凍融條件下土壤水分和速效磷垂直遷移規(guī)律

周麗麗, 馬世偉, 米彩紅, 李婧楠

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866)

凍融條件下土壤水分和速效磷垂直遷移規(guī)律

周麗麗, 馬世偉, 米彩紅, 李婧楠

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866)

中國東北地區(qū)土壤普遍受到的季節(jié)性凍融作用會影響土壤中速效磷和水分的垂直分配。通過室內(nèi)模擬凍融環(huán)境，分析了凍融循環(huán)條件下黑土速效磷和土壤水分的垂直變化。結(jié)果表明：多次凍融循環(huán)作用使土壤速效磷隨著土壤水分由下層向表層遷移，經(jīng)30次凍融循環(huán)作用后土壤最大含水率和土壤最大速效磷含量均出現(xiàn)在3 cm層；土壤初始含水率越高，凍融作用后向土壤表層遷移的速效磷含量越大，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤各層速效磷含量都有所下降，1次凍融作用后，土壤速效磷的最高含量為50.63 mg/kg，30次后最高含量為43.81 mg/kg，減少了13.5%；利用多元回歸分析分別得出了凍融循環(huán)后土壤含水率和速效磷與初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度的關(guān)系函數(shù)，相關(guān)系數(shù)分別為0.892，0.578。上述研究成果為季節(jié)性凍融區(qū)非點源污染及土壤鹽堿化防治奠定理論基礎(chǔ)。

凍融作用; 含水率; 磷素遷移; 黑土

寒冷地區(qū)土壤速效磷和水分在垂直剖面上的遷移與土壤凍融的關(guān)系十分密切。研究表明，凍融作用可改變土壤結(jié)構(gòu)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(yǎng)分易于溶出或通過各種途徑包裹在礦物顆粒內(nèi)或吸附于土壤膠體表面隨水流遷移，造成土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的流失[1]。周旺明等[2]通過研究發(fā)現(xiàn)，凍融過程增加了土壤淋溶液中總磷和磷酸根的濃度和流失量，表明凍融作用提高了土壤淋溶液中磷的濃度，促進(jìn)了磷的流失。Himan[3]發(fā)現(xiàn)，對于由土壤礦物質(zhì)和土壤團(tuán)聚體內(nèi)冰晶生成時產(chǎn)生的破碎效應(yīng)所形成的礦質(zhì)土壤，經(jīng)過單一或重復(fù)凍融循環(huán)作用，碳酸氫鹽提取磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會有所提高[4]。Ronvaz等[5]在可控土壤培養(yǎng)條件下，發(fā)現(xiàn)溶解磷總量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。磷是土壤鹽分的主要組成部分，并以土壤中水分遷移為主要驅(qū)動力，在土壤中形成垂直方向的遷移。已有研究發(fā)現(xiàn)，凍融條件下土壤中水分的運移和由水分運移所引起的鹽分運移是發(fā)生凍害和土壤鹽堿化的重要原因[6-7]。本研究選取東北黑土為試驗土壤，通過模擬凍融條件，研究不同初始含水率條件下土壤速效磷和水分垂直遷移特性，為進(jìn)一步揭示凍融作用及含水率影響土壤速效磷遷移機制提供支持，為合理預(yù)測因凍融作用產(chǎn)生的侵蝕及磷素遷移、防止非點源污染和土壤鹽堿化奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 土樣采集

試驗用土采集于黑龍江省北安市二井鎮(zhèn)(48°21′8″N，126°33′23″E)，該地為我國東北典型黑土區(qū)，土壤最大凍結(jié)深度一般為2.2 m左右。試驗取耕層土壤，實測飽和含水率高達(dá)55.76%，容重為0.9 g/cm3，土壤pH值為5.85，速效磷(AP)量為20.94 mg/kg，全磷(TP)量為902.20 mg/kg。取回后，將土樣置于陰涼處自然風(fēng)干，過5 mm×5 mm篩，剔除植物根系等雜物。

