水熱耦合對不同土地利用類型土壤磷生物有效性的影響

甘國渝，陳曦，朱海，金慧芳，李燕麗，李繼福

水熱耦合對不同土地利用類型土壤磷生物有效性的影響

甘國渝，陳曦，朱海，金慧芳，李燕麗，李繼福*

（長江大學 農學院/濕地生態與農業利用教育部工程研究中心，湖北 荊州 434025）

【】研究水分、溫度及其耦合效應對不同土地利用類型的土壤磷素組分及土壤有效磷（Olsen-P）量的影響。采用室內培養試驗，以稻田、旱地、菜地和林地4類土地利用類型的土壤為研究對象，設定3個水分（W）梯度：40%、70%和100%的土壤質量含水率，分別記為W40、W70和W100；3個溫度（T）梯度：15、25 ℃和35 ℃，分別記為T15、T25和T35，進行連續15 d的水分和溫度二因素培養試驗。根據土壤磷生物有效性的分級方法（Biologically-based P，BBP）對各處理土壤進行磷的分級和測定。同一溫度和水分條件下，稻田、旱地、菜地和林地的土壤生物有效性磷量及Olsen-P量從高到低依次為林地>菜地>旱地>稻田。溫度恒定時，土壤水分與4類土壤中HCl-P、Citrate-P、Enzyme-P和Olsen-P量呈極顯著正相關。土壤水分恒定時，溫度與4類土壤中HCl-P量和Olsen-P量呈極顯著正相關，與Citrate-P量呈顯著負相關，而與Enzyme-P量無明顯相關性，但Enzyme-P量在35 ℃達到最高值。稻田、旱地、菜地和林地土壤中Olsen-P量與HCl-P量和Enzyme-P量呈正相關，與Citrate-P量和CaCl2-P量呈負相關。增加土壤含水率可提高各類土壤中HCl-P、Citrate-P、Enzyme-P量和Olsen-P量；增加土壤溫度有助于提高HCl-P量和Olsen-P量、降低Citrate-P量。稻田、旱地、菜地和林地土壤中的CaCl2-P量、菜地中的Enzyme-P量受水熱交互效應顯著。在一定土壤溫度和水分范圍內，溫度和水分在不同類型土壤磷生物有效性組分上具有正向耦合效應，并顯著影響土壤的供磷水平和能力。

