凍融作用對農田磷素轉化遷移影響研究進展

李貴圓，范昊明

(沈陽農業大學水利學院，110866，沈陽)

凍融作用對農田磷素轉化遷移影響研究進展

李貴圓，范昊明?

(沈陽農業大學水利學院，110866，沈陽)

凍融作用引起水土流失，造成磷分等無機污染物流到下游江河湖泊等水體，引起非點源污染，造成土壤肥力下降、生態環境惡化等問題。首先從農田土壤磷分、植物體內磷分以及微生物生物量磷3方面介紹凍融作用對磷分轉化遷移的影響;然后對凍融作用磷流失的防治提出增施有機肥、合理密植、恢復并改良植被、封育、退耕還林(草)等建議;最后，提出我國未來凍融作用對磷分轉化遷移研究在土壤磷分水平、垂直方向上遷移轉化機制，植物體內磷分遷移轉化機制，微生物生物量磷遷移轉化機制，以及凍融過程磷分流失模型方面提出研究展望。

凍融作用;磷素;轉化遷移;研究進展

隨著點源污染得到有效控制和管理，非點源污染成為環境污染的重要問題。非點源污染物(尤其是農田氮、磷等)不僅引起土壤退化、肥力下降，而且引起水體富營養化等生態環境問題［1］。以往的研究多集中于從降雨［2-8］、土地利用方式［9-13］、徑流、湖泊等角度研究農田或湖泊等水體的磷分流失遷移等特征，即磷素經過懸浮態流失或淋溶遷移流失［14］，在遷移過程中經歷降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質溶出以及土壤溶液滲漏中的一種或幾種遷移過程［15］;磷素在土壤或水體中遷移時可以發生吸附或解吸附、沉淀或溶解、固定或礦化以及植物吸收等［16］，歸納起來即為發生無機磷酸鹽溶解作用，有機磷酸鹽礦化作用、固定作用或無機磷酸鹽氧化-還原作用中的一種或幾種轉化過程［17］。而對于春季解凍期凍融作用對農田磷分轉化遷移特征的研究較少涉及。在中、高緯度及高海拔地區［18-19］，凍融影響農田土壤有機質的礦化分解、土壤養分的吸附與解吸附、形態轉化以及養分的利用與遷移等［20-21］。已有研究［22-24］表明凍融作用對土壤理化性質的影響主要取決于凍融溫差、凍融交替頻率以及土壤含水量等。凍融改變土壤結構和含水量分布，促進土壤微生物活性及有機質礦化，進而造成土壤中營養物質的流失［25］。而土壤營養物質的遷移又造成下游河道、水體的污染，引起土壤肥力下降和水體富營養化等一系列生態環境問題。因此，研究春季解凍期凍融作用對農田磷分遷移影響，對于減少磷素流失、保持土壤肥力、防止水體等生態環境污染均具有重要意義。

1 凍融作用對土壤磷分轉化遷移的影響

有關凍融作用對土壤磷分轉化遷移的影響，國內外研究的比較少，但仍取得了一些成果。王國平等［26］通過探索凍融過程對濕地土壤磷分吸附性質的影響，并測定對濕地土壤磷分保持可能產生的進一步作用，結果顯示對應于5、10、15℃，6種土壤磷分吸附量的最大值分別為1 770～2 577、1 847～2 533、2 093～2 810 mg/kg，表明濕地土壤的凍融作用能夠顯著影響磷分的吸附與解吸附，而經過凍融作用與未經凍融處理相比，濕地土壤的緩沖能力亦會更強。I.Panagopoulis等［27］研究了寒冷氣候條件下6種廣泛分布且具有不同質地土壤對磷流失的影響，結果表明，即使在寒冷氣候條件下(1990—2001年、平均每年冬季10月末11月初至翌年3月末4月初、平均氣溫均低于0℃)，每年流失到表層水的磷的總量以及滲漏到地下水的硝酸鹽總量也比較多。裴海昆等［28］研究了不同草甸植被類型下土壤中的腐殖質類型及土壤中的有機磷組分，發現中等活性有機磷在海拔比較高的土壤中其質量分數比較低(34.66%和32.58%)，在低海拔地區的土壤中其質量分數比較高，而且隨著溫度的升高，中等穩定性有機磷的相對質量分數逐漸減少，認為在高海拔地區，土壤經常處于凍融交替狀態，凍融作用促進中等活性有機磷向中等穩定性有機磷轉化。

