土壤類型對優(yōu)先流路徑和磷形態(tài)影響的定量評價(jià)

梁建宏 吳艷宏 周 俊 王吉鵬 王曉曉 李 睿

(中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

土壤類型對優(yōu)先流路徑和磷形態(tài)影響的定量評價(jià)

梁建宏 吳艷宏 周 俊 王吉鵬 王曉曉 李 睿

(中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地表生過程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

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

土壤； 優(yōu)先流路徑； 磷； 染色示蹤； Hedley連續(xù)提取法

引言

土壤優(yōu)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(zhì)運(yùn)移[1-2]。溶質(zhì)快速向深層土壤和地下水運(yùn)移，致使水土養(yǎng)分流失，地下水污染[3]。磷是生物生長必需營養(yǎng)元素，對生物能量轉(zhuǎn)移和維持生態(tài)系統(tǒng)的群落穩(wěn)定起到重要作用[4-5]，土壤磷流失是導(dǎo)致水環(huán)境富營養(yǎng)化的主要因素之一[6]。

土壤優(yōu)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(guān)于土壤優(yōu)先流路徑對磷運(yùn)移的影響只有少部分研究涉及[7]。土壤磷流失與磷的形態(tài)關(guān)系密切，研究表明土壤磷流失主要以可溶性無機(jī)磷、有機(jī)磷和顆粒態(tài)磷為主[8-9]。廣泛用于野外土壤優(yōu)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(yōu)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(jìn)的Hedley連續(xù)提取磷方法[16]等技術(shù)手段對土壤磷賦存狀況進(jìn)行研究。

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

1 研究區(qū)概況

中國野外試驗(yàn)于2014年8月在中國科學(xué)院貢嘎山高山生態(tài)系統(tǒng)觀測試驗(yàn)站進(jìn)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(jù)貢嘎山海螺溝氣象站(海拔高度3 000 m)數(shù)據(jù)，研究區(qū)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(zhì)層為青灰色的砂質(zhì)冰水堆積物。由于土壤發(fā)育于冰磧物，在土壤剖面中還夾雜有較多的石礫。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織世界土壤資源參比基礎(chǔ)(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?xí)r間較短，團(tuán)聚體發(fā)育較少，導(dǎo)致優(yōu)先流的產(chǎn)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(zhì)流、非均質(zhì)流以及大孔隙流[19]。

德國野外試驗(yàn)于2013年10月在德國薩克森州東厄爾士山Rehefeld森林保護(hù)區(qū)進(jìn)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(qū)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(qiáng)烈的優(yōu)先流為主[21]，發(fā)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(zhì)如表1所示。

2 研究方法

2.1 樣地選擇和染色示蹤試驗(yàn)

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(wǎng)格化，在不破壞有機(jī)質(zhì)層的前提下，清理樣地中散落的樹枝等。野外染色示蹤試驗(yàn)釆用亮藍(lán)Brilliant Blue FCF(C.I.42090)進(jìn)行。亮藍(lán)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(yōu)先流及路徑中溶質(zhì)遷移研究[7]。配制亮藍(lán)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(biāo)尺測量土壤深度，分別采集同層被染色土壤(土壤優(yōu)先流路徑)和未染色土壤(土壤基質(zhì))，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(qū)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(zhì)量分?jǐn)?shù)/%粉粒(粒徑2～20μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%粗砂(粒徑20～2000μm)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%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(nèi)圖片分析及試驗(yàn)方法

優(yōu)先流染色圖片分析方法參照文獻(xiàn)[1]。土壤基本理化性質(zhì)參照常規(guī)試驗(yàn)方法測定[15-16]。土壤磷形態(tài)測定使用的改進(jìn)Hedley連續(xù)提取磷形態(tài)方法[16]以及磷形態(tài)分類表如圖1和表2所示。

圖1 改進(jìn)的Hedley連續(xù)提取土壤磷方法及其形態(tài)分類流程圖Fig.1 Flow chart of modified Hedley sequential phosphorus extraction method

磷形態(tài)分類改進(jìn)Hedley方法磷形態(tài)含義即時(shí)生物有效無機(jī)磷Resin-Pi、NaHCO3-Pi生物有效態(tài)磷,可被生物直接吸收潛在生物可利用無機(jī)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(tài)磷CHCl-Pi、ResidualP較難被生物吸收,與次生礦物結(jié)合有機(jī)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(jié)合

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 優(yōu)先流路徑染色圖片分析

(1)優(yōu)先流染色面積比

土壤優(yōu)先流剖面染色面積比是被普遍使用評價(jià)土壤優(yōu)先流發(fā)育程度的指標(biāo)，染色面積比越高，說明土壤優(yōu)先流發(fā)育越發(fā)達(dá)[22]，其計(jì)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?cè)旧娣eND——某土壤剖面未被染色面積

