室内模拟水分管理对土壤溶液磷质量浓度影响研究

吴瑞，胡正义,，孙艺齐，耿紫琪，崔岩山,2*

室内模拟水分管理对土壤溶液磷质量浓度影响研究

吴瑞1，胡正义1,3，孙艺齐1，耿紫琪3，崔岩山1,2*

（1.中国科学院大学 资源与环境学院，北京 101408；2.中国科学院 生态环境研究中心，北京 100085；3.中国科学院大学 中丹学院，北京 100190）

探究不同水分管理模式下、不同土层土壤溶液磷的环境行为。本研究采取土柱试验研究了3种水分管理模式下（模式1—模式3土壤含水率均恒定分别为：50%、75%、100%）84 d剖面土壤（表层0～10 cm、中层10～20 cm、下层20～30 cm）溶液磷质量浓度变化规律及其与土壤溶液中TOC、总铁、总铝、总钙之间关系。水分管理对土壤溶液磷质量浓度有显著的影响，并与土层有关；表层土壤表现为：模式3（1.27 mg/L）＞模式2（0.82 mg/L）；中层土壤表现为：模式3（1.60 mg/L）＞模式2（1.40 mg/L）；下层土壤表现为：模式3（0.31 mg/L）＞模式2（0.17 mg/L）＞模式1（0.13 mg/L）。逐步回归分析揭示土壤溶液总磷质量浓度与土壤溶液TOC、总铁、总铝、总钙有关，并受水分管理模式和土壤层深度的影响。室内模拟3种水分管理模式下土壤溶液总磷质量浓度都大于地表水富营养化标准值（0.1 mg/L）。退耕还湿期间土壤磷释放可能会引起上覆水磷质量浓度突然升高，其造成的生态环境问题值得关注。

水分管理；土壤溶液；磷；三江平原；退耕还湿

0 引言

【研究意义】三江平原地区作为我国三大湿地之一[1]。历史上，三江平原的开发曾为满足国家粮食需求、保障国家粮食安全做出过重要贡献[2]。但是，1980—2015年三江平原湿地沼泽面积减少了53.27%[3]，减少的湿地主要转化为耕地，耕地面积比从1954年15.7%增加到了2015年的56.5%[4]。三江平原湿地退化严重，2000—2015年湿地植被覆盖度由91.8%减小至74%[5]。长期的农业开垦和农业水利工程建设，使三江平原地区湿地面积逐渐萎缩，旱涝灾害频率增加，水土流失加剧。农业堤防排水渠改变了湿地的水文条件，导致湿地C、N、P循环过程发生极大改变[6]。为此，三江平原自然保护区于2000年被列为国家级自然保护区，随后退耕还湿工程力度不断加大。湿地周边农田停止农业耕种后，生态补水是退耕还湿工程重要技术方法。有研究表明，水分管理可以显著地影响土壤氮磷养分释放[7]，进而影响植物生长[8-12]及水体氮磷质量浓度。【研究进展】田娟等[13]研究淹水土壤磷释放发现上覆水可溶磷最大值可达到0.16 mg/L，大于地表水富营养化标准值0.1 mg/L[14]。有关淹水及干湿交替磷释放机理研究也较多。崔虎等[15]通过室内模拟干湿交替发现Fe-P是土壤释放磷的主要组分，Al-P也有较少释放。周健等[16]发现水库消落带持续淹水土壤Al-P量随时间先降低后升高，Fe-P量随淹水时间先升高后降低。【切入点】虽然水分对土壤磷释放研究取得了长足进展，但土壤溶液磷能更好反映磷的环境效应，下层土壤溶液磷可以影响地下水水质、中层土壤溶液磷可以影响植物生长、表层土壤溶液磷对地表水水体有重要影响。然而，不同水分模式下剖面土壤溶液中磷变化规律还缺乏研究，制约了退耕还湿过程中土壤磷释放对水质影响和植物磷供需的评价。【拟解决的关键问题】本研究以黑龙江省三江平原国家级湿地自然保护区内的抚远市乌苏镇农田土壤为对象，采用室内土柱模拟实验，研究水分管理模式对剖面土壤溶液磷变化规律，以期为退耕还湿工程设计提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自黑龙江省抚远市乌苏里镇某农田（48° 4'N，134°32 E），农田种植的主要作物是玉米。选择典型采样地，挖土壤剖面，分层采集0～10、10～20、20～30 cm土壤，分别放到袋子里密封保存，带回实验室内风干，挑去秸秆残留，过1 mm筛。供试验用。留部分过1 mm筛土壤分析有效磷、pH值、机械组成。取部分过1 mm筛土壤样品，再磨碎，过100目筛，供有机质、总磷分析。供实验土壤为东北黑土；表层和中层土壤属于粉砂质壤土，下层土壤属于粉砂质黏壤土；土壤总磷量很高，但是有效磷低。土壤基本理化性质见表1。

