向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤不同形态磷的分布

吴彬等

摘要：对向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤磷元素形态分布特征进行了研究。结果表明，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中全磷、有机磷和速效磷含量较高，无机磷含量较低。7种不同类型边坡土壤中，总无机磷含量为154.4～993.0 mg/kg，占全磷的22.6%～47.1%。随着全磷含量的逐渐增加，各形态无机磷、有机磷、水溶性磷和Al-P占全磷的比例逐渐增加，而O-P、Ca-P占全磷的比例随着全磷的增加而减少。各无机磷形态分布情况为，水溶性磷和Al-P以植被混凝土基材最高；O-P的含量以天然次生林最高；Ca-P的含量以客土喷播最高。对各形态无机磷与速效磷相关性分析表明，只有水溶性磷和Al-P与速效磷呈极显著正相关。各形态无机磷之间，只有水溶性磷与Al-P之间存在极显著相关性，其余各形态无机磷之间相关性均不显著。7种类型边坡土壤的土壤磷素活化系数（PAC）均大于2.0%，说明土壤中的全磷易转化为速效磷，以供当地植被生长的需要。

关键词：磷；形态；边坡；向家坝水电站

中图分类号：S153.6+1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）06-1262-06

Fractions and Distribution of Phosphorus at Various Types of Slopes in Disturbed Area of Xiangjiaba Hydropower Construction

WU Bin1，XIA Zhen-yao2，YANG Yue-shu3，ZHANG Lin-lin3，XIA Dong4， XU Wen-nian2

（1.College of Chemistry & Life Sciences， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei， China；

2.Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area， Yichang 443002， Hubei， China；

3.College of Civil Engineering & Architecture， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei， China；

4.College of Resources and Environment， Huazhong Agricultural University， Wuhan 430070， China）

Abstract： Various types of slopes in disturbed area of Xiangjiaba hydropower construction selected were to study the distribution of phosphorus（P）. The results showed that the contents of total P， organic P and available P were higher， but inorganic P was lower. The content of total inorganic P in the seven different types of slopes above was between 154.4 mg/kg and 993.0 mg/kg and accounted for 22.6% and 47.1%. With the increase of soil total P content， the content of soil total inorganic P and the raito of organic P， water-soluble P， Al-P to total P increased， and the ratio of soil O-P， Ca-P to total P decreased. Almost all the contents of inorganic phosphorus fraction， the water-soluble P and Al-P in Vegetation-growing concrete gunning（VGCG） were the highest， the O-P in Natural secondary forests （NSF） was the highest and Ca-P in External-soil spray seeding（ESS） was the highest among all the slope types. The relations between the contents of inorganic P fraction and available P showed that there were significant positive correlations between water-soluble P， Al-P and available P. There was significant positive correlation between water-soluble P and Al-P. Other inorganic P fractions had no significant correlation. The PAC （Phosphorus activation coefficient） of seven different types of slopes were all above 2.0%. It is indicated that the total P at various types of slopes in disturbed area of Xiangjiaba hydropower construction could be easily converted to available P， and there was enough available P for the need of vegetation growth.

Key words： Phosphorus； Form； Slope； Xiangjiaba hydropower construction

磷素是植物生长发育过程中必不可少的大量营养元素之一，在植物体内具有重要的营养和生理功能[1]。土壤能够均匀、稳定、及时地为植物的生长发育提供磷素养分，因此，土壤磷素的供应状况对植物磷素营养具有重要意义[2， 3]。大型水利水电工程的兴建会对工程区的生态环境产生严重的干扰，引起物种多样性丧失、水土流失、植被毁损等生态环境问题[4]。解决此类生态环境问题通常采用人工方式修复，而磷素在同一地区的不同修复土壤中存在的形态有明显差别[5]。目前，对工程扰动区不同类型边坡修复土壤磷素形态的研究适用性资料很少，因此，本研究对西南地区重大水利水电枢纽工程——向家坝水电站工程扰动区7种不同类型的边坡土壤磷素各形态的分布进行了研究，了解磷素供应状况，为大型水利水电工程扰动区人工植被修复技术的选取和护坡绿化技术的应用提供一定的理论基础。