土壤磷；水分；溫度；生物有效性；耦合效應

0 引言

【研究意義】磷是所有生物的必需營養元素之一，對陸生植物的生長發育具有關鍵作用[1-2]。施用適量的磷肥可顯著提高作物產量并改善作物營養品質，而過量施磷則會造成土壤磷富集和磷流失，增加生態環境污染風險。在我國農業實際生產中，作物磷肥當季利用率普遍較低，僅為7.3%～20.1%[3]。土壤中大部分有機磷無法被植物直接吸收利用，只能通過微生物的分解作用間接為植物提供磷素[4-5]，且不同土地利用類型下土壤有效磷量的差異較大[6]。【研究進展】袁佳慧等[7]應用基于生物有效性的磷素分級方法（Biologically based P，BBP）研究發現，太湖稻麥輪作區磷肥減施條件下的稻田土壤生物有效性磷主要受土壤pH值和堿性磷酸酶活性的影響。黃翊蘭等[8]研究表明，濱海灘涂濕地不同植被土壤有效磷主要來自有機酸活化的無機磷（Citrate-P），且會受到土壤水分和有機質量等因素的顯著影響。土壤水分管理作為一種低成本、操作簡單、無二次污染的農藝調控措施[9]，可有效調控土壤中有效磷的變化和作物生長發育過程[10]。基于BBP法分析旱地與稻田中生物有效性磷組分的研究結果顯示，旱地土壤有效磷主要來源于CaCl2-P和Enzyme-P，而稻田土壤有效磷則主要來自于Citrate-P[11]。同時，蔣炳伸等[12]研究表明，雙季稻田采用秸稈還田配合間歇灌溉或長期淹水均可顯著提高土壤Citrate-P量和Enzyme-P量，且長期淹水較間歇灌溉可顯著提高土壤CaCl2-P量。此外，溫度對土壤中有效磷的遷移、轉化也有重要作用。王濤等[13]在黑土中的研究發現，溫度升高促進了水溶態磷向鋁結合態磷的轉化。陳小琴等[14]采用土柱培養模擬試驗研究發現，磷肥施入土壤后，土壤有效磷量隨著培養時間的延長呈下降趨勢。另有研究表明，在一定溫度范圍內，不添加外源磷肥時，升溫有利于土壤有效磷量增加，且隨著培養時間的延長，土壤中殘余磷會逐漸釋放，使得土壤磷的有效性增大。土壤施入磷肥過量時，有效磷量對溫度升高則表現的不敏感，增幅也不顯著[15]。此外，Andriamananjara等[16]研究發現，在較高溫度條件下，土壤呼吸和磷有效性存在差異，溫度越高，養分循環過程（固化、礦化）越快，磷的轉化速率會明顯提升。【切入點】我國存在多種地貌和與之匹配的植被類型，不同土地利用類型的土壤養分狀況和供磷能力不盡相同。盡管已有較多關于水分和溫度對耕地土壤磷供應方面的研究，然而水熱耦合效應對不同類型土壤磷的有效性研究仍較為薄弱，尤其是缺乏相鄰區域內不同土地利用類型的土壤生物有效性磷分級及其溫度驅動機理方面的研究。【擬解決的關鍵問題】本研究基于長江大學科研基地內共存的稻田、旱地、菜地和林地4種土地利用類型的土壤，開展溫度和水分梯度處理的室內模擬培養試驗，測定不同溫度和水分梯度土壤磷生物有效性組分量，并與Olsen-P量進行相關分析，旨在明確水分、溫度及其耦合效應對不同類型土壤磷素生物有效性的影響，為農林業生產中土壤磷素科學管理提供理論支撐與參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于長江大學教學科研試驗基地，該基地位于江漢平原腹地（30°21′ N、112°09′ E，海拔32 m），屬東部季風農業氣候大區、北亞熱帶農業氣候帶、長江中下游農業氣候區，年平均氣溫為16.5 ℃，年均降水量約為1 095 mm，年均日照時間為1 718 h。地下水位較淺，約3 m，該地區農作物主要為冬小麥、水稻、玉米和油菜等。試驗前測定各類型土壤0～20 cm土層的基本理化性質見表1。

表1 不同土地利用類型的土壤基本理化性質

1.2 試驗設計

稻田、旱地、菜地和林地的土壤培養條件均設置3個溫度和3個土壤水分（質量含水率）梯度，共計9個處理，每個處理設3個重復。溫度（T）梯度分別為15、25、35 ℃；土壤水分（W）梯度分別是40%、70%和100%的土壤質量含水率。各類型土壤取300 g樣品裝入200 mL的聚乙烯塑料廣口瓶中，按照各類型土壤質量含水率的比例加入蒸餾水，在設定的恒溫培養箱下遮光培養15 d。每3天利用稱質量法對各樣品進行補水，以保持恒定的土壤含水率。

1.3 樣品采集與測定

1.3.1 土壤樣品

分別選取稻田、旱地、菜地和林地4類土地利用類型的土壤，用5點取樣法分別采集耕作層（0～20 cm）土壤，自然風干后過2 mm篩，挑出砂礫和作物根系等雜質，充分混勻后儲存備用。

1.3.2 BBP法測定土壤生物有效磷量

根據土壤生物有效磷的劃分，測定各處理土壤中的CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P量和HCl-P量。具體操作為：分別用0.01mol/L CaCl2、0.02 EU（酶單位）/mL酶溶液、0.01 mol/L Citrate（檸檬酸）溶液和1 mol/L HCl各10 mL加入裝有0.5 g鮮土的離心管中，置于恒溫（25 ℃）振蕩箱中振蕩3 h，轉速為180 r/min。然后吸取1 mL溶液于1.5 mL離心管內，25 ℃ 100 000 r/min離心l min，隨后吸取上清液置于酶標板中。各組分磷量采用孔雀石綠比色法，多功能酶標儀于波長630 nm處測定吸光值[17]。同時各處理土壤樣品用NaHCO3浸提，測定土壤有效磷（Olsen-P）量。

