李貴圓，范昊明

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

凍融作用對(duì)農(nóng)田磷素轉(zhuǎn)化遷移影響研究進(jìn)展

李貴圓，范昊明?

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

凍融作用引起水土流失，造成磷分等無機(jī)污染物流到下游江河湖泊等水體，引起非點(diǎn)源污染，造成土壤肥力下降、生態(tài)環(huán)境惡化等問題。首先從農(nóng)田土壤磷分、植物體內(nèi)磷分以及微生物生物量磷3方面介紹凍融作用對(duì)磷分轉(zhuǎn)化遷移的影響;然后對(duì)凍融作用磷流失的防治提出增施有機(jī)肥、合理密植、恢復(fù)并改良植被、封育、退耕還林(草)等建議;最后，提出我國未來凍融作用對(duì)磷分轉(zhuǎn)化遷移研究在土壤磷分水平、垂直方向上遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，植物體內(nèi)磷分遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，微生物生物量磷遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，以及凍融過程磷分流失模型方面提出研究展望。

凍融作用;磷素;轉(zhuǎn)化遷移;研究進(jìn)展

隨著點(diǎn)源污染得到有效控制和管理，非點(diǎn)源污染成為環(huán)境污染的重要問題。非點(diǎn)源污染物(尤其是農(nóng)田氮、磷等)不僅引起土壤退化、肥力下降，而且引起水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題［1］。以往的研究多集中于從降雨［2-8］、土地利用方式［9-13］、徑流、湖泊等角度研究農(nóng)田或湖泊等水體的磷分流失遷移等特征，即磷素經(jīng)過懸浮態(tài)流失或淋溶遷移流失［14］，在遷移過程中經(jīng)歷降雨徑流、土壤侵蝕、地表溶質(zhì)溶出以及土壤溶液滲漏中的一種或幾種遷移過程［15］;磷素在土壤或水體中遷移時(shí)可以發(fā)生吸附或解吸附、沉淀或溶解、固定或礦化以及植物吸收等［16］，歸納起來即為發(fā)生無機(jī)磷酸鹽溶解作用，有機(jī)磷酸鹽礦化作用、固定作用或無機(jī)磷酸鹽氧化-還原作用中的一種或幾種轉(zhuǎn)化過程［17］。而對(duì)于春季解凍期凍融作用對(duì)農(nóng)田磷分轉(zhuǎn)化遷移特征的研究較少涉及。在中、高緯度及高海拔地區(qū)［18-19］，凍融影響農(nóng)田土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解、土壤養(yǎng)分的吸附與解吸附、形態(tài)轉(zhuǎn)化以及養(yǎng)分的利用與遷移等［20-21］。已有研究［22-24］表明凍融作用對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響主要取決于凍融溫差、凍融交替頻率以及土壤含水量等。凍融改變土壤結(jié)構(gòu)和含水量分布，促進(jìn)土壤微生物活性及有機(jī)質(zhì)礦化，進(jìn)而造成土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的流失［25］。而土壤營養(yǎng)物質(zhì)的遷移又造成下游河道、水體的污染，引起土壤肥力下降和水體富營養(yǎng)化等一系列生態(tài)環(huán)境問題。因此，研究春季解凍期凍融作用對(duì)農(nóng)田磷分遷移影響，對(duì)于減少磷素流失、保持土壤肥力、防止水體等生態(tài)環(huán)境污染均具有重要意義。