1 材料与方法

1.1 取样及测定方法

土壤样品于2012年6月18日采集于云南省水富县金沙江向家坝水电站工程扰动区的10个代表性样地（图1，表1），其中，天然林边坡1个、天然次生林边坡1个、弃渣地边坡1个、人工植被边坡7个。弃渣地边坡为工程建设弃土废石渣坡地，2004年初人工堆埋自然形成；框格梁覆土边坡2004年施工，人工修复土壤为单一的当地开挖原土壤；厚层基材边坡2005年施工，人工修复土壤为当地开挖原土壤、腐殖质、有机胶复合肥及保水剂的混合物；客土喷播边坡2004年施工，人工修复土壤为当地开挖原土壤、腐殖质及复合肥的混合物；植被混凝土边坡2005年施工，人工修复土壤为当地开挖原土壤、腐殖质、复合肥、水泥混凝土、绿化添加剂和保水剂的混合物。施工中各原土壤均取自同一料场[4]。

取样方法：依据所选取的单个边坡面积大小，对其进行点对角线式或5点交叉对角线式取样，取样时，剔除植物残体，用直径4 cm的地质钻取垂直坡面4～8 cm处的土壤样品各10钻，相同点的土样组成一个混合样，统一编号。然后迅速带回室内风干磨细，过筛，装入磨口瓶中备用。所有土壤样品指标测定均在7 d内完成。

全磷测定采用高氯酸硫酸酸溶，钼锑抗比色法测定；有机磷含量的测定采用灼烧法[6]，即550 ℃灼烧的土壤与未灼烧的土壤，分别用0.1 mol/L H2SO4浸提后测定磷的含量，两者差值即为有机磷的含量。土壤无机磷组分分析参照文献[7]。

1.2 全磷有效性评价方法

全磷和速效磷是用以衡量土壤磷素状态的两个重要指标，速效磷与全磷之比——土壤磷素活化系数（Phosphorus activation coefficient，PAC），可用来衡量土壤全磷的有效性[8]。PAC的计算公式为：

PAC=（Olsen-P/全磷×1 000）×100%。

式中：Olsen-P为速效磷（mg/kg）；全磷单位为g/kg。

1.3 数据处理

每个样品重复3次，数据经Excel 2003整理后，采用SPSS 统计分析软件中的Pearson分析方法进行相关性分析，Origin 8.1软件绘图。

2 结果与分析

2.1 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤全磷与有效磷的分布特征

土壤全磷反映了土壤中各种形态磷素的总和，体现了土壤内源磷的供磷潜能，在一定程度上反映了土壤的营养水平。分析表明，研究区土壤全磷含量在 0.7～3.2 g/kg之间，最大值出现在植被混凝土基材样地，主要原因是植被混凝土生态护坡技术修复植被时对磷添加显著，最小值出现在天然林土壤，二者相差约3.6倍，变化幅度较大，平均含量为1.4 g/kg，相对国内其他人工修复边坡土壤来说，已达到较高的磷水平。NaHCO3提取磷（Olsen-P），一般可理解为生物有效磷，主要指活性较高的钙磷，其高低可体现土壤作为磷“源”的供磷能力。分析结果表明，研究区七种样地土壤速效磷含量在30.9～ 299.6 mg/kg之间，平均含量90.0 mg/kg。

速效磷与全磷的比值可作为土壤磷素活化系数（PAC），用来表征全磷和速效磷的变异情况，PAC大于2.0%时说明全磷容易转化为速效磷，PAC小于2.0%时说明全磷各形态很难转化为速效磷，有效性不高[9]。从图2可知，研究区PAC均大于2.0%，最高为天然次生林样地，其PAC值为11.2%；PAC值最低的样地是客土喷播样地，其值为4.0%；研究区不同类型边坡PAC值从大到小顺序为天然次生林、植被混凝土基材、天然林地、弃渣地、框格梁覆土、厚层基材、客土喷播。这说明向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中的全磷易转化为速效磷[10]。

2.2 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中各形态磷的分布

2.2.1 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤各形态无机磷的含量分布 根据有关学者的研究，土壤中的无机磷是植物所需营养的主要来源，约占全磷含量的60%～80%[11]。向家坝工程扰动区（表2和表4）7种边坡土壤总无机磷含量为154.4～993.0 mg/kg，占全磷的22.6%～47.1%，平均34.1%，明显低于60%～80%的水平，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤无机磷在全磷中占比较低。

