彭珮媛,吳曉妮2,,李子光,趙洛琪,付登高,段昌群

(1.云南大學(xué) 生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院 云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點實驗室,昆明 650091;2.昆明學(xué)院 農(nóng)學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,昆明 650214;3.昆明市?？诹謭?昆明 650114)

磷是植物必不可少的限制元素之一，分為無機磷和有機磷兩大類[1]，其中無機磷是土壤磷素極其重要的組成部分，是植物和微生物所需磷的主要來源[2]。根據(jù)Chang等[3]提出的分級方法，可將無機磷分為磷酸鋁磷(Al-P)、磷酸鐵鹽磷(Fe-P)、閉蓄態(tài)磷(O-P)和磷酸鈣鹽磷(Ca-P)。不同無機磷組分的穩(wěn)定性差異較大，受環(huán)境因子影響的差異也較大[4-5]。研究表明，土壤的堿性條件、水分條件、施肥模式以及環(huán)境的凍融作用和土地利用方式都會影響無機磷組分[6-10]，特別是土地利用方式不同會導(dǎo)致土壤物理、化學(xué)以及養(yǎng)分有效性變化，進而導(dǎo)致磷素含量及組分有較大的差異[11]。例如，農(nóng)田土壤中無機磷各組分含量相對較高，礦區(qū)中Fe-P含量較高，而林地中的O-P含量較低[12-13]，同時，土地利用方式還會通過改變地上群落結(jié)構(gòu)及土壤微生物生物量與活性，間接影響土壤的性質(zhì)以及無機磷組成[14]。

磷不僅是植物生長的限制因素，也是水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵因素。土壤中的磷會隨著土壤侵蝕、地表徑流和滲漏淋溶等方式進入地表及地下水體環(huán)境中并不斷積累[15]，成為導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的主要原因之一。近年來，滇池的富營養(yǎng)化日益嚴重，已被國家列為重點治理的“三湖三河”之一[16]，滇池流域內(nèi)磷素的有效防控也成為滇池富營養(yǎng)化治理的主要內(nèi)容。目前，由土壤磷流失造成的水體磷素積累，引起水體富營養(yǎng)化的研究關(guān)注的多是總磷或水溶性磷[17-18]，很少從無機磷角度進行研究，而無機磷是生物所需磷的主要來源[2]，遷移入湖后，能對水生生物的生長造成顯著影響。

作為滇池流域內(nèi)的主要農(nóng)業(yè)子流域，柴河流域內(nèi)面源污染問題突出，且存在大量的林地、撂荒地、農(nóng)田及溝渠等多種土地利用方式[19]，并且流域內(nèi)存在大量的富磷區(qū)域，磷素背景值高，大量磷素隨徑流以溝渠、河道作為污染物輸移的通道進入水體，進而加劇水體富營養(yǎng)化的風(fēng)險[20]。因此，了解柴河流域內(nèi)不同土地利用方式下的無機磷組成特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及滇池富營養(yǎng)化防治意義重大。鑒于此，本研究以柴河流域為研究區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)不同土地利用方式土壤無機磷組分進行比較分析，結(jié)合土壤理化性質(zhì)探討不同土地利用方式下土壤無機磷組分的變化特征，為柴河流域乃至滇池面源污染治理提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