1 凍融作用對(duì)土壤磷分轉(zhuǎn)化遷移的影響

有關(guān)凍融作用對(duì)土壤磷分轉(zhuǎn)化遷移的影響，國內(nèi)外研究的比較少，但仍取得了一些成果。王國平等［26］通過探索凍融過程對(duì)濕地土壤磷分吸附性質(zhì)的影響，并測定對(duì)濕地土壤磷分保持可能產(chǎn)生的進(jìn)一步作用，結(jié)果顯示對(duì)應(yīng)于5、10、15℃，6種土壤磷分吸附量的最大值分別為1 770～2 577、1 847～2 533、2 093～2 810 mg/kg，表明濕地土壤的凍融作用能夠顯著影響磷分的吸附與解吸附，而經(jīng)過凍融作用與未經(jīng)凍融處理相比，濕地土壤的緩沖能力亦會(huì)更強(qiáng)。I.Panagopoulis等［27］研究了寒冷氣候條件下6種廣泛分布且具有不同質(zhì)地土壤對(duì)磷流失的影響，結(jié)果表明，即使在寒冷氣候條件下(1990—2001年、平均每年冬季10月末11月初至翌年3月末4月初、平均氣溫均低于0℃)，每年流失到表層水的磷的總量以及滲漏到地下水的硝酸鹽總量也比較多。裴海昆等［28］研究了不同草甸植被類型下土壤中的腐殖質(zhì)類型及土壤中的有機(jī)磷組分，發(fā)現(xiàn)中等活性有機(jī)磷在海拔比較高的土壤中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較低(34.66%和32.58%)，在低海拔地區(qū)的土壤中其質(zhì)量分?jǐn)?shù)比較高，而且隨著溫度的升高，中等穩(wěn)定性有機(jī)磷的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，認(rèn)為在高海拔地區(qū)，土壤經(jīng)常處于凍融交替狀態(tài)，凍融作用促進(jìn)中等活性有機(jī)磷向中等穩(wěn)定性有機(jī)磷轉(zhuǎn)化。

凍融作用可改變土壤結(jié)構(gòu)和含水量分布，增強(qiáng)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［25］。G.Ollesch 等［29］對(duì)俄羅斯Volga集水區(qū)在融雪徑流形成時(shí)期泥沙和營養(yǎng)物的動(dòng)態(tài)遷移過程進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在融雪期間低流量情況下，磷素從緩流耕地土壤遷移到溝渠;而高流量情況下，泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生時(shí)空的分離，耕地是融雪期間泥沙和營養(yǎng)物質(zhì)的源頭。J.B.Shanley等［30］認(rèn)為土壤含水量達(dá)到飽和狀態(tài)后，凍結(jié)土壤孔隙中充滿水體，土壤滲透性降低，促進(jìn)了地表徑流的形成，加速了土壤營養(yǎng)元素的流失。