1.4 數據分析

試驗數據采用Excel 2016進行處理和作圖，采用SPSS進行統計分析，采用LSD法檢驗<0.05水平上的差異顯著性。采用Canoco5.0軟件進行環境因子對土壤磷組分的冗余分析。

2 結果與分析

2.1 不同土壤水分和溫度下土壤生物有效磷組分的方差分析

表2為土壤水分和溫度對各類型土壤生物有效磷組分影響的二因素方差分析。水分和溫度對稻田、旱地、菜地和林地的CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P量和HCl-P量有顯著影響，且存在交互作用。在大多數情況下（旱地和菜地的CaCl2-P，林地的Enzyme-P除外），溫度對各類型土壤的CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P量和HCl-P量影響極顯著（<0.01）；水分對各類型土壤的Citrate-P量和HCl-P量影響顯著（<0.05）；水分和溫度的交互作用對稻田、旱地和林地土壤的CaCl2-P量影響顯著，對菜地土壤Enzyme-P量影響顯著（<0.05）。

表2 不同水分和溫度對各類型土壤生物有效磷組分影響的二因素方差分析

注 *、**和***分別表示處理間在0.05、=0.01和=0.001水平上存在顯著差異，下同。

2.2 水熱耦合對土壤生物有效性磷組分的影響

由表3可知，各類型土壤磷素組分量差異較大，由高到低依次為：HCl-P＞Citrate-P＞Enzyme-P＞CaCl2-P。稻田、旱地、菜地和林地的土壤平均HCl-P量分別為269.6、303.4、322.5 mg/kg和320.1 mg/kg；平均Citrate-P量分別為75.8、118.0、130.2 mg/kg和145.3 mg/kg；平均Enzyme-P量分別為1.3、2.8、3.2 mg/kg和4.6 mg/kg；而平均CaCl2-P量則分別為0.2、0.5、0.7mg/kg和1.4 mg/kg。在大多數情況下，稻田、旱地、菜地和林地土壤中Citrate-P量隨溫度升高呈下降趨勢，降幅最大分別為34.3%、34.3%、22.9%和34.6%；Enzyme-P量隨溫度變化規律不明顯；此外，各類型土壤CaCl2-P量變化差異不顯著。在大多數情況下，稻田、旱地、菜地和林地土壤中Citrate-P量和Enzyme-P量隨水分增加呈上升趨勢，增幅最大分別為50.1%、48.1%、28.1%、32.2%和30.4%、10.5%、12.2%、16.2%。

2.3 不同水分和溫度條件下土壤Olsen-P量的二因素方差分析

不同水分和溫度條件下，各類型土壤Olsen-P量的二因素方差分析如表4所示。溫度（T）對稻田、菜地和林地Olsen-P量影響極顯著（<0.001），對旱地Olsen-P量影響顯著（<0.01）。水分對稻田Olsen-P量影響顯著（<0.05），而對其他類型土壤Olsen-P量的影響均不顯著。水分和溫度的交互效應對各類型土壤Olsen-P量影響均不顯著。

2.4 水熱耦合對土壤Olsen-P量的影響

不同水分和溫度對各類土壤Olsen-P量的影響見表5。相同水分條件下，菜地土壤Olsen-P量隨溫度的升高呈上升趨勢，最大增幅為311.6%；稻田、旱地和林地在大多數情況下表現為先降低后升高的趨勢（林地W40水分條件下除外）。同一溫度條件下，稻田、旱地、菜地和林地土壤中Olsen-P量在大多數情況下隨水分的增加表現為先降低后升高的趨勢，均在35 ℃下的100%水分處理（T35、W100）下達到最高，分別為18.53、28.81、56.51 mg/kg和58.02 mg/kg。

