不同土地利用方式下土壤磷有效性评估：离子交换膜法与常规化学提取法的比较研究及其对植物生长的预测意义

本研究针对传统土壤磷(P)有效性测试方法(如Colwell P)在预测植物磷吸收方面的局限性，创新性地采用HCO3-AEM(碳酸氢盐饱和阴离子交换膜)和KCl-ACEM(氯化钾饱和阴阳离子交换膜)技术，系统评估了三种土壤在长期土地利用变化(原生植被→耕作/牧场/人工林)后的磷有效性动态。结果表明，HCO3-AEM法能解释90%的植物生物量变异和磷吸收量，显著优于常规测试方法，为优化磷肥管理、提高磷利用效率提供了可靠技术支撑。该成果发表于《Plant and Soil》，对缓解全球磷资源短缺和减少环境磷污染具有重要实践意义。

　　

磷是农业生产的关键限制因子，但全球磷矿资源正面临枯竭危机。传统土壤磷测试方法如Colwell P主要评估磷的"数量因子"，却忽视了磷从固相向液相动态解吸的"速率因子"，尤其在经历长期土地利用变化的土壤中，这种局限性更为突出。当原生植被转为农田或牧场后，土壤有机碳(SOC)、pH值和铁铝氧化物等性质的变化会显著改变磷的赋存形态和有效性。如何准确评估这些复杂条件下的植物有效磷，成为提高磷肥利用效率、减少环境排放的核心科学问题。

浙江大学与昆士兰大学的研究团队创新性地将离子交换膜技术(IEM)应用于三种典型土壤(Ferralsols、Vertisols)的磷有效性评估。通过对比115年土地利用历史下的8种土壤组合，发现碳酸氢盐饱和的阴离子交换膜(HCO₃-AEM)能同时捕捉磷的数量和动态解吸过程，其测定值与Rhodes grass( Chloris gayana )的生物量和磷吸收量呈现显著相关性(R²=0.90)，而传统Colwell P测试则完全失效。该研究为土壤磷素管理提供了更精准的诊断工具，相关成果发表在《Plant and Soil》。

关键技术方法包括：(1)采用连续九次16小时提取的离子交换膜法(包括HCO₃-AEM、NaHCO₃-ACEM等四种组合)测定磷解吸动力学；(2)通过温室盆栽实验量化Rhodes grass在施磷(50 kg ha^-1)与不施磷条件下的生物量响应；(3)结合Hedley连续提取和³¹P NMR分析磷形态；(4)建立土壤性质(SOC:SOP比、结晶态铁等)与磷有效性的关联模型。

【材料与方法】
研究选取澳大利亚亚热带地区三种典型土壤：Lamington黏土(Ferralsols)、Warra黏土(Vertisols)和Kingaroy壤黏土(Ferralsols)，涵盖原生植被及转为耕作(最长82年)、牧场(115年)和人工林(16年)的配对样地。通过十点混合采样获取0-10 cm土层样品，采用1:100土水比的连续提取方案(总时长144小时)，对比五种磷测试方法：常规NaHCO₃提取(Colwell P)、HCO₃-AEM、NaHCO₃-ACEM、Cl-AEM和KCl-ACEM。

【结果】

1. 磷解吸量差异：NaHCO₃-ACEM提取量最高(50.7±8.63 mg kg^-1)，Cl-AEM最低(19.5±6.17 mg kg^-1)。Kingaroy人工林土壤的磷有效性最低，而Lamington原生植被土壤的NaHCO₃-ACEM磷比Colwell P高74%。

2. 解吸速率特征：NaHCO₃提取的磷解吸速率最快(0.58±0.03 mg kg^-1 h^-1)，在Kingaroy人工林土壤中达其他方法的2.5倍。土地利用转变使Lamington土壤的Cl-AEM解吸速率降低34.4%。

3. 植物响应：HCO₃-AEM磷量与植物生物量(R²=0.83)和磷吸收(R²=0.90)呈显著线性相关，其临界值为56.9 mg kg^-1；KCl-ACEM解吸速率能解释81%的产量响应变异。

4. 土壤性质关联：HCO₃-AEM磷量与SOC:SOP比(R=0.74)和电导率(R=0.83)正相关，与结晶态铁(Fed)负相关(R=-0.85)；解吸速率则与pH正相关(R=0.76)。

【结论与意义】
该研究证实离子交换膜技术特别是HCO₃-AEM法，能更全面地表征土壤磷有效性动态：其通过模拟根际连续交换过程，同时整合了磷的"数量因子"和"速率因子"，对植物生长的预测能力显著优于传统化学提取法。这一发现对精准磷肥管理具有三重价值：(1)在酸性铁铝土中，HCO₃-AEM可识别被传统方法低估的有效磷；(2)通过监测磷解吸动态，指导分次施肥以提高利用效率；(3)为评估长期土地利用变化对磷循环的影响提供新方法。研究建议将HCO₃-AEM纳入常规土壤测试体系，这对实现联合国可持续发展目标(SDGs)中的"负责任的磷管理"具有重要实践意义。