向家壩生態(tài)恢復(fù)邊坡土壤有機(jī)磷形態(tài)和磷酸酶活性研究

牛鵬輝+夏振堯+梁永哲+等

摘要：研究了向家壩工程擾動區(qū)5種不同邊坡生態(tài)恢復(fù)方式下土壤有機(jī)磷形態(tài)分布和磷酸酶活性。結(jié)果表明，向家壩工程擾動區(qū)不同修復(fù)模式下土壤總有機(jī)磷為359.9～2 188.4 mg/kg；活性、中等活性和中穩(wěn)性有機(jī)磷的含量最高的為植被混凝土樣地，高穩(wěn)性有機(jī)磷含量最高的是客土噴播樣地；4種有機(jī)磷組分中，中等活性有機(jī)磷所占的比重最大，4種人工恢復(fù)樣地的中等活性有機(jī)磷含量顯著高于天然次生林邊坡；有機(jī)肥（物）的添加能提高活性、中等活性、和中穩(wěn)性有機(jī)磷的含量；5種樣地的3種磷酸酶活性均以植被混凝土樣地最高，天然次生林樣地最低；植被混凝土樣地的堿性磷酸酶活性最強(qiáng)，其他4種樣地的酸性磷酸酶活性最強(qiáng)；磷酸酶的活性受有機(jī)磷含量的影響，有機(jī)磷含量越高，3種磷酸酶的活性越強(qiáng)，因此增加基材中有機(jī)磷肥的含量可以誘導(dǎo)磷酸酶的產(chǎn)生，提高土壤的有效磷含量。

關(guān)鍵詞：邊坡；生態(tài)恢復(fù)；有機(jī)磷；磷酸酶；向家壩

中圖分類號：S153.6+2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）20-4963-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.20.011

Study on Organic Phosphorus Forms and Phosphatase Activity of Ecological Restoration Slope Soil in Xiangjiaba Area

NIU Peng-hui1，2，XIA Zhen-yao2，LIANG Yong-zhe2，WU-Bin3，XU Wen-nian1

（1. College of Civil Engineering and Architecture， China Three Gorges University， Yichang 443002， Hubei， China； 2. Collaborative Innovation Center for Geo-Hazards and Eco-Environment in Three Gorges Area， Hubei Province， Yichang 443002， Hubei， China；

3. Center for Ecological Research， Northeast Forestry University， Harbin， 150040， China）

Abstract： The distribution of soil organic phosphorus（OP） forms and phosphatase activity were studied of 5 types of ecological restored slopes in the disturbed area of Xiangjiaba hydropower construction. The results showed that the content of total OP in the 5 different types of slopes was between 359.9 to 2 188.4 mg/kg. The content of labile OP， moderate labile OP and moderate resistant OP in the vegetation-compatible concrete was the highest one， while the content of resistant OP in the external-soil spray seeding sample plot was the highest of the five types of slopes. The content of moderate labile OP was the highest one in the four kinds of OP， and the content of moderate labile OP in the four artificial restored slopes significantly higher than that in the natural secondary forest. Adding organic fertilizers or organic matters can increase the content of labile OP， moderate labile OP and moderate resistant OP. All three phosphatases activity of the vegetation-compatible concrete was the highest， while those of the natural secondary forest were the lowest of the five types of slopes. The activity of alkaline phosphatase in the vegetation-compatible concrete was higher than neutral and acid phosphatase， and the acid phosphatase activity of the other four types of slopes was higher than neutral and alkaline phosphatase activity. Owing to the activity of phosphatases were influenced by OP content， the content of OP fertilizer could be increased in the substrates to stimulate producing more phosphatase， thus， the content of available P could be increased.