表3 不同水分和溫度下各類土壤磷生物有效性組分量

注 各磷素組分中具有不同小寫字母的數據有顯著差異（0.05），下同。

表4 不同水分和溫度條件下各類型土壤Olsen-P量的二因素方差分析

表5 不同水分和溫度下各類土壤Olsen-P量

2.5 土壤磷生物有效性組分與Olsen-P量的相關性分析

分別對稻田、旱地、菜地和林地土壤的4類生物有效性磷組分與Olsen-P量進行相關分析（圖1）。稻田中Olsen-P量與Citrate-P量（2=0.287 3，<0.01）呈極顯著負相關，與Enzyme-P量（2=0.206 6，<0.05）呈顯著正相關，與CaCl2-P量（2=0.064 3，<0.05）和HCl-P量（2=0.034 3，<0.05）相關性不顯著。旱地中Olsen-P量與CaCl2-P量（2=0.146 7，<0.05）和Citrate-P量（2=0.189 9，<0.05）呈顯著負相關，與Enzyme-P量呈極顯著正相關（2=0.556 7，<0.01），與HCl-P量（2=0.104 4，<0.05）相關性不顯著。菜地中Olsen-P量與Enzyme-P量（2=0.531 5，<0.01）和HCl-P量（2=0.327，<0.01）呈極顯著正相關，與Citrate-P量（2=0.402 6，<0.01）呈極顯著負相關，與CaCl2-P量（2=0.023 2，<0.05）相關性不顯著。林地中Olsen-P量與Enzyme-P量（2=0.057 7，<0.05）和HCl-P量（2=0.108，<0.05）呈顯著正相關，與Citrate-P量（2=0.535 6，<0.01）呈極顯著負相關，與CaCl2-P量（2=0.010 4，<0.05）相關性不顯著。

圖1 土壤中各生物有效性磷組分與Olsen-P相關性

2.6 土壤生物有效性磷素組分與水分、溫度之間的冗余分析

水分和溫度對不同利用類型土壤生物有效性磷組分的冗余分析見圖2。稻田水分和溫度對生物有效性磷組分的貢獻率分別為72.3%和27.7%，其中排序軸1和排序軸2的解釋率分別為42.4%和6.2%，且水分對Citrate-P量的影響最大，而溫度對Olsen-P量的影響最大。旱地水分和溫度對生物有效性磷組分的貢獻率分別為51.0%和49.0%，其中排序軸1和排序軸2的解釋率分別為41.3%和7.3%，且HCl-P量受水分和溫度的雙重影響。菜地水分和溫度對生物有效性磷組分的貢獻率分別為53.4%和46.6%，其中排序軸1和排序軸2的解釋率分別為23.1%和8.2%，且水分對Citrate-P量的影響較大，而溫度對CaCl2-P量和Olsen-P量影響最大。林地水分和溫度對生物有效性磷組分的貢獻率分別為55.8%和44.2%，其中排序軸1和排序軸2的解釋率分別為35.5%和9.8%。同樣，林地的HCl-P受溫度和水分的雙重影響。

圖2 各土壤中磷素組分與水分和溫度冗余分析

3 討論

近年來，國內外學者對土壤磷的吸附與解吸、水土界面磷的釋放與遷移過程進行了大量研究。田娟等[18]發現淹水促進土壤中部分鐵結合態磷和閉蓄態磷的轉化和釋放，進而增加土壤有效磷量。土壤水分增加后，土壤溶液中有機絡合物和低分子量有機酸濃度相對提高，能夠與土壤顆粒表面固定的磷進行絡合或專性解吸反應。彭娜等[19]研究表明，與連續淹水相比，干濕交替則更有利于土壤有效磷量增加。另有在滴灌條件下對土壤進行水分調控的研究表明，各不同土壤基質勢處理中，土壤速效氮、磷、鉀，全氮、全磷及有機質量較不供水前均有顯著提高，增幅均在20%以上[20]。本研究以稻田、旱地、菜地和林地4類土壤為研究對象，探討不同水分處理對土壤生物有效性磷組分的影響。結果表明，隨著土壤水分的增加，各類型土壤的Enzyme-P、Citrate-P量和HCl-P量顯著增加，其中100%水分處理（W100）即淹水處理的效果最為明顯。這是因為土壤淹水使得土壤O2缺乏，進而影響土壤硝化速率[21]，并產生大量低分子量有機酸和質子（H+），有利于土壤無機磷活化，從而提高Citrate-P量和HCl-P量，這與Erinle等[22]的研究結果一致。水分梯度處理對4類土壤Citrate-P量和HCl-P量均有顯著影響，但對CaCl2-P量影響不明顯。采樣區位于長江中游的江漢平原地區，土壤風化和淋溶強度較大，使得土壤鐵磷多，而鈣磷少，因此，CaCl2-P量相對較低，這也是水分對CaCl2-P量影響不顯著的原因。與W40處理和W70處理相比，100%水分處理（W100處理）的土壤Olsen-P量達到最高值，整體表現為W100處理>W40處理>W70處理，這與前人研究結果基本一致[23]。淹水還原狀態下，Fe3+被還原成溶解度更高的Fe2+，被氫氧化鐵吸持固定的部分閉蓄態磷得以再次釋放[24]，轉化為水溶性磷和吸附態磷，從而提高了土壤有效磷量。