凍融作用對(duì)土壤磷分的釋放及有效性的影響，常導(dǎo)致微生物呼吸增強(qiáng)［31］，以及土壤溶液中磷分等營養(yǎng)物質(zhì)濃度的升高［32］。M.Freppaz等［32］通過 4種具有對(duì)比性質(zhì)的土壤(放牧草地、粗放經(jīng)營落葉松(Larix decidua)林地、自然擾動(dòng)土壤、冷杉(Abies alba)林地)研究凍融作用后磷分組成形式的變化，結(jié)果表明，所有土壤經(jīng)過凍融作用后，其總?cè)芙庑粤?TDP)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高了。含水率較低時(shí)，經(jīng)過單一凍融作用，放牧草地與粗放經(jīng)營落葉松林地鉬酸反應(yīng)磷(MRP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯升高;含水率較高、初始鉬酸反應(yīng)磷(MRP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低時(shí)，冷杉林地鉬酸反應(yīng)磷(MRP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著升高;而除了冷杉林地，即使這一地點(diǎn)含水率提高較顯著，所有土壤的有機(jī)溶解磷(DOP)在經(jīng)過凍融作用后也均顯著升高;總?cè)芙庑粤?TDP)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而升高。所有土壤總?cè)芙庑粤?TDP)質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯提高，但磷素分形的相對(duì)重要性發(fā)生變化，在較高含水率時(shí)，冷杉林地中鉬酸反應(yīng)磷(MRP)對(duì)總?cè)芙庑粤?TDP)的相對(duì)貢獻(xiàn)率由20%上升為50%，而經(jīng)過凍融作用，有機(jī)溶解磷(DOP)對(duì)總?cè)芙庑粤?TDP)的貢獻(xiàn)率在所有土壤中仍超過50%。周旺明等［33］通過研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照試驗(yàn)相比，凍融處理淋溶液中的總磷(TP)和磷酸根()質(zhì)量濃度分別提高了12.50%和18.37%，淋溶液中總磷(TP)和磷酸根()的流失量分別提高了56.52%和29.41%，凍融過程提高了土壤淋溶液中總磷(TP)和磷酸根()的質(zhì)量濃度和流失量，表明凍融作用提高了土壤淋溶液中磷的質(zhì)量濃度，促進(jìn)了磷的流失。于曉菲等［34］研究了凍融作用對(duì)三江平原毛苔草(Carex lasiocarpa Ehrh.)沼澤、烏拉苔草(Carex meyeriana Kunth)沼澤化草甸、小葉章(Calamagrostis angustifolia Kom.)草甸和大豆(Glycine max(L.)Merr.)農(nóng)田土壤總?cè)芙庑粤?TDP)的影響，結(jié)果表明，凍融作用降低土壤溶液中總?cè)芙庑粤?TDP)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。此外，取樣地點(diǎn)不同、土層不同，凍融作用引起土壤溶液中總?cè)芙庑粤?TDP)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不同，毛苔草沼澤土與烏拉苔草沼澤化草甸土土柱受凍融作用引起的總?cè)芙庑粤?TDP)遞減變化的幅度要大于小葉章草甸土和大豆農(nóng)田土壤。J.B.Fellman等［35］對(duì)取自阿拉斯加?xùn)|南部10條溪流水樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究凍結(jié)對(duì)水體總?cè)芙庑粤?TDP)的影響。研究結(jié)果表明，水樣凍結(jié)后，總?cè)芙庑粤?TDP)的質(zhì)量濃度會(huì)降低。而武瑞平等［36］研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過凍融交替過程后，隨著有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著增加，土壤速效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨含水量的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。王永潔等［37］的研究結(jié)果顯示，隨著消融過程的發(fā)展，蘆葦(Phragmites australis(Calv.)Trin.)沼澤土0～70 cm土層中的磷素質(zhì)量濃度明顯增加，其中土壤表層的磷素變化最明顯(從234.28 mg/L上升至358.00 mg/L，增加幅度為52.8%)，凍融季節(jié)扎龍鹽沼濕地的養(yǎng)分表現(xiàn)出明顯的時(shí)空變化特征。W.G.Hinman［38］、M.D.Ron Vaz［39］等的研究也表明，凍融作用增加了土壤中可提取磷的濃度。M.D.Ron Vaz等［39］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。W.D.Hinman［38］發(fā)現(xiàn)，對(duì)于由土壤礦物質(zhì)和土壤團(tuán)聚體內(nèi)冰晶生成時(shí)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(huì)有所提高［24］。

此外，R.D.Fitzhugh等［20］研究了土壤凍融對(duì)土壤溶液中磷化學(xué)特性的影響，結(jié)果顯示，土壤凍結(jié)會(huì)增加磷的損失率，增大了土壤磷分的流失，對(duì)土壤磷的有效性、生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力產(chǎn)生潛在影響;C.A.I.Goring［40］對(duì)土壤中有機(jī)磷分合成的影響因素進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，凍融作用可促進(jìn)土壤有機(jī)磷的合成，這與 R.D.Fitzhugh［20］、P.M.Groffman［41］等的研究成果一致。

