向家坝生态恢复边坡土壤有机磷形态和磷酸酶活性研究

牛鹏辉+夏振尧+梁永哲+等

摘要：研究了向家坝工程扰动区5种不同边坡生态恢复方式下土壤有机磷形态分布和磷酸酶活性。结果表明，向家坝工程扰动区不同修复模式下土壤总有机磷为359.9～2 188.4 mg/kg；活性、中等活性和中稳性有机磷的含量最高的为植被混凝土样地，高稳性有机磷含量最高的是客土喷播样地；4种有机磷组分中，中等活性有机磷所占的比重最大，4种人工恢复样地的中等活性有机磷含量显著高于天然次生林边坡；有机肥（物）的添加能提高活性、中等活性、和中稳性有机磷的含量；5种样地的3种磷酸酶活性均以植被混凝土样地最高，天然次生林样地最低；植被混凝土样地的碱性磷酸酶活性最强，其他4种样地的酸性磷酸酶活性最强；磷酸酶的活性受有机磷含量的影响，有机磷含量越高，3种磷酸酶的活性越强，因此增加基材中有机磷肥的含量可以诱导磷酸酶的产生，提高土壤的有效磷含量。

关键词：边坡；生态恢复；有机磷；磷酸酶；向家坝

中图分类号：S153.6+2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）20-4963-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.011

Study on Organic Phosphorus Forms and Phosphatase Activity of Ecological Restoration Slope Soil in Xiangjiaba Area

NIU Peng-hui1，2，XIA Zhen-yao2，LIANG Yong-zhe2，WU-Bin3，XU Wen-nian1

（1. College of Civil Engineering and Architecture， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei， China； 2. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area， Hubei Province， Yichang 443002， Hubei， China；

3. Center for Ecological Research， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract： The distribution of soil organic phosphorus（OP） forms and phosphatase activity were studied of 5 types of ecological restored slopes in the disturbed area of Xiangjiaba hydropower construction. The results showed that the content of total OP in the 5 different types of slopes was between 359.9 to 2 188.4 mg/kg. The content of labile OP， moderate labile OP and moderate resistant OP in the vegetation-compatible concrete was the highest one， while the content of resistant OP in the external-soil spray seeding sample plot was the highest of the five types of slopes. The content of moderate labile OP was the highest one in the four kinds of OP， and the content of moderate labile OP in the four artificial restored slopes significantly higher than that in the natural secondary forest. Adding organic fertilizers or organic matters can increase the content of labile OP， moderate labile OP and moderate resistant OP. All three phosphatases activity of the vegetation-compatible concrete was the highest， while those of the natural secondary forest were the lowest of the five types of slopes. The activity of alkaline phosphatase in the vegetation-compatible concrete was higher than neutral and acid phosphatase， and the acid phosphatase activity of the other four types of slopes was higher than neutral and alkaline phosphatase activity. Owing to the activity of phosphatases were influenced by OP content， the content of OP fertilizer could be increased in the substrates to stimulate producing more phosphatase， thus， the content of available P could be increased.

Key words： slopes； ecological restoration； organic phosphorus； phosphatase； Xiangjiaba area

磷是植物生长所需的大量元素之一，几乎参与了植物所有的生命活动。土壤中的磷素由无机磷和有机磷两部分组成，无机磷是有效磷的主体，其含量占土壤全磷含量的60%～80%[1]，是土壤中有效磷的主要来源。无机磷可以分为水溶性磷、Al-P（铝结合态磷）、O-P（有机磷）和Ca-P（钙磷）4种形态[2，3]。有机磷含量占土壤磷素总量的比重的20%～80%[4]，其对农业生产和环境有重要的影响。土壤中的一小部分有机磷可以直接被作物吸收利用，其余则需要矿化成为无机磷才能被作物吸收利用[5]。与无机磷相比，有机磷在土壤中移动性较好、被土壤无机矿物固定的速率较低，难溶于水的有机磷经矿化后可持续释放出无机磷，对农作物生长有利[6]。土壤磷酸酶是一类催化土壤有机磷化合物矿化的酶，其活性高低直接影响着土壤中有机磷的矿化及其生物有效性[7]。目前，对有机磷和磷酸酶的研究主要集中在农田土壤方面，对工程扰动区边坡生态恢复土壤磷素状况的研究资料很少[3]。对向家坝水电站5种不同生态恢复类型的边坡土壤有机磷形态分组和磷酸酶活性进行了研究，为边坡生态恢复中的磷肥使用提供科学的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况与取样方法