表1 土壤基本理化性质

1.2 土柱模拟装置及运行

试验模拟装置如图1所示，土柱为PVC管，直径160 mm、高450 mm。首先向每个土柱底部垫入脱脂棉与面纱布，然后放入洗净石英砂（直径1～2 mm）1 kg，随后依次向每根柱子装填下层土壤（20～30 cm）1.2 kg，中层土壤（10～20 cm）1 kg，表层土壤（0～10cm）1.4 kg土壤。水位探头放置于观测管中，水位控制系统通过胶管与观测管相连，通过设置不同位置的水位探头来控制土壤中的含水率。当土柱中水位低于探头探测的最低水位时，水泵启动，水泵通过水管自动向土柱中注水，直到水位达到设定水位为止。土柱外表安装有3个相距10 cm的土壤溶液采样器[17]，用于采集不同深度的土壤溶液，供分析。土柱底部设有装置室，装置室底部设有底座。在冲洗液收集装置与隔离装置连接的管路上设有开关阀。水位控制系统包括液位探头、水泵、继电器和接触器；液位探头通过电缆与继电器连接。

1.试验模拟柱；2.淋洗液收集装置；3.观测管；4.橡胶软管；5.土培室；6.设备室；7.底座；8.隔离装置；9.开关阀；10.液位探头；11.水泵；12.水箱；13.土壤溶液采样器

1.3 试验处理与采样

设3种水分管理模式，模式1为土壤质量含水率恒定50%、模式2为土壤质量含水率恒定75%、模式3为土壤质量含水率恒定100%。预实验测定实现土柱含水率50%、75%、100%分别对应水位-37、-22、-5 cm（以土柱外壁最高点为相对高程0点，以竖直向上为正方向）。所以将水位探头分别设置位距离土柱外壁最高点37、22、5 cm处（最低水位为以探头中心点为原点-2.5 cm、最高水位为+2.5 cm）。每个处理设3个重复。试验期间室温为23℃。土壤溶液采样时间前期5 d左右1次，28 d以后大约14 d为1次。

1.4 分析与测试方法

用膜孔为0.45 μm土壤溶液取样器（Rhizon 19.60.22 F）收集土壤溶液[18]。土壤经双氧水消化，激光粒度仪（Mastersizer 2000）测定土壤粒径[19]；ICP-OES（Optima 5300 DV ）测定土壤溶液总磷、总铝、总铁、总钙[20]；TOC分析仪（Multi N/C 3100）测得土壤溶液中TOC[20]；土壤溶液pH值用pH计（上海梅特勒-托利多公司SG2）测定[20]；土壤溶液采用便携数字化多参数分析仪[20]（HQ40d HACH）；钼锑抗分光光度法测定土壤溶液中无机磷[20]；土壤pH值采用pH计（上海梅特勒-托利多公司SG2）测定（土、水比为1∶2.5）[19]。用HCl（0.025 mol/L）+NH4F（0.03 mol/L），浸提土壤有效磷，钼锑抗比色法测定[19]；土壤有机质采用高温外热重铬酸钾氧化法-滴定法测定[19]；土壤经过微波消解仪（美国CEM公司Mars 6）（硝酸、双氧水、氢氟酸比为5∶3∶2）消解，通过ICP-OES（Optima 5300 DV ）测定总磷、总铁[19]；土壤无机磷组分采用酸性土壤无机磷形态的分级测定[19]。

