李贵圆，范昊明

(沈阳农业大学水利学院，110866，沈阳)

冻融作用对农田磷素转化迁移影响研究进展

李贵圆，范昊明†

(沈阳农业大学水利学院，110866，沈阳)

冻融作用引起水土流失，造成磷分等无机污染物流到下游江河湖泊等水体，引起非点源污染，造成土壤肥力下降、生态环境恶化等问题。首先从农田土壤磷分、植物体内磷分以及微生物生物量磷3方面介绍冻融作用对磷分转化迁移的影响;然后对冻融作用磷流失的防治提出增施有机肥、合理密植、恢复并改良植被、封育、退耕还林(草)等建议;最后，提出我国未来冻融作用对磷分转化迁移研究在土壤磷分水平、垂直方向上迁移转化机制，植物体内磷分迁移转化机制，微生物生物量磷迁移转化机制，以及冻融过程磷分流失模型方面提出研究展望。

冻融作用;磷素;转化迁移;研究进展

随着点源污染得到有效控制和管理，非点源污染成为环境污染的重要问题。非点源污染物(尤其是农田氮、磷等)不仅引起土壤退化、肥力下降，而且引起水体富营养化等生态环境问题［1］。以往的研究多集中于从降雨［2-8］、土地利用方式［9-13］、径流、湖泊等角度研究农田或湖泊等水体的磷分流失迁移等特征，即磷素经过悬浮态流失或淋溶迁移流失［14］，在迁移过程中经历降雨径流、土壤侵蚀、地表溶质溶出以及土壤溶液渗漏中的一种或几种迁移过程［15］;磷素在土壤或水体中迁移时可以发生吸附或解吸附、沉淀或溶解、固定或矿化以及植物吸收等［16］，归纳起来即为发生无机磷酸盐溶解作用，有机磷酸盐矿化作用、固定作用或无机磷酸盐氧化-还原作用中的一种或几种转化过程［17］。而对于春季解冻期冻融作用对农田磷分转化迁移特征的研究较少涉及。在中、高纬度及高海拔地区［18-19］，冻融影响农田土壤有机质的矿化分解、土壤养分的吸附与解吸附、形态转化以及养分的利用与迁移等［20-21］。已有研究［22-24］表明冻融作用对土壤理化性质的影响主要取决于冻融温差、冻融交替频率以及土壤含水量等。冻融改变土壤结构和含水量分布，促进土壤微生物活性及有机质矿化，进而造成土壤中营养物质的流失［25］。而土壤营养物质的迁移又造成下游河道、水体的污染，引起土壤肥力下降和水体富营养化等一系列生态环境问题。因此，研究春季解冻期冻融作用对农田磷分迁移影响，对于减少磷素流失、保持土壤肥力、防止水体等生态环境污染均具有重要意义。

1 冻融作用对土壤磷分转化迁移的影响

有关冻融作用对土壤磷分转化迁移的影响，国内外研究的比较少，但仍取得了一些成果。王国平等［26］通过探索冻融过程对湿地土壤磷分吸附性质的影响，并测定对湿地土壤磷分保持可能产生的进一步作用，结果显示对应于5、10、15℃，6种土壤磷分吸附量的最大值分别为1 770～2 577、1 847～2 533、2 093～2 810 mg/kg，表明湿地土壤的冻融作用能够显著影响磷分的吸附与解吸附，而经过冻融作用与未经冻融处理相比，湿地土壤的缓冲能力亦会更强。I.Panagopoulis等［27］研究了寒冷气候条件下6种广泛分布且具有不同质地土壤对磷流失的影响，结果表明，即使在寒冷气候条件下(1990—2001年、平均每年冬季10月末11月初至翌年3月末4月初、平均气温均低于0℃)，每年流失到表层水的磷的总量以及渗漏到地下水的硝酸盐总量也比较多。裴海昆等［28］研究了不同草甸植被类型下土壤中的腐殖质类型及土壤中的有机磷组分，发现中等活性有机磷在海拔比较高的土壤中其质量分数比较低(34.66%和32.58%)，在低海拔地区的土壤中其质量分数比较高，而且随着温度的升高，中等稳定性有机磷的相对质量分数逐渐减少，认为在高海拔地区，土壤经常处于冻融交替状态，冻融作用促进中等活性有机磷向中等稳定性有机磷转化。