向家坝水电站位于长江上游金沙江的向家坝河谷的出口处，坝址左岸在四川省的宜宾县内。向家坝库区是典型的亚热带季风气候，库区内热量充足、降雨量较为丰沛、四季分明、夏季温度高湿度大、冬季较为温暖、无霜期长，对亚热带林木、农作物的生长有利。最大年日照时数为1 260.9 h，年平均气温为在12.0～18.1 ℃，最大年降雨量为1 168.5 mm，年最小降雨量为852.4 mm。基材样品于2012年6月采集于向家坝水电站工程扰动区的5个代表性样地，其中4种土样分别取自采用人工恢复方式的框格梁覆土（A）、植被混凝土基材（C）、厚层基材（E）、客土喷播（H）的生态恢复工程边坡，1种取自自然恢复方式的天然次生林（M），作为对照样。土样取自表层（0～10 cm）。将采集的土壤样品带回实验室风干、除去杂质、磨碎，过100目筛。将过筛后的土壤充分混合均匀，四分法取出供试验分析的土样。框格梁覆土边坡2004年施工，所用土壤为单一的当地开挖原土壤；植被混凝土边坡2005年施工，所用土壤为当地开挖原土壤、水泥、有机质、复合肥、混凝土绿化添加剂和保水剂的混合物[8]；厚层基材边坡2005年施工，所用土壤为当地开挖原土壤、有机质、黏合剂、木纤维、复合肥及保水剂的混合物[9]；客土喷播边坡2004年施工，所用土壤为当地开挖原土壤、有机质、黏合剂、复合肥及保水剂的混合物[10]；施工中各原土壤均取用于同一土料场。各取样边坡坡度53°～68°。

1.2 试验方法

土样的全磷测定采用硫酸-高氯酸酸溶法[11]；速效磷含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[12]；土壤无机磷含量测定参照文献[13]，土壤无机磷的分组测定采用无机磷分级方法[14]；有机磷含量的测定采用灼烧法[15]，土壤有机磷的分组测定采用Bowman-Cole法[16]；磷酸酶活性的测定采用对硝基苯磷酸盐法[14]。

1.3 数据处理

试验数据采用Excel表格处理；用SPSS统计分析软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA）；用LSD法对不同恢复方法进行多重比较；相关性分析求其Pearson相关系数，用两尾检验判断相关关系的显著性。

2 结果与分析

2.1 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤磷素分布特征

向家坝工程扰动区5种恢复类型边坡土壤磷素分布特征见表1。在吴彬等[3]的研究中对此已有报道。4种人工恢复样地由于添加了其他养分物质，其全磷和有机磷含量均明显大于天然次生林，而有效磷所占比重却小于天然次生林（植被混凝土除外），可见有较多的有机磷累积在土壤中，并不能被植物利用，对磷肥存在一定程度的浪费。向家坝工程扰动区不同修复模式下土壤总有机磷为359.9～2 188.4 mg/kg，占全磷总量的52.93%～68.82%。不同修复模式下有机磷总量依次为植被混凝土基材（2 188.4 mg/kg）>客土喷播样地（1 051.4 mg/kg）>厚层基材（851.2 mg/kg）>框格梁覆土（793.2 mg/kg）>天然次生林地（359.9 mg/kg）（表1）。植被混凝土基材有机磷总量是天然次生林地有机磷总量的6.1倍，这是因植被混凝土在施工中加入了大量有机肥的缘故[3，8]。

2.2 向家坝工程扰动区各形态有机磷分布特征

Bowman-Cole法将有机磷分为活性有机磷、中等活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷4组。由表2可知，4种有机磷组分以中等活性有机磷为主，框格梁覆土和厚层基材的有机磷各组分含量依次为中等活性有机磷>高稳性有机磷>活性有机磷>中稳性有机磷，植被混凝土和客土喷播的有机磷各组分含量依次为中等活性有机磷>活性有机磷>高稳性有机磷>中稳性有机磷，天然次生林地则为中等活性有机磷>活性有机磷>中稳性有机磷>高稳性有机磷。不同类型边坡土壤活性有机磷的含量为19.6～581.9 mg/kg；中等活性有机磷为91.8～1 612.3 mg/kg；中稳性有机磷为8.8～54.1 mg/kg；高稳性有机磷为 6.0～95.4 mg/kg。由图1可知，相比于天然次生林，人工恢复的4种边坡中等活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷的含量有大幅度的提高，活性有机磷有不同程度的提高或降低。这主要与土壤母质、有机质含量、土壤团粒结构、透水性等土壤本身性质有关。不同学者对有机磷各组分含量的研究结果各有不同，但几乎所有研究结果均表明中等活性有机磷的含量大于其他3种组分[17-20]。