Key words： slopes； ecological restoration； organic phosphorus； phosphatase； Xiangjiaba area

磷是植物生長所需的大量元素之一，幾乎參與了植物所有的生命活動。土壤中的磷素由無機(jī)磷和有機(jī)磷兩部分組成，無機(jī)磷是有效磷的主體，其含量占土壤全磷含量的60%～80%[1]，是土壤中有效磷的主要來源。無機(jī)磷可以分為水溶性磷、Al-P（鋁結(jié)合態(tài)磷）、O-P（有機(jī)磷）和Ca-P（鈣磷）4種形態(tài)[2，3]。有機(jī)磷含量占土壤磷素總量的比重的20%～80%[4]，其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境有重要的影響。土壤中的一小部分有機(jī)磷可以直接被作物吸收利用，其余則需要礦化成為無機(jī)磷才能被作物吸收利用[5]。與無機(jī)磷相比，有機(jī)磷在土壤中移動性較好、被土壤無機(jī)礦物固定的速率較低，難溶于水的有機(jī)磷經(jīng)礦化后可持續(xù)釋放出無機(jī)磷，對農(nóng)作物生長有利[6]。土壤磷酸酶是一類催化土壤有機(jī)磷化合物礦化的酶，其活性高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的礦化及其生物有效性[7]。目前，對有機(jī)磷和磷酸酶的研究主要集中在農(nóng)田土壤方面，對工程擾動區(qū)邊坡生態(tài)恢復(fù)土壤磷素狀況的研究資料很少[3]。對向家壩水電站5種不同生態(tài)恢復(fù)類型的邊坡土壤有機(jī)磷形態(tài)分組和磷酸酶活性進(jìn)行了研究，為邊坡生態(tài)恢復(fù)中的磷肥使用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況與取樣方法

向家壩水電站位于長江上游金沙江的向家壩河谷的出口處，壩址左岸在四川省的宜賓縣內(nèi)。向家壩庫區(qū)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，庫區(qū)內(nèi)熱量充足、降雨量較為豐沛、四季分明、夏季溫度高濕度大、冬季較為溫暖、無霜期長，對亞熱帶林木、農(nóng)作物的生長有利。最大年日照時數(shù)為1 260.9 h，年平均氣溫為在12.0～18.1 ℃，最大年降雨量為1 168.5 mm，年最小降雨量為852.4 mm。基材樣品于2012年6月采集于向家壩水電站工程擾動區(qū)的5個代表性樣地，其中4種土樣分別取自采用人工恢復(fù)方式的框格梁覆土（A）、植被混凝土基材（C）、厚層基材（E）、客土噴播（H）的生態(tài)恢復(fù)工程邊坡，1種取自自然恢復(fù)方式的天然次生林（M），作為對照樣。土樣取自表層（0～10 cm）。將采集的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干、除去雜質(zhì)、磨碎，過100目篩。將過篩后的土壤充分混合均勻，四分法取出供試驗(yàn)分析的土樣?？蚋窳焊餐吝吰?004年施工，所用土壤為單一的當(dāng)?shù)亻_挖原土壤；植被混凝土邊坡2005年施工，所用土壤為當(dāng)?shù)亻_挖原土壤、水泥、有機(jī)質(zhì)、復(fù)合肥、混凝土綠化添加劑和保水劑的混合物[8]；厚層基材邊坡2005年施工，所用土壤為當(dāng)?shù)亻_挖原土壤、有機(jī)質(zhì)、黏合劑、木纖維、復(fù)合肥及保水劑的混合物[9]；客土噴播邊坡2004年施工，所用土壤為當(dāng)?shù)亻_挖原土壤、有機(jī)質(zhì)、黏合劑、復(fù)合肥及保水劑的混合物[10]；施工中各原土壤均取用于同一土料場。各取樣邊坡坡度53°～68°。