冻融作用可改变土壤结构和含水量分布，增强土壤释水性和水分渗透性，使融化后的土壤水分含量显著提高，养分易于溶出或通过各种途径包裹在矿物颗粒内或吸附于土壤胶体表面随水流迁移，造成土壤中营养物质的流失［25］。G.Ollesch 等［29］对俄罗斯Volga集水区在融雪径流形成时期泥沙和营养物的动态迁移过程进行了研究，发现在融雪期间低流量情况下，磷素从缓流耕地土壤迁移到沟渠;而高流量情况下，泥沙和营养物质发生时空的分离，耕地是融雪期间泥沙和营养物质的源头。J.B.Shanley等［30］认为土壤含水量达到饱和状态后，冻结土壤孔隙中充满水体，土壤渗透性降低，促进了地表径流的形成，加速了土壤营养元素的流失。

冻融作用对土壤磷分的释放及有效性的影响，常导致微生物呼吸增强［31］，以及土壤溶液中磷分等营养物质浓度的升高［32］。M.Freppaz等［32］通过 4种具有对比性质的土壤(放牧草地、粗放经营落叶松(Larix decidua)林地、自然扰动土壤、冷杉(Abies alba)林地)研究冻融作用后磷分组成形式的变化，结果表明，所有土壤经过冻融作用后，其总溶解性磷(TDP)的质量分数升高了。含水率较低时，经过单一冻融作用，放牧草地与粗放经营落叶松林地钼酸反应磷(MRP)质量分数明显升高;含水率较高、初始钼酸反应磷(MRP)质量分数最低时，冷杉林地钼酸反应磷(MRP)质量分数显著升高;而除了冷杉林地，即使这一地点含水率提高较显著，所有土壤的有机溶解磷(DOP)在经过冻融作用后也均显著升高;总溶解性磷(TDP)的质量分数随着冻融循环次数的增加而升高。所有土壤总溶解性磷(TDP)质量分数明显提高，但磷素分形的相对重要性发生变化，在较高含水率时，冷杉林地中钼酸反应磷(MRP)对总溶解性磷(TDP)的相对贡献率由20%上升为50%，而经过冻融作用，有机溶解磷(DOP)对总溶解性磷(TDP)的贡献率在所有土壤中仍超过50%。周旺明等［33］通过研究发现，与对照试验相比，冻融处理淋溶液中的总磷(TP)和磷酸根()质量浓度分别提高了12.50%和18.37%，淋溶液中总磷(TP)和磷酸根()的流失量分别提高了56.52%和29.41%，冻融过程提高了土壤淋溶液中总磷(TP)和磷酸根()的质量浓度和流失量，表明冻融作用提高了土壤淋溶液中磷的质量浓度，促进了磷的流失。于晓菲等［34］研究了冻融作用对三江平原毛苔草(Carex lasiocarpa Ehrh.)沼泽、乌拉苔草(Carex meyeriana Kunth)沼泽化草甸、小叶章(Calamagrostis angustifolia Kom.)草甸和大豆(Glycine max(L.)Merr.)农田土壤总溶解性磷(TDP)的影响，结果表明，冻融作用降低土壤溶液中总溶解性磷(TDP)的质量分数。此外，取样地点不同、土层不同，冻融作用引起土壤溶液中总溶解性磷(TDP)的质量分数也不同，毛苔草沼泽土与乌拉苔草沼泽化草甸土土柱受冻融作用引起的总溶解性磷(TDP)递减变化的幅度要大于小叶章草甸土和大豆农田土壤。J.B.Fellman等［35］对取自阿拉斯加东南部10条溪流水样进行实验研究冻结对水体总溶解性磷(TDP)的影响。研究结果表明，水样冻结后，总溶解性磷(TDP)的质量浓度会降低。而武瑞平等［36］研究发现，经过冻融交替过程后，随着有机质质量分数的提高，土壤速效磷质量分数显著增加，土壤速效磷质量分数随含水量的增加呈现出先上升后下降的趋势。王永洁等［37］的研究结果显示，随着消融过程的发展，芦苇(Phragmites australis(Calv.)Trin.)沼泽土0～70 cm土层中的磷素质量浓度明显增加，其中土壤表层的磷素变化最明显(从234.28 mg/L上升至358.00 mg/L，增加幅度为52.8%)，冻融季节扎龙盐沼湿地的养分表现出明显的时空变化特征。W.G.Hinman［38］、M.D.Ron Vaz［39］等的研究也表明，冻融作用增加了土壤中可提取磷的浓度。M.D.Ron Vaz等［39］在可控土壤培养条件下，发现溶解磷总量随着冻融循环次数的增加而增大。W.D.Hinman［38］发现，对于由土壤矿物质和土壤团聚体内冰晶生成时产生的破碎效应所形成的矿质土壤，经过单一或重复冻融循环作用，碳酸氢盐提取磷的质量分数会有所提高［24］。