土壤及近地面大氣的溫熱狀況是土壤肥力的重要指標，且溫度還影響著土壤中各種化學反應進程。一般條件下，化學反應速率與溫度成正相關，即溫度越高，化學反應越強烈[25]。從本研究結果來看，4種不同利用類型土壤處理的HCl-P、Enzyme-P量和Olsen-P量均在35 ℃時達到峰值，這表明溫度顯著提高了各處理土壤有效磷組分量。冗余分析的結果也表明溫度（T）對4種土壤的生物有效性磷組分影響的貢獻率最高達49.0%。另有研究顯示，升溫可使土壤速效養分活性增強[26]，有利于作物根系吸收更多土壤養分。王簾里等[27]研究表明，土壤Olsen-P量會隨著環境溫度的升高而顯著上升，這與本研究結果相一致。Wang等[28]根據大分子速率理論（MMRT）指出，土壤磷酸酶活性和磷有效性均隨溫度的升高而增加。各類土壤在同一水分處理下，Enzyme-P量隨溫度升高而增加，這是因為溫度升高促進土壤礦物質分解、有機質礦化和銨態氮硝化作用[29]，從而增加土壤速效養分量，尤其增強土壤中磷酸鹽溶解和有機磷礦化。此外，因升溫而增強的土壤微生物呼吸作用產生更多的CO2，使得熱區范圍酸化，促進鈣結合磷溶解。因此，土壤溫度在磷素活化過程中起著重要的催化作用，適宜的升溫作用有利于土壤中固定態磷的轉化和釋放。

陸地生態系統中，土地利用是自然與人類活動相互作用的綜合過程，而土壤理化性狀的變化與土地利用方式密切相關[30]。本研究4類利用類型土壤中，菜地和林地各生物有效性磷素及Olsen-P量明顯高于稻田和旱地處理。相關研究顯示菜地有效磷量與栽培年限顯著正相關，年限越長，土壤有效磷量增加越多，原因在于菜地復種指數高且磷肥用量大。連續10 a種植的典型菜地土壤有效磷量一般在200 mg/kg以上[31]，屬于極高水平。本研究菜地Olsen-P量在13.7～56.5 mg/kg，明顯高于稻田和旱地。林地地表覆蓋的枯枝落葉層經土壤微生物活動降解為無機營養和腐殖質。土壤有機物質量越高，土壤的有機態氮、磷量也越高。郭玲梅等[32]研究顯示，林地土壤全磷和Olsen-P量高于同區域內農田的量。本研究中林地的Olsen-P量為27.3～58.0 mg/kg，高于稻田、旱地和菜地的量。表2水分和溫度交互作用結果顯示，水熱耦合效應對稻田、旱地、菜地和林地土壤中CaCl2-P量以及菜地中Enzyme-P量有著顯著影響；但對其他磷素組分量作用不明顯。申靜霞等[33]研究不同土壤溫度和水分對川西云杉幼苗生長指出，低溫與水分脅迫同樣存在明顯交互作用。另有研究則顯示溫度和水分的交互作用對土壤有機碳礦化影響未達到顯著水平，即耦合效應不明顯[34]。上述研究均表明水分和溫度的耦合效應在土壤性質上的作用具有一定的適用范圍。因此，從本研究設置的水分和溫度梯度來看，單一因素（溫度或者水分）對各類型土壤生物有效性磷組分量的影響極顯著，但水熱耦合效應則受到抑制或掩蓋，其內在機理仍需進一步研究。