1.2 試驗(yàn)方法

土樣的全磷測定采用硫酸-高氯酸酸溶法[11]；速效磷含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[12]；土壤無機(jī)磷含量測定參照文獻(xiàn)[13]，土壤無機(jī)磷的分組測定采用無機(jī)磷分級方法[14]；有機(jī)磷含量的測定采用灼燒法[15]，土壤有機(jī)磷的分組測定采用Bowman-Cole法[16]；磷酸酶活性的測定采用對硝基苯磷酸鹽法[14]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel表格處理；用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA）；用LSD法對不同恢復(fù)方法進(jìn)行多重比較；相關(guān)性分析求其Pearson相關(guān)系數(shù)，用兩尾檢驗(yàn)判斷相關(guān)關(guān)系的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 向家壩工程擾動區(qū)不同類型邊坡土壤磷素分布特征

向家壩工程擾動區(qū)5種恢復(fù)類型邊坡土壤磷素分布特征見表1。在吳彬等[3]的研究中對此已有報(bào)道。4種人工恢復(fù)樣地由于添加了其他養(yǎng)分物質(zhì)，其全磷和有機(jī)磷含量均明顯大于天然次生林，而有效磷所占比重卻小于天然次生林（植被混凝土除外），可見有較多的有機(jī)磷累積在土壤中，并不能被植物利用，對磷肥存在一定程度的浪費(fèi)。向家壩工程擾動區(qū)不同修復(fù)模式下土壤總有機(jī)磷為359.9～2 188.4 mg/kg，占全磷總量的52.93%～68.82%。不同修復(fù)模式下有機(jī)磷總量依次為植被混凝土基材（2 188.4 mg/kg）>客土噴播樣地（1 051.4 mg/kg）>厚層基材（851.2 mg/kg）>框格梁覆土（793.2 mg/kg）>天然次生林地（359.9 mg/kg）（表1）。植被混凝土基材有機(jī)磷總量是天然次生林地有機(jī)磷總量的6.1倍，這是因植被混凝土在施工中加入了大量有機(jī)肥的緣故[3，8]。

2.2 向家壩工程擾動區(qū)各形態(tài)有機(jī)磷分布特征

Bowman-Cole法將有機(jī)磷分為活性有機(jī)磷、中等活性有機(jī)磷、中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷4組。由表2可知，4種有機(jī)磷組分以中等活性有機(jī)磷為主，框格梁覆土和厚層基材的有機(jī)磷各組分含量依次為中等活性有機(jī)磷>高穩(wěn)性有機(jī)磷>活性有機(jī)磷>中穩(wěn)性有機(jī)磷，植被混凝土和客土噴播的有機(jī)磷各組分含量依次為中等活性有機(jī)磷>活性有機(jī)磷>高穩(wěn)性有機(jī)磷>中穩(wěn)性有機(jī)磷，天然次生林地則為中等活性有機(jī)磷>活性有機(jī)磷>中穩(wěn)性有機(jī)磷>高穩(wěn)性有機(jī)磷。不同類型邊坡土壤活性有機(jī)磷的含量為19.6～581.9 mg/kg；中等活性有機(jī)磷為91.8～1 612.3 mg/kg；中穩(wěn)性有機(jī)磷為8.8～54.1 mg/kg；高穩(wěn)性有機(jī)磷為 6.0～95.4 mg/kg。由圖1可知，相比于天然次生林，人工恢復(fù)的4種邊坡中等活性有機(jī)磷、中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷的含量有大幅度的提高，活性有機(jī)磷有不同程度的提高或降低。這主要與土壤母質(zhì)、有機(jī)質(zhì)含量、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)、透水性等土壤本身性質(zhì)有關(guān)。不同學(xué)者對有機(jī)磷各組分含量的研究結(jié)果各有不同，但幾乎所有研究結(jié)果均表明中等活性有機(jī)磷的含量大于其他3種組分[17-20]。

