土壤類型對優先流路徑和磷形態影響的定量評價

梁建宏 吳艷宏 周 俊 王吉鵬 王曉曉 李 睿

(中國科學院成都山地災害與環境研究所山地表生過程與生態調控重點實驗室， 成都 610041)

土壤類型對優先流路徑和磷形態影響的定量評價

梁建宏 吳艷宏 周 俊 王吉鵬 王曉曉 李 睿

(中國科學院成都山地災害與環境研究所山地表生過程與生態調控重點實驗室， 成都 610041)

以中國貢嘎山由青灰色砂質冰水堆積物發育而成的疏松巖性土壤和德國厄爾士山漬水土壤優先流路徑為研究對象，通過野外染色示蹤試驗和改進的Hedley磷形態提取法，使用優先流染色面積比和優先流程度評價指數定量評價不同類型土壤的優先流程度，通過相關關系分析進一步揭示不同土壤類型中優先流路徑對磷形態分布的影響。結果表明：貢嘎山和厄爾士山優先流圖片總染色面積比分別為31%和52%，厄爾士山漬水土優先流比貢嘎山疏松巖性土發育較好。貢嘎山疏松巖性土壤優先流發育程度與潛在生物可利用無機磷和有機磷貢獻率顯著正相關，而即時生物有效無機磷和磷灰石磷與厄爾士山漬水土壤優先流發育程度顯著正相關。土壤類型影響優先流路徑分布和土壤磷形態分布，從而影響土壤磷賦存狀況和下游水質安全。

土壤； 優先流路徑； 磷； 染色示蹤； Hedley連續提取法

引言

土壤優先流路徑是由于植物根系、土壤動物活動、干旱凍融等條件形成的通道，可以加快水分和溶質運移[1-2]。溶質快速向深層土壤和地下水運移，致使水土養分流失，地下水污染[3]。磷是生物生長必需營養元素，對生物能量轉移和維持生態系統的群落穩定起到重要作用[4-5]，土壤磷流失是導致水環境富營養化的主要因素之一[6]。

土壤優先流路徑是除地表徑流以外，對于土壤磷流失作用最大的途徑[6]。關于土壤優先流路徑對磷運移的影響只有少部分研究涉及[7]。土壤磷流失與磷的形態關系密切，研究表明土壤磷流失主要以可溶性無機磷、有機磷和顆粒態磷為主[8-9]。廣泛用于野外土壤優先流研究的方法是使用染色示蹤劑，通過使用染色示蹤劑以及土壤剖面圖片分析方法，在高分辨率下分析土壤優先流分布特征[1,10-12]，常采用近紅外光譜[13-14]、土壤磷總量分析[15]以及改進的Hedley連續提取磷方法[16]等技術手段對土壤磷賦存狀況進行研究。

綜上所述，目前國內外研究尚未綜合分析不同土壤類型的優先流如何影響磷形態運移。本文通過中國貢嘎山和德國厄爾士山土壤優先流路徑分布及其磷形態賦存特征，對比研究土壤優先流路徑對磷形態賦存的影響。

1 研究區概況

中國野外試驗于2014年8月在中國科學院貢嘎山高山生態系統觀測試驗站進行采樣。貢嘎山(29°20′～30°20′N、101°30′～102°15′E)位于青藏高原與四川盆地過渡帶，主峰海拔高度7 556 m。根據貢嘎山海螺溝氣象站(海拔高度3 000 m)數據，研究區域年均氣溫4.1℃，年降水量1 903 mm，主要集中在夏季[17]。貢嘎山海螺溝受海洋性山谷冰川和泥石流影響，冰川退縮跡地土壤序列上的土壤母質層為青灰色的砂質冰水堆積物。由于土壤發育于冰磧物，在土壤剖面中還夾雜有較多的石礫。根據聯合國糧農組織世界土壤資源參比基礎(WRB-FAO)2014版，貢嘎山森林土壤類型為疏松巖性土(Regosols)。由于疏松巖性土成土時間較短，團聚體發育較少，導致優先流的產生決定于是否存在生物孔隙[18]。疏松巖性土水流類型主要有均質流、非均質流以及大孔隙流[19]。