(2) 優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)

降水及地面徑流沿優(yōu)先流路徑快速在土壤通過，并在這一過程中與土壤基質(zhì)發(fā)生滲透現(xiàn)象，從而在優(yōu)先流路徑周邊形成滲透區(qū)域。在土壤優(yōu)先流路徑染色試驗(yàn)中，染色部分便是表征優(yōu)先流的滲透區(qū)域，由于優(yōu)先流發(fā)育不同，野外直觀視覺存在染色顏色深淺區(qū)別，如何精確定量表征優(yōu)先流發(fā)育程度成為優(yōu)先流分布特征研究的難點(diǎn)。優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)即優(yōu)先流染色面積比變異系數(shù)[1]，主要通過對染色土壤剖面圖片進(jìn)行等分處理，計(jì)算不同土壤深度染色面積比，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)變異系數(shù)的概念，得到染色面積比變異系數(shù)，從而表征土壤優(yōu)先流發(fā)育的相對成熟程度。優(yōu)先流染色面積比變異系數(shù)可以直觀反映土壤剖面不同深度染色區(qū)域的變化，土壤優(yōu)先流染色面積比變異系數(shù)越小，土壤優(yōu)先流發(fā)育程度越高[23]，其計(jì)算公式為

(2)

2.3.2 優(yōu)先流路徑貢獻(xiàn)率

為定量表征土壤優(yōu)先流對溶質(zhì)運(yùn)移貢獻(xiàn)值，引入土壤優(yōu)先流路徑貢獻(xiàn)率Ri，其計(jì)算公式[24]為

(3)

式中CiPFP——優(yōu)先流路徑(被染色部分)中總磷或者某磷形態(tài)含量

CiMAT——土壤基質(zhì)(未染色部分)土壤總磷或者某磷形態(tài)含量

2.3.3 數(shù)據(jù)處理

使用配對樣本T檢驗(yàn)分析對比土壤優(yōu)先流和基質(zhì)流路徑中磷形態(tài)的顯著差異，對土壤優(yōu)先流分布特征參數(shù)(優(yōu)先流染色面積比和優(yōu)先流評價(jià)指數(shù))和土壤優(yōu)先流路徑對土壤總磷和磷形態(tài)貢獻(xiàn)率使用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)，從而得出土壤優(yōu)先流路徑分布對優(yōu)先流路徑中土壤磷形態(tài)的影響。數(shù)據(jù)分析軟件使用IBM SPSS 19.0，使用Origin 8.1作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤類型對優(yōu)先流路徑分布特征的影響

圖3 土壤優(yōu)先流路徑與基質(zhì)路徑總磷及優(yōu)先流貢獻(xiàn)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(yōu)先流路徑圖片分析和評價(jià)得出，不同土壤類型對土壤優(yōu)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(fā)生在土壤深度37 cm處，而厄爾士山漬水土優(yōu)先流在土壤深度0～10 cm為均勻染色區(qū)，染色面積比在95%以上。優(yōu)先流路徑分布在35～50 cm處發(fā)生轉(zhuǎn)折，土壤優(yōu)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(yōu)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(yōu)先流發(fā)育較弱，而深層優(yōu)先流發(fā)育較好。而厄爾士山漬水土優(yōu)先流卻相反，隨著土壤深度增加優(yōu)先流發(fā)育程度降低(56%)。說明貢嘎山疏松巖性土表層團(tuán)聚效應(yīng)較好，厄爾士山漬水土表層土壤結(jié)構(gòu)較為疏松，而深層土壤緊密。貢嘎山和厄爾士山優(yōu)先流圖片總?cè)旧娣e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(yōu)先流發(fā)育較好。

圖2 貢嘎山和厄爾士山土壤優(yōu)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(yōu)先流路徑中磷形態(tài)分布特征及磷運(yùn)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(zhì)量比)相差不大(1 000 mg/kg左右)。通過對土壤優(yōu)先流路徑和基質(zhì)流路徑中總磷含量的配對樣本T檢驗(yàn)，除厄爾士山11～30 cm土壤外，2個樣地其他深度土壤優(yōu)先流路徑和基質(zhì)流路徑中總磷含量均有顯著性差異。貢嘎山土壤優(yōu)先流對于總磷的貢獻(xiàn)率隨著土壤深度增加而降低，而厄爾士山土壤優(yōu)先流對于總磷的貢獻(xiàn)率隨著土壤深度增加而升高。

