室內模擬水分管理對土壤溶液磷質量濃度影響研究

吳瑞，胡正義,，孫藝齊，耿紫琪，崔巖山,2*

室內模擬水分管理對土壤溶液磷質量濃度影響研究

吳瑞1，胡正義1,3，孫藝齊1，耿紫琪3，崔巖山1,2*

（1.中國科學院大學 資源與環境學院，北京 101408；2.中國科學院 生態環境研究中心，北京 100085；3.中國科學院大學 中丹學院，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境行為。本研究采取土柱試驗研究了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）溶液磷質量濃度變化規律及其與土壤溶液中TOC、總鐵、總鋁、總鈣之間關系。水分管理對土壤溶液磷質量濃度有顯著的影響，并與土層有關；表層土壤表現為：模式3（1.27 mg/L）＞模式2（0.82 mg/L）；中層土壤表現為：模式3（1.60 mg/L）＞模式2（1.40 mg/L）；下層土壤表現為：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量濃度與土壤溶液TOC、總鐵、總鋁、總鈣有關，并受水分管理模式和土壤層深度的影響。室內模擬3種水分管理模式下土壤溶液總磷質量濃度都大于地表水富營養化標準值（0.1 mg/L）。退耕還濕期間土壤磷釋放可能會引起上覆水磷質量濃度突然升高，其造成的生態環境問題值得關注。

水分管理；土壤溶液；磷；三江平原；退耕還濕

0 引言

【研究意義】三江平原地區作為我國三大濕地之一[1]。歷史上，三江平原的開發曾為滿足國家糧食需求、保障國家糧食安全做出過重要貢獻[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重，2000—2015年濕地植被覆蓋度由91.8%減小至74%[5]。長期的農業開墾和農業水利工程建設，使三江平原地區濕地面積逐漸萎縮，旱澇災害頻率增加，水土流失加劇。農業堤防排水渠改變了濕地的水文條件，導致濕地C、N、P循環過程發生極大改變[6]。為此，三江平原自然保護區于2000年被列為國家級自然保護區，隨后退耕還濕工程力度不斷加大。濕地周邊農田停止農業耕種后，生態補水是退耕還濕工程重要技術方法。有研究表明，水分管理可以顯著地影響土壤氮磷養分釋放[7]，進而影響植物生長[8-12]及水體氮磷質量濃度。【研究進展】田娟等[13]研究淹水土壤磷釋放發現上覆水可溶磷最大值可達到0.16 mg/L，大于地表水富營養化標準值0.1 mg/L[14]。有關淹水及干濕交替磷釋放機理研究也較多。崔虎等[15]通過室內模擬干濕交替發現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]發現水庫消落帶持續淹水土壤Al-P量隨時間先降低后升高，Fe-P量隨淹水時間先升高后降低。【切入點】雖然水分對土壤磷釋放研究取得了長足進展，但土壤溶液磷能更好反映磷的環境效應，下層土壤溶液磷可以影響地下水水質、中層土壤溶液磷可以影響植物生長、表層土壤溶液磷對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律還缺乏研究，制約了退耕還濕過程中土壤磷釋放對水質影響和植物磷供需的評價。【擬解決的關鍵問題】本研究以黑龍江省三江平原國家級濕地自然保護區內的撫遠市烏蘇鎮農田土壤為對象，采用室內土柱模擬實驗，研究水分管理模式對剖面土壤溶液磷變化規律，以期為退耕還濕工程設計提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自黑龍江省撫遠市烏蘇里鎮某農田（48° 4'N，134°32 E），農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，帶回實驗室內風干，挑去秸稈殘留，過1 mm篩。供試驗用。留部分過1 mm篩土壤分析有效磷、pH值、機械組成。取部分過1 mm篩土壤樣品，再磨碎，過100目篩，供有機質、總磷分析。供實驗土壤為東北黑土；表層和中層土壤屬于粉砂質壤土，下層土壤屬于粉砂質黏壤土；土壤總磷量很高，但是有效磷低。土壤基本理化性質見表1。

表1 土壤基本理化性質

1.2 土柱模擬裝置及運行

試驗模擬裝置如圖1所示，土柱為PVC管，直徑160 mm、高450 mm。首先向每個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管中，水位控制系統通過膠管與觀測管相連，通過設置不同位置的水位探頭來控制土壤中的含水率。當土柱中水位低于探頭探測的最低水位時，水泵啟動，水泵通過水管自動向土柱中注水，直到水位達到設定水位為止。土柱外表安裝有3個相距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。土柱底部設有裝置室，裝置室底部設有底座。在沖洗液收集裝置與隔離裝置連接的管路上設有開關閥。水位控制系統包括液位探頭、水泵、繼電器和接觸器；液位探頭通過電纜與繼電器連接。

1.試驗模擬柱；2.淋洗液收集裝置；3.觀測管；4.橡膠軟管；5.土培室；6.設備室；7.底座；8.隔離裝置；9.開關閥；10.液位探頭；11.水泵；12.水箱；13.土壤溶液采樣器