此外，R.D.Fitzhugh等［20］研究了土壤冻融对土壤溶液中磷化学特性的影响，结果显示，土壤冻结会增加磷的损失率，增大了土壤磷分的流失，对土壤磷的有效性、生态系统生产力产生潜在影响;C.A.I.Goring［40］对土壤中有机磷分合成的影响因素进行了研究，结果表明，冻融作用可促进土壤有机磷的合成，这与 R.D.Fitzhugh［20］、P.M.Groffman［41］等的研究成果一致。

然而也有一些学者从冻融作用对磷分迁移转化影响的研究中得出了不同甚至是相反的结论。Zhao Qiong等［42］通过室内冻融模拟实验，研究土壤冻融交替作用对半干旱地区温和气候条件下土壤无机磷营养物有效性的影响，结果表明，解冻后，NaHCO3无机提取磷(LPi)仅仅出现了微弱的升高，冻融作用对土壤无机磷并无显著影响;H.Sjursen等［43］研究发现，冻融作用后，有效磷不但没有升高，反而出现了显著的下降;还有学者［44-45］研究认为，可溶性磷有效性随着冻融循环的变化并没有产生什么变化。而D.W.L.Read等［46］研究发现，从秋季到春季，土壤中的可提取磷几乎没有什么改变。得出如上结论的原因可能为从秋季到春季，土壤中各种形态的磷分之间发生了相互转化，土壤可提取磷先增加后减少或先减少后增加，导致秋季到春季土壤可提取磷几乎没有变化。另外，在一些研究中，取样的过程也可能造成一定的误差，如同一地点不同土壤深度、不同取样量，也可能导致从秋季到春季土壤可提取磷含量之间的差异不明显。

以上研究虽然取得了较为显著的成果，但也还存在许多尚未解决的问题。如冻融过程如何影响土壤磷分循环、冻融作用下磷分对表层水的负荷影响、冻融作用对不同质地土壤对磷分流失的影响，以及冻融作用对磷流失过程的数学或物理表达等问题均没有进行深入研究。

2 冻融作用对植物磷分转化迁移的影响

冻融作用对植物的影响主要是对其体内细胞有机物和无机物的矿化作用。M.E.Bechmann等［47］研究认为，随着冻融作用的变化而流失到径流中的可溶性磷可能部分来自植物组织，而不全是来自土壤。T.H.Deluca［48］、M.W.Williams［49］等研究认为，由于土壤冻融过程造成植物细胞的死亡和有机质的释放，加速了土壤中有机质矿化和硝化速率，增加了土壤溶液中可溶性有机物以及养分的质量浓度，其中的一部分便随着冻土的融化而流失;R.D.Fitzhugh等［20］在美国 Hubbard Brook森林生态站2年野外试验的研究结果表明，冻融作用可导致土壤养分的流失，土壤冻融后磷的流失量达15～32 mol/(hm2·a)，其中营养流失主要原因之一就是冻融作用导致植物细胞的死亡，因此，土壤的冻融过程加速了养分的流失，降低了磷等营养物质的植物利用率，从而影响了生态系统的生产力以及地表水的富营养化。

