 Advances in Environmental Protection 环境保护前沿, 2012, 2, 15-19 http://dx.doi.org/10.12677/aep.2012.22003 Published Online June 2012 (http://www.hanspub.org/journal/aep) Influence of Alternative Drying-Wetting on Phosphorus Fractions in Soils with Different Organic Matter Content and Environmental Implications* Linlin Wei1, Gang Xu1,2#, Junna Sun2, Wenjun Xie2, Hongbo Shao1,3# 1Yantai Institute of Coastal Zone Research, Chinese Academy of Sciences, Yantai 2Shandong Provincial Key Laboratory of Eco-Environmental Science for Yellow River Delta (Binzhou University), Binzhou 3Institute of Life Sciences, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao Email: {llwei, #gxu, #hbshao}@yic.ac.cn Received: Mar. 25th, 2012; re vised: Apr. 9 th , 20 12 ; ac ce pt ed : Apr. 12th, 2012 Abstract: In the context of global change, it is of significance to study the effect of alternative drying-wetting on the soil fertility level an d the en vironmental qu ality of water bod y. In this study, soil P was fractionated by using a modified Hedley fractionation method to examine the effect of alternative drying-wetting on phosphorus fractions in soils with different organic matter content. The results displayed no significant difference of total phosphorus between the two treatments because the coefficient of variance was less than 10%. However, there is a significant chang e in the dist ribu- tion of soil phosphorus fractions: increase the content of labile-P (especially resin-P) and organic-P (NaHCO3-Po, NaOH-Po and Con.Hcl-Po) while decreasing the content of NaOH-Pi and occlude-P. Under the alternative drying and wetting condition, resin-P increased by 121% in the organic soil, while only increasing by 31% in the sterile soil, which indicates a significant effect of alternative of drying and wetting on labile-P in soils with high organic matter content. The study indicates that alternative drying and wetting seemed to drive the phosphorus transformation from the oc- clude-P to labile-P and organic-P. In the context of global change, alternative drying and wetting can increase the con- tent of labile P in the soil to improve crop growth. However, when there is rainfall or irrigation, it may aggravate the loss of soil phosphorus, which will induce