由表2和圖1可知，向家壩工程擾動區(qū)不同類型邊坡土壤中，框格梁覆土樣地土壤的中等活性有機(jī)磷占全磷的比重最大；土壤活性有機(jī)磷與土壤中穩(wěn)性有機(jī)磷占全磷比例最大的樣地是植被混凝土基材；厚層基材的土壤高穩(wěn)性有機(jī)磷占全磷的比例最大。活性有機(jī)磷是最易被礦化后被植物吸收利用的組分，高穩(wěn)性有機(jī)磷則是最難被礦化的且基本不會被植物所吸收，中等活性有機(jī)磷是含量最大且較易礦化和被植物吸收的組分，是植物緩效磷肥的主要供應(yīng)來源[21]。植被混凝土基材中的活性有機(jī)磷、中等活性有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷含量顯著高于其他4種樣地，說明植被混凝土基材中土壤易被礦化的有機(jī)磷含量比其他模式邊坡大，有較充足的有機(jī)磷源可以轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷而供植物吸收利用（圖1a和圖1b）。5種邊坡中的土壤中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷含量極少，僅占全磷含量的1.1%～4.4%，這是因?yàn)楦叻€(wěn)性有機(jī)磷的組成主要是一些植酸鐵、鋁等化合物和含磷的螯合物，形成這些物質(zhì)的底物往往含量不大，所以形成的高穩(wěn)性有機(jī)磷含量非常有限（圖1c和圖1d）。中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷難被礦化并且含量很少，因此，對植物的生長發(fā)育幾乎不起作用。

不同修復(fù)模式下，土壤全磷、速效磷、總有機(jī)磷和有機(jī)磷各組分含量的相關(guān)分析（表3）表明，土壤全磷與總有機(jī)磷、中等活性和中穩(wěn)性有機(jī)磷呈極顯著相關(guān)性，與速效磷和活性有機(jī)磷呈顯著相關(guān)性；土壤速效磷與總有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷呈顯著正相關(guān)；土壤總有機(jī)磷與中等活性有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷呈極顯著正相關(guān)，與活性有機(jī)磷呈顯著正相關(guān)，說明添加有機(jī)磷肥能提高活性、中等活性和中穩(wěn)性有機(jī)磷的含量。

2.3 修復(fù)區(qū)土壤磷酸酶活性

土壤磷酸酶活性高低直接影響著土壤中有機(jī)磷的分解轉(zhuǎn)化能力及其生物有效性，對磷的生物地球化學(xué)循環(huán)起著重要的作用。一般認(rèn)為土壤磷酸酶包括酸性、中性和堿性磷酸酶3種。土壤中3種磷酸酶之間的關(guān)系一直沒有定論，這與土壤的多種性質(zhì)有關(guān)。一般來說，在堿性土中堿性磷酸酶活性較高，酸性土中酸性磷酸酶活性較高，并且單個磷酸酶活性往往與總磷酸酶活性有相關(guān)關(guān)系。因此有研究者認(rèn)為可以選擇3種磷酸酶中活性最高的一種來代表磷酸酶的生物活性，另外兩種磷酸酶活性不必考慮[22]。本研究對向家壩工程擾動區(qū)人工修復(fù)邊坡3種土壤磷酸酶活性均進(jìn)行了測定（圖2）。供試的5種土壤中酸性磷酸酶活性為0.25～0.57 mg/（g·d），其活性大小關(guān)系為植被混凝土基材[0.57 mg/（g·d）]>框格梁覆土樣地[0.37 mg/（g·d）]>厚層基材[0.35 mg/（g·d）]>客土噴播樣地[0.33 mg/（g·d）]>天然次生林地[0.25 mg/（g·d）]。多重比較表明，植被混凝土與其他4種樣地的差異顯著，而其他4種樣地間差異不顯著。中性磷酸酶活性從高到低順序?yàn)橹脖换炷粱腫0.43 mg/（g·d）]>厚層基材（0.29 mg/（g·d）]>框格梁覆土樣地[0.21 mg/（g·d）]>客土噴播樣地[0.17 mg/（g·d）]>天然次生林地[0.08 mg/（g·d）]。其中框格梁覆土、客土噴播樣地和天然次生林地間差異不顯著。堿性磷酸酶活性的范圍為[0.22～0.64 mg/（g·d）]，其活性大小關(guān)系為植被混凝土基材[0.64 mg/（g·d）]>框格梁覆土樣地[0.35 mg/（g·d）]>厚層基材[0.33 mg/（g·d）]>客土噴播樣地[0.31 mg/（g·d）]>天然次生林地[0.22 mg/（g·d）]。其中植被混凝土樣地與其他4種樣地差異顯著，其他4種樣地間差異不顯著。植被混凝土樣地磷酸酶活為堿性>酸性>中性，其余4種樣地的磷酸酶活性均為酸性>堿性>中性。主要原因是植被混凝土基材的pH偏堿性（7.80），而其他4種樣地pH均偏酸性（5.71～6.98），這是植物和微生物對環(huán)境因素長期刺激和誘導(dǎo)的反饋結(jié)果。5種樣地的3種磷酸酶活性均以天然次生林樣地最低，而植被混凝土樣地最高，這是由于植被混凝土樣地在施工中加入了較多的有基質(zhì)和綠化添加劑（含有機(jī)肥和微生物菌劑），因此其中的有機(jī)磷含量高，并且微生物數(shù)量多，可以產(chǎn)生更多的磷酸酶。很多研究表明，有機(jī)肥料的施用可明顯提高土壤磷酸酶活性，這是因?yàn)橛袡C(jī)肥料本身磷酸酶活性就較高，另外，有機(jī)肥的施入還能刺激微生物活性，加速磷酸酶的產(chǎn)生。