除了植物体内细胞磷分的作用，冻融作用也对植物凋落物磷分产生重要影响。植物凋落物在一年四季尤其是入冬季节赋存于土壤表面。冻融作用可以对植物凋落物产生重要影响，使得凋落物磷素释放到土壤，直接或间接经过矿化作用成为土壤磷素的一部分，从而影响磷素的迁移转化。邓仁菊等［50］对季节性冻融条件下亚高山森林凋落物元素释放进行研究，结果显示，一个季节性冻融期间，冷杉(Abies faxoniana Rehder)凋落物中磷的释放率为(17.0±0.9)%、白桦(Betula platyphylla Sutaczew)凋落物中磷的释放率为(15.7±1.3)%，冷杉凋落物在一个季节性冻融期间释放到土壤的磷为(0.68±0.08)kg/hm2、白桦为(0.34 ±0.07)kg/hm2，表明冻融作用促进了植物凋落物中的磷素迁移到土壤。

M.E.Bechmann等［47］研究了冻融作用对裸土、混合有牛粪的土壤、稳定黑麦草(Lolium multiflorum L.)间作物3种土壤中磷流失的影响，结果表明，反复地冻融作用能够显著增加作物生物量中的水萃取磷(WEP)，同施肥土壤与裸土相比，径流中的溶解磷质量浓度显著提高，作物生物量中的水萃取磷同冻融循环次数呈现明显的相关关系。I.Sturite等［51］在挪威东南部4个连续冬季进行了田间试验，分别在秋季与春季测定植物生物量磷，同时测定了由于冻融作用而从植物体渗漏出来的总磷质量浓度，结果表明，冻融作用下冬季作物冠层的磷分损失较大。但对于冻融条件下植物体磷分流失机制却没有做出合理解释，对北方气候条件下，冬季微生物如何影响生物地球化学循环也没有进行深入的研究。

3 冻融作用对微生物生物量磷转化迁移影响

土壤有机磷化合物主要来源于植物残体，也有相当部分来源于土壤生物，尤其是土壤微生物［52］。在生态系统中，微生物经受多次冻融过程［53-54］。冻融作用造成细胞严重脱水，细胞内外冰晶的增长对细胞膜、细胞器的机械损伤以及冻结造成的溶液浓缩效应，使细胞冻伤，引起细胞形态发生变化［55］。一方面由于微生物的冻融死亡，导致土壤微生物数量的下降，微生物体内的有机营养物质被释放出来，刺激残余微生物活性、适应性，随着冻融循环频次的增加，可提高有机营养物质的矿化效率［56-58］;另一方面，在冻融交替作用下土壤团聚体被破坏而释放出有机质，而且大部分是易于分解的有机质，使冻融交替过程中土壤微生物增强对有机质的矿化作用［59］，进而使土壤中可溶性矿质态养分含量增加。

关于冻融作用对土壤微生物生物量磷转化迁移的影响，也有学者得出不同结论。Zhao Qiong等［42］通过室内冻融模拟实验，研究土壤冻融交替作用对半干旱地区温和气候条件下土壤营养物有效性的影响，结果表明，土壤微生物量磷(BMP)在整个培养期内受冻融作用的影响并不明显，土壤微生物量磷(BMP)仅仅出现了微弱的降低，表明冻融作用对土壤微生物量磷并无显著影响;H.Sjursen等［43］对冻融作用条件下亚寒带土壤营养物有效性进行了研究，发现，冻融作用后，微生物生物量磷不但没有升高，反而出现了显著的下降。