the offshore eutrophication and possibly threaten the coastal environmental quality and regional ecological security. Keywords: Phosphorus Fractionation; Drying-Wetting; Climate Change; Organic Soil; Sterile Soil 干湿交替变化对土壤中磷形态影响及环境意义* 魏琳琳 1，徐 刚1,2#，孙军娜 1，谢文军 2，邵宏波 1,3# 1中国科学院烟台海岸带研究所，烟台 2山东省黄河三角洲生态环境重点实验室(滨州学院)，滨州 3青岛科技大学生命科学研究所，青岛 Email: {llwei, #gxu, #hbshao}@yic.ac.cn 收稿日期：2012 年3月25 日；修回日期：2012 年4月9日；录用日期：2012年4月12日 摘 要：在全球变化的背景下，干湿交替对于土壤肥力水平和水体环境质量，具有重要的研究意义。本研究采 用修正 Hedley 土壤磷素分级方法，研究了干湿交替对不同有机质含量土壤磷形态的影响。研究结果表明，干湿 交替对土壤总磷的影响不大，变异系数 C.V% < 10%。干湿交替极大的改变了土壤中磷形态的分布：显著提高了 土壤有效磷(尤其是树脂磷)和有机磷(NaH CO3-Po，NaOH-Po 和Con.HCl-Po )的含量，同时降低了土壤中 NaOH-Pi 和闭蓄态磷的含量。在干湿交替条件下，有机土中树脂磷提高了 121%，而贫瘠土中树脂磷仅提高了31%，这说 明干湿交替对有机质含量高的土壤活性磷影响更为显著。该研究表明干湿交替促进了土壤中磷由闭蓄态磷向活 *基金项目：山东省黄河三角洲生态环境重点实验室开放基金(2009KFJJ05)，国家自然科学基金(41001137；41171216)，中国科学院百人计 划和中国科学院创新团队国际合作伙伴计划，烟台市科技发展计划重大项目(20102450；2011016)。 #通讯作者。 Copyright © 2012 Hanspub 15  干湿交替变化对土壤中磷形态影响及环境意义 Copyright © 2012 Hanspub 16 性磷和有机磷的转化。在全球变化的背景下，干湿交替可以提高土壤中有效磷含量，促进作物的生长；但当有 降水或灌溉时，也可能加剧土壤中磷素的流失，从而引发近海富营养化事件，对于近海环境质量和区域生态安 全可能构成威胁。 关键词：磷分级；干湿交替；全球变化；有机土；贫瘠土 1. 引言 磷是植物生长的关键性养分元素之一。同其它养 分元素相比，由于磷循环几乎没有气体成分的参与， 因此磷循环是一种不完善的生物地球化学循环。从长 远来看，磷素是一种不可再生资源，已成为陆地和海 洋生态系统生产力的限制性养分元素[1]。环境因素的 变化是影响磷素转化和运移重要因素。在全球变化的 背景下，干湿交替极大的影响和改变了土壤磷素生物 地球化学循环。一方面，干湿交替使土壤经历了一系 列的物理、化学、生物变化过程，对土壤肥力和磷素 循环有重要影响[2,3]。另一方面，土壤中磷素形态和含 量的变化加剧了磷素的流失，成为引发近海富营养化 事件的罪魁祸首，对于近海环境质量和区域生态安全 构成威胁[4,5]。因此，在全球变化的大背景下，随着极 端气候事件(如：高温，干旱和暴雨等)的频发，研究 干湿交替对土壤磷素循环的影响，对于土壤肥力水平 和近海环境质量，完善磷素的生物地球化学循环，预 测全球变化下区域磷素运移规律具有重要的研究意 义[6]。有研究表明胶东半岛近 48 年极端温度、降雨事 件频发且变化较剧烈，干湿交替更为显著，是今后需 要重点关注的区域[7-10]。本研究采用修正的 Hedley 磷 素分级方法探讨干湿交替变化对土壤 P形态的影响， 评价全球变化下土壤 P形态的变化趋势及其可能的环 境影响，研究结果对近岸土地管理和水体保护等有重 要意义。 2. 材料与方法 2.1. 供试土壤 实验用土选用山东省烟台市，采样深度 0~20 cm， 土壤基本理化性状见表 1。有机土为海岸带黑松林土 壤，该土质地为壤土，有机质含量较高。贫瘠土有机 质含量较低，养分元素匮乏。样品采集后过 2 mm标 准筛，一份样品储存于 0℃~4℃环境中以保存样品的 湿度，另一份样品 30℃风干用于样品测试。 2.2. 样品分析 测试土壤基本理化性质见表1。土壤 pH 值采用 pH 计在水：风干土 = 2.5：1条件下测定，有机质采 用重铬酸钾-硫酸(K2Cr2O7-H2SO4)氧化法测定。土壤粒 级测定采用激光粒度仪测定。土壤 P的分级采用经修 正的 Hedley 等提出的分级方法进行测定[8]，即 采 用 连 续提取方法，逐级加入离子交换树脂、0.5 mol/L的 NaHCO3溶液、0.1 mol/L的NaOH 溶液、1 mol/L的 HCl 溶液、浓盐酸提取出土壤中稳定性由弱到强的各 级无机磷和有机磷。最后浸提的残留土壤经高温消解 测定残留磷(Residua1-P)。其中 0.5 mol/L的NaHCO3 溶液、0.1 mol/L的NaOH溶液和浓盐酸浸提液中有机 磷为总磷和无机磷之差[9,10]。土壤中磷的形态有着极 其重要的生物学意义及地球化学意义[11] (见表 2)。 3. 