富磷农田土壤水淹后利用满江红与香蒲协同提取磷素并调控温室气体排放的生态修复潜力

《Plant and Soil》：Nutrient dynamics and GHG emissions in Azolla and Typha based cultivation on inundated former agricultural soils

本刊推荐：为解决农业土壤转湿地过程中出现的磷污染和甲烷排放问题，研究人员开展满江红（Azolla filiculoides）与窄叶香蒲（Typha angustifolia）协同栽培的生态修复研究。通过两年中宇宙实验发现，该模式可实现年磷提取量67 kg·ha-1，降低水体PO43-浓度，且不增加CH4/N2O排放。研究成果为农业湿地转型中的养分管理提供新路径。

　　

当富含磷素的农田被水淹转为湿地时，往往会引发水体富营养化、生物多样性下降以及大量温室气体排放等连锁生态问题。这种“营养遗产”效应已成为全球湿地生态修复的瓶颈。传统治理方法成本高昂且效果有限，而荷兰拉德堡德大学的研究团队另辟蹊径，尝试利用一种神奇的水生蕨类——满江红（Azolla filiculoides）来破解这一难题。这种植物不仅生长迅速，更能通过其共生的固氮蓝藻从空气中获取氮素，同时高效富集水体中的磷。最新发表于《Plant and Soil》的研究，通过两年户外中宇宙实验，揭示了满江红与窄叶香蒲（Typha angustifolia）协同栽培在农业土壤湿地化过程中的综合生态效益。

研究团队选取两种磷饱和程度不同的前农业土壤（高磷型HiP与极高磷型ExP），构建24个模拟湿地系统，设置满江红单植、满江红-香蒲混植及开放水体对照三种处理。通过定期监测水体营养盐、植物生物量、温室气体通量等指标，系统评估该模式的养分提取效率与环境效应。

关键技术方法包括：1）土壤磷形态分级提取（Olsen-P、草酸盐提取态磷等）与磷饱和度计算；2）水体扩散态与气泡态CH₄同步采集系统（漂浮箱法+气泡捕获器）；3）植物组织元素分析（CNS分析仪与微波消解-ICP-OES联用）；4）水体连续采样与孔隙水Rhizon采样器采集。

土壤特性

ExP土壤表现出极端的磷富集特征，其Olsen-P含量达3.69 mmol·L^-1，磷饱和度为122.5%，显著高于HiP土壤（2.71 mmol·L^-1，59.9%）。两种土壤孔隙水的铁磷比均低于0.25，预示淹水后磷的持续释放潜力。

生物量生产与磷提取

满江红生长呈现明显季节规律，夏季最高生长速率达9.3 g·DW·m^-2·d^-1。但受象甲虫（Stenopelmus rufinasus）侵害，实际年生长期仅3-4个月。满江红在ExP土壤中表现出奢侈吸磷现象，磷含量达0.76%，为HiP土壤（0.30%）的2.5倍。香蒲两年生物量积累达1.17 kg·DW·m^-2，其磷提取贡献使混植系统年磷提取量提升至67.3 kg·ha^-1，显著高于单植系统（38.3 kg·ha^-1）。

水体化学特征

满江红覆盖使水体PO₄^3-浓度降低60%，但在ExP土壤中仍维持较高水平（226 μmol·L^-1）。第二年夏季，满江红覆盖导致表层水缺氧（<2 mg·L^-1），可能促进沉积物磷释放。混植系统蒸发蒸腾量达29.9 L·m^-2·d^-1，显著高于单植系统（5.4 L·m^-2·d^-1）。

温室气体排放

所有处理均以气泡排放为主导CH₄排放途径，最高通量达1189 mg·m^-2·d^-1。满江红覆盖未显著改变CH₄排放总量，但香蒲植株运输贡献了55%的扩散通量。N₂O排放仅出现在淹水初期，与硝态氮快速消耗相关。

本研究证实满江红-香蒲混植模式可有效实现农业土壤磷的提取，同时避免温室气体排放的加剧。尽管象甲虫侵害制约了满江红的全年生长，但通过生物防治（如除虫菊酯应用）有望将磷提取周期从数十年缩短至20年以下。该研究为农业湿地转型提供了兼具养分回收与气候调节功能的自然解决方案，其成功实施需重点突破害虫防控技术与大规模采收机械的研发。值得注意的是，混植系统的高蒸散耗水特性要求充足的水源保障，在干旱地区需审慎评估其适用性。