柴河流域(24°36′—24°37′N，102°41′—102°42′E)位于云南省中部、昆明市西南部的晉寧區(qū)，位屬滇池流域南部，海拔1 936～2 236 m，地貌以丘陵為主，為亞熱帶高原季風(fēng)氣候。年平均降水量925.4 mm，具有干、濕季分明的氣候特點，雨季主要集中在5—10月，降水量占全年降水的85.9%；干季為11月—次年4月，降水量僅占全年降水的14.1%。該區(qū)域土壤類型以砂巖、礫巖發(fā)育的山地紅壤為主，局部有黃棕壤分布。流域內(nèi)地形主要分為山地、坡耕地、壩平地及柴河河道，山地與坡耕地土壤平均總磷含量為8.70 g/kg(富磷地區(qū))，壩平地土壤總磷平均含量為2.97 g/kg[19]。富磷山地以林地為主，其中云南松林和荒山灌草叢是主要覆被類型；富磷坡耕地主要以露天農(nóng)田為主(富磷農(nóng)田)；壩平地主要以大棚農(nóng)田和露天農(nóng)田為主，農(nóng)田為旱地，主要種植玉米、蔬菜、花卉等，其間分布溝渠系統(tǒng)收集徑流，最終匯入柴河流入滇池。農(nóng)田施肥主要以農(nóng)家肥為主，兼施氮肥與磷肥[21]。雨季的降水形成較明顯的地表徑流，加上較強的人為農(nóng)業(yè)活動，易形成比較嚴重的面源污染。

2 材料與方法

2.1 土壤樣品采集及試驗方法

基于前期調(diào)查，結(jié)合研究目的及流域現(xiàn)實地形地貌特點(表1)，本研究選擇了6種典型土地利用方式，從山脊到柴河河道分別分布著云南松林、荒草坡、富磷農(nóng)田、大棚農(nóng)田、大棚區(qū)農(nóng)田溝渠以及露天農(nóng)田，于2018年7月在這6種土地利用方式的典型區(qū)域內(nèi)進行采樣。由于不同土地利用方式分布面積不同，故在云南松林和荒草坡隨機設(shè)置3個樣方(15 m×15 m)，樣方間隔距離至少在100 m以上，每個樣方內(nèi)隨機采集5個0—20 cm的表層土壤樣品形成1個混合土樣；在富磷農(nóng)田、大棚農(nóng)田和露天農(nóng)田則隨機選擇3個樣區(qū)(50 m×50 m)，樣區(qū)間隔距離在300 m以上，在每個樣區(qū)內(nèi)隨機采集15個0—20 cm的表層土壤樣品形成1個混合土樣；大棚區(qū)農(nóng)田溝渠土壤選擇3個集中大棚農(nóng)田區(qū)，對每個大棚農(nóng)田區(qū)內(nèi)的生態(tài)溝渠進行隨機采樣并形成1個混合樣品。共采集0—20 cm的表層土壤樣品18個，所有樣品帶回實驗室去除作物根系、石礫、有機殘體等雜物后，過篩保存并進行指標(biāo)分析。

表1 柴河流域不同土地利用方式立地屬性特征

土壤指標(biāo)及方法分別為：pH值測定采用電位計法[V (水)∶m(土)=5∶1 ]；土壤有機質(zhì)(SOM)采用重鉻酸鉀氧化外加熱法；土壤全氮(TN)采用半微量凱氏定氮法；土壤堿解氮采用堿解擴散吸收法；土壤總磷(TP)采用酸溶-鉬銻抗比色法；土壤有效磷(AP)采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法[22]；無機磷(IP)分級采用Chang和Jackson[3]的方法，其中，Al-P用0.5 mol/L的NH4F提取，F(xiàn)e-P用0.1 mol/L的NaOH提取，O-P用0.3 mol/L的檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉溶液提取，Ca-P用0.25 mol/L的H2SO4提取。無機磷含量為Al-P、Fe-P、O-P和 Ca-P之和。

2.2 數(shù)據(jù)處理

為了了解不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)的變化特征，數(shù)值以平均值±標(biāo)準偏差的形式進行表示，同時用標(biāo)準偏差除以平均值來表示該指標(biāo)的變異系數(shù)(CV)。同時，為了對比不同土地利用方式下磷素的活化程度，采用土壤磷素活化系數(shù)(PAC)來表示，即土壤有效磷與全磷的比值(AP/TP)[23]。所有數(shù)據(jù)采用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行整理，單因素方差分析和相關(guān)性分析利用SPSS 25.0軟件進行分析，各組數(shù)據(jù)差異顯著性采用Duncan′s法進行比較。利用Origin 9.1進行分析制圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤基本理化性質(zhì)