对供试的7种不同类型边坡10个土壤样品无机磷形态分布的结果分析表明（表3），向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中水溶性磷的含量为0.9～86.4 mg/kg，平均为13.1 mg/kg；Al-P为3.0～ 333.1 mg/kg，平均为42.6 mg/kg；O-P为0.8～459.2 mg/kg，平均为126.8 mg/kg；Ca-P为1.1～544.3 mg/kg，平均为280.8 mg/kg。表3和表4还反映了不同修复方式下的边坡各无机磷形态含量分布特征。从表3可以看出，水溶性磷和Al-P存在形态的含量以植被混凝土基材最高；O-P的含量以天然次生林最高；Ca-P的含量以客土喷播最高。各无机磷形态在向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中含量从大到小顺序为，水溶性磷：植被混凝土基材、框格梁覆土、客土喷播、厚层基材、天然次生林、天然林、弃渣地；Al-P：植被混凝土基材、框格梁覆土、客土喷播、厚层基材、天然次生林、天然林、弃渣地；O-P：天然次生林、植被混凝土基材、客土喷播、天然林、框格梁覆土、厚层基材、弃渣地；Ca-P：客土喷播、植被混凝土基材、弃渣地、框格梁覆土、厚层基材、天然次生林、天然林。从无机磷总量上看，最高为植被混凝土，含量为993.0 mg/kg；其次为客土喷播、厚层基材E和框格梁覆土，含量分别为682.5 mg/kg、543.9 mg/kg和535.0 mg/kg；厚层基材D、F、I与弃渣地、天然次生林相当；天然林的无机磷含量最低，为154.4 mg/kg。

向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中各形态无机磷占全磷的比例（表4）的分析表明，水溶性磷，0.1～2.7%，平均为0.8%；Al-P，0.1～10.5%，平均为1.9%；O-P，0.1～67.5%，平均为11.2%；Ca-P， 0.2～42.9%，平均为19.6%。向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，天然次生林中O-P占全磷的比例最大。弃渣地为工程建设过程中人为堆砌的废土和废石渣，边坡土壤自身养分含量少[4]，弃渣地土壤的Ca-P占全磷的比例最大，植被混凝土基材的Al-P占全磷的比例最大。

从表4可见，各形态无机磷含量从大到小顺序为Ca-P、O-P、Al-P、水溶性磷。其中，Ca-P作为最有效的磷源，其含量占主导；其次是O-P，在理论上，O-P的形成与土壤自然风化和化学风化的强度显著相关，所以它可以作为标识土壤风化程度的重要指标[12]。试验所测Al-P和水溶性磷所占比例不足10%。

2.2.2 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤有机磷含量及比例 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤有机磷含量变化范围为359.9～2 188.4 mg/kg（表2），平均值为942.5 mg/kg。有机磷占全磷的比例26.9～91.4%（表4），供试土壤平均值为66.7%。相关分析表明，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤有机磷占全磷的比例与全磷含量呈现显著的正相关（r=0.156，P<0.05）。这表明，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，随着全磷含量的增加，有机磷占比亦增加，土壤全磷增加的部分主要来源于有机磷。

2.3 向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中磷的相关性分析

相关分析表明，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，水溶性磷、Al-P、O-P和Ca-P含量与全磷含量呈现极显著或显著正相关，相关系数r分别为0.859（P<0.01）、0.864（P<0.01）、0.435（P<0.05）、0.553（P<0.05）；水溶性磷占全磷的比例与全磷含量具有显著的正相关性（r=0.678，P<0.05），Al-P占全磷的比例与全磷含量呈显著的正相关（r=0.840，P<0.01），O-P占全磷的比例与全磷含量呈显著的负相关（r=-0.297，P<0.05），Ca-P占全磷的比例与全磷含量呈显著的负相关（r=-0.045，P<0.05）。以上研究表明，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中全磷含量与水溶性磷含量具有显著正相关，这与Al-P含量及其所占的比例随着全磷含量增大而增大有关。Al-P是一种活性比较高的磷酸盐，对植物的有效性比较高[13，14]。在向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，Al-P含量与水溶性磷含量呈现极显著正相关，相关系数为0.923（P<0.01），这说明，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中Al-P也是一种活性比较高的磷酸盐。

由表5可见，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，只有水溶性磷和Al-P与速效磷呈极显著正相关关系，这说明水溶性磷和Al-P对速效磷的影响较大，为有效磷源，可为植被吸收，并且是最直接的转化磷源[15，16]。各种形态无机磷之间，只有水溶性磷与Al-P之间存在极显著相关性，其余各形态无机磷之间相关性均不显著。由此可以说明，在研究区的各类型土壤中，各形态无机磷之间的比例不是很稳定。同时，水溶性磷和Al-P具有大小不等的活性，且在一定条件下可以互相转化[17]，这一点在考虑其有效性时具有实际意义。