德國野外試驗于2013年10月在德國薩克森州東厄爾士山Rehefeld森林保護區進行。東厄爾士山(50°48′N、13°36′E)位于德國與捷克邊境，巖層以硅酸鹽巖為主，研究區年均氣溫4.9℃，年降水量為1 080 mm[20]，土壤類型為漬水土(Stagnosol)。漬水土主要以中度或者強烈的優先流為主[21]，發生在根系通道、土壤動物孔隙以及土壤裂縫中。本研究2個樣地土壤基本理化性質如表1所示。

2 研究方法

2.1 樣地選擇和染色示蹤試驗

在2個研究樣地分別選取尺寸為1 m×1 m的樣地，用木樁和線繩將其均勻網格化，在不破壞有機質層的前提下，清理樣地中散落的樹枝等。野外染色示蹤試驗釆用亮藍Brilliant Blue FCF(C.I.42090)進行。亮藍染色劑是一種食品添加劑，其分子式為C37H34N2Na2O9S3，易溶于水，因此被廣泛用于研究土壤優先流及路徑中溶質遷移研究[7]。配制亮藍染色示蹤劑(3 g/L)，噴灑量為30 L/h。為防止降雨影響，加蓋雨布12 h，次日移走雨布并使用標尺測量土壤深度，分別采集同層被染色土壤(土壤優先流路徑)和未染色土壤(土壤基質)，共取3個土壤平行剖面，每個剖面均分為0～10 cm、11～30 cm、31～50 cm 3個土壤深度。

表1 研究區樣地概況
Tab.1 General characteristics of sampling sites

樣地土壤深度/cm土壤含水率/%pH值黏粒(粒徑小于2μm)質量分數/%粉粒(粒徑2～20μm)質量分數/%粗砂(粒徑20～2000μm)質量分數/%植被類型海拔高度/m0～1061.86.56針闊混交林中國貢嘎山11～3015.16.424.7332.1263.15冬瓜楊和云、冷杉286531～5010.46.951.0515.8683.090～1061.04.90德國厄爾士山11～3041.04.1926.752.920.4歐洲山毛櫸林80031～5028.14.3117.858.723.5

2.2 室內圖片分析及試驗方法

優先流染色圖片分析方法參照文獻[1]。土壤基本理化性質參照常規試驗方法測定[15-16]。土壤磷形態測定使用的改進Hedley連續提取磷形態方法[16]以及磷形態分類表如圖1和表2所示。

圖1 改進的Hedley連續提取土壤磷方法及其形態分類流程圖Fig.1 Flow chart of modified Hedley sequential phosphorus extraction method

磷形態分類改進Hedley方法磷形態含義即時生物有效無機磷Resin-Pi、NaHCO3-Pi生物有效態磷,可被生物直接吸收潛在生物可利用無機磷NaOH-Pi不能直接被生物利用,但是隨著外界條件變化可被生物吸收閉蓄態磷CHCl-Pi、ResidualP較難被生物吸收,與次生礦物結合有機磷NaHCO3-Po、NaOH-Po、CHCl-Po除NaHCO3-Po外較難被生物吸收磷灰石磷DHCl-Pi較難被生物利用,與原生礦物結合

2.3 數據處理

2.3.1 優先流路徑染色圖片分析

(1)優先流染色面積比

土壤優先流剖面染色面積比是被普遍使用評價土壤優先流發育程度的指標，染色面積比越高，說明土壤優先流發育越發達[22]，其計算公式為

(1)

式中Dc——某土壤剖面染色面積比D——某土壤剖面總染色面積ND——某土壤剖面未被染色面積

(2) 優先流程度評價指數

降水及地面徑流沿優先流路徑快速在土壤通過，并在這一過程中與土壤基質發生滲透現象，從而在優先流路徑周邊形成滲透區域。在土壤優先流路徑染色試驗中，染色部分便是表征優先流的滲透區域，由于優先流發育不同，野外直觀視覺存在染色顏色深淺區別，如何精確定量表征優先流發育程度成為優先流分布特征研究的難點。優先流程度評價指數即優先流染色面積比變異系數[1]，主要通過對染色土壤剖面圖片進行等分處理，計算不同土壤深度染色面積比，利用統計學變異系數的概念，得到染色面積比變異系數，從而表征土壤優先流發育的相對成熟程度。優先流染色面積比變異系數可以直觀反映土壤剖面不同深度染色區域的變化，土壤優先流染色面積比變異系數越小，土壤優先流發育程度越高[23]，其計算公式為