凍融作用可改變土壤結構和含水量分布，增強土壤釋水性和水分滲透性，使融化后的土壤水分含量顯著提高，養分易于溶出或通過各種途徑包裹在礦物顆粒內或吸附于土壤膠體表面隨水流遷移，造成土壤中營養物質的流失［25］。G.Ollesch 等［29］對俄羅斯Volga集水區在融雪徑流形成時期泥沙和營養物的動態遷移過程進行了研究，發現在融雪期間低流量情況下，磷素從緩流耕地土壤遷移到溝渠;而高流量情況下，泥沙和營養物質發生時空的分離，耕地是融雪期間泥沙和營養物質的源頭。J.B.Shanley等［30］認為土壤含水量達到飽和狀態后，凍結土壤孔隙中充滿水體，土壤滲透性降低，促進了地表徑流的形成，加速了土壤營養元素的流失。

凍融作用對土壤磷分的釋放及有效性的影響，常導致微生物呼吸增強［31］，以及土壤溶液中磷分等營養物質濃度的升高［32］。M.Freppaz等［32］通過 4種具有對比性質的土壤(放牧草地、粗放經營落葉松(Larix decidua)林地、自然擾動土壤、冷杉(Abies alba)林地)研究凍融作用后磷分組成形式的變化，結果表明，所有土壤經過凍融作用后，其總溶解性磷(TDP)的質量分數升高了。含水率較低時，經過單一凍融作用，放牧草地與粗放經營落葉松林地鉬酸反應磷(MRP)質量分數明顯升高;含水率較高、初始鉬酸反應磷(MRP)質量分數最低時，冷杉林地鉬酸反應磷(MRP)質量分數顯著升高;而除了冷杉林地，即使這一地點含水率提高較顯著，所有土壤的有機溶解磷(DOP)在經過凍融作用后也均顯著升高;總溶解性磷(TDP)的質量分數隨著凍融循環次數的增加而升高。所有土壤總溶解性磷(TDP)質量分數明顯提高，但磷素分形的相對重要性發生變化，在較高含水率時，冷杉林地中鉬酸反應磷(MRP)對總溶解性磷(TDP)的相對貢獻率由20%上升為50%，而經過凍融作用，有機溶解磷(DOP)對總溶解性磷(TDP)的貢獻率在所有土壤中仍超過50%。周旺明等［33］通過研究發現，與對照試驗相比，凍融處理淋溶液中的總磷(TP)和磷酸根()質量濃度分別提高了12.50%和18.37%，淋溶液中總磷(TP)和磷酸根()的流失量分別提高了56.52%和29.41%，凍融過程提高了土壤淋溶液中總磷(TP)和磷酸根()的質量濃度和流失量，表明凍融作用提高了土壤淋溶液中磷的質量濃度，促進了磷的流失。于曉菲等［34］研究了凍融作用對三江平原毛苔草(Carex lasiocarpa Ehrh.)沼澤、烏拉苔草(Carex meyeriana Kunth)沼澤化草甸、小葉章(Calamagrostis angustifolia Kom.)草甸和大豆(Glycine max(L.)Merr.)農田土壤總溶解性磷(TDP)的影響，結果表明，凍融作用降低土壤溶液中總溶解性磷(TDP)的質量分數。此外，取樣地點不同、土層不同，凍融作用引起土壤溶液中總溶解性磷(TDP)的質量分數也不同，毛苔草沼澤土與烏拉苔草沼澤化草甸土土柱受凍融作用引起的總溶解性磷(TDP)遞減變化的幅度要大于小葉章草甸土和大豆農田土壤。J.B.Fellman等［35］對取自阿拉斯加東南部10條溪流水樣進行實驗研究凍結對水體總溶解性磷(TDP)的影響。研究結果表明，水樣凍結后，總溶解性磷(TDP)的質量濃度會降低。而武瑞平等［36］研究發現，經過凍融交替過程后，隨著有機質質量分數的提高，土壤速效磷質量分數顯著增加，土壤速效磷質量分數隨含水量的增加呈現出先上升后下降的趨勢。王永潔等［37］的研究結果顯示，隨著消融過程的發展，蘆葦(Phragmites australis(Calv.)Trin.)沼澤土0～70 cm土層中的磷素質量濃度明顯增加，其中土壤表層的磷素變化最明顯(從234.28 mg/L上升至358.00 mg/L，增加幅度為52.8%)，凍融季節扎龍鹽沼濕地的養分表現出明顯的時空變化特征。W.G.Hinman［38］、M.D.Ron Vaz［39］等的研究也表明，凍融作用增加了土壤中可提取磷的濃度。M.D.Ron Vaz等［39］在可控土壤培養條件下，發現溶解磷總量隨著凍融循環次數的增加而增大。W.D.Hinman［38］發現，對于由土壤礦物質和土壤團聚體內冰晶生成時產生的破碎效應所形成的礦質土壤，經過單一或重復凍融循環作用，碳酸氫鹽提取磷的質量分數會有所提高［24］。