由表2和图1可知，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，框格梁覆土样地土壤的中等活性有机磷占全磷的比重最大；土壤活性有机磷与土壤中稳性有机磷占全磷比例最大的样地是植被混凝土基材；厚层基材的土壤高稳性有机磷占全磷的比例最大。活性有机磷是最易被矿化后被植物吸收利用的组分，高稳性有机磷则是最难被矿化的且基本不会被植物所吸收，中等活性有机磷是含量最大且较易矿化和被植物吸收的组分，是植物缓效磷肥的主要供应来源[21]。植被混凝土基材中的活性有机磷、中等活性有机磷和中稳性有机磷含量显著高于其他4种样地，说明植被混凝土基材中土壤易被矿化的有机磷含量比其他模式边坡大，有较充足的有机磷源可以转化为无机磷而供植物吸收利用（图1a和图1b）。5种边坡中的土壤中稳性有机磷和高稳性有机磷含量极少，仅占全磷含量的1.1%～4.4%，这是因为高稳性有机磷的组成主要是一些植酸铁、铝等化合物和含磷的螯合物，形成这些物质的底物往往含量不大，所以形成的高稳性有机磷含量非常有限（图1c和图1d）。中稳性有机磷和高稳性有机磷难被矿化并且含量很少，因此，对植物的生长发育几乎不起作用。

不同修复模式下，土壤全磷、速效磷、总有机磷和有机磷各组分含量的相关分析（表3）表明，土壤全磷与总有机磷、中等活性和中稳性有机磷呈极显著相关性，与速效磷和活性有机磷呈显著相关性；土壤速效磷与总有机磷和中稳性有机磷呈显著正相关；土壤总有机磷与中等活性有机磷和中稳性有机磷呈极显著正相关，与活性有机磷呈显著正相关，说明添加有机磷肥能提高活性、中等活性和中稳性有机磷的含量。

2.3 修复区土壤磷酸酶活性

土壤磷酸酶活性高低直接影响着土壤中有机磷的分解转化能力及其生物有效性，对磷的生物地球化学循环起着重要的作用。一般认为土壤磷酸酶包括酸性、中性和碱性磷酸酶3种。土壤中3种磷酸酶之间的关系一直没有定论，这与土壤的多种性质有关。一般来说，在碱性土中碱性磷酸酶活性较高，酸性土中酸性磷酸酶活性较高，并且单个磷酸酶活性往往与总磷酸酶活性有相关关系。因此有研究者认为可以选择3种磷酸酶中活性最高的一种来代表磷酸酶的生物活性，另外两种磷酸酶活性不必考虑[22]。本研究对向家坝工程扰动区人工修复边坡3种土壤磷酸酶活性均进行了测定（图2）。供试的5种土壤中酸性磷酸酶活性为0.25～0.57 mg/（g·d），其活性大小关系为植被混凝土基材[0.57 mg/（g·d）]>框格梁覆土样地[0.37 mg/（g·d）]>厚层基材[0.35 mg/（g·d）]>客土喷播样地[0.33 mg/（g·d）]>天然次生林地[0.25 mg/（g·d）]。多重比较表明，植被混凝土与其他4种样地的差异显著，而其他4种样地间差异不显著。中性磷酸酶活性从高到低顺序为植被混凝土基材[0.43 mg/（g·d）]>厚层基材（0.29 mg/（g·d）]>框格梁覆土样地[0.21 mg/（g·d）]>客土喷播样地[0.17 mg/（g·d）]>天然次生林地[0.08 mg/（g·d）]。其中框格梁覆土、客土喷播样地和天然次生林地间差异不显著。碱性磷酸酶活性的范围为[0.22～0.64 mg/（g·d）]，其活性大小关系为植被混凝土基材[0.64 mg/（g·d）]>框格梁覆土样地[0.35 mg/（g·d）]>厚层基材[0.33 mg/（g·d）]>客土喷播样地[0.31 mg/（g·d）]>天然次生林地[0.22 mg/（g·d）]。其中植被混凝土样地与其他4种样地差异显著，其他4种样地间差异不显著。植被混凝土样地磷酸酶活为碱性>酸性>中性，其余4种样地的磷酸酶活性均为酸性>碱性>中性。主要原因是植被混凝土基材的pH偏碱性（7.80），而其他4种样地pH均偏酸性（5.71～6.98），这是植物和微生物对环境因素长期刺激和诱导的反馈结果。5种样地的3种磷酸酶活性均以天然次生林样地最低，而植被混凝土样地最高，这是由于植被混凝土样地在施工中加入了较多的有基质和绿化添加剂（含有机肥和微生物菌剂），因此其中的有机磷含量高，并且微生物数量多，可以产生更多的磷酸酶。很多研究表明，有机肥料的施用可明显提高土壤磷酸酶活性，这是因为有机肥料本身磷酸酶活性就较高，另外，有机肥的施入还能刺激微生物活性，加速磷酸酶的产生。