(2)

2.3.2 優先流路徑貢獻率

為定量表征土壤優先流對溶質運移貢獻值，引入土壤優先流路徑貢獻率Ri，其計算公式[24]為

(3)

式中CiPFP——優先流路徑(被染色部分)中總磷或者某磷形態含量

CiMAT——土壤基質(未染色部分)土壤總磷或者某磷形態含量

2.3.3 數據處理

使用配對樣本T檢驗分析對比土壤優先流和基質流路徑中磷形態的顯著差異，對土壤優先流分布特征參數(優先流染色面積比和優先流評價指數)和土壤優先流路徑對土壤總磷和磷形態貢獻率使用Pearson相關性檢驗，從而得出土壤優先流路徑分布對優先流路徑中土壤磷形態的影響。數據分析軟件使用IBM SPSS 19.0，使用Origin 8.1作圖。

3 結果與分析

3.1 土壤類型對優先流路徑分布特征的影響

圖3 土壤優先流路徑與基質路徑總磷及優先流貢獻率箱式圖Fig.3 Total phosphorus and contributing boxplots of PFPs and soil matrix in Gongga and Ore mountains

通過對貢嘎山疏松巖性土和厄爾士山漬水土優先流路徑圖片分析和評價得出，不同土壤類型對土壤優先流路徑分布影響較大(圖2)。貢嘎山疏松巖性土最大染色面積比為43.5%，發生在土壤深度37 cm處，而厄爾士山漬水土優先流在土壤深度0～10 cm為均勻染色區，染色面積比在95%以上。優先流路徑分布在35～50 cm處發生轉折，土壤優先流染色面積比由82.35%快速降低到12.24%。貢嘎山疏松巖性土優先流土壤剖面染色面積比隨著土壤深度增加而增加，說明貢嘎山疏松巖性土表層優先流發育較弱，而深層優先流發育較好。而厄爾士山漬水土優先流卻相反，隨著土壤深度增加優先流發育程度降低(56%)。說明貢嘎山疏松巖性土表層團聚效應較好，厄爾士山漬水土表層土壤結構較為疏松，而深層土壤緊密。貢嘎山和厄爾士山優先流圖片總染色面積比分別為31%和52%，表明厄爾士山漬水土與貢嘎山疏松巖性土相比，優先流發育較好。

圖2 貢嘎山和厄爾士山土壤優先流路徑染色面積比Fig.2 Coverage ratios of dyed area in soil preferential flow pathways in Gongga and Ore mountains

3.2 土壤類型對優先流路徑中磷形態分布特征及磷運移的影響

由圖3可以看出，貢嘎山與厄爾士山土壤總磷含量(質量比)相差不大(1 000 mg/kg左右)。通過對土壤優先流路徑和基質流路徑中總磷含量的配對樣本T檢驗，除厄爾士山11～30 cm土壤外，2個樣地其他深度土壤優先流路徑和基質流路徑中總磷含量均有顯著性差異。貢嘎山土壤優先流對于總磷的貢獻率隨著土壤深度增加而降低，而厄爾士山土壤優先流對于總磷的貢獻率隨著土壤深度增加而升高。

通過對土壤優先流路徑和基質流路徑中磷含量的配對樣本T檢驗，由圖4可以看出，即時生物有效無機磷(RBPi)在貢嘎山和厄爾士山土壤表層(0～10 cm)和底層(31～50 cm)土壤中，優先流路徑和土壤基質含量對比有顯著性差異，總體上，優先流路徑中的RBPi含量高于土壤基質(6.5%～128.9%)。貢嘎山土壤RBPi隨著土壤深度增加而有累積。而厄爾士山土壤RBPi隨著土壤深度增加而降低。通過土壤優先流路徑對RBPi運移貢獻率計算可知(圖4)，貢嘎山土壤優先流貢獻率隨著土壤深度先增加后稍有降低，而厄爾士山土壤優先流貢獻率隨著土壤深度增加而降低。2種不同土壤類型優先流對RBPi貢獻率的差異可能與土壤優先流分布有關，貢嘎山疏松巖性土壤表層優先流發育不是很發達，隨著土壤深度增加，土壤優先流Dc值從19%升高到40%，致使土壤底層優先流路徑對RBPi貢獻率較大；而厄爾士山土壤優先流路徑分布隨著土壤深度增加，Dc值呈下降趨勢從96%降低到42%，土壤優先流貢獻率隨之降低。