然而也有一些學(xué)者從凍融作用對(duì)磷分遷移轉(zhuǎn)化影響的研究中得出了不同甚至是相反的結(jié)論。Zhao Qiong等［42］通過室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)，研究土壤凍融交替作用對(duì)半干旱地區(qū)溫和氣候條件下土壤無機(jī)磷營養(yǎng)物有效性的影響，結(jié)果表明，解凍后，NaHCO3無機(jī)提取磷(LPi)僅僅出現(xiàn)了微弱的升高，凍融作用對(duì)土壤無機(jī)磷并無顯著影響;H.Sjursen等［43］研究發(fā)現(xiàn)，凍融作用后，有效磷不但沒有升高，反而出現(xiàn)了顯著的下降;還有學(xué)者［44-45］研究認(rèn)為，可溶性磷有效性隨著凍融循環(huán)的變化并沒有產(chǎn)生什么變化。而D.W.L.Read等［46］研究發(fā)現(xiàn)，從秋季到春季，土壤中的可提取磷幾乎沒有什么改變。得出如上結(jié)論的原因可能為從秋季到春季，土壤中各種形態(tài)的磷分之間發(fā)生了相互轉(zhuǎn)化，土壤可提取磷先增加后減少或先減少后增加，導(dǎo)致秋季到春季土壤可提取磷幾乎沒有變化。另外，在一些研究中，取樣的過程也可能造成一定的誤差，如同一地點(diǎn)不同土壤深度、不同取樣量，也可能導(dǎo)致從秋季到春季土壤可提取磷含量之間的差異不明顯。

以上研究雖然取得了較為顯著的成果，但也還存在許多尚未解決的問題。如凍融過程如何影響土壤磷分循環(huán)、凍融作用下磷分對(duì)表層水的負(fù)荷影響、凍融作用對(duì)不同質(zhì)地土壤對(duì)磷分流失的影響，以及凍融作用對(duì)磷流失過程的數(shù)學(xué)或物理表達(dá)等問題均沒有進(jìn)行深入研究。

2 凍融作用對(duì)植物磷分轉(zhuǎn)化遷移的影響

凍融作用對(duì)植物的影響主要是對(duì)其體內(nèi)細(xì)胞有機(jī)物和無機(jī)物的礦化作用。M.E.Bechmann等［47］研究認(rèn)為，隨著凍融作用的變化而流失到徑流中的可溶性磷可能部分來自植物組織，而不全是來自土壤。T.H.Deluca［48］、M.W.Williams［49］等研究認(rèn)為，由于土壤凍融過程造成植物細(xì)胞的死亡和有機(jī)質(zhì)的釋放，加速了土壤中有機(jī)質(zhì)礦化和硝化速率，增加了土壤溶液中可溶性有機(jī)物以及養(yǎng)分的質(zhì)量濃度，其中的一部分便隨著凍土的融化而流失;R.D.Fitzhugh等［20］在美國 Hubbard Brook森林生態(tài)站2年野外試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，凍融作用可導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的流失，土壤凍融后磷的流失量達(dá)15～32 mol/(hm2·a)，其中營養(yǎng)流失主要原因之一就是凍融作用導(dǎo)致植物細(xì)胞的死亡，因此，土壤的凍融過程加速了養(yǎng)分的流失，降低了磷等營養(yǎng)物質(zhì)的植物利用率，從而影響了生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力以及地表水的富營養(yǎng)化。

除了植物體內(nèi)細(xì)胞磷分的作用，凍融作用也對(duì)植物凋落物磷分產(chǎn)生重要影響。植物凋落物在一年四季尤其是入冬季節(jié)賦存于土壤表面。凍融作用可以對(duì)植物凋落物產(chǎn)生重要影響，使得凋落物磷素釋放到土壤，直接或間接經(jīng)過礦化作用成為土壤磷素的一部分，從而影響磷素的遷移轉(zhuǎn)化。鄧仁菊等［50］對(duì)季節(jié)性凍融條件下亞高山森林凋落物元素釋放進(jìn)行研究，結(jié)果顯示，一個(gè)季節(jié)性凍融期間，冷杉(Abies faxoniana Rehder)凋落物中磷的釋放率為(17.0±0.9)%、白樺(Betula platyphylla Sutaczew)凋落物中磷的釋放率為(15.7±1.3)%，冷杉凋落物在一個(gè)季節(jié)性凍融期間釋放到土壤的磷為(0.68±0.08)kg/hm2、白樺為(0.34 ±0.07)kg/hm2，表明凍融作用促進(jìn)了植物凋落物中的磷素遷移到土壤。