3 讨论与小结

3.1 讨论

向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤全磷平均含量为1.4 g/kg，其累积量处于中等偏上水平。土壤中磷元素大部分是以迟效性状态存在，因此土壤中全磷的含量并不能作为土壤磷素供应的指标。全磷的含量高并不意味着磷素供应充足，而磷含量低于某一水平时，却可能意味着磷素供应不足。研究区大部分人工修复植被添加了大量的磷元素，同时，分析结果显示，研究区O-P的含量较高，说明土壤风化程度严重，风化程度高的土壤会固定大量的磷，研究区四季降雨充沛，使得研究土样紧实，紧实土壤的孔隙少，影响植物根系发育，磷的吸收因此而受影响。

近几年来，对磷形态多采用欧洲标准测试委员会框架下发展的SMT分离方法。但此方法有局限性，若笼统地将Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P三者归为Ca-P，那么活性较大的Ca2-P和Ca8-P（约占Ca-P的 49.78%）就无法与活性较小的 Ca10-P区分开来，对Ca-P的有效性就无法做出恰当的评价。相关性分析也表明，Ca2-P与Fe-P、沉积物TP、Al-P正相关，Ca10-P与O-P呈显著负相关，而Ca-P只与Ca10-P显著正相关。很显然，把Ca2-P、Ca8-P、Ca10-P简单归为Ca-P，很难说明问题。本研究没有将重点放在探讨Ca-P的活性的问题上，所以本研究在试验过程中，只测定了Ca-P。但建议，根据研究对象特点，考虑对土壤中Ca-P进行分级测定，才能对土壤中Ca-P的潜在供磷能力及有效性有更加清晰的认识[18]。

在各形态无机磷中，Ca-P含量最高，经试验测定，向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤有机质含量较高，分解的有机酸高，有机酸类物质对土壤磷酸盐有溶解、吸附等作用，释放土壤中磷酸钙的磷酸根离子，对难溶磷化物起到了活化作用[19]，同时，人工修复技术所添加的部分物料，如植被混凝土生态护坡技术原材料中的水泥碱性强，经有机酸类物质的活化也易形成磷酸盐。同时，随着土壤磷素的淋失，土壤全磷含量呈下降趋势，这导致土壤磷素活化系数较大，说明该地区部分全磷已转化为速效磷，从而被植物所吸收。

向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤无机磷在全磷中占比较低。造成无机磷水平低下的原因有多种，向家坝地区为多雨地区，雨水对坡地的冲刷会造成磷元素的流失；不同人工修复技术对边坡土壤肥力影响不同，这主要与人工修复过程中添加的物料有关，有些物料添加磷素较少，如植被混凝土生态护坡技术修复植被时对磷、钾添加显著，而厚层基材对氮添加显著，对磷元素添加不显著，这也是植被混凝土基材各无机磷含量比其他人工修复边坡土壤无机磷含量高的原因；同时，土壤微生物还具有较强的使土壤无机磷转化为有机磷的能力，在作物根际微生态系统中，土壤微生物数量巨大，会造成无机磷含量减少，有机磷含量增加，这一点也解释了向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中土壤全磷增加的部分主要来源于有机磷[20-22]。

分析土壤中各形态磷之间的相关性，有利于认识磷形态的分布特征。分析结果表明，研究区土壤中水溶性磷、Al-P、Ca-P与TP呈显著正相关。这与卢瑛等[6]研究南京城市土壤磷分布特征发现Al-P/Ca-P与TP呈显著正相关一致。

3.2 小结

1）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤全磷含量较高，平均含量1.4 g/kg。速效磷含量平均为90.0 mg/kg，属高含量水平。7种不同类型边坡土壤总无机磷占全磷的比例为22.6%～47.1%，属低含量水平。

2）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤各形态无机磷含量随着全磷含量的增加而增加，水溶性磷、Al-P占全磷的比例随着全磷的增加而增加，O-P、Ca-P占全磷的比例随着全磷的增加而减少。

3）各无机磷形态含量大小为：Ca-P>O-P>Al-P >水溶性磷。在7种不同类型边坡土壤中，作为植物最有效磷源的Ca-P和作为作物第二有效磷源Al-P在各形态中所占比例较低。

4）在供试的7种边坡土壤类型中，各无机磷形态含量分布为：水溶性磷酸盐和Al-P存在形态的含量以植被混凝土基材最高；O-P的含量以天然次生林最高；Ca-P的含量以客土喷播最高。无机磷总量从高到低依次为植被混凝土基材、客土喷播、框格梁覆土、弃渣地、厚层基材、天然次生林、天然林。