通過對土壤優(yōu)先流路徑和基質(zhì)流路徑中磷含量的配對樣本T檢驗(yàn)，由圖4可以看出，即時(shí)生物有效無機(jī)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(yōu)先流路徑和土壤基質(zhì)含量對比有顯著性差異，總體上，優(yōu)先流路徑中的RBPi含量高于土壤基質(zhì)(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(yōu)先流路徑對RBPi運(yùn)移貢獻(xiàn)率計(jì)算可知(圖4)，貢嘎山土壤優(yōu)先流貢獻(xiàn)率隨著土壤深度先增加后稍有降低，而厄爾士山土壤優(yōu)先流貢獻(xiàn)率隨著土壤深度增加而降低。2種不同土壤類型優(yōu)先流對RBPi貢獻(xiàn)率的差異可能與土壤優(yōu)先流分布有關(guān)，貢嘎山疏松巖性土壤表層優(yōu)先流發(fā)育不是很發(fā)達(dá)，隨著土壤深度增加，土壤優(yōu)先流Dc值從19%升高到40%，致使土壤底層優(yōu)先流路徑對RBPi貢獻(xiàn)率較大；而厄爾士山土壤優(yōu)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(yōu)先流貢獻(xiàn)率隨之降低。

圖4 土壤優(yōu)先流路徑與基質(zhì)路徑即時(shí)生物有效無機(jī)磷及優(yōu)先流貢獻(xiàn)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(yōu)先流路徑與基質(zhì)路徑潛在生物有效無機(jī)磷及優(yōu)先流貢獻(xiàn)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(jī)磷含量對比較為明顯。厄爾士山土壤潛在生物有效無機(jī)磷含量遠(yuǎn)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(jī)磷含量隨之降低。厄爾士山潛在生物有效無機(jī)磷含量隨著土壤深度增加而增加，在土壤底層達(dá)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(jī)磷含量只有在底層土壤(31～50 cm)優(yōu)先流路徑和土壤基質(zhì)對比有顯著性差異。土壤優(yōu)先流貢獻(xiàn)率有同樣的現(xiàn)象發(fā)生，2個不同類型土壤的優(yōu)先流貢獻(xiàn)率都在底層達(dá)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(yōu)先流貢獻(xiàn)率沒有較明顯的差異。

圖6 土壤優(yōu)先流路徑與基質(zhì)路徑閉蓄態(tài)磷及優(yōu)先流貢獻(xiàn)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(tài)磷含量隨著土壤深度增加而降低，且優(yōu)先流與基質(zhì)流中閉蓄態(tài)磷含量大部分都沒有明顯性差異，加之2個樣地土壤優(yōu)先流貢獻(xiàn)率絕對值大部分都保持在12%左右，說明土壤優(yōu)先流對于較為穩(wěn)定的閉蓄態(tài)磷分布影響較小。

與潛在生物可利用無機(jī)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(yuǎn)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(yōu)先流路徑的總磷含量高于土壤基質(zhì)。該結(jié)果與趙牧秋等[22]的研究結(jié)果一致，優(yōu)先流路徑全磷含量與土壤含磷量呈反比關(guān)系。

圖7 土壤優(yōu)先流路徑與基質(zhì)路徑磷灰石磷及優(yōu)先流貢獻(xiàn)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(yōu)先流路徑與基質(zhì)路徑有機(jī)磷及優(yōu)先流貢獻(xiàn)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(jī)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(jī)磷含量遠(yuǎn)高于貢嘎山土壤。其中，貢嘎山土壤中層和底層優(yōu)先流路徑和土壤基質(zhì)的有機(jī)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(yōu)先流路徑和土壤基質(zhì)的有機(jī)磷含量對比有顯著性差異。2個不同類型的土壤優(yōu)先流對有機(jī)磷的貢獻(xiàn)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(dá)到最大值尤為突出。

3.3 優(yōu)先流對優(yōu)先流路徑中磷形態(tài)的影響

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

在厄爾士山土壤優(yōu)先流中，優(yōu)先流染色面積比與土壤優(yōu)先流路徑對即時(shí)生物有效無機(jī)磷和磷灰石磷的貢獻(xiàn)率存在顯著正相關(guān)關(guān)系，而與有機(jī)磷和總磷存在負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4)。結(jié)果說明伴隨著優(yōu)先流發(fā)育程度增強(qiáng)，厄爾士山土壤優(yōu)先流對即時(shí)生物有效無機(jī)磷和磷灰石磷的貢獻(xiàn)率隨之增強(qiáng)，而優(yōu)先流路徑對有機(jī)磷和總磷的貢獻(xiàn)率則逐漸減弱。