M.E.Bechmann等［47］研究了凍融作用對(duì)裸土、混合有牛糞的土壤、穩(wěn)定黑麥草(Lolium multiflorum L.)間作物3種土壤中磷流失的影響，結(jié)果表明，反復(fù)地凍融作用能夠顯著增加作物生物量中的水萃取磷(WEP)，同施肥土壤與裸土相比，徑流中的溶解磷質(zhì)量濃度顯著提高，作物生物量中的水萃取磷同凍融循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)明顯的相關(guān)關(guān)系。I.Sturite等［51］在挪威東南部4個(gè)連續(xù)冬季進(jìn)行了田間試驗(yàn)，分別在秋季與春季測定植物生物量磷，同時(shí)測定了由于凍融作用而從植物體滲漏出來的總磷質(zhì)量濃度，結(jié)果表明，凍融作用下冬季作物冠層的磷分損失較大。但對(duì)于凍融條件下植物體磷分流失機(jī)制卻沒有做出合理解釋，對(duì)北方氣候條件下，冬季微生物如何影響生物地球化學(xué)循環(huán)也沒有進(jìn)行深入的研究。

3 凍融作用對(duì)微生物生物量磷轉(zhuǎn)化遷移影響

土壤有機(jī)磷化合物主要來源于植物殘?bào)w，也有相當(dāng)部分來源于土壤生物，尤其是土壤微生物［52］。在生態(tài)系統(tǒng)中，微生物經(jīng)受多次凍融過程［53-54］。凍融作用造成細(xì)胞嚴(yán)重脫水，細(xì)胞內(nèi)外冰晶的增長對(duì)細(xì)胞膜、細(xì)胞器的機(jī)械損傷以及凍結(jié)造成的溶液濃縮效應(yīng)，使細(xì)胞凍傷，引起細(xì)胞形態(tài)發(fā)生變化［55］。一方面由于微生物的凍融死亡，導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量的下降，微生物體內(nèi)的有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)被釋放出來，刺激殘余微生物活性、適應(yīng)性，隨著凍融循環(huán)頻次的增加，可提高有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的礦化效率［56-58］;另一方面，在凍融交替作用下土壤團(tuán)聚體被破壞而釋放出有機(jī)質(zhì)，而且大部分是易于分解的有機(jī)質(zhì)，使凍融交替過程中土壤微生物增強(qiáng)對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化作用［59］，進(jìn)而使土壤中可溶性礦質(zhì)態(tài)養(yǎng)分含量增加。

關(guān)于凍融作用對(duì)土壤微生物生物量磷轉(zhuǎn)化遷移的影響，也有學(xué)者得出不同結(jié)論。Zhao Qiong等［42］通過室內(nèi)凍融模擬實(shí)驗(yàn)，研究土壤凍融交替作用對(duì)半干旱地區(qū)溫和氣候條件下土壤營養(yǎng)物有效性的影響，結(jié)果表明，土壤微生物量磷(BMP)在整個(gè)培養(yǎng)期內(nèi)受凍融作用的影響并不明顯，土壤微生物量磷(BMP)僅僅出現(xiàn)了微弱的降低，表明凍融作用對(duì)土壤微生物量磷并無顯著影響;H.Sjursen等［43］對(duì)凍融作用條件下亞寒帶土壤營養(yǎng)物有效性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)，凍融作用后，微生物生物量磷不但沒有升高，反而出現(xiàn)了顯著的下降。

關(guān)于凍融作用對(duì)土壤微生物量磷的影響，以上學(xué)者雖得出一些結(jié)論，但未曾針對(duì)凍融作用對(duì)土壤微生物量磷的影響機(jī)制進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn);而且由于土壤時(shí)空條件上的差異，以上學(xué)者研究的試驗(yàn)土壤條件、試驗(yàn)設(shè)計(jì)處理過程也大不相同，因而其結(jié)論缺乏足夠的理論支撐，不具有普遍性。

