因素影響，磷素從土壤向間隙水及上覆水遷移。

在淹水初期，上覆水中磷濃度較低，土壤間隙水與上覆水之間磷濃度梯度大，此時表現(xiàn)為土壤磷素的釋放，釋放強度與速率和上覆水的磷濃度直接相關(guān)，上覆水體磷濃度越小，釋放速率及強度越大[14-15]。隨著淹水時間的推移，間隙水與上覆水之間磷濃度差值逐漸縮小，消落帶土壤釋磷量逐漸降低，淹水后期微生物同化作用吸收的磷酸鹽與土壤向上覆水遷移的磷酸鹽逐漸達到平衡，水體、土壤兩者磷濃度相當(dāng)，土壤釋磷量幾乎為零[16]。消落帶土壤淹水后磷素含量變化見表1。

植物體內(nèi)的磷素主要存在于一些生物活性物質(zhì)中，在植被淹水腐爛的過程中這些生物活性物質(zhì)易于分解，釋放出磷素，在淹水初期，釋磷量較大，水體磷濃度迅速上升，隨著時間的推移，增幅變緩，在釋放濃度達到峰值后則趨于穩(wěn)定[1]。植物初始基質(zhì)磷含量越高，淹水后磷的釋放量越大，釋放速率越快，釋放達到峰值的時間就越短[26] 。

水體擾動會進一步促使消落帶土壤磷素的遷移。一方面，水體擾動增強了水體的自凈能力，利于污染物擴散，加大間隙水與上覆水之間的濃度差，從而加速消落帶淹沒土壤磷素的釋放；另一方面，水體擾動易使顆粒物再懸浮，再懸浮增加了顆粒物與水體的反應(yīng)界面[27]，有利于溶解態(tài)磷的擴散、沉積物中可交換態(tài)磷的解吸和有機磷的礦化，進而加速消落帶淹沒土壤磷素向上覆水的釋放[14]。同時水體擾動越劇烈、水流越快，水體對河岸的侵蝕作用越強，越可能導(dǎo)致土壤的抗侵蝕能力降低和顆粒態(tài)磷的流失[28]。隨著淹水—落干次數(shù)的增多，低海拔地區(qū)土壤團聚體崩解加劇，將進一步加速消落帶污染物的輸移。

強光照和適宜的溫度也會促進磷素從土壤向水體輸移。溫度升高會增強微生物活性和有機質(zhì)的礦化速率，消耗水體溶解氧，從而促進氧化鈉可提取磷（ NaOH-P ）的遷移[29]。有研究表明，微生物活性和藻類降解速率與溫度呈正相關(guān)關(guān)系，通常高溫環(huán)境的磷素釋放遷移量多于低溫環(huán)境[30] 。

3磷素輸移機制研究方法

消落帶水位周期性漲落使磷素在水土界面頻繁交換，發(fā)生沉淀與再懸浮、吸附與解吸、形態(tài)轉(zhuǎn)變等過程，目前主要采用野外觀測、室內(nèi)模擬試驗、模型分析、質(zhì)量衡算等方法開展研究。

3.1 野外觀測法

野外觀測法需要長時間對特定區(qū)域的消落帶進行調(diào)查，采集并分析樣品，可較為準(zhǔn)確地反映消落帶磷素的時空分布特征及交換通量，但此方法耗時耗力，且無法對磷素的遷移轉(zhuǎn)化機制進行研究[31] 。

3.2 室內(nèi)模擬試驗法

室內(nèi)模擬試驗法可控制試驗變量及條件，并通過野外調(diào)查進行驗證及校正，逐步提高模擬準(zhǔn)確性[32-33]，被廣泛用于磷素輸移機制和規(guī)律的研究，如消落帶磷素的釋放通量[34]、輸移過程[35-36]與驅(qū)動機制[37]等方面的研究。但模擬試驗的空間尺度一般較小，僅能小范圍反映磷素的短期遷移過程，難以完整反映水位長期消漲下生態(tài)環(huán)境因子變化對磷素遷移過程的影響。此外，該方法無法完全還原真實自然狀態(tài)下的土壤、水文情況，研究結(jié)果與實際情況會存在偏差，

3.3 模型分析法

模型分析法是基于野外調(diào)查觀測數(shù)據(jù)和對磷素遷移過程及其影響因子的理解建立模型，分析磷素的遷移規(guī)律及各過程對磷循環(huán)的相對貢獻的方法。如：有學(xué)者利用三維水動力-水質(zhì)模型定量研究了滇池氮磷污染物通量、主要輸移途徑和氮磷的轉(zhuǎn)化過程[38]。采用此法可分析磷素的遷移規(guī)律、量化各遷移過程對磷循環(huán)的貢獻，能深入理解消落帶磷素輸移轉(zhuǎn)化的特征及其主要機制，預(yù)測不同情境下磷素的流失量，甚至模擬磷素的遷移過程，但此法設(shè)置的參數(shù)較多且取值困難，模型構(gòu)建過程復(fù)雜，需以野外調(diào)查和模擬試驗為基礎(chǔ)，不斷率定、校正參數(shù)，以適應(yīng)特定河湖消落帶的研究[33，39] 。

3.4質(zhì)量衡算法

質(zhì)量衡算法是通過計算河湖或消落帶生態(tài)系統(tǒng)中磷素的輸入輸出量，從季節(jié)或年際尺度上估算消落帶內(nèi)源磷負荷。由于質(zhì)量衡算法需要以長時間的野外調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，受樣點設(shè)置、采樣頻次等主觀因素的影響，因此對內(nèi)源磷負荷的估算存在較大誤差，尤其是對面積較大、分布較廣的消落帶，估算結(jié)果偏差顯著。此外，僅通過質(zhì)量衡算也難以了解消落帶內(nèi)源磷的分布狀況，因此該方法使用較少[14，40] 。

4研究展望

目前，雖對消落帶磷素的輸移機制有了一定認(rèn)識，但相關(guān)研究多側(cè)重于單因素和定性分析，各影響因素對磷素遷移的影響程度仍不清晰，對消落帶特有的周期性淹水狀態(tài)下土壤磷素釋放過程與機制研究仍存在不足。為進一步弄清消落帶面源污染物輸移規(guī)律，未來可從以下兩方面進行深入研究：

1）深化消落帶磷素輸移主控因素研究。在目前的研究中，通過試驗?zāi)M和原始觀測積累的數(shù)據(jù)對消落帶生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)磷素輸移過程的解釋能力有限，且環(huán)境異質(zhì)性高，很難確定某一生態(tài)因子的相對貢獻率，未來可深入探究多因素耦合作用下水土界面磷素遷移的主控因素。

2）開展多種方法耦合下磷素輸移機制研究。野外觀測、模擬試驗和模型分析等方法是研究消落帶水土界面磷素遷移的常用方法，它們各有優(yōu)缺點。野外觀測法可用于分析河湖消落帶實際磷遷移過程，但耗時耗力，且無法進行機制的研究；室內(nèi)模擬試驗可控制試驗變量及條件，但無法反映真實的自然環(huán)境，從而導(dǎo)致試驗結(jié)果的偏差；模型分析法可分析消落帶磷的遷移規(guī)律、量化各遷移過程對磷循環(huán)的貢獻，但需實現(xiàn)模型參數(shù)的本土化。因此，未來應(yīng)將室內(nèi)外觀測試驗與模型分析相結(jié)合，以深入揭示河湖消落帶磷素遷移機制。

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（責(zé)任編輯 張緒蘭）