关于冻融作用对土壤微生物量磷的影响，以上学者虽得出一些结论，但未曾针对冻融作用对土壤微生物量磷的影响机制进行相关试验;而且由于土壤时空条件上的差异，以上学者研究的试验土壤条件、试验设计处理过程也大不相同，因而其结论缺乏足够的理论支撑，不具有普遍性。

4 冻融作用条件下磷流失防治

冻融作用可引起较为严重的水土流失，而水土流失造成大量磷素等营养元素随泥沙迁移流失，是土壤磷分发生迁移流失的主要途径;此外，农田土壤每年施用大量化肥农药、耕作方式不合理等等，也是造成土壤磷分迁移流失的原因之一。国外对于磷分流失的防治进行的比较早。自从1991年，对于存在较高侵蚀危险的地区，挪威增加了农民的农业补贴来种植间作物［60］，增加间作物，其目的在于减少夏季作物收获后营养物的流失［61-62］。瑞典通过立法的形式来控制牲畜密度，规定每公顷耕地所允许的牲畜数量，以保证牲畜产生的粪便不超过农田的承载量［63］，由于牲畜产生的单位面积粪便量减少了，磷分等营养物的流失也相应地减少了。此外，瑞典还通过多项措施以减少磷分的流失，如冬季土壤密植，防止土壤颗粒发生分离、渗漏;改良土壤腐殖质，改良土壤结构来改善水分的渗透;避免湿地施肥，以降低大孔隙造成磷分输移等等。而国内也已有学者对冻融侵蚀的防治做了一些研究。张建国等［64］认为植被是冻融侵蚀重要的分级评价因子之一，可以通过提高植被覆盖度降低冻融侵蚀，即植被的地上部分保护地表、植被根系对土体固结缠绕提高土壤稳定性以及植被降低土温以降低冻融作用程度等。王恒松等［65］在研究清镇示范区王家寨-羊昌洞小流域及喀斯特生态修复基础之上，提出一些降低土壤受冻融作用影响的措施，包括退耕还林(草)、合理密植、提高土地复种指数等等。此外，还可以通过修建梯田、截流沟、等高犁沟、实行等高耕作等农用地水土流失防治措施以降低冻融侵蚀［66］。

总的来说，冻融作用下磷分流失的防治可以从以下几方面进行:1)减少化肥等无机肥的施用，用人畜粪便等有机肥代替无机肥，从土壤磷分来源方面减少磷分的输入;2)采用穴状、条带状或二者结合播种施肥，保留植被，减少磷分输移;3)选择适应性强、耐寒耐旱耐瘠薄、根系发达、经济价值高的树种或草种对易发生冻融侵蚀的地区进行植被的恢复和改良，达到通过增加植被提高土壤稳定性和降低土温以降低冻融作用程度;4)采取封育措施，封山育草和退耕还林(草)合理密植，减少人为活动对植被的破坏;5)因地制宜、因时制宜，通过修建梯田、截流沟、等高犁沟、实行等高耕作等农用地水土保持措施以降低冻融侵蚀;6)加大立法力度，加强环保宣传力度;7)加强对现有生态环境的保护力度，加强对森林植被的保护和监督。

5 研究展望

冻融作用对磷分的转化、迁移、流失具有重要的作用，流失掉的磷分又将对下游水体等产生危害，造成水体富营养化等生态环境问题。目前，对于冻融作用条件下磷分转化、迁移机制的研究取得了较好的研究成果，但仍有许多尚未解决的问题，有关研究对于更好地制订和实施冻融作用引起的磷分流失的防治措施、降低并控制磷分的流失、保护水土资源、改善生态环境具有重要意义。魏丽红［67］综述了冻融作用对土壤养分含量及有效性的影响，指出冻融作用下土壤养分含量、存在状态及其有效性的变化应成为今后研究的重点。而对于未来冻融作用对磷分转化、迁移影响机制的研究，笔者认为应从以下4方面深入进行。