5）从各形态无机磷与速效磷相关性分析来看，只有水溶性磷和Al-P对速效磷的影响较大。各无机磷形态之间，只有水溶性磷与Al-P之间存在极显著相关性，其余各形态无机磷之间相关性均不显著。

6）向家坝工程扰动区7种人工修复边坡土壤磷素活化系数均大于2.0%，表明土壤中的全磷易转化为速效磷。

7）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，随着全磷含量的增加，有机磷含量占全磷的比例亦增加，土壤全磷增加的部分主要来源于有机磷。

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分析土壤中各形态磷之间的相关性，有利于认识磷形态的分布特征。分析结果表明，研究区土壤中水溶性磷、Al-P、Ca-P与TP呈显著正相关。这与卢瑛等[6]研究南京城市土壤磷分布特征发现Al-P/Ca-P与TP呈显著正相关一致。

3.2 小结

1）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤全磷含量较高，平均含量1.4 g/kg。速效磷含量平均为90.0 mg/kg，属高含量水平。7种不同类型边坡土壤总无机磷占全磷的比例为22.6%～47.1%，属低含量水平。

2）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤各形态无机磷含量随着全磷含量的增加而增加，水溶性磷、Al-P占全磷的比例随着全磷的增加而增加，O-P、Ca-P占全磷的比例随着全磷的增加而减少。

3）各无机磷形态含量大小为：Ca-P>O-P>Al-P >水溶性磷。在7种不同类型边坡土壤中，作为植物最有效磷源的Ca-P和作为作物第二有效磷源Al-P在各形态中所占比例较低。

4）在供试的7种边坡土壤类型中，各无机磷形态含量分布为：水溶性磷酸盐和Al-P存在形态的含量以植被混凝土基材最高；O-P的含量以天然次生林最高；Ca-P的含量以客土喷播最高。无机磷总量从高到低依次为植被混凝土基材、客土喷播、框格梁覆土、弃渣地、厚层基材、天然次生林、天然林。

5）从各形态无机磷与速效磷相关性分析来看，只有水溶性磷和Al-P对速效磷的影响较大。各无机磷形态之间，只有水溶性磷与Al-P之间存在极显著相关性，其余各形态无机磷之间相关性均不显著。

6）向家坝工程扰动区7种人工修复边坡土壤磷素活化系数均大于2.0%，表明土壤中的全磷易转化为速效磷。

7）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，随着全磷含量的增加，有机磷含量占全磷的比例亦增加，土壤全磷增加的部分主要来源于有机磷。

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分析土壤中各形态磷之间的相关性，有利于认识磷形态的分布特征。分析结果表明，研究区土壤中水溶性磷、Al-P、Ca-P与TP呈显著正相关。这与卢瑛等[6]研究南京城市土壤磷分布特征发现Al-P/Ca-P与TP呈显著正相关一致。

3.2 小结

1）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤全磷含量较高，平均含量1.4 g/kg。速效磷含量平均为90.0 mg/kg，属高含量水平。7种不同类型边坡土壤总无机磷占全磷的比例为22.6%～47.1%，属低含量水平。

2）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤各形态无机磷含量随着全磷含量的增加而增加，水溶性磷、Al-P占全磷的比例随着全磷的增加而增加，O-P、Ca-P占全磷的比例随着全磷的增加而减少。

3）各无机磷形态含量大小为：Ca-P>O-P>Al-P >水溶性磷。在7种不同类型边坡土壤中，作为植物最有效磷源的Ca-P和作为作物第二有效磷源Al-P在各形态中所占比例较低。

4）在供试的7种边坡土壤类型中，各无机磷形态含量分布为：水溶性磷酸盐和Al-P存在形态的含量以植被混凝土基材最高；O-P的含量以天然次生林最高；Ca-P的含量以客土喷播最高。无机磷总量从高到低依次为植被混凝土基材、客土喷播、框格梁覆土、弃渣地、厚层基材、天然次生林、天然林。

5）从各形态无机磷与速效磷相关性分析来看，只有水溶性磷和Al-P对速效磷的影响较大。各无机磷形态之间，只有水溶性磷与Al-P之间存在极显著相关性，其余各形态无机磷之间相关性均不显著。

6）向家坝工程扰动区7种人工修复边坡土壤磷素活化系数均大于2.0%，表明土壤中的全磷易转化为速效磷。

7）向家坝工程扰动区不同类型边坡土壤中，随着全磷含量的增加，有机磷含量占全磷的比例亦增加，土壤全磷增加的部分主要来源于有机磷。

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