1.3 試驗處理與采樣

設3種水分管理模式，模式1為土壤質量含水率恒定50%、模式2為土壤質量含水率恒定75%、模式3為土壤質量含水率恒定100%。預實驗測定實現土柱含水率50%、75%、100%分別對應水位-37、-22、-5 cm（以土柱外壁最高點為相對高程0點，以豎直向上為正方向）。所以將水位探頭分別設置位距離土柱外壁最高點37、22、5 cm處（最低水位為以探頭中心點為原點-2.5 cm、最高水位為+2.5 cm）。每個處理設3個重復。試驗期間室溫為23℃。土壤溶液采樣時間前期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]。土壤經雙氧水消化，激光粒度儀（Mastersizer 2000）測定土壤粒徑[19]；ICP-OES（Optima 5300 DV ）測定土壤溶液總磷、總鋁、總鐵、總鈣[20]；TOC分析儀（Multi N/C 3100）測得土壤溶液中TOC[20]；土壤溶液pH值用pH計（上海梅特勒-托利多公司SG2）測定[20]；土壤溶液采用便攜數字化多參數分析儀[20]（HQ40d HACH）；鉬銻抗分光光度法測定土壤溶液中無機磷[20]；土壤pH值采用pH計（上海梅特勒-托利多公司SG2）測定（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，鉬銻抗比色法測定[19]；土壤有機質采用高溫外熱重鉻酸鉀氧化法-滴定法測定[19]；土壤經過微波消解儀（美國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 ）測定總磷、總鐵[19]；土壤無機磷組分采用酸性土壤無機磷形態的分級測定[19]。

1.5 數據分析

采用AutoCAD 2012 (Autodesk) 繪制土柱裝置示意圖。采用Excel 2019（Microsoft）繪制參數動態變化圖。所有測定指標應用SPSS 22（IBM, USA）軟件中Wilcxon檢驗方法分析處理間差異顯著性水平，并應用該軟件分析土壤溶液總磷與總鐵、總鋁、總鈣、TOC之間相關性。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之間關系。

2 結果與分析

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值表現為：模式3＞模式2；下層表現為：模式3＞模式2＞模式1。各土層土壤溶液pH值：模式3表現為：表層＞中層＞下層，模式2表現為：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為，模式3＜模式2；下層土壤溶液表現為，模式3＜模式2＜模式1；各土層土壤溶液：模式3表現為：下層＞中層＞表層，模式2表現為：下層＞表層＞中層，表層和中層土壤中，培養到20 d以后差別更加明顯，而下層土壤直到40 d以后才明顯。

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

圖2 3種水分管理模式下土柱中土壤溶液pH值和Eh動態變化

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、總鋁和總鈣質量濃度的變化見圖3。由圖3可見，水分管理模式對土壤溶液TOC、總鐵、總鋁和總鈣質量濃度有顯著影響，并與土層和時間有關。表層和中層土壤溶液TOC、總鐵、總鋁和總鈣質量濃度表現為：模式3＞模式2；而下層土壤溶液TOC、總鐵和總鈣質量濃度表現為：模式3＞模式2＞模式1，下層土壤溶液總鋁質量濃度表現為：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、總鋁和總鈣質量濃度表現為：中層＞表層＞下層。培養期間，土壤TOC、總鐵、總鋁和總鈣質量濃度動態變化規律與水分管理模式、土層次有關。隨培養時間延長，表層土壤溶液鋁質量濃度逐漸增加，而表層土壤溶液TOC、總鐵、總鈣質量濃度先升高，在40～54 d達到最大值，隨后逐漸下降（圖3）。隨培養時間延長，下層土壤溶液TOC、總鐵、總鈣質量濃度逐漸升高，而下層土壤溶液總鋁質量濃度先逐漸升高，在16～21 d達到最大值，隨后逐漸下降。隨培養時間延長，中層土壤溶液總鐵、鈣濃質量濃度逐漸升高，達到最大值（總鐵在40～54 d，總鈣在21～38 d）后，再逐漸下降。隨培養時間延長，模式2中層土壤溶液TOC和總鋁質量濃度逐漸升高，達到最大值（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質量濃度逐漸下降，而模式3中層土壤溶液總鋁質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、鈣動態變化

表2 3種水分管理模式下土壤溶液理化性質

注 表中數值以整個培養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磷和總磷質量濃度的變化

3種水分管理模式下土柱中土壤溶液無機磷、總磷質量濃度的變化于圖4。由圖4可見，水分管理模式對土壤溶液無機磷和總磷質量濃度有顯著影響，并與土層和時間有關。而3層土壤溶液無機磷質量濃度差異不顯著。各土層土壤溶液總磷、無機磷質量濃度表現為：中層＞表層＞下層。表層、中層和下層土壤溶液總磷質量濃度表現為：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磷和總磷動態變化