结果与分析 如图 1所示，风干和未风干的土壤中，有机土和 贫瘠土总磷的变异系数分别为7.6%和5%，这说明风 干对土壤中总磷影响可以忽略不计。与总磷的变化不 同，风干显著的增加贫瘠土中有机碳的含量。研究表 明，干湿交替变换加速了土壤中团聚体的破碎，破碎 过程伴随着有机质的释放和分解。 如表 3所示，风干土壤显著的改变了土壤各形态 磷的分布。其中树脂变化最为显著：风干大大提高了 土壤中树脂磷的浓度，其影响程度有机土高于贫瘠土。 Table 1. Properties of experimental soil 表1. 供试土壤理化性质 项目 贫瘠土 有机土 含水量/% 6.15% 15.95% 粘粒含量/% 3.28% 12.52% 总有机碳/% 0.27% 5.31% pH(1:2.5) 6.51 5.49 总磷/mg·kg–1 103 412  干湿交替变化对土壤中磷形态影响及环境意义 Table 2. Geochemical and ecological significance of sequential extracted P[10] 表2. 连续提取中土壤磷的形态极其重要性[10] 磷形态 生物学意义 地球化学意义 Resin-P 易解离，有效性最高 吸附于晶体矿物表面的磷 NaCO3-Pi 有效性较高 吸附于晶体矿物表面的磷 NaCO3-Po 易矿化，有效性高 吸附于胶体矿物表面 NaOH-Pi 矿化速率慢，有效性一般 同Fe，Al 及有机物通过化学作用键结合的磷 NaOH-Po, Con.HCl-Po 矿化速率慢，有效性低 同Fe，Al 及有机物通过化学作用键结合的磷 Dil.HCl 有效性低 同Ca 结合磷 Con.HCl-Pi 有效性低 同Fe，Al 矿物内部结合的磷 Redual-P 难以利用磷 惰性磷 0 1 2 3 4 5 6 TP/100OC%*100 未风干 风干 0 0.5 1 1.5 2 TP/100 OC%*100 mg•kg –1 未风干 风干 贫瘠土 有机土 a a ab aa a b mg•kg –1 Figure 1. Content of total-P and organic carbon in moist, alternative drying-wetting soils for SS and OS sites (The data indicates the average values and deviati ons of the four treatments; The different letters indicate significant at p < 0.05) 图1. 贫瘠土和有机土中总磷和有机质受干后含量变化(数据代表 4次处理平均值及偏差；不同字母表示显著性 p < 0.05) Table 3. Comparisons of changes in the relative proportion of phosphorus fractions in SS soil and OS soi l (*, **indicates a significant at p < 0.05, p < 0.01) 表3. 干湿交替变化对土壤中磷形态的影响(*，**分别代表显著性水平 p < 0.05, p < 0.01) P形态 贫瘠土 有机土 (n = 4) 未风干/mg·kg-1 风干/mg·kg–1 变化/% 未风干/mg·kg–1 风干/mg·kg–1 变化/% Resin-P 6.2 (0.5) 8.1 (0.5) 30.8%** 5.2 (0.3) 11.5 (1.6) 120.5%** NaCO3-Pi 6.6 (1.0) 7.4 (1.0) 11.5% 8.9 (0.7) 8.5 (0.6) –4.0% NaCO3-Po 2.7 (0.1) 3.9 (1.1) 43.0%** 27.0 (0.7) 26.4 (2.2) –2.2% NaOH-Pi 19.8 (1.3) 19.3 (0.9) –2.7% 34.3 (1.0) 28.3 (0.7) –17.7%* NaOH-Po 7.0 (0.4) 7.2 (0.3) 2.6% 194 (8.5) 218.9 (6.4) 12.8% Dil-HCl 6.1 (1.3) 4.1 (0.8) –32.8%** 24.1 (1.6) 20.6 (0.2) –14.3%* Con-HCl-Po 4.2 (0.4) 4.5 (0.6) 7.4% 15.6 (2.3) 18.6 (0.3) 19.1%* Con-HCl-Pi 105.1 (1.6) 100.1 (2.0) –4.8% 163.9 (7.1) 146.57 (3.7) –10.6% Residual-P 6.9 (0.5) 56.0 (0.8) –13.6% 53.9 (8.1) 52.0 (8.8) –3.5% 贫瘠土中树脂磷的含量从未风干6.16 ± 0.52 mg/kg提 高到风干土 8.06 ± 0.5 mg/kg。而有机土树脂磷含量从 未风干 5.12 ± 0.27 mg/kg提高到风干土 11.49 ± 1.61 mg/kg，树脂磷增加了 1倍多。NaHCO3-Pi 和NaHCO3- Po 对于干湿交替响应较小，只有贫瘠土中 NaHCO3-Po 从未风干土 2.72 ± 0.08 mg/kg提高到风干土 3.89 ± 1.12 mg/kg。