不同土地利用方式立地屬性特征、土壤基本理化性質(zhì)見表1—2，云南松林地、荒草坡及富磷農(nóng)田為酸性土壤，大棚農(nóng)田、大棚溝渠及露天農(nóng)田為中性至堿性土壤，露天農(nóng)田土壤pH值顯著高于其他土地利用方式，達7.69。大棚農(nóng)田SOM平均含量顯著高于其他土地利用方式，達7.21%，而富磷農(nóng)田僅為3.74%，顯著低于其他土地利用方式；SOM平均含量的空間變異以云南松的變異程度最高，露天農(nóng)田變異程度最低。對氮素而言，大棚農(nóng)田、大棚溝渠與露天農(nóng)田的氮素含量較高，其中大棚農(nóng)田氮素含量最高；荒草坡氮素含量最低，空間變異程度以荒草坡變異程度最大。荒草坡的堿解氮含量顯著低于其他土地利用方式，僅為80.54 mg/kg，其他土地利用方式土壤堿解氮含量均較高。

3.2 土壤磷素特征

本研究區(qū)不同土地利用方式的土壤總磷、有機磷及無機磷含量見圖1?？偭缀孔罡叩氖窃颇纤闪值?，達5.36 g/kg，且土壤有機磷含量也顯著高于其他土地利用方式達2.37 g/kg，占總磷含量的44.19%；但由于其有效磷含量較低，其PAC最低?？偭缀孔畹偷氖锹短燹r(nóng)田，為1.34 g/kg，且有機磷含量也顯著低于其他土地利用方式，僅為0.32 g/kg，占總磷含量的23.59%。富磷農(nóng)田的無機磷及有效磷含量顯著高于其他土地利用方式，分別為3.23，0.24 g/kg，無機磷含量占總磷含量的60.78%。大棚溝渠的無機磷含量顯著低于其他土地利用方式，僅為0.96 g/kg，占總磷含量的45.31%；除該樣地，其他土地利用方式的無機磷含量均高于有機磷含量。土壤有效磷及土壤磷素活化系數(shù)見圖2，其中富磷農(nóng)田與大棚農(nóng)田土壤的有效磷含量顯著高于其他土地利用方式，而土壤PAC值則表明土壤磷素活化程度依次表現(xiàn)為大棚農(nóng)田>露天農(nóng)田>大棚溝渠>富磷農(nóng)田>荒草坡>云南松，其中云南松和荒草坡之間、富磷農(nóng)田與大棚溝渠之間土壤磷素活化程度均無顯著差異(圖2)。

注：不同字母表示各個土壤參數(shù)在不同土地利用方式之間差異顯著(p<0.05)，下圖同。

圖2 不同土地利用方式土壤有效磷含量及土壤磷素活化系數(shù)

3.3 土壤無機磷各組分含量及相關(guān)性

不同土地利用方式土壤無機磷組分含量及比例分布見圖3、表3。研究區(qū)不同土地利用方式土壤Ca-P含量在0.70～1.04 g/kg，占總無機磷的比例為28.59%～72.56%，其中富磷農(nóng)田最高，荒草坡最低；Fe-P含量在0.048～1.16 g/kg，占總無機磷的4.72%～38.95%，其中云南松林地最高，露天農(nóng)田最低；Al-P含量在0.041～0.82 g/kg，占總無機磷的4.26%～25.45%，其中富磷農(nóng)田最高，大棚溝渠最低；O-P含量在0.16～0.33 g/kg，占總無機磷的比例最低，為8.02%～17.44%，其中富磷農(nóng)田最高，露天農(nóng)田最低?？傮w來看，山地區(qū)內(nèi)的云南松林、荒草坡和富磷農(nóng)田土壤以Fe-P和Ca-P為主，二者占無機磷含量的64.24%～68.24%，而壩平地中的大棚農(nóng)田、大棚溝渠及露天農(nóng)田土壤則以Ca-P和O-P為主，二者含量占無機磷含量的83.49%～89.70%(表3)。