培養期間模式1—模式3無機磷變化均呈“Ｚ”型雙峰變化（圖4）。隨著培養時間延長模式2—模式3表層和模式1下層在第21天出現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。

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

2.4 土壤溶液總磷與溶液總鐵、總鋁、總鈣和TOC之間關系

表3為土壤溶液中總磷質量濃度與土壤溶液中其他物質（總鐵、總鋁、總Ca和TOC）之間的相關系數，表4為土壤溶液中總磷質量濃度（）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量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鈣、TOC質量濃度之間呈正相關（＜0.01），而與土壤溶液總鋁質量濃度沒有相關性；模式1下層土壤溶液總磷質量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質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量濃度與總鋁、總鈣、TOC正極顯著相關，而與土壤溶液總鐵正顯著相關；表層土壤溶液總磷質量濃度與表層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質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量濃度與中層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣質量濃度極顯著正相關，與土壤溶液TOC質量濃度沒有相關性；中層土壤溶液總磷質量濃度與表層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質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量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鈣、TOC質量濃度極顯著正相關，而與土壤溶液總鋁質量濃度負相關達到顯著水平；下層土壤溶液總磷質量濃度與下層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質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（＜0.01）。模式3表層土壤溶液總磷質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量濃度與中層土壤溶液總鐵、總鋁、總鈣、TOC質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，而與總鋁相關性沒有達到顯著性水平。模式3下層土壤溶液總磷質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，土壤溶液總磷質量濃度與TOC、總鐵、總鋁和總鈣相關性要強于整個時期。

表3 土壤溶液中總磷與土壤溶液中總鐵、總鋁、總Ca和TOC的相關系數

注 *和**分別表示相關性達到0.05和0.01顯著性水平。

表4 土壤溶液中總磷質量濃度(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

在整個培養期間內，所有土層土壤溶液總磷質量濃度都是隨土壤水分增加而升高（圖4）。可能有以下幾方面原因。水分升高促進土壤有機磷降解、釋放：隨水分升高，土壤微生物活動增強[21]，進而加速土壤有機磷分解；TOC可以與磷酸根競爭吸附土壤上的吸附位點，促進可溶性磷釋放[22]。TOC也可以與磷產生絡合增溶溶解現象，進一步促進土壤磷的釋放[23-24]；隨土壤水分升高，土壤溶液TOC質量濃度也增加（圖2），土壤溶液TOC與土壤溶液總磷相關性顯著（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），這些證實水分升高促進土壤有機質分解，間接證實水分升高促進土壤有機磷分解；水分升高驅動了土壤無機磷釋放。隨著土壤水分升高，導致土壤還原性增強，土壤Fe3+被還原為Fe2+[25]，從而導致土壤中Fe-P釋放，也破壞了土壤Al-P和Ca-P結構。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），指示水分驅動土壤無機磷組分釋放。土壤TOC維持土壤溶液鐵穩定性[25]。土壤可溶有機質與土壤釋放到溶液鐵磷、鋁磷形成絡合物維持了土壤溶液高質量濃度磷存在。研究證實，低分子有機物（TOC）可以與鐵磷或者鋁磷形成三元復合體[22, 24, 26-27]。水分誘導土壤pH值上升，促進土壤磷溶解釋放。隨著土壤水分升高，土壤溶液pH值從4.45上升到6.5左右，這與蔡振國等[25]試驗結果相同，淹水處理高磷土壤pH值從4.85增加到6.5，pH值上升進而促進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致的磷釋放。土壤淹水滲透壓上升，會導致死亡微生物細胞內的磷釋放[29]。王子琬等[29]Blackwell等[30]證實干濕交替過程中釋放的總溶解磷至少88%來自裂解的微生物細胞。

研究結果發現，表層、中層、下層土壤溶液磷質量濃度均值分別達到0.82～1.27、1.40～1.60 mg/L和0.13～0.31 mg/L（圖4），大于地表水富營養化標準值（0.1 mg/L）[14]。因此，退耕還濕土壤磷釋放進入土壤溶液，隨后通過向上覆水擴散，提高湖泊水體磷濃度，其影響湖泊水體磷質量濃度最關鍵時期在退耕還濕40 d前后，因為此時土壤磷釋放導致土壤水磷質量濃度最大（圖4）。因此，退耕還濕土壤磷釋放引起的磷釋放造成生態環境問題值得關注。隨水分升高，土壤溶液磷質量濃度增加（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水體磷沖擊。這些研究有待野外觀察驗。

4 結論

土壤水分顯著影響土壤溶液磷質量濃度，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量濃度都大于地表水富營養化標準值（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，可能會引起上覆水磷質量濃度突然升高，其造成的生態環境問題值得關注。

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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.室內模擬水分管理對土壤溶液磷質量濃度影響研究[J]. 灌溉排水學報, 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

國家重點研發計劃項目（2016YFC0500408）

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

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

責任編輯：趙宇龍