圖4 土壤優先流路徑與基質路徑即時生物有效無機磷及優先流貢獻率箱式圖Fig.4 RBPi and contributing boxplots of PFPs and soil matrix in Gongga and Ore mountains

圖5 土壤優先流路徑與基質路徑潛在生物有效無機磷及優先流貢獻率箱式圖Fig.5 PBPi and contributing boxplots of PFPs and soil matrix in Gongga and Ore mountains

由圖5可以看出，貢嘎山和厄爾士山土壤潛在生物有效無機磷含量對比較為明顯。厄爾士山土壤潛在生物有效無機磷含量遠大于貢嘎山土壤，并且隨著土壤深度的增加，貢嘎山土壤潛在生物有效無機磷含量隨之降低。厄爾士山潛在生物有效無機磷含量隨著土壤深度增加而增加，在土壤底層達到最大值，存在一定的富集。此外，貢嘎山和厄爾士山土壤樣品潛在生物有效無機磷含量只有在底層土壤(31～50 cm)優先流路徑和土壤基質對比有顯著性差異。土壤優先流貢獻率有同樣的現象發生，2個不同類型土壤的優先流貢獻率都在底層達到最大值，且除在底層土壤中存在較大的差異外，2個樣地表層土壤優先流貢獻率沒有較明顯的差異。

圖6 土壤優先流路徑與基質路徑閉蓄態磷及優先流貢獻率箱式圖Fig.6 Occluded phosphorus and contributing boxplots of PFPs and soil matrix in Gongga and Ore mountains

由圖6可以看出，貢嘎山和厄爾士山的閉蓄態磷含量隨著土壤深度增加而降低，且優先流與基質流中閉蓄態磷含量大部分都沒有明顯性差異，加之2個樣地土壤優先流貢獻率絕對值大部分都保持在12%左右，說明土壤優先流對于較為穩定的閉蓄態磷分布影響較小。

與潛在生物可利用無機磷相似，磷灰石磷含量2個樣地土壤對比明顯，所不同的是貢嘎山土壤的磷灰石磷含量要遠高于厄爾士山土壤(圖7)。而且貢嘎山和厄爾士山磷灰石磷含量都隨著土壤深度增加而增加。貢嘎山和厄爾士山土壤總磷含量都隨著土壤深度增加而降低，在土壤淺層和底層，2個樣地優先流路徑的總磷含量高于土壤基質。該結果與趙牧秋等[22]的研究結果一致，優先流路徑全磷含量與土壤含磷量呈反比關系。

圖7 土壤優先流路徑與基質路徑磷灰石磷及優先流貢獻率箱式圖Fig.7 Apatite phosphorus and contributing boxplots of PFPs and soil matrix in Gongga and Ore mountains

圖8 土壤優先流路徑與基質路徑有機磷及優先流貢獻率箱式圖Fig.8 Organic phosphorus and contributing boxplots of PFPs and soil matrix in Gongga and Ore mountains

2個樣地土壤有機磷含量變化也隨著土壤深度增加而減少。厄爾士山土壤有機磷含量遠高于貢嘎山土壤。其中，貢嘎山土壤中層和底層優先流路徑和土壤基質的有機磷含量對比有顯著性差異；而厄爾士山土壤在淺層和底層土壤優先流路徑和土壤基質的有機磷含量對比有顯著性差異。2個不同類型的土壤優先流對有機磷的貢獻率都隨著土壤深度增加而增加，尤其是以貢嘎山土壤在深層土壤中達到最大值尤為突出。