4 結論

1）稻田、旱地、菜地和林地土壤的生物有效性磷組分量表現為：HCl-P>Citrate-P>Enzyme-P>CaCl2-P；4類土壤中各磷素組分及Olsen-P量大小依次表現為：林地>菜地>旱地>稻田。

2）增加土壤水分有助于提高土壤中HCl-P、Citrate-P、Enzyme-P量和Olsen-P量。

土壤溫度上升有助于增加HCl-P量和Olsen-P量，降低Citrate-P量。

3）水熱耦合效應對稻田、旱地、菜地和林地土壤中CaCl2-P量影響顯著，對菜地中Enzyme-P量影響顯著，對其他組分影響不大。

4）稻田、旱地、菜地和林地土壤中Olsen-P量與HCl-P量和Enzyme-P量呈正相關，與Citrate-P量和CaCl2-P量呈負相關。

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Hydrothermal Effects on Phosphorus Bioavailability in Different Soils

GAN Guoyu, CHEN Xi, ZHU Hai, JIN Huifang, LI Yanli, LI Jifu*

(College of Agriculture, Yangtze University/Engineering Research Center of Ecology and Agricultural Use of Wetland, Ministry of Education, Jingzhou 434025, China)

【】Nutrient cycling and kinetic in soil is mediated by biogeochemical processes which in turn is modulated by soil water and temperature. The aim of this paper is to investigate the hydrothermal effects on bioavailability of phosphorus (P) in different soils. 【】We studied soils with different cultivations using culture experiments: paddy field, upland, vegetable and forest in the same region. There were three moisture treatments for each soil by keeping the soil water content at 40% (W40), 70% (W70) and 100% (W100) of the saturated water content, respectively. For each soil water, there were further three temperature treatments by keeping the soil temperature at 15 ℃(T15), 25 ℃(T25) and 35 ℃(T35), respectively. All soils were incubated for 15 days, after which we measured the contents of P in different forms.【】When temperature and soil moisture were the same, the contents of bioavailable P and Olsen-P in different soils were ranked in the order of forest > vegetable > upland > paddy field. When the temperature was the same, soil water content up-regulated HCl-P, Citrate-P, Enzyme-P and Olsen-P, regardless of the soils. When soil moisture content was the same, the temperature positively impacted HCl-P and Olsen-P, negatively affected Citrate-P (<0.01), and had no significant correlation with enzyme-P despite enzyme-P peaking at 35 ℃. The content of Olsen-P in all soils was positively correlated with the content of HCl-P and Enzyme-P, and negatively correlated with the content of Citrate-P and CaCl2-P. The analysis of variance showed significant difference in interaction between phosphorus with temperature and moisture- temperature combination between the soils, and the effect was ranked in the order of temperature > moisture > temperature -moisture coupling.【】Increasing soil moisture increased HCl-P, Citrate-P, Enzyme-P and Olsen-P in all soils. Increasing soil temperature increased HCl-P and Olsen-P, while reducing Citrate-P. Among all P forms we measure, only CaCl2-P and Enzyme-P were jointly affected by soil water and temperature. In a certain range, the effects of temperature and moisture on bioavailability of different P forms are integrative in all four soils we studied.

soil phosphorus; soil moisture; temperature; P bioavailability; hydrothermal effect

1672 - 3317（2022）04 - 0058 - 09

S565

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021520

甘國渝, 陳曦, 朱海, 等. 水熱耦合對不同土地利用類型土壤磷生物有效性的影響[J]. 灌溉排水學報, 2022, 41(4): 58-66.

GAN Guoyu, CHEN Xi, ZHU Hai, et al.Hydrothermal Effects on Phosphorus Bioavailability in Different Soils[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(4): 58-66.

2021-10-25

濕地生態與農業利用教育部工程研究中心開放基金項目（KF202015）

甘國渝（1997-），男。碩士研究生，主要從事農業資源環境方面的研究。E-mail: 202071646@yangtzeu.edu.cn

李繼福（1987-），男。副教授，主要從事稻-油輪作養分管理與土壤肥力方面的研究。E-mail: jifuli@yangtzeu.edu.cn

責任編輯：韓 洋