同树脂磷相比，风干土壤对有机磷影响 程度较低。其中，NaOH-Po 浓度增加了 2.6%(贫瘠土) 和12.8%(有机土)，而 Con-HCl-Po 浓度增加 7.4%(贫 瘠土)和19%(有机土)。 同活性磷和有机磷变化不同的是，闭蓄态磷(如 Dil.HCl-P 和Con.HCl-Pi)在风干条件下其浓度呈降低 的趋势。土壤风干后，贫瘠土中 Con.HCl-Pi 浓度从未 风干时 105.11 ± 1.61 mg/kg降低到风干后 100.06 ± Copyright © 2012 Hanspub 17  干湿交替变化对土壤中磷形态影响及环境意义 1.91 mg/kg，而在有机土中其浓度从未风干时 163.86 ± 7.14 mg/kg降低到风干后 146.57 ± 3.71 mg/kg。同样 的，Dil.HCl-P 也分别降低了 32.8%(贫瘠土)和14.3% (有机土)。风干对残渣态磷无显著变化。 4. 讨论 研究结果表明，干湿交替极大的改变了土壤磷形 态分布。土壤风干后，活性磷(特别是树脂磷)和有机 磷含量显著增加，而 NaOH-Pi 和闭蓄态磷(Dil.HCl-P， Con.HCl-Pi)含量却发生降低。干湿交替使得贫瘠土和 有机土中树脂磷含量分别增加了30.8%和120.5%，这 说明有机质含量高和磷含量高的土壤更容易受干湿 交替作用的影响。Urner 等报道了英国草地土壤受干 后，NaHCO3(0.5 M)提取磷和有机磷的含量分别增加 了11%~165%和–2%~137% 。一般认为，一方面，受 干土壤水溶性磷含量增加跟干湿交替下微生物死亡 后机体磷的释放有关[11]。Blackwell 等[5]研究表明，土 壤受干后，土壤含水势降低，微生物细胞会受到一定 程度破坏甚至死亡，这一过程大约可以杀死 70%土壤 微生物，死亡的微生物是水溶性磷一个重要来源。另 一方面，干湿交替使得土壤有机质发生了一系列物理 和化学变化，这一过程伴随着磷的释放[4,5]。干湿交替 加速了土壤中大的团聚体的破碎和崩解，在土壤团聚 体破碎过程中，受物理保护的有机质被暴露出来，伴 随着有机质降解，使得可提取水溶性磷和有机磷含量 增加[12]。风干导致有机凝胶体发生变化，风干时凝胶 体破碎或增加孔隙度，致使表面积的增加，而潮湿所 导致的变化是可逆的。由于这种原因，从干燥土壤萃 取的有机物质的数量多于潮湿土壤[13]。另外，Birch 和Friend[14]实验表明：大量多次的干湿往复处理可使 土壤中有机磷显著地下降，所以土壤中有机磷矿化作 用加强可能导致水溶性磷增加[15]。有研究表明干湿交 替将引起土壤中好氧和厌氧条件的变化，导致可溶性 磷含量的波动。好氧环境促进了有机磷的降解，更易 导致磷的淋溶释放[16]。 IPCC(2007)评估报告指出 20 世纪 80 年代以来全 球温度的上升幅度已高达 3℃，因此全球变暖的格局 正在发生，而且范围和程度将进一步加深。全球变暖 导致区域温度升高，使得土壤遭受干湿交替作用加 剧。土壤受干后改变了土壤的化学性质，包括生物和 非生物学性质的改变极大的影响土壤磷动力学和生 物有效性[17]。Jackson 通过调查全球不同区域、不同 植被类型土壤，其结果表明，生物活性磷主要聚集在 土壤表层 0~30 cm[18-25,27-30]。这说明土壤活性磷主要聚 集在浅层土壤中。随全球变暖预期的增强，土壤受干 促使了土壤中闭蓄态磷向活性磷的转化，活化的磷可 以极大满足缺磷土壤对磷的需求，但是也有研究表 明，在草地等受人类影响小生态系统中，活性磷的增 加会降低生物多样性，对该类系统发育造成不良影响 [19-26]。另一方面，颗粒态和溶解态的土壤磷通过地表 径流和渗漏等方式迁移进入受纳水体，成为水体磷的 潜在补给源，磷酸盐是水体发生富营养化的主要因素 之一，因此增加的活性磷对相邻的水体构成威胁 [25-30]。如 Blackwell通过柱淋溶实验表明，干湿交替 可增加淋出液中可溶性磷的浓度，加大了临近水体富 营养化的风险[4,5,25-30]。 5. 结论 为考察干湿交替对土壤和相邻水体环境质量的 影响，两种不同有机质含量土壤采用修正Hedley 分级 方法对土壤受干前后的磷形态进行了研究。结果表明 风干土壤极大的改变了土壤中磷形态的分布，尤其是 土壤中生物活性磷-树脂磷的含量发生较大的提高，贫 瘠土和有机土中活性磷在受干前后其浓度提高了 31%和121%。这说明土壤中活性磷的活化跟土壤中有 机质含量密切相关。同时，有机磷的含量受风干的影 响也出现了小幅提高。另外，干湿交替也引起了闭蓄 态磷(Dil.HCl-P and Con.HCl-Pi)浓度的下降。这说明土 壤中活性磷和有机磷的提高是以闭蓄态磷的降低为 代价的，干湿交替促进了土壤难溶性磷向活性磷或生 物有效磷的转化。全球变化导致气温的升高和极端降 雨事件的频发，海岸带地区尤为严重，这使得土壤遭 受干湿交替变化更加的频繁，因此土壤中有效磷的含 量会逐渐增高，这一方面会有利于作物的生长，但同 时也会加剧土壤中磷素流失的风险，进而加剧湖泊和 近海富营养化水平，这不得不引起我们的关注。 参考文献 (References) [1] G. 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