圖3 不同土地利用方式土壤無機磷各組分含量

表3 不同土地利用方式土壤無機磷組分比例 %

本研究區(qū)6種不同土地利用方式土壤中，除有效磷外，pH值與其他磷素形態(tài)均呈顯著的負相關(guān)關(guān)系；除有效磷和Ca-P外，SOM含量與其他磷素形態(tài)均呈顯著的負相關(guān)關(guān)系。除有效磷外，總磷含量與其他磷素形態(tài)均有顯著正相關(guān)關(guān)系，與無機磷及Al-P的相關(guān)性系數(shù)最高。除有效磷外，無機磷與其他磷素形態(tài)均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。有效磷與無機磷中的O-P和Ca-P呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，有機磷與無機磷及其組分呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表4)。

表4 不同土地利用方式土壤磷素形態(tài)與土壤理化性質(zhì)間的相關(guān)系數(shù)

4 討 論

4.1 土壤磷組分含量

土壤總磷是土壤磷素的總儲量，是衡量磷素營養(yǎng)水平的參考指標(biāo)，主要來源于成土母質(zhì)和動植物殘體的歸還，也與施肥措施、土地管理方法等人類生產(chǎn)活動有關(guān)[22]。本研究顯示，不同土地利用方式下土壤總磷含量為1.34～5.36 g/kg(圖1)，大小順序為云南松林地與富磷農(nóng)田>荒草坡>大棚溝渠>大棚農(nóng)田>露天農(nóng)田。據(jù)相關(guān)報道，農(nóng)田由于施肥等管理措施，磷含量較高[10]，但在本研究中，除富磷農(nóng)田，其他兩種農(nóng)田總磷含量均不及云南松林地，這可能與云南松林地所處富磷山地區(qū)有關(guān)，土壤磷素背景值較高。而同樣處于壩平地的大棚溝渠總磷含量高于農(nóng)田，則是因為溝渠為大棚農(nóng)田灌溉滲出水的收集場所，匯集了農(nóng)田土壤中流失的磷，因此總磷含量更高。

無機磷在土壤磷素中含量較多，占總磷的60%～80%，是植物所需磷的主要來源[2]。本研究顯示，不同土地利用類型土壤無機磷含量為0.96～3.23 g/kg(圖1)，占總磷含量45.31%～76.41%。結(jié)果顯示，無機磷總量比例偏低，可能由于pH值影響了有機磷的含量，因此在云南松、富磷農(nóng)田等酸性土壤中，有機磷占比較高。在該區(qū)域，無機磷形態(tài)以Ca-P為主，含量最高為富磷農(nóng)田土壤，達1.04 g/kg(圖3)。Ca-P是一種比較穩(wěn)定的結(jié)合態(tài)磷，主要來源于磷灰石或碎屑巖，以及較難溶的磷酸鈣礦物[24]。有研究指出Ca-P在酸性土壤中份額較小[2]，但該流域內(nèi)總體Ca-P含量較高(圖3)，可能與流域沖積母質(zhì)來源于碎屑巖及石灰?guī)r有關(guān)[25]。滇池流域四周為中低山環(huán)繞，山體主要由碳酸鹽巖(石灰?guī)r和白云巖為主)、碎屑巖和玄武巖構(gòu)成，這些巖層構(gòu)成了流域的成土母巖，形成了以黃紅壤、棕紅壤為主的土壤[26]。而云南松林地、荒草坡以及富磷農(nóng)田又位于柴河流域磷礦區(qū)，不僅使Ca-P含量增加，還含有較高的磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽，使土壤中Fe-P含量占優(yōu)勢，同時Al-P含量也較高(圖3)。這一結(jié)果與黃維恒[13]關(guān)于滇池南岸不同土地利用方式下土壤無機磷分布是一致的，其結(jié)果也表明在礦區(qū)土壤中Fe-P與Al-P含量較高，可見，礦區(qū)中磷素有很大一部分都是以Fe-P和Al-P的形態(tài)存在。O-P主要來自土壤中動物植物殘體，在酸性條件下易釋放出來[2]，其含量在該研究區(qū)中總體較低，雖然大棚農(nóng)田、大棚溝渠和露天農(nóng)田土壤中O-P的比例顯著高于云南松林地、荒草坡以及富磷農(nóng)田(表3)，但就含量來說，后三者O-P含量仍顯著高于前三者(圖3)。可能是云南松林地、荒草坡以及富磷農(nóng)田土壤pH值更小(表2)，O-P易釋放，因此含量更高。