3.3 優先流對優先流路徑中磷形態的影響

為探求貢嘎山與厄爾士山土壤優先流路徑分布對優先流路徑中磷形態的影響，通過土壤優先流路徑對磷形態貢獻率與土壤優先流特征參數的相關關系分析發現，貢嘎山與厄爾士山土壤優先流對土壤優先流路徑中磷形態影響存在一定的差異。以優先流染色面積比為例，貢嘎山土壤優先流中，優先流染色面積比與土壤優先流路徑對潛在生物可利用無機磷和有機磷的貢獻率存在顯著正相關關系，而與磷灰石磷和總磷存在負相關關系(表3)。結果表明，伴隨著優先流發育程度的增強，貢嘎山土壤優先流對潛在生物可利用無機磷和有機磷的貢獻率逐漸增加，這有可能是部分可溶性無機磷、有機磷滯留在優先流路徑中[8-9]。而磷灰石磷和總磷的貢獻率變化趨勢則相反，土壤優先流對磷灰石磷和總磷的貢獻率隨著優先流程度增強而減弱，即土壤優先流路徑中磷灰石磷和總磷較基質流貢獻率少。

在厄爾士山土壤優先流中，優先流染色面積比與土壤優先流路徑對即時生物有效無機磷和磷灰石磷的貢獻率存在顯著正相關關系，而與有機磷和總磷存在負相關關系(表4)。結果說明伴隨著優先流發育程度增強，厄爾士山土壤優先流對即時生物有效無機磷和磷灰石磷的貢獻率隨之增強，而優先流路徑對有機磷和總磷的貢獻率則逐漸減弱。

表3 貢嘎山土壤優先流路徑中磷形態與土壤優先流特征參數相關關系分析(n=10)
Tab.3 Correlation coefficient among phosphorus fractions and character indexes of PFPs in Gongga Mountain

參數即時生物有效無機磷潛在生物有效無機磷有機磷磷灰石磷閉蓄態磷總磷優先流染色面積比優先流程度評價指數即時生物有效無機磷1潛在生物有效無機磷0.1511有機磷0.1900.892**1磷灰石磷-0.736*-0.463-0.4471閉蓄態磷-0.091-0.121-0.120-0.2861總磷-0.751*-0.624-0.5720.810**0.1771優先流染色面積比0.5750.778**0.712*-0.905**0.153-0.872**1優先流程度評價指數-0.349-0.950**-0.859**0.701*0.0220.779**-0.929**1

注：** 表示在p<0.01 水平上顯著相關，*表示在p<0.05水平上顯著相關，下同。

表4 厄爾士山土壤優先流路徑中磷形態與土壤優先流特征參數相關關系分析 (n=14)
Tab.4 Correlation coefficient among phosphorus fractions and character indexes of PFPs in Ore Mountain

參數即時生物有效無機磷潛在生物有效無機磷有機磷磷灰石磷閉蓄態磷總磷優先流染色面積比優先流程度評價指數即時生物有效無機磷1潛在生物有效無機磷0.2671有機磷-0.422*0.1911磷灰石磷0.369-0.034-0.2941閉蓄態磷-0.2770.0150.133-0.506*1總磷-0.3610.3550.919**-0.2860.4001優先流染色面積比0.669**-0.137-0.676**0.590**-0.362-0.659**1優先流程度評價指數-0.636**-0.0380.405*-0.580**0.3060.369-0.896**1

表3和表4結果均表明2個樣地優先流面積比與優先流程度評價指數呈顯著負相關關系，并且優先流路徑對磷形態貢獻率與優先流程度評價指數的相關系數均與優先流面積比結果為負相關，因此由優先流程度評價指數與優先流染色面積比得出結果相同。

本研究綜合土壤優先流路徑分布特征及其對磷形態賦存貢獻率進行定量分析。通過優先流路徑特征和優先流路徑對磷形態貢獻率等指標分析，可以較為準確地得出優先流路徑對溶質運移的影響，對于更深入評價優先流對水土流失、水體富營養化等環境問題有重要意義。但是本文僅對2種不同土壤類型優先流路徑和磷形態進行定量分析，下一步除選取更多樣地研究進一步增強數據代表性外，還需要對其他土壤類型選取具有代表性的優先流分布特征指數，需要對優先流路徑中更多的溶質元素(如氮、重金屬等)賦存狀況進行深入研究，從而進一步揭示土壤優先流路徑對于下游水質及生態系統健康穩定的重要意義。