2.4 土壤有机磷形态与磷酸酶活性相关关系

土壤磷酸酶促进土壤中有机磷化合物的水解，从其中释放出无机磷供植物吸收利用，因此磷酸酶活性与有机磷含量关系密切。一方面，有机磷能通过诱导作用提高土壤磷酸酶活性，另一方面，土壤有机磷的矿化也取决于土壤磷酸酶的活性。土壤有机质是一个重要的土壤肥力因素，可以为土壤微生物提供碳源和各种矿质营养。由表4可知，3种磷酸酶活性与有机质含量呈显著正相关，说明磷酸酶的活性受有机质含量的影响，有机质含量越高，3种磷酸酶的活性越强。全磷和总有机磷含量与酸性和碱性磷酸酶活性呈极显著相关，与中性磷酸酶呈显著相关，说明在添加有机磷肥较多的基材中，3种磷酸酶在诱导下产生的量较多，可以提高土壤中的有效磷含量。有效磷往往被作为评价土壤供磷能力大小的指标，酸性和碱性磷酸酶活性与速效磷含量呈显著相关，中性磷酸酶和速效磷含量无显著的相关关系，说明在向家坝地区，酸性和碱性磷酸酶对有机磷的矿化作用明显，中性磷酸酶的矿化作用不明显。中等活性有机磷是植物可利用的主要组分，其含量与酸性和碱性磷酸酶活性呈极显著相关，与中性磷酸酶活性呈显著相关，说明中等活性有机磷的含量增加也会提高3种磷酸酶的活性。

3 小结与讨论

向家坝工程扰动区不同修复模式下土壤总有机磷为359.9～2 188.4 mg/kg，占全磷总量的52.93%～68.82%；5种生态恢复边坡的有机磷总量为植被混凝土基材>客土喷播样地>厚层基材>框格梁覆土>天然次生林地，而4种人工恢复样地有效磷的比重均小于天然次生林，在土壤中有大量的有机磷累积。

4种有机磷组分中，中等活性有机磷所占的比重最大；活性、中等活性和中稳性有机磷的含量最高的都是植被混凝土样地，高稳性有机磷含量最高的是客土喷播样地；有机肥（物）的添加能提高活性、中等活性和中稳性有机磷的含量；4种人工恢复样地的中等活性有机磷含量显著高于天然次生林边坡，说明它们有较多的有机磷转化为无机磷而供植物吸收利用。

5种样地的3种磷酸酶活性均以植被混凝土样地最高，天然次生林样地最低；植被混凝土样地的碱性磷酸酶活性最强，其他4种样地的酸性磷酸酶活性最强；5种样地的3种磷酸酶均为中性磷酸酶最小；速效磷含量与酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性有显著相关性，与中性磷酸酶无显著相关性，说明在向家坝地区，酸性和碱性磷酸酶对有机磷的矿化作用明显，中性磷酸酶的矿化作用不明显。

磷酸酶的活性受有机磷含量的影响，有机磷含量越高，3种磷酸酶的活性越强，因此增加基材中有机磷肥的含量可以诱导磷酸酶的产生，提高土壤的有效磷含量。

土壤有机磷含有多种含磷化合物，其中磷酸肌醇含量最多，可以达到有机磷总量的50%左右，其他组分包括磷脂、核酸类、磷蛋白、微生物磷等所占的比例均较少，还有其他一些少量的形态由于技术等方面原因尚不明确。本研究结果表明，土壤有机磷组分中含量最多的是中等活性有机磷，含量最少的是中稳性有机磷或高稳性有机磷，这与前人大部分的研究结果[23，24]一致。中等活性有机磷能较快转化为活性有机磷，并进一步矿化为无机磷。因此，活性有机磷和中等活性有机磷与土壤磷的有效性密切相关。有机磷的矿化是一个复杂的过程，其有效性受土壤磷酸酶、土壤微生物、土壤pH、土壤温度、有机肥料的施用等诸多因素的影响。有机磷矿化与生物固磷作用同时进行，目前的研究对其机理尚不明确[4]。土壤磷酸酶活性一般由其所处土壤环境的酸碱性决定，而磷酸酶活性的强弱可以较好的反映有机磷矿化和合成的强度，土壤磷酸酶活性强，则土壤磷素供应状况好。微生物量磷（土壤中所有活体微生物所含的有机磷）是活性有机磷的组成部分，是土壤有机磷中最活跃的组分[25]，其周转快，易矿化，是土壤中有效磷的重要来源。由于土壤磷酸酶一般来自于动植物残体和土壤微生物，因此在边坡防护与生态恢复中，在加入了大量有机磷肥的同时，应当适量加入具有解磷作用的微生物菌肥，活跃的微生物活动可以加速有机磷的矿化。另外，微生物分泌的一些激素类物质也能促进植物的生长。

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