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

參數(shù)即時(shí)生物有效無機(jī)磷潛在生物有效無機(jī)磷有機(jī)磷磷灰石磷閉蓄態(tài)磷總磷優(yōu)先流染色面積比優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)即時(shí)生物有效無機(jī)磷1潛在生物有效無機(jī)磷0.1511有機(jī)磷0.1900.892**1磷灰石磷-0.736*-0.463-0.4471閉蓄態(tài)磷-0.091-0.121-0.120-0.2861總磷-0.751*-0.624-0.5720.810**0.1771優(yōu)先流染色面積比0.5750.778**0.712*-0.905**0.153-0.872**1優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)-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(guān)，*表示在p<0.05水平上顯著相關(guān)，下同。

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

參數(shù)即時(shí)生物有效無機(jī)磷潛在生物有效無機(jī)磷有機(jī)磷磷灰石磷閉蓄態(tài)磷總磷優(yōu)先流染色面積比優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)即時(shí)生物有效無機(jī)磷1潛在生物有效無機(jī)磷0.2671有機(jī)磷-0.422*0.1911磷灰石磷0.369-0.034-0.2941閉蓄態(tài)磷-0.2770.0150.133-0.506*1總磷-0.3610.3550.919**-0.2860.4001優(yōu)先流染色面積比0.669**-0.137-0.676**0.590**-0.362-0.659**1優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)-0.636**-0.0380.405*-0.580**0.3060.369-0.896**1

表3和表4結(jié)果均表明2個樣地優(yōu)先流面積比與優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且優(yōu)先流路徑對磷形態(tài)貢獻(xiàn)率與優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)的相關(guān)系數(shù)均與優(yōu)先流面積比結(jié)果為負(fù)相關(guān)，因此由優(yōu)先流程度評價(jià)指數(shù)與優(yōu)先流染色面積比得出結(jié)果相同。

本研究綜合土壤優(yōu)先流路徑分布特征及其對磷形態(tài)賦存貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量分析。通過優(yōu)先流路徑特征和優(yōu)先流路徑對磷形態(tài)貢獻(xiàn)率等指標(biāo)分析，可以較為準(zhǔn)確地得出優(yōu)先流路徑對溶質(zhì)運(yùn)移的影響，對于更深入評價(jià)優(yōu)先流對水土流失、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題有重要意義。但是本文僅對2種不同土壤類型優(yōu)先流路徑和磷形態(tài)進(jìn)行定量分析，下一步除選取更多樣地研究進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)代表性外，還需要對其他土壤類型選取具有代表性的優(yōu)先流分布特征指數(shù)，需要對優(yōu)先流路徑中更多的溶質(zhì)元素(如氮、重金屬等)賦存狀況進(jìn)行深入研究，從而進(jìn)一步揭示土壤優(yōu)先流路徑對于下游水質(zhì)及生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的重要意義。

4 結(jié)論

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

(2)通過配對樣本T檢驗(yàn)對比土壤優(yōu)先流和基質(zhì)流路徑中磷形態(tài)以及土壤優(yōu)先流路徑貢獻(xiàn)率分析發(fā)現(xiàn)，潛在生物可利用無機(jī)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(yōu)先流路徑對總磷的貢獻(xiàn)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(shí)生物有效無機(jī)磷的貢獻(xiàn)率變化規(guī)律與總磷相反。厄爾士山漬水土壤潛在生物有效無機(jī)磷在土壤底層存在一定的富集?？傮w上，土壤優(yōu)先流路徑對于總磷、即時(shí)生物有效無機(jī)磷、有機(jī)磷的貢獻(xiàn)率變化較大，而對潛在生物有效無機(jī)磷和閉蓄態(tài)磷的貢獻(xiàn)率比較穩(wěn)定。

(3)通過對土壤優(yōu)先流分布特征參數(shù)(優(yōu)先流染色面積比和優(yōu)先流評價(jià)指數(shù))和土壤優(yōu)先流路徑對土壤總磷和磷形態(tài)的貢獻(xiàn)率使用Pearson相關(guān)性檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，不同土壤類型的優(yōu)先流路徑分布對磷形態(tài)的影響不同。其中貢嘎山疏松巖性土壤優(yōu)先流發(fā)育程度與潛在生物可利用無機(jī)磷和有機(jī)磷的貢獻(xiàn)率顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)介于0.712～0.950之間)，而與磷灰石磷和總磷顯著負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)在0.701～0.905之間)；即時(shí)生物有效無機(jī)磷和磷灰石磷與厄爾士山漬水土壤優(yōu)先流發(fā)育程度顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)介于0.405～0.669之間)，而與有機(jī)磷和總磷的貢獻(xiàn)率負(fù)相關(guān)(相關(guān)系數(shù)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(xué)基金面上項(xiàng)目(41272200)和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0502401)

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

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

S152.5

A

1000-1298(2017)01-0220-08