此外，R.D.Fitzhugh等［20］研究了土壤凍融對土壤溶液中磷化學特性的影響，結果顯示，土壤凍結會增加磷的損失率，增大了土壤磷分的流失，對土壤磷的有效性、生態系統生產力產生潛在影響;C.A.I.Goring［40］對土壤中有機磷分合成的影響因素進行了研究，結果表明，凍融作用可促進土壤有機磷的合成，這與 R.D.Fitzhugh［20］、P.M.Groffman［41］等的研究成果一致。

然而也有一些學者從凍融作用對磷分遷移轉化影響的研究中得出了不同甚至是相反的結論。Zhao Qiong等［42］通過室內凍融模擬實驗，研究土壤凍融交替作用對半干旱地區溫和氣候條件下土壤無機磷營養物有效性的影響，結果表明，解凍后，NaHCO3無機提取磷(LPi)僅僅出現了微弱的升高，凍融作用對土壤無機磷并無顯著影響;H.Sjursen等［43］研究發現，凍融作用后，有效磷不但沒有升高，反而出現了顯著的下降;還有學者［44-45］研究認為，可溶性磷有效性隨著凍融循環的變化并沒有產生什么變化。而D.W.L.Read等［46］研究發現，從秋季到春季，土壤中的可提取磷幾乎沒有什么改變。得出如上結論的原因可能為從秋季到春季，土壤中各種形態的磷分之間發生了相互轉化，土壤可提取磷先增加后減少或先減少后增加，導致秋季到春季土壤可提取磷幾乎沒有變化。另外，在一些研究中，取樣的過程也可能造成一定的誤差，如同一地點不同土壤深度、不同取樣量，也可能導致從秋季到春季土壤可提取磷含量之間的差異不明顯。

以上研究雖然取得了較為顯著的成果，但也還存在許多尚未解決的問題。如凍融過程如何影響土壤磷分循環、凍融作用下磷分對表層水的負荷影響、凍融作用對不同質地土壤對磷分流失的影響，以及凍融作用對磷流失過程的數學或物理表達等問題均沒有進行深入研究。

