土壤磷素形态转化与流失阻控：单一及复合改良剂对磷稳定化效应与机制研究

本刊推荐：本研究系统评估了明矾（alum）、氯化铁（FeCl3）、石膏（gypsum）和硫酸镁（MgSO4）等单一及复合改良剂对曼尼托巴地区六种农业土壤中磷素形态转化与流失阻控效应。结果表明复合改良剂（特别是铁钙/镁组合）可显著降低水溶性磷（WEP）53%-85%，而奥尔森磷（Olsen P）仅降低9.5%，证实其既能有效阻控磷流失又保持作物有效磷供给。通过连续磷分级与扫描电镜-能谱分析（SEM-EDX）揭示了磷向顽固态转化及磷-钙/铁共定位机制，为农业面源污染治理提供重要理论依据。

　　

引言

磷素（P）作为植物生长必需营养元素，在农业生产中具有重要作用。然而施入土壤的磷肥利用率通常低于20%，残余磷素通过土壤侵蚀、地表径流和淋溶等途径流失，成为水体富营养化的主要非点源污染源。近年来，含钙（Ca）、镁（Mg）、铝（Al）或铁（Fe）的土壤改良剂被广泛应用于农田磷素稳定化研究，其通过沉淀、吸附、配体交换和静电吸引等机制，将不稳定磷形态转化为稳定形态。尽管单一改良剂研究已较为深入，但复合改良剂在降低土壤磷流失方面的效果与机制仍待系统探索。

材料与方法

研究选取加拿大曼尼托巴省红河流域六种农业土壤（0-15 cm表层土），包括Osborne、Scanterbury、Red River和Lakeland系列土壤。所有土壤呈碱性（pH>7.3），质地为黏土或粉砂黏壤土，有机质含量7.5%-13%，奥尔森磷浓度60-95 mg kg^-1，属于高磷流失风险土壤。

试验设置15种处理：未改良对照、单一改良剂（明矾KAl(SO₄)₂·12H₂O、氯化铁FeCl₃、石膏CaSO₄·2H₂O、硫酸镁MgSO₄）低剂量（2.5 Mg ha^-1），石膏/硫酸镁高剂量（5 Mg ha^-1），以及八种复合改良剂（铁/铝分别与钙/镁组合）。土壤在22±1°C下培养84天，于0、28、84天测定水溶性磷（WEP）和奥尔森磷浓度。培养结束后采用Jiang和Gu（1989）改进的连续磷分级方法分析磷形态分布，并通过扫描电镜-能谱联用（SEM-EDX）观察元素共定位现象。

结果

土壤理化特性

所有土壤碱性条件下，改良剂处理使pH降低<1.0单位（始终>6.5）。土壤1为盐渍土（EC=6.8 dS m^-1，ESP=11%），其余土壤EC<4 dS m^-1。阳离子交换量（CEC）48-77.9 cmol⁺ kg^-1，交换性钙浓度5900-9700 mg kg^-1。

水溶性磷动态变化

所有改良剂均显著降低WEP浓度（降幅53.0%），其中复合改良剂效果优于单一处理。铁钙/镁组合处理（Gy₁Fe₁、Gy₂Fe₁、Mg₁Fe₁、Mg₂Fe₁）表现最佳，降幅达65%-85%。单一改良剂中氯化铁效果最显著（降幅58%-73%）。盐渍土（土壤1）的WEP降幅<40%，显著低于其他土壤。改良剂剂量（2.5 vs 5 Mg ha^-1）与培养时间（0-84天）对效果无显著影响。

奥尔森磷响应特征

改良剂对奥尔森磷影响较小（平均降幅9.5%），仅部分铁系复合处理出现显著降低（<28%）。土壤2中所有处理均未显著改变奥尔森磷浓度。所有处理后的奥尔森磷浓度（47.8-90.9 mg kg^-1）均保持在作物需磷临界值（15 mg kg^-1）与环境风险阈值（60-120 mg kg^-1）之间。

磷形态分级特征

在土壤3、4、5中，复合改良剂（Gy₁Fe₁、Mg₁Fe₁）显著降低NaHCO₃提取态（易溶性磷）和NH₄Ac提取态（中溶性钙磷）磷含量，同时增加残余磷和NaOH+Na₂CO₃提取态（铁铝结合磷）比例。土壤5中各形态磷无显著变化。磷形态分布顺序为：残余磷≈NH₄Ac-P≈H₂SO₄-P>NH₄F-P>柠檬酸盐-连二亚硫酸盐-P>NaHCO₃-P>NaOH+Na₂CO₃-P。

元素空间分布特征

SEM-EDX分析显示所有处理中磷含量（6%-13%）与钙含量（11%-28%）最高，硅（5%-13%）、铁（1%-6%）、铝（1%-4%）、镁（0.5%-1.5%）次之。虽观察到磷与钙/铁元素的空间共定位现象，但处理间元素丰度无统计学差异。

讨论

磷稳定化机制解析

复合改良剂的协同效应源于多重机制：①化学沉淀形成羟基磷灰石（Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂）、氟磷灰石（Ca₅(PO₄)₃F）、磷铁矿（FePO₄·2H₂O）等难溶化合物；②铁铝水解产物对磷酸盐的专性吸附；③离子强度增高促进磷在黏土矿物和金属（氢）氧化物表面的吸附；④二价阳离子桥接作用增强有机质-磷结合。盐渍土（土壤1）因原有高离子强度及钙镁饱和状态，改良剂效果受限，印证了土壤本底性质对磷稳定化效率的关键影响。

环境与农学意义

WEP浓度与径流溶解磷显著相关，其大幅降低直接印证复合改良剂的环境阻控效益。而奥尔森磷的稳定性意味着作物磷供应未受显著影响，维持了"减流失不减供给"的双赢目标。铁钙组合的卓越性能可能源于铁系物质对酸性环境的缓冲能力与钙系物质的沉淀优势互补。

方法学考量

连续磷分级虽可操作化区分磷形态，但存在化学特异性不足、提取液交叉干扰等问题。SEM-EDX的共定位现象需结合X射线吸收光谱等技术进一步验证元素化学键合关系。

结论

复合改良剂（特别是铁钙/镁组合）可通过转化易溶磷为顽固态磷，显著降低土壤磷流失风险（WEP降幅>65%）而不影响作物有效磷供应。其效果受土壤本底性质（盐度、离子强度、磷饱和度）调控，而与改良剂剂量（2.5-5 Mg ha^-1）和作用时间（0-84天）无关。本研究为农业面源污染治理提供了实证支持，但长期田间验证与机理深度解析仍需持续开展。