1.2 土柱填充

結(jié)合《土工試驗標(biāo)準(zhǔn)方法》中擾動土試樣的制作步驟(GB/T50123—1999)，最終確定以下試樣制備方案，可以保證土壤含水量在土柱中均勻分布，具體方法如下：模擬用的土柱管為直徑5 cm、高50 cm的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，俗稱有機玻璃)。將以上采集的土樣平鋪于搪瓷盤內(nèi)。根據(jù)填土量和要設(shè)定的速效磷背景值(60 mg/kg)計算出所需要磷的量，通過所配置的KH2PO4溶液均勻地用噴壺噴灑到土壤中，充分拌勻后，進(jìn)行悶料24 h。測定速效磷含量，選取三點，測速效磷含量使其與要求的60 mg/kg之差不得大于±1%。再根據(jù)要制備的初始含水量(20%，30%，40%)計算出所需要在土壤中添加水的質(zhì)量，用噴壺均勻噴灑，再進(jìn)行悶料24 h，同樣取三點，測試樣的含水率與要求的含水率之差不得大于±1%。采用擊樣法制備擾動土試樣，根據(jù)試樣筒容積、含水量計算每個試樣所需的濕土質(zhì)量，將濕土分層裝入PMMA試樣筒中，通過控制每層土樣的擊實次數(shù)和擊后高度來保證試樣的均勻性，控制容重為0.9 g/cm3。試驗中設(shè)計3次重復(fù)，即設(shè)定凍融循環(huán)結(jié)束后，保證每個處理取土柱為3個，所以土柱填充時每個含水率處理應(yīng)該設(shè)定重復(fù)15個。

1.3 凍融試驗

本試驗采取的是無外界水源補給的封閉系統(tǒng)試驗。在野外田間土壤自上而下凍結(jié)或融化，所以在土柱底部和四周包裹2 mm厚的LDPE(低密度聚乙烯，俗稱珍珠棉)2層，在LDPE外側(cè)采用25 mm厚的聚苯乙烯保護(hù)套包裹，對土柱進(jìn)行隔溫防護(hù)，放入凍融循環(huán)儀，確保土樣自上而下凍融。試驗時，分別將制備的不同初始含水率土柱放入冷凍箱,由溫控儀調(diào)節(jié)冷凍箱的溫度，在-10℃條件下冷凍12 h，在7℃條件下解凍12 h，循環(huán)次數(shù)為1次(1 FTC)，5次(5 FTCs)，10次(10 FTCs)，20次(20 FTCs)和30次(30 FTCs)。設(shè)定凍融循環(huán)結(jié)束后，將土柱從凍融循環(huán)儀中取出，去掉包裹層。在土柱外側(cè)分別量出距表層1 cm，3 cm，5 cm，7 cm，10 cm，15 cm，20 cm，30 cm，40 cm和50 cm處，做標(biāo)記。用專用刀將土柱直接切分進(jìn)行取樣。一部分土樣用烘干法立即測量含水率，為質(zhì)量含水率。另一部分土樣自然風(fēng)干后，用NaHCO3浸提,鉬銻抗比色法[8]測定速效磷含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 凍融作用對土壤水分垂直遷移的影響

凍融循環(huán)條件下土壤水分垂直遷移變化見表1。土壤初始含水率20%，30%和40%經(jīng)過1次凍融循環(huán)后分別在距離表層15 cm，7 cm和15 cm處達(dá)到最大含水率，為20.0%，27.6%和34.7%。5次凍融循環(huán)后最高含水率分別出現(xiàn)在距表層7 cm，7 cm和10 cm處，為19.6%，27.7%和40.0%。經(jīng)過連續(xù)30次凍融循環(huán)后，土壤最高含水率均出現(xiàn)在距離表層3 cm處，分別為22.0%，28.2%和36.8%。經(jīng)過凍融循環(huán)后各層土壤含水率平均值也在距離表層3 cm處達(dá)到最大，為26.6%。對土壤各層含水率進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表1。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤最大含水率與各層含水率多數(shù)達(dá)到顯著差異(p<0.05)，其中未達(dá)到顯著差異的為與最大含水率相鄰的土層。凍融循環(huán)過程使得土壤下層水分向上層遷移，顯著增加了上層水分含量，這會影響春季融雪水的下滲，加劇春季融雪侵蝕。