2 凍融作用對植物磷分轉化遷移的影響

凍融作用對植物的影響主要是對其體內細胞有機物和無機物的礦化作用。M.E.Bechmann等［47］研究認為，隨著凍融作用的變化而流失到徑流中的可溶性磷可能部分來自植物組織，而不全是來自土壤。T.H.Deluca［48］、M.W.Williams［49］等研究認為，由于土壤凍融過程造成植物細胞的死亡和有機質的釋放，加速了土壤中有機質礦化和硝化速率，增加了土壤溶液中可溶性有機物以及養分的質量濃度，其中的一部分便隨著凍土的融化而流失;R.D.Fitzhugh等［20］在美國 Hubbard Brook森林生態站2年野外試驗的研究結果表明，凍融作用可導致土壤養分的流失，土壤凍融后磷的流失量達15～32 mol/(hm2·a)，其中營養流失主要原因之一就是凍融作用導致植物細胞的死亡，因此，土壤的凍融過程加速了養分的流失，降低了磷等營養物質的植物利用率，從而影響了生態系統的生產力以及地表水的富營養化。

除了植物體內細胞磷分的作用，凍融作用也對植物凋落物磷分產生重要影響。植物凋落物在一年四季尤其是入冬季節賦存于土壤表面。凍融作用可以對植物凋落物產生重要影響，使得凋落物磷素釋放到土壤，直接或間接經過礦化作用成為土壤磷素的一部分，從而影響磷素的遷移轉化。鄧仁菊等［50］對季節性凍融條件下亞高山森林凋落物元素釋放進行研究，結果顯示，一個季節性凍融期間，冷杉(Abies faxoniana Rehder)凋落物中磷的釋放率為(17.0±0.9)%、白樺(Betula platyphylla Sutaczew)凋落物中磷的釋放率為(15.7±1.3)%，冷杉凋落物在一個季節性凍融期間釋放到土壤的磷為(0.68±0.08)kg/hm2、白樺為(0.34 ±0.07)kg/hm2，表明凍融作用促進了植物凋落物中的磷素遷移到土壤。

M.E.Bechmann等［47］研究了凍融作用對裸土、混合有牛糞的土壤、穩定黑麥草(Lolium multiflorum L.)間作物3種土壤中磷流失的影響，結果表明，反復地凍融作用能夠顯著增加作物生物量中的水萃取磷(WEP)，同施肥土壤與裸土相比，徑流中的溶解磷質量濃度顯著提高，作物生物量中的水萃取磷同凍融循環次數呈現明顯的相關關系。I.Sturite等［51］在挪威東南部4個連續冬季進行了田間試驗，分別在秋季與春季測定植物生物量磷，同時測定了由于凍融作用而從植物體滲漏出來的總磷質量濃度，結果表明，凍融作用下冬季作物冠層的磷分損失較大。但對于凍融條件下植物體磷分流失機制卻沒有做出合理解釋，對北方氣候條件下，冬季微生物如何影響生物地球化學循環也沒有進行深入的研究。

3 凍融作用對微生物生物量磷轉化遷移影響

土壤有機磷化合物主要來源于植物殘體，也有相當部分來源于土壤生物，尤其是土壤微生物［52］。在生態系統中，微生物經受多次凍融過程［53-54］。凍融作用造成細胞嚴重脫水，細胞內外冰晶的增長對細胞膜、細胞器的機械損傷以及凍結造成的溶液濃縮效應，使細胞凍傷，引起細胞形態發生變化［55］。一方面由于微生物的凍融死亡，導致土壤微生物數量的下降，微生物體內的有機營養物質被釋放出來，刺激殘余微生物活性、適應性，隨著凍融循環頻次的增加，可提高有機營養物質的礦化效率［56-58］;另一方面，在凍融交替作用下土壤團聚體被破壞而釋放出有機質，而且大部分是易于分解的有機質，使凍融交替過程中土壤微生物增強對有機質的礦化作用［59］，進而使土壤中可溶性礦質態養分含量增加。

關于凍融作用對土壤微生物生物量磷轉化遷移的影響，也有學者得出不同結論。Zhao Qiong等［42］通過室內凍融模擬實驗，研究土壤凍融交替作用對半干旱地區溫和氣候條件下土壤營養物有效性的影響，結果表明，土壤微生物量磷(BMP)在整個培養期內受凍融作用的影響并不明顯，土壤微生物量磷(BMP)僅僅出現了微弱的降低，表明凍融作用對土壤微生物量磷并無顯著影響;H.Sjursen等［43］對凍融作用條件下亞寒帶土壤營養物有效性進行了研究，發現，凍融作用后，微生物生物量磷不但沒有升高，反而出現了顯著的下降。