1.5 数据分析

采用AutoCAD 2012 (Autodesk) 绘制土柱装置示意图。采用Excel 2019（Microsoft）绘制参数动态变化图。所有测定指标应用SPSS 22（IBM, USA）软件中Wilcxon检验方法分析处理间差异显著性水平，并应用该软件分析土壤溶液总磷与总铁、总铝、总钙、TOC之间相关性。用SPSS 22（IBM, USA）多元逐步回归拟合土壤溶液总磷与土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC之间关系。

2 结果与分析

2.1 不同水分管理模式下土壤溶液pH值和Eh的变化

模式1表层和中层土壤没有收集到土壤溶液，下层土壤收集到土壤溶液，模式2和模式3各层土壤都收集到土壤溶液。3种水分管理模式下土柱中土壤溶液pH值、变化见图2。3种水分管理模式下，表层、中层土壤溶液pH值表现为：模式3＞模式2；下层表现为：模式3＞模式2＞模式1。各土层土壤溶液pH值：模式3表现为：表层＞中层＞下层，模式2表现为：中层＞下层＞表层。

3种水分管理模式下，表层和中层土壤溶液表现为，模式3＜模式2；下层土壤溶液表现为，模式3＜模式2＜模式1；各土层土壤溶液：模式3表现为：下层＞中层＞表层，模式2表现为：下层＞表层＞中层，表层和中层土壤中，培养到20 d以后差别更加明显，而下层土壤直到40 d以后才明显。

在培养期间土壤溶液pH值与与水分管理模式和土壤层次有关且呈相反的变化规律，pH值除了模式3表层外在20 d以后呈缓慢上升趋势，则相反呈下降趋势。模式2表层pH值与在20 d前没有稳定，20 d后pH值下降第70 d开始再次上升，则波动上升。

图2 3种水分管理模式下土柱中土壤溶液pH值和Eh动态变化

2.2 不同水分管理模式下土壤溶液TOC、总铁、总磷和总钙质量浓度的变化

3种水分管理模式下土柱中土壤溶液TOC、总铁、总铝和总钙质量浓度的变化见图3。由图3可见，水分管理模式对土壤溶液TOC、总铁、总铝和总钙质量浓度有显著影响，并与土层和时间有关。表层和中层土壤溶液TOC、总铁、总铝和总钙质量浓度表现为：模式3＞模式2；而下层土壤溶液TOC、总铁和总钙质量浓度表现为：模式3＞模式2＞模式1，下层土壤溶液总铝质量浓度表现为：模式3＞模式1＞模式2。模式2和模式3下，各土层土壤溶液TOC、总铁、总铝和总钙质量浓度表现为：中层＞表层＞下层。培养期间，土壤TOC、总铁、总铝和总钙质量浓度动态变化规律与水分管理模式、土层次有关。随培养时间延长，表层土壤溶液铝质量浓度逐渐增加，而表层土壤溶液TOC、总铁、总钙质量浓度先升高，在40～54 d达到最大值，随后逐渐下降（图3）。随培养时间延长，下层土壤溶液TOC、总铁、总钙质量浓度逐渐升高，而下层土壤溶液总铝质量浓度先逐渐升高，在16～21 d达到最大值，随后逐渐下降。随培养时间延长，中层土壤溶液总铁、钙浓质量浓度逐渐升高，达到最大值（总铁在40～54 d，总钙在21～38 d）后，再逐渐下降。随培养时间延长，模式2中层土壤溶液TOC和总铝质量浓度逐渐升高，达到最大值（TOC在21 d，总铝在11 d）后，再逐渐下降；模式2中层土壤溶液TOC质量浓度逐渐下降，而模式3中层土壤溶液总铝质量浓度趋于逐渐升高。

图3 3种水分管理模式下土壤溶液TOC、铁、铝、钙动态变化

表2 3种水分管理模式下土壤溶液理化性质

注 表中数值以整个培养阶段平均值形式表示，同列不同小写字母表示不同处理之间差异显著（＜0.05）。

2.3 不同水分条件下土壤溶液无机磷和总磷质量浓度的变化

3种水分管理模式下土柱中土壤溶液无机磷、总磷质量浓度的变化于图4。由图4可见，水分管理模式对土壤溶液无机磷和总磷质量浓度有显著影响，并与土层和时间有关。而3层土壤溶液无机磷质量浓度差异不显著。各土层土壤溶液总磷、无机磷质量浓度表现为：中层＞表层＞下层。表层、中层和下层土壤溶液总磷质量浓度表现为：模式3＞模式2[表层：模式3（1.27 mg/L）＞模式2（0.82 mg/L）；中层：模式3（1.60 mg/L）＞模式2（1.40 mg/L）；下层：模式3（0.31 mg/L）＞模式2（0.17 mg/L）＞模式1（0.13 mg/L）]。