土壤水分可在水勢梯度、壓力梯度、溫度梯度、溶質(zhì)濃度梯度及電場梯度等各種物理化學(xué)過程引起的力場作用下發(fā)生遷移[6]。在凍結(jié)期，隨著溫度降低，土壤開始從表層向下凍結(jié)，凍土層下界面處土壤水勢較小，而凍結(jié)面之下未凍土壤的水勢較大[9]，所以下層未凍土壤水分向凍土層下界面運移、積蓄，造成土壤水分向上遷移；因凍脹的原因土壤顆粒之間孔隙加大，也為下層水分向上遷移提供了便利性。1次凍融后分別在15 cm，7 cm和15 cm處達(dá)到最大含水率，在下一次凍結(jié)開始，下層未凍水分在水勢作用下繼續(xù)向上層遷移并凍結(jié)。在凍融期，由于外界溫度升高土壤開始由表層向下解凍，消融的土壤水分向下遷移，但土壤下部未解凍層阻礙了土壤水分向下遷移而形成上層滯水[10]，結(jié)果導(dǎo)致遷移至上層的水分通過滲透作用反遷至底層的量要小于凍結(jié)期上移量。因此隨著反復(fù)的凍融作用，土壤水分逐漸由下層向表層移動，5次凍融循環(huán)后最大含水率分別出現(xiàn)在7 cm，7 cm和10 cm處。雖初始含水率不同，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后土壤最大含水率均出現(xiàn)在表層3 cm處。凍融循環(huán)促進(jìn)了土壤水分向上層運移。

表1 凍融循環(huán)條件下土壤含水率垂直分布

注：同一列不同字母表示p<0.05，劃線數(shù)據(jù)為土層中水分含量最大處。

2.2 凍融作用對土壤速效磷垂直遷移的影響

凍融條件下土壤速效磷垂直分布見表2。1次凍融循環(huán)后，初始含水率為20%，30%和40%土壤的速效磷最大含量分別在15 cm，7 cm和15 cm處，為54.05 mg/kg，55.17 mg/kg，51.97 mg/kg。經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，土壤速效磷含量分別在7 cm，7 cm和10 cm處達(dá)到最大，為49.05 mg/kg，46.20 mg/kg和49.56 mg/kg。經(jīng)過連續(xù)30次凍融循環(huán)后土壤速效磷含量均在3 cm處達(dá)到最大，分別為43.97 mg/kg，45.06 mg/kg和43.38 mg/kg。各層土壤平均速效磷含量也在3 cm處最大，為42.19 mg/kg。經(jīng)過凍融循環(huán)后，土壤速效磷最大含量與其他各層達(dá)到了顯著差異(除40%的20 FTCs和30 FTCs)。以上分析得出凍融循環(huán)使土壤下層速效磷向上層運移，多次凍融循環(huán)作用后向表層聚集。

鹽隨水走，這是鹽分在土壤中遷移的主要方式，因此影響水分遷移的因素也會影響鹽分的遷移[11]。在凍結(jié)期，土壤凍結(jié)層從表層向下延伸，下層未凍土壤中磷素在毛管水作用下由水勢較大的未凍層向凍結(jié)層遷移，形成向上運移趨勢。凍融期，土壤開始由表層解凍，尚未融化的凍層起到隔水作用，不但阻止頂部融水向下層滲透，而且隔斷了與下層水的聯(lián)系；同時土壤凍結(jié)層以上消融水分向表層遷移蒸發(fā)，水中速效磷也隨著水分向表層遷移[12]；溫度升高也會增加磷素的吸附作用[13]，因此解凍時溶液中速效磷會重新吸附于土壤，這都導(dǎo)致土壤速效磷在土壤解凍時隨著水分返遷量少于凍結(jié)時向上遷移的量，所以經(jīng)過30次凍融循環(huán)作用后使得土壤最大速效磷含量分別由15 cm，7 cm和15 cm層遷移至了3 cm層，與土壤水分的變化趨勢相似，對各層土壤含水率與速效磷含量進(jìn)行相關(guān)性分析，r=0.268,p=0.001，達(dá)到了極顯著相關(guān)。凍融循環(huán)作用使得土壤磷素隨土壤水分由土壤下層向表層遷移，這使得春季融雪侵蝕加劇了養(yǎng)分的流失，同時也會導(dǎo)致土壤次生鹽漬化。

土壤初始含水率不同會影響速效磷的垂直遷移，由圖1所示，初始含水率為20%，30%和40%時，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后速效磷平均含量最大值分別為42.0 mg/kg，42.9 mg/kg和43.9 mg/kg，最小值分別為39.0 mg/kg，39.6 mg/kg和41.2 mg/kg。由此可知，隨著土壤含水率增加，凍融作用后土壤速效磷含量有增加趨勢。這是因為土壤含水率高，增大了速效磷的溶解性，在凍融作用下隨著土壤水分向上遷移的量增加；土壤高含水率在發(fā)生凍脹作用后對土壤影響更大，因為黑土包含大量2∶1膨脹型黏土礦物，增大了礦物晶格破壞后對磷釋放的趨勢，從而增加了速效磷的含量[14]；土壤對磷的吸附主要通過靜電引力的非專性吸附和配位體交換的專性吸附，pH值大小會影響土壤對磷的吸附，初始含水量增大會增加pH值，正電荷減少，降低了土壤對磷的吸附能力[12]，所以凍融循環(huán)后相對于低含水率土壤速效磷含量較高，土壤含水量的大小影響速效磷遷移量。