2.4 土壤有機(jī)磷形態(tài)與磷酸酶活性相關(guān)關(guān)系

土壤磷酸酶促進(jìn)土壤中有機(jī)磷化合物的水解，從其中釋放出無機(jī)磷供植物吸收利用，因此磷酸酶活性與有機(jī)磷含量關(guān)系密切。一方面，有機(jī)磷能通過誘導(dǎo)作用提高土壤磷酸酶活性，另一方面，土壤有機(jī)磷的礦化也取決于土壤磷酸酶的活性。土壤有機(jī)質(zhì)是一個重要的土壤肥力因素，可以為土壤微生物提供碳源和各種礦質(zhì)營養(yǎng)。由表4可知，3種磷酸酶活性與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，說明磷酸酶的活性受有機(jī)質(zhì)含量的影響，有機(jī)質(zhì)含量越高，3種磷酸酶的活性越強(qiáng)。全磷和總有機(jī)磷含量與酸性和堿性磷酸酶活性呈極顯著相關(guān)，與中性磷酸酶呈顯著相關(guān)，說明在添加有機(jī)磷肥較多的基材中，3種磷酸酶在誘導(dǎo)下產(chǎn)生的量較多，可以提高土壤中的有效磷含量。有效磷往往被作為評價土壤供磷能力大小的指標(biāo)，酸性和堿性磷酸酶活性與速效磷含量呈顯著相關(guān)，中性磷酸酶和速效磷含量無顯著的相關(guān)關(guān)系，說明在向家壩地區(qū)，酸性和堿性磷酸酶對有機(jī)磷的礦化作用明顯，中性磷酸酶的礦化作用不明顯。中等活性有機(jī)磷是植物可利用的主要組分，其含量與酸性和堿性磷酸酶活性呈極顯著相關(guān)，與中性磷酸酶活性呈顯著相關(guān)，說明中等活性有機(jī)磷的含量增加也會提高3種磷酸酶的活性。

3 小結(jié)與討論

向家壩工程擾動區(qū)不同修復(fù)模式下土壤總有機(jī)磷為359.9～2 188.4 mg/kg，占全磷總量的52.93%～68.82%；5種生態(tài)恢復(fù)邊坡的有機(jī)磷總量為植被混凝土基材>客土噴播樣地>厚層基材>框格梁覆土>天然次生林地，而4種人工恢復(fù)樣地有效磷的比重均小于天然次生林，在土壤中有大量的有機(jī)磷累積。