關于凍融作用對土壤微生物量磷的影響，以上學者雖得出一些結論，但未曾針對凍融作用對土壤微生物量磷的影響機制進行相關試驗;而且由于土壤時空條件上的差異，以上學者研究的試驗土壤條件、試驗設計處理過程也大不相同，因而其結論缺乏足夠的理論支撐，不具有普遍性。

4 凍融作用條件下磷流失防治

凍融作用可引起較為嚴重的水土流失，而水土流失造成大量磷素等營養元素隨泥沙遷移流失，是土壤磷分發生遷移流失的主要途徑;此外，農田土壤每年施用大量化肥農藥、耕作方式不合理等等，也是造成土壤磷分遷移流失的原因之一。國外對于磷分流失的防治進行的比較早。自從1991年，對于存在較高侵蝕危險的地區，挪威增加了農民的農業補貼來種植間作物［60］，增加間作物，其目的在于減少夏季作物收獲后營養物的流失［61-62］。瑞典通過立法的形式來控制牲畜密度，規定每公頃耕地所允許的牲畜數量，以保證牲畜產生的糞便不超過農田的承載量［63］，由于牲畜產生的單位面積糞便量減少了，磷分等營養物的流失也相應地減少了。此外，瑞典還通過多項措施以減少磷分的流失，如冬季土壤密植，防止土壤顆粒發生分離、滲漏;改良土壤腐殖質，改良土壤結構來改善水分的滲透;避免濕地施肥，以降低大孔隙造成磷分輸移等等。而國內也已有學者對凍融侵蝕的防治做了一些研究。張建國等［64］認為植被是凍融侵蝕重要的分級評價因子之一，可以通過提高植被覆蓋度降低凍融侵蝕，即植被的地上部分保護地表、植被根系對土體固結纏繞提高土壤穩定性以及植被降低土溫以降低凍融作用程度等。王恒松等［65］在研究清鎮示范區王家寨-羊昌洞小流域及喀斯特生態修復基礎之上，提出一些降低土壤受凍融作用影響的措施，包括退耕還林(草)、合理密植、提高土地復種指數等等。此外，還可以通過修建梯田、截流溝、等高犁溝、實行等高耕作等農用地水土流失防治措施以降低凍融侵蝕［66］。

總的來說，凍融作用下磷分流失的防治可以從以下幾方面進行:1)減少化肥等無機肥的施用，用人畜糞便等有機肥代替無機肥，從土壤磷分來源方面減少磷分的輸入;2)采用穴狀、條帶狀或二者結合播種施肥，保留植被，減少磷分輸移;3)選擇適應性強、耐寒耐旱耐瘠薄、根系發達、經濟價值高的樹種或草種對易發生凍融侵蝕的地區進行植被的恢復和改良，達到通過增加植被提高土壤穩定性和降低土溫以降低凍融作用程度;4)采取封育措施，封山育草和退耕還林(草)合理密植，減少人為活動對植被的破壞;5)因地制宜、因時制宜，通過修建梯田、截流溝、等高犁溝、實行等高耕作等農用地水土保持措施以降低凍融侵蝕;6)加大立法力度，加強環保宣傳力度;7)加強對現有生態環境的保護力度，加強對森林植被的保護和監督。

5 研究展望

凍融作用對磷分的轉化、遷移、流失具有重要的作用，流失掉的磷分又將對下游水體等產生危害，造成水體富營養化等生態環境問題。目前，對于凍融作用條件下磷分轉化、遷移機制的研究取得了較好的研究成果，但仍有許多尚未解決的問題，有關研究對于更好地制訂和實施凍融作用引起的磷分流失的防治措施、降低并控制磷分的流失、保護水土資源、改善生態環境具有重要意義。魏麗紅［67］綜述了凍融作用對土壤養分含量及有效性的影響，指出凍融作用下土壤養分含量、存在狀態及其有效性的變化應成為今后研究的重點。而對于未來凍融作用對磷分轉化、遷移影響機制的研究，筆者認為應從以下4方面深入進行。