图4 3种水分管理模式下土壤溶液无机磷和总磷动态变化

培养期间模式1—模式3无机磷变化均呈“Ｚ”型双峰变化（图4）。随着培养时间延长模式2—模式3表层和模式1下层在第21天出现最大值随后迅速下降，下降至最小值后又缓慢升高。而模式2—模式3中层和下层则在第28 d达到最大值。随后同样迅速下降至最小值后又缓慢上升。

在培养期间，模式2和模式3表层和中层土壤溶液总磷质量浓度呈倒“V”型单峰变化，而下层土壤溶液总磷质量浓度呈“Z”型双峰变化（图4）。随培养时间延长，模式2和模式3表层土壤溶液总磷质量逐渐升高，在40～50 d达到最大值，随后逐渐下降，中层土壤溶液总磷质量浓度也有类似规律，但是最大值出现在20 d；随时间延长，下层土壤溶液总磷质量浓度升高，在10 d达到最大值，随后下降，在40 d达到最小值，然后再继续升高。

2.4 土壤溶液总磷与溶液总铁、总铝、总钙和TOC之间关系

表3为土壤溶液中总磷质量浓度与土壤溶液中其他物质（总铁、总铝、总Ca和TOC）之间的相关系数，表4为土壤溶液中总磷质量浓度（）与土壤溶液总铁（1）、总铝（2）、钙（3）和TOC（4）之间的逐步回归方程。由表3、表4可知，模式1下层土壤溶液总磷质量浓度与下层土壤溶液总铁、总钙、TOC质量浓度之间呈正相关（＜0.01），而与土壤溶液总铝质量浓度没有相关性；模式1下层土壤溶液总磷质量浓度与下层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC质量浓度逐步回归分析，只有TOC包含在方程中。模式2表层土壤溶液总磷质量浓度与总铝、总钙、TOC正极显著相关，而与土壤溶液总铁正显著相关；表层土壤溶液总磷质量浓度与表层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC质量浓度之间逐步回归方程中仅保留总铝和TOC。模式2中层土壤溶液总磷质量浓度与中层土壤溶液总铁、总铝、总钙质量浓度极显著正相关，与土壤溶液TOC质量浓度没有相关性；中层土壤溶液总磷质量浓度与表层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC质量浓度之间逐步回归方程中仅保留总铝。模式2下层土壤溶液总磷质量浓度与下层土壤溶液总铁、总钙、TOC质量浓度极显著正相关，而与土壤溶液总铝质量浓度负相关达到显著水平；下层土壤溶液总磷质量浓度与下层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC质量浓度之间逐步回归方程中仅保留总钙和TOC。

模式3表层和中层土壤溶液总磷与土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC之间呈正相关（＜0.01）。模式3表层土壤溶液总磷质量浓度与表层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC之间逐步回归方程中仅保留总铁；模式3中层土壤溶液总磷质量浓度与中层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC质量浓度之间逐步回归方程中仅保留总钙。

模式3下层土壤溶液总磷与下层土壤溶液总铁、总钙、TOC正相关，而与总铝相关性没有达到显著性水平。模式3下层土壤溶液总磷质量浓度与下层土壤溶液总铁、总铝、总钙、TOC之间逐步回归方程中仅保留总钙和TOC。