不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下土壤速效磷垂直遷移變化見圖2。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤速效磷含量逐漸降低，且在0—20 cm層波動較大。土壤對磷的吸附表現(xiàn)出開始時為快速吸附過程[15]，1次凍融作用后，速效磷的含量減少為50.63 mg/kg，30次凍融循環(huán)后為43.81 mg/kg，較1次凍融后減少了13.5%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，延長了速效磷與土壤膠體的接觸時間，增加了膠體對速效磷的吸附量，土壤速效磷含量逐漸降低；凍融作用可以增加游離氧化鐵的含量，而磷的吸附能力與鐵、鋁氧化物含量呈正相關(guān)[16]，所以降低了速效磷的有效性；另外隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，凍脹作用破壞了土壤結(jié)構(gòu)，增加了土壤顆粒比表面積，增大了磷的吸附電位，也降低了磷的有效性,但隨著這些吸附電位的飽和，速效磷含量減少速率也在降低[17]。多次凍融循環(huán)使得土壤本身吸持量、承載量均達(dá)到飽和，土壤速效磷吸附量與溶液中速效磷呈現(xiàn)動態(tài)平衡的趨勢，所以含量趨于穩(wěn)定。由圖2可知隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土壤速效磷最大含量逐漸向表層移動，這與以上的分析結(jié)果相同。凍融循環(huán)會影響土壤速效磷的有效性，降低磷素等營養(yǎng)物質(zhì)的植物利用率，從而影響生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力。

表2 凍融條件下土壤速效磷垂直分布 mg/kg

注：同一列不同字母表示p<0.05，劃線數(shù)據(jù)為土層中速效磷含量最大處。

圖1不同含水率條件下速效磷垂直遷移變化

圖2不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下速效磷垂直遷移變化

2.3 土壤速效磷與水分相關(guān)性分析

從凍融作用對土壤水分和速效磷垂直遷移的影響可以看出水分運動是影響土體速效磷遷移的主要因素。由表1和表2可以看出，土壤速效磷和水分具有相似的遷移規(guī)律，達(dá)到極顯著正相關(guān)，特別是土層含水率最大值與速效磷濃度最大值的遷移規(guī)律一致。凍融循環(huán)條件下，影響速效磷和水分垂直分布的因素很多，且各種因素之間存在交互作用，使得土壤速效磷和水分垂直遷移特性更為復(fù)雜。考慮各個因素對土壤速效磷和水分垂直遷移的影響，利用SPSS 19.0軟件對試驗所得結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果如下：

(1)

(2)

式中：Y為含水率；Z為速效磷濃度(mg/kg)；X1為初始含水率；X2為凍融循環(huán)次數(shù)(次)；X3為土層深度(m)。

由式(1)可以看出，土壤含水率與初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度之間均呈二次拋物線關(guān)系，影響土壤含水率分布特征的各因素之間存在著不同程度的交互作用。很明顯，在凍融作用下，土壤初始含水率對土柱含水率有促進(jìn)作用，而土層深度可在一定范圍內(nèi)對含水率有抑制作用，隨著土層深度的增加含水率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。因此在實際應(yīng)用中這些因素之間的相互作用規(guī)律，在一定程度上可預(yù)測初始含水率為X1的土層，經(jīng)過X2次續(xù)凍融循環(huán)后，土層深度為X3處的土壤含水率。

由式(2)可知，土壤速效磷濃度與初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度之間的相關(guān)系數(shù)較低，回歸系數(shù)不能準(zhǔn)確地描述各因素與速效磷濃度之間的相關(guān)關(guān)系。為進(jìn)一步了解水分遷移對土壤速效磷運移的影響,對不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同初始含水率條件下的含水率和速效磷濃度平均值(表1和表2)進(jìn)行回歸分析：

P=20.54+82.06X(R2=0.910)

(3)