表2 柴河流域不同土地利用方式土壤基本理化性質(zhì)

土壤有機磷是土壤磷素的重要組成部分，對土壤肥力和植物營養(yǎng)有著重要的影響，其含量占總磷的20%～40%[27]。本研究顯示，不同土地利用方式下土壤有機磷含量為0.32～2.37 g/kg(圖1)，占總磷含量的23.59%～54.70%。有機磷含量與Fe-P，Al-P含量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系(表4)，表明土壤Fe-P和Al-P可提高土壤有機磷含量。有機磷是以Fe3+，Al3+等金屬離子為橋梁與有機質(zhì)結(jié)合而形成的復(fù)合物[28]。在磷酸鐵鹽和磷酸鋁鹽含量較高的云南松林地、荒草坡以及富磷農(nóng)田中，有機磷含量也較高，這可能與土壤中有較多的Fe3+，Al3+等金屬離子有關(guān)，利于有機磷積累。于此同時，有機磷也可通過礦化促進有效磷的含量，進而通過吸附、沉淀等過程增加土壤Fe-P與Al-P的含量[29]。

4.2 土壤供磷潛能

土壤的供磷潛能可由無機磷的有效性結(jié)合有效磷和土壤磷素活化系數(shù)來表征。有效磷是土壤中可被植物吸收的磷組分，是土壤磷素養(yǎng)分直接供應(yīng)水平高低的指標(biāo)。土壤磷素活化系數(shù)也可用來衡量土壤磷素的有效性[23]。不同形態(tài)無機磷有效性的相關(guān)研究表明，在酸性旱地土壤中，A1-P被視為有效態(tài)磷，在還原條件下Fe-P也是有效磷源，可通過Fe3+的還原，使部分磷酸鹽得以釋放[30-31]，而Ca-P作為與有效磷最相關(guān)的無機磷組分(表4)，是潛在有效磷源。研究區(qū)域內(nèi)，山地區(qū)的云南松林地和荒草坡土壤有效磷和PAC雖然較低(圖2)，但作為酸性或中性土壤有效態(tài)磷(A1-P)和緩效態(tài)磷(Fe-P)含量卻較高，潛在的有效磷源(Ca-P)含量也較高(圖3)，表明其具有較高的供磷潛力。與其他土地利用方式相比，富磷農(nóng)田土壤中有效磷含量最高，但PAC仍較低(圖2)，可能是由于其較高的土壤總磷含量。富磷農(nóng)田中緩效態(tài)的Fe-P含量和潛在有效磷源的Ca-P含量均較高，表明其有一定的供磷潛能。大棚農(nóng)田和露天農(nóng)田土壤均是有效磷含量不高，但PAC較高(圖2)，這兩種土地利用方式主要分布在壩平地區(qū)域，也是農(nóng)業(yè)最集中且人為管理強度較高的區(qū)域，可能是農(nóng)業(yè)種植以及人為管理對土壤中磷素活化造成一定影響。但這兩種農(nóng)田土壤中A1-P和Fe-P含量極低，表明其土壤供磷潛能不高。