4 結論

(1)通過優先流路徑染色圖片分析發現，總體上厄爾士山漬水土與由青灰色的砂質冰水堆積物發育而成的貢嘎山疏松巖性土相比，土壤優先流發育較好。

(2)通過配對樣本T檢驗對比土壤優先流和基質流路徑中磷形態以及土壤優先流路徑貢獻率分析發現，潛在生物可利用無機磷和磷灰石磷在2種不同類型土壤中對比明顯，貢嘎山疏松巖性土壤優先流路徑對總磷的貢獻率隨著土壤深度增加而遞減，而厄爾士山漬水土壤則遞增。2個樣地土壤即時生物有效無機磷的貢獻率變化規律與總磷相反。厄爾士山漬水土壤潛在生物有效無機磷在土壤底層存在一定的富集。總體上，土壤優先流路徑對于總磷、即時生物有效無機磷、有機磷的貢獻率變化較大，而對潛在生物有效無機磷和閉蓄態磷的貢獻率比較穩定。

(3)通過對土壤優先流分布特征參數(優先流染色面積比和優先流評價指數)和土壤優先流路徑對土壤總磷和磷形態的貢獻率使用Pearson相關性檢驗分析發現，不同土壤類型的優先流路徑分布對磷形態的影響不同。其中貢嘎山疏松巖性土壤優先流發育程度與潛在生物可利用無機磷和有機磷的貢獻率顯著正相關(相關系數介于0.712～0.950之間)，而與磷灰石磷和總磷顯著負相關(相關系數在0.701～0.905之間)；即時生物有效無機磷和磷灰石磷與厄爾士山漬水土壤優先流發育程度顯著正相關(相關系數介于0.405～0.669之間)，而與有機磷和總磷的貢獻率負相關(相關系數在0.580～0.659之間)。

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Quantitative Evaluation of Effect of Soil Types on Preferential Flow Pathways and Soil Phosphorus Forms

LIANG Jianhong WU Yanhong ZHOU Jun WANG Jipeng WANG Xiaoxiao LI Rui

(KeyLaboratoryofMountainSurfaceProcessesandEcologicalRegulation,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)

With the development of earth’s critical zone, the crucial hydropedological problems are needed to be solved. The quantitative expression of preferential flow and soil structure and stratification, water flow in situ and solute transport is the key research to the earth’s critical zone. Phosphorus loss from soils and water flow has been a vital water quality issue because of the critical role that phosphorus plays in eutrophication. Preferential flow pathways (PFPs) are one of main factors that affect subsurface phosphorus transport, which are the direct connections between soil surface and groundwater. The phosphorus fractions of two types of soil, Regosols from Gongga Mountain and Stagnosol from Ore Mountain, were investigated by using the modified Hedley sequential phosphorus extraction method. Regosols in Gongga Mountain was developed by the moraine colonization by plants in the relatively mild and humid climate. PFPs were identified by the dye tracer experiments using brilliant blue FCF. The tracer-infiltration patterns were parameterized by dye coverage ratio (Dc) and evaluation index of PFPs (Cv). The impact of PFPs on the distribution of phosphorus fractions was evaluated by the Pearson correlations andT-test. The results indicated that dye coverages of Regosols from Gongga Mountain and Stagnosol from Ore Mountain were 31% and 52%, respectively. The degree of preferential flow in Ore Mountain Stagnosol soil was tended to be larger than that in Regosols soil from Gongga Mountain; PFPs in Gongga Mountain were important contributors to the potential bioavailable inorganic phosphorus (PBPi) and organic phosphorus load, while PFPs in Ore Mountain were important contributors to the readily bioavailable inorganic phosphorus (RBPi). In conclusion, the results showed that soil types could affect both the infiltration patterns of PFPs and the transfer process of phosphorus fractions.

soil; preferential flow pathways; phosphorus; dye tracer; Hedley sequential extraction method

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.029

2016-05-09

2016-06-24

國家自然科學基金面上項目(41272200)和國家重點研發計劃項目(2016YFC0502401)

梁建宏(1982—)，男，博士生，主要從事土壤優先流及其溶質運移研究，E-mail： jhliang@karst.ac.cn

吳艷宏(1969—)，男，研究員，博士生導師，主要從事山地生物地球化學研究，E-mail： yhwu@imde.ac.cn

S152.5

A

1000-1298(2017)01-0220-08