式中：P表示速效磷濃度(mg/kg)；X代表含水率。

由式(3)可知，土壤速效磷濃度與含水率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。通過式(1)與式(3)得出的含水率和速效磷濃度(即預(yù)測結(jié)果)和在不同初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度條件下的含水率和速效磷濃度(即實測結(jié)果)進(jìn)行檢驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含水率實測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.942，且p<0.001，均值僅差0.004，說明預(yù)測結(jié)果較好。但速效磷實測結(jié)果和預(yù)測結(jié)果的均值為0.347 mg/kg，相關(guān)系數(shù)較低，僅為0.205，且p=0.012>0.001，說明預(yù)測結(jié)果不夠理想。主要原因可能是影響土壤速效磷遷移的因素較含水率復(fù)雜。不僅含水率影響土壤速效磷遷移，而且土壤凍融作用通過改變pH值、有機質(zhì)含量和微生物活性等土壤性質(zhì)，進(jìn)而改變磷素賦存形態(tài)和土壤磷吸附—解吸特性，影響土壤速效磷遷移量。目前，在單因素作用下磷素的遷移過程取得了成果，現(xiàn)有的理論模型都是通過室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗利用數(shù)理統(tǒng)計、正交回歸分析而建立，對實際問題起到一定的指導(dǎo)意義。但在大多數(shù)情況下卻不能按單因素的大小進(jìn)行評判，磷素遷移是各種因素交互作用下的結(jié)果，因此要進(jìn)行綜合評判，方能得出符合實際的結(jié)論。因此，應(yīng)繼續(xù)加強磷素遷移模擬的研究以建立完善的磷素預(yù)報模型。

3 結(jié) 論

(1) 凍融循環(huán)作用使土壤水分由土壤下層向表層遷移，雖土壤初始含水率不同，但經(jīng)過30次的凍融循環(huán)后，土壤最大含水率均出現(xiàn)在3 cm層。

(2) 土壤凍融過程中水分遷移導(dǎo)致速效磷的重新分布，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，速效磷逐漸向土壤表層遷移，1次凍融循環(huán)后，離表層7～15 cm處出現(xiàn)了速效磷濃度的最大值，經(jīng)過連續(xù)30次凍融循環(huán)后，土壤速效磷濃度最大值逐漸遷移至離表層3 cm處。

(3) 土壤初始含水率越高，凍融循環(huán)后隨水分向土壤表層遷移的速效磷越高，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土壤各層速效磷含量都有所下降。1次凍融作用后，土壤速效磷的最高含量為50.63 mg/kg，30次后最高含量為43.81 mg/kg，減少了13.5%。

(4) 利用多元統(tǒng)計分析方法分別將凍融循環(huán)后土壤含水率和速效磷與初始含水率、凍融循環(huán)次數(shù)和土層深度進(jìn)行回歸分析，其中含水率預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果相差不大，相關(guān)系數(shù)為0.942，由于磷素遷移的復(fù)雜性，速效磷濃度預(yù)測結(jié)果與實測結(jié)果差異較大，相關(guān)系數(shù)僅為0.205。

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SoilMoistureandAvailablePhosphorusVerticalMovementLawUndertheFreezingandThawingCondition

ZHOU Lili, MA Shiwei, MI Caihong, LI Jingnan

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgricultureUniversity,Shenyang110866,China)

Soil is generally influenced by seasonal freeze-thaw cycle in northeast of China, which makes available phosphorus and moisture move and redistribute. The indoor simulated freezing and thawing environments were explored to investigate the available phosphorus and moisture vertical movement under freezing and thawing condition. The results showed that the soil available phosphorus, below the frozen layer, moved up with soil moisture under multiple freeze-thaw cycles; and after 30 times of successive freeze-thaw cycles maximum moisture content moved up and appeared below 3 cm of layer; the higher initial soil moisture, migrating to the upper layer of soil available phosphorus was higher after freeze-thaw cycles. But with increase of number of freeze-thaw cycles the soil available phosphorus content decreased. After one freeze-thaw cycles, the highest content of soil available phosphorus was 50.63 mg/kg. After 30 times of successive freeze-thaw cycles, the maximum content of soil available phosphorus was 43.81 mg/kg, reduced by 13.5%. The authors established the relational function between soil moisture content and available phosphorus with the initial moisture content, freeze-thaw cycles and soil depth, respectively, by the method of multiple regression analysis, and the coefficients of correlation respectively were 0.892 and 0.578. This research results will lay a foundation for preventing the non-point source pollution and soil salinization.

freeze-thaw action; phosphorus movement; moisture content; black earth

2016-10-15

：2016-11-13

國家自然科學(xué)基金項目(41101256;41371272);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃(LJQ2013074)

周麗麗(1979—),女,黑龍江賓縣人,副教授,博士,主要從事土壤侵蝕與流域治理等方面的研究。E-mail:zhoulilia@163.com

S152.7；X144

：A

：1005-3409(2017)03-0070-05