4種有機(jī)磷組分中，中等活性有機(jī)磷所占的比重最大；活性、中等活性和中穩(wěn)性有機(jī)磷的含量最高的都是植被混凝土樣地，高穩(wěn)性有機(jī)磷含量最高的是客土噴播樣地；有機(jī)肥（物）的添加能提高活性、中等活性和中穩(wěn)性有機(jī)磷的含量；4種人工恢復(fù)樣地的中等活性有機(jī)磷含量顯著高于天然次生林邊坡，說明它們有較多的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷而供植物吸收利用。

5種樣地的3種磷酸酶活性均以植被混凝土樣地最高，天然次生林樣地最低；植被混凝土樣地的堿性磷酸酶活性最強(qiáng)，其他4種樣地的酸性磷酸酶活性最強(qiáng)；5種樣地的3種磷酸酶均為中性磷酸酶最?。凰傩Я缀颗c酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性有顯著相關(guān)性，與中性磷酸酶無顯著相關(guān)性，說明在向家壩地區(qū)，酸性和堿性磷酸酶對有機(jī)磷的礦化作用明顯，中性磷酸酶的礦化作用不明顯。

磷酸酶的活性受有機(jī)磷含量的影響，有機(jī)磷含量越高，3種磷酸酶的活性越強(qiáng)，因此增加基材中有機(jī)磷肥的含量可以誘導(dǎo)磷酸酶的產(chǎn)生，提高土壤的有效磷含量。

土壤有機(jī)磷含有多種含磷化合物，其中磷酸肌醇含量最多，可以達(dá)到有機(jī)磷總量的50%左右，其他組分包括磷脂、核酸類、磷蛋白、微生物磷等所占的比例均較少，還有其他一些少量的形態(tài)由于技術(shù)等方面原因尚不明確。本研究結(jié)果表明，土壤有機(jī)磷組分中含量最多的是中等活性有機(jī)磷，含量最少的是中穩(wěn)性有機(jī)磷或高穩(wěn)性有機(jī)磷，這與前人大部分的研究結(jié)果[23，24]一致。中等活性有機(jī)磷能較快轉(zhuǎn)化為活性有機(jī)磷，并進(jìn)一步礦化為無機(jī)磷。因此，活性有機(jī)磷和中等活性有機(jī)磷與土壤磷的有效性密切相關(guān)。有機(jī)磷的礦化是一個復(fù)雜的過程，其有效性受土壤磷酸酶、土壤微生物、土壤pH、土壤溫度、有機(jī)肥料的施用等諸多因素的影響。有機(jī)磷礦化與生物固磷作用同時進(jìn)行，目前的研究對其機(jī)理尚不明確[4]。土壤磷酸酶活性一般由其所處土壤環(huán)境的酸堿性決定，而磷酸酶活性的強(qiáng)弱可以較好的反映有機(jī)磷礦化和合成的強(qiáng)度，土壤磷酸酶活性強(qiáng)，則土壤磷素供應(yīng)狀況好。微生物量磷（土壤中所有活體微生物所含的有機(jī)磷）是活性有機(jī)磷的組成部分，是土壤有機(jī)磷中最活躍的組分[25]，其周轉(zhuǎn)快，易礦化，是土壤中有效磷的重要來源。由于土壤磷酸酶一般來自于動植物殘?bào)w和土壤微生物，因此在邊坡防護(hù)與生態(tài)恢復(fù)中，在加入了大量有機(jī)磷肥的同時，應(yīng)當(dāng)適量加入具有解磷作用的微生物菌肥，活躍的微生物活動可以加速有機(jī)磷的礦化。另外，微生物分泌的一些激素類物質(zhì)也能促進(jìn)植物的生長。

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