4.3 土壤磷流失風(fēng)險

柴河流域源頭區(qū)土壤中，總磷含量較高，土壤磷素通常通過農(nóng)田排水和地表徑流向水體遷移，造成土壤磷素流失，從而加劇下游滇池水體的富營養(yǎng)化[20]。土壤磷素流失與降雨強度、植被覆蓋度、土壤理化性質(zhì)、坡長、坡度以及無機磷組分等多方面因素相關(guān)[32]。本研究區(qū)中，云南松林與荒草坡位于山地區(qū)，坡度較大，土壤總磷含量高，磷流失可能性較大，但由于其植被覆蓋度高達80%～95%(表1，圖1)，植物葉片降低了雨水對地面的侵蝕，有一定的緩沖作用。且云南松林生物量大，凋落物積累量多，進一步隔離了雨水對地表土壤的作用。而荒草坡因人為放牧干擾，磷流失風(fēng)險較云南松林稍大。富磷農(nóng)田和露天農(nóng)田土壤，雖然植被覆蓋度較高(表1)，但其復(fù)種率也高，幾乎無凋落物存在，且無大棚遮蓋，降水直接在田間蓄留，當(dāng)超過其最大持水量時，即產(chǎn)生地下淋溶和地表徑流土壤磷素隨之進入水體，而富磷農(nóng)田坡度稍大(表1)，更易形成地表徑流，磷流失風(fēng)險極大。大棚農(nóng)田由于大棚覆蓋，降雨對其沒有影響，但人為種植管理干擾劇烈，灌溉、施肥等活動可能也會造成一定的磷素流失。大棚溝渠由于大棚薄膜對降水的再匯集，使得其土壤遭受降水沖擊及降水量的影響更大，且植物覆蓋度低，磷素流失加劇[33]。從磷素組分來看，流域內(nèi)土壤無機磷組分以Ca-P和Fe-P為主(圖3)。堿性條件下，Ca-P穩(wěn)定性較高，但進入水體后，當(dāng)水體pH值下降尤其是水中厭氧酸性環(huán)境會導(dǎo)致部分難溶性的Ca-P釋放而造成水體內(nèi)源污染[34]。而Fe-P作為不穩(wěn)定的磷形態(tài)，進入水體后由于氧化還原電位改變會導(dǎo)致磷酸鹽釋放[30]，增加水體中生物可利用磷的含量，可能會進一步加劇水體富營養(yǎng)化程度甚至威脅飲用水安全[15]。因此，土壤總磷含量高，有效磷含量高，且Ca-P與Fe-P含量均較高的富磷露天農(nóng)田土壤磷素流失潛力最高，其土壤中堿解氮含量也顯著高于其他土地利用類型(表2)，在該流域面源污染防控中應(yīng)作為重點土地利用方式進行防控。

5 結(jié) 論

(1)柴河流域6種不同土地利用方式土壤中，土壤磷素背景較高總磷含量較高。其中土壤全磷含量為1.34～5.36 g/kg，有效磷含量為0.09～0.24 g/kg，有機磷含量為0.32～2.37 g/kg，無機磷含量為0.96～3.23 g/kg。

(2)柴河流域不同土地方式土壤中，山地區(qū)的云南松林、荒草坡和富磷農(nóng)田土壤以Fe-P和Ca-P為主，二者占無機磷含量的63.21%～68.49%，而壩平地中的大棚農(nóng)田、大棚溝渠及露天農(nóng)田土壤則以Ca-P和O-P為主，二者含量占無機磷含量83.33%～89.58%。

(3)土壤有機磷與Al-P，F(xiàn)e-P，O-P和Ca-P呈顯著正相關(guān)；有效磷則與O-P和Ca-P呈顯著正相關(guān)。

(4)流域山地區(qū)內(nèi)的荒草坡和云南松林由于具有較好的供磷潛能有利于退化區(qū)的生態(tài)修復(fù)，而由于較高的磷組分含量和磷素流失潛力，富磷農(nóng)田是該流域面源污染防控的重點區(qū)域。