5.1 凍融過程對土壤磷分轉化遷移機制

研究凍融作用下農田土壤磷分在水平方向、垂直方向上的遷移及轉化機制。在凍融影響下磷分在水平、垂直方向上如何遷移、以何種形式遷移，游離態或化合態，遷移的過程中是吸附于膠體表面還是泥沙顆粒表面等;磷分不同存在形態磷之間發生何種形式的轉化，轉化的過程是處于靜止狀態還是運動狀態等。

5.2 凍融過程對植物磷分轉化遷移機制

研究凍融作用條件下植物體內磷分的遷移及轉化的機制。在凍融影響下磷分如何遷出植物體外，對土壤磷分含量有何影響;植物體內磷分不同存在形態磷之間發生何種形式的轉化，化合態變為游離態亦或是從有機態變為無機態、轉化的過程是處于靜止狀態還是運動狀態等。

5.3 凍融過程對微生物生物量磷轉化遷移機制

研究凍融作用條件下微生物生物量磷的遷移和轉化機制。微生物經受凍融過程中，體內生物量磷發生何種形式的轉化;微生物凍融死亡后，其體內的營養物質會滲出體外，流向土壤的過程中，又發生何種形式的轉化，遷移的過程怎樣，對土壤中磷分含量有何影響等。

5.4 凍融過程磷分流失模型

目前對于模型開發方面的研究，已有很多預報模型，如凍土研究方面的凍脹-融沉量模型、凍結-融化深度預報模型、凍土中的水分運動規律模型、雪蓋變化模型以及融雪量計算模型等;土壤侵蝕方面的水蝕模型、風蝕模型等;但對于凍融作用下農田土壤磷分流失模型，仍未建立可靠的預報模型。因此，凍融侵蝕急需解決的問題之一就是要建立凍融作用下農田土壤的磷分流失模型，預測凍融作用下農田土壤磷分的流失量，為磷分流失的防治、環保部門制訂相關政策提供理論和依據。

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Study progress on effects of freezing and thawing on phosphorus transformation and migration

Li Guiyuan，Fan Haoming
(College of Water Conservancy，Shenyang Agriculture University，110866，Shenyang，China)

Freezing and thawing action causes soil and water losses，so that inorganic pollutants including phosphorus are released to downstream water-body(e.g.，rivers and lakes).Non-point source pollution is likely to happen，which gives rise to some problems，such as decline of soil fertility and deterioration of ecological environment.Firstly，the effects of freezing and thawing on phosphorus transformation and migration were introduced from three aspects，phosphorus in farmland soil，phosphorus in plant body and phosphorus of microbial biomass;and then，some measures to prevent and cure phosphorus losses derived from freezing and thawing were put forward，such as application of organic fertilizer，proper close planting，restoring and improving vegetation，closed forest，conversion of cropland to forest and grass and so on.Finally，future promising studies on effects of freezing and thawing on phosphorus transformation and migration were predicted，which include mechanism of migration and transformation of soil phosphorus in horizontal and vertical direction，mechanism of migration and transformation of phosphorus in plant body，mechanism of migration and transformation of phosphorus of microbial biomass，models of phosphorus losses during freezing and thawing process.

effects of freezing and thawing;phosphorus;transformation and migration;progress

2011-02-10

2011-10-10

項目名稱:國家自然科學基金“遼西褐土旱作農田區溝灌侵蝕機理與侵蝕過程研究”(41071183);國家自然科學青年基金“東北旱地耕作土壤凍融作用機理與春季解凍期土壤侵蝕模擬”(40601054)

李貴圓(1986—)，男，碩士研究生。主要研究方向:凍融作用機制與水土流失。E-mail:li.gui.yuan@163.com

?責任作者簡介:范昊明(1972—)，男，博士，副教授。主要研究方向:流域侵蝕、產沙與水土保持規劃。E-mail:fanhaoming@163.com

(責任編輯:程 云)