总体来讲，前40 d，土壤溶液总磷质量浓度与TOC、总铁、总铝和总钙相关性要强于整个时期。

表3 土壤溶液中总磷与土壤溶液中总铁、总铝、总Ca和TOC的相关系数

注 *和**分别表示相关性达到0.05和0.01显著性水平。

表4 土壤溶液中总磷质量浓度(y)与土壤溶液总铁(x1)、 总铝(x2)、钙(x3)和TOC(x4)之间逐步回归方程

3 讨论

在整个培养期间内，所有土层土壤溶液总磷质量浓度都是随土壤水分增加而升高（图4）。可能有以下几方面原因。水分升高促进土壤有机磷降解、释放：随水分升高，土壤微生物活动增强[21]，进而加速土壤有机磷分解；TOC可以与磷酸根竞争吸附土壤上的吸附位点，促进可溶性磷释放[22]。TOC也可以与磷产生络合增溶溶解现象，进一步促进土壤磷的释放[23-24]；随土壤水分升高，土壤溶液TOC质量浓度也增加（图2），土壤溶液TOC与土壤溶液总磷相关性显著（表3），3种水分管理模式下层土壤溶液总磷与总铁、总铝、总钙和TOC逐步方程中都含TOC（表4），这些证实水分升高促进土壤有机质分解，间接证实水分升高促进土壤有机磷分解；水分升高驱动了土壤无机磷释放。随着土壤水分升高，导致土壤还原性增强，土壤Fe3+被还原为Fe2+[25]，从而导致土壤中Fe-P释放，也破坏了土壤Al-P和Ca-P结构。随土壤水分升高，土壤溶液趋于下降（图2）。3种水分管理模式中土壤溶液总磷与总铁、总铝、总钙和TOC逐步方程中含总铁、总铝、总钙因子（表4），指示水分驱动土壤无机磷组分释放。土壤TOC维持土壤溶液铁稳定性[25]。土壤可溶有机质与土壤释放到溶液铁磷、铝磷形成络合物维持了土壤溶液高质量浓度磷存在。研究证实，低分子有机物（TOC）可以与铁磷或者铝磷形成三元复合体[22, 24, 26-27]。水分诱导土壤pH值上升，促进土壤磷溶解释放。随着土壤水分升高，土壤溶液pH值从4.45上升到6.5左右，这与蔡振国等[25]试验结果相同，淹水处理高磷土壤pH值从4.85增加到6.5，pH值上升进而促进酸性土壤磷溶解释放。酸性土壤中磷有效性一般较低，pH值升高到6.5～6.8，土壤磷固定作用下降，有利于磷释放，提高土壤磷有效性[28]；土壤淹水引起土壤死亡微生物分解导致的磷释放。土壤淹水渗透压上升，会导致死亡微生物细胞内的磷释放[29]。王子琬等[29]Blackwell等[30]证实干湿交替过程中释放的总溶解磷至少88%来自裂解的微生物细胞。

研究结果发现，表层、中层、下层土壤溶液磷质量浓度均值分别达到0.82～1.27、1.40～1.60 mg/L和0.13～0.31 mg/L（图4），大于地表水富营养化标准值（0.1 mg/L）[14]。因此，退耕还湿土壤磷释放进入土壤溶液，随后通过向上覆水扩散，提高湖泊水体磷浓度，其影响湖泊水体磷质量浓度最关键时期在退耕还湿40 d前后，因为此时土壤磷释放导致土壤水磷质量浓度最大（图4）。因此，退耕还湿土壤磷释放引起的磷释放造成生态环境问题值得关注。随水分升高，土壤溶液磷质量浓度增加（图4）。因此，退耕还湿过程中，采取逐步灌水措施有利于降低灌水对水体磷冲击。这些研究有待野外观察验。

4 结论

土壤水分显著影响土壤溶液磷质量浓度，且随着水分增加而增加。3种水分管理模式下土壤溶液总磷质量浓度都大于地表水富营养化标准值（0.1 mg/L）[14]，尤其是模式3土壤淹水饱和条件下。因此，退耕还湿期间土壤磷释放，特别是土壤淹水饱和情况下，可能会引起上覆水磷质量浓度突然升高，其造成的生态环境问题值得关注。

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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

吴瑞, 胡正义, 孙艺齐, 等.室内模拟水分管理对土壤溶液磷质量浓度影响研究[J]. 灌溉排水学报, 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

国家重点研发计划项目（2016YFC0500408）

吴瑞（1994-），男，辽宁沈阳人。硕士研究生，主要研究土壤环境化学。E-mail: wurui18@mails.ucas.ac.cn

崔岩山（1972-），男。教授，博士生导师，研究方向土壤污染物环境行为及其修复技术。E-mail: cuiyanshan@.ucas.ac.cn

责任编辑：赵宇龙