5.1 冻融过程对土壤磷分转化迁移机制

研究冻融作用下农田土壤磷分在水平方向、垂直方向上的迁移及转化机制。在冻融影响下磷分在水平、垂直方向上如何迁移、以何种形式迁移，游离态或化合态，迁移的过程中是吸附于胶体表面还是泥沙颗粒表面等;磷分不同存在形态磷之间发生何种形式的转化，转化的过程是处于静止状态还是运动状态等。

5.2 冻融过程对植物磷分转化迁移机制

研究冻融作用条件下植物体内磷分的迁移及转化的机制。在冻融影响下磷分如何迁出植物体外，对土壤磷分含量有何影响;植物体内磷分不同存在形态磷之间发生何种形式的转化，化合态变为游离态亦或是从有机态变为无机态、转化的过程是处于静止状态还是运动状态等。

5.3 冻融过程对微生物生物量磷转化迁移机制

研究冻融作用条件下微生物生物量磷的迁移和转化机制。微生物经受冻融过程中，体内生物量磷发生何种形式的转化;微生物冻融死亡后，其体内的营养物质会渗出体外，流向土壤的过程中，又发生何种形式的转化，迁移的过程怎样，对土壤中磷分含量有何影响等。

5.4 冻融过程磷分流失模型

目前对于模型开发方面的研究，已有很多预报模型，如冻土研究方面的冻胀-融沉量模型、冻结-融化深度预报模型、冻土中的水分运动规律模型、雪盖变化模型以及融雪量计算模型等;土壤侵蚀方面的水蚀模型、风蚀模型等;但对于冻融作用下农田土壤磷分流失模型，仍未建立可靠的预报模型。因此，冻融侵蚀急需解决的问题之一就是要建立冻融作用下农田土壤的磷分流失模型，预测冻融作用下农田土壤磷分的流失量，为磷分流失的防治、环保部门制订相关政策提供理论和依据。

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Study progress on effects of freezing and thawing on phosphorus transformation and migration

Li Guiyuan，Fan Haoming
(College of Water Conservancy，Shenyang Agriculture University，110866，Shenyang，China)

Freezing and thawing action causes soil and water losses，so that inorganic pollutants including phosphorus are released to downstream water-body(e.g.，rivers and lakes).Non-point source pollution is likely to happen，which gives rise to some problems，such as decline of soil fertility and deterioration of ecological environment.Firstly，the effects of freezing and thawing on phosphorus transformation and migration were introduced from three aspects，phosphorus in farmland soil，phosphorus in plant body and phosphorus of microbial biomass;and then，some measures to prevent and cure phosphorus losses derived from freezing and thawing were put forward，such as application of organic fertilizer，proper close planting，restoring and improving vegetation，closed forest，conversion of cropland to forest and grass and so on.Finally，future promising studies on effects of freezing and thawing on phosphorus transformation and migration were predicted，which include mechanism of migration and transformation of soil phosphorus in horizontal and vertical direction，mechanism of migration and transformation of phosphorus in plant body，mechanism of migration and transformation of phosphorus of microbial biomass，models of phosphorus losses during freezing and thawing process.

effects of freezing and thawing;phosphorus;transformation and migration;progress

2011-02-10

2011-10-10

项目名称:国家自然科学基金“辽西褐土旱作农田区沟灌侵蚀机理与侵蚀过程研究”(41071183);国家自然科学青年基金“东北旱地耕作土壤冻融作用机理与春季解冻期土壤侵蚀模拟”(40601054)

李贵圆(1986—)，男，硕士研究生。主要研究方向:冻融作用机制与水土流失。E-mail:li.gui.yuan@163.com

†责任作者简介:范昊明(1972—)，男，博士，副教授。主要研究方向:流域侵蚀、产沙与水土保持规划。E-mail:fanhaoming@163.com

(责任编辑:程 云)