4 凍融作用條件下磷流失防治

凍融作用可引起較為嚴(yán)重的水土流失，而水土流失造成大量磷素等營養(yǎng)元素隨泥沙遷移流失，是土壤磷分發(fā)生遷移流失的主要途徑;此外，農(nóng)田土壤每年施用大量化肥農(nóng)藥、耕作方式不合理等等，也是造成土壤磷分遷移流失的原因之一。國外對(duì)于磷分流失的防治進(jìn)行的比較早。自從1991年，對(duì)于存在較高侵蝕危險(xiǎn)的地區(qū)，挪威增加了農(nóng)民的農(nóng)業(yè)補(bǔ)貼來種植間作物［60］，增加間作物，其目的在于減少夏季作物收獲后營養(yǎng)物的流失［61-62］。瑞典通過立法的形式來控制牲畜密度，規(guī)定每公頃耕地所允許的牲畜數(shù)量，以保證牲畜產(chǎn)生的糞便不超過農(nóng)田的承載量［63］，由于牲畜產(chǎn)生的單位面積糞便量減少了，磷分等營養(yǎng)物的流失也相應(yīng)地減少了。此外，瑞典還通過多項(xiàng)措施以減少磷分的流失，如冬季土壤密植，防止土壤顆粒發(fā)生分離、滲漏;改良土壤腐殖質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)來改善水分的滲透;避免濕地施肥，以降低大孔隙造成磷分輸移等等。而國內(nèi)也已有學(xué)者對(duì)凍融侵蝕的防治做了一些研究。張建國等［64］認(rèn)為植被是凍融侵蝕重要的分級(jí)評(píng)價(jià)因子之一，可以通過提高植被覆蓋度降低凍融侵蝕，即植被的地上部分保護(hù)地表、植被根系對(duì)土體固結(jié)纏繞提高土壤穩(wěn)定性以及植被降低土溫以降低凍融作用程度等。王恒松等［65］在研究清鎮(zhèn)示范區(qū)王家寨-羊昌洞小流域及喀斯特生態(tài)修復(fù)基礎(chǔ)之上，提出一些降低土壤受凍融作用影響的措施，包括退耕還林(草)、合理密植、提高土地復(fù)種指數(shù)等等。此外，還可以通過修建梯田、截流溝、等高犁溝、實(shí)行等高耕作等農(nóng)用地水土流失防治措施以降低凍融侵蝕［66］。

總的來說，凍融作用下磷分流失的防治可以從以下幾方面進(jìn)行:1)減少化肥等無機(jī)肥的施用，用人畜糞便等有機(jī)肥代替無機(jī)肥，從土壤磷分來源方面減少磷分的輸入;2)采用穴狀、條帶狀或二者結(jié)合播種施肥，保留植被，減少磷分輸移;3)選擇適應(yīng)性強(qiáng)、耐寒耐旱耐瘠薄、根系發(fā)達(dá)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的樹種或草種對(duì)易發(fā)生凍融侵蝕的地區(qū)進(jìn)行植被的恢復(fù)和改良，達(dá)到通過增加植被提高土壤穩(wěn)定性和降低土溫以降低凍融作用程度;4)采取封育措施，封山育草和退耕還林(草)合理密植，減少人為活動(dòng)對(duì)植被的破壞;5)因地制宜、因時(shí)制宜，通過修建梯田、截流溝、等高犁溝、實(shí)行等高耕作等農(nóng)用地水土保持措施以降低凍融侵蝕;6)加大立法力度，加強(qiáng)環(huán)保宣傳力度;7)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有生態(tài)環(huán)境的保護(hù)力度，加強(qiáng)對(duì)森林植被的保護(hù)和監(jiān)督。

5 研究展望

凍融作用對(duì)磷分的轉(zhuǎn)化、遷移、流失具有重要的作用，流失掉的磷分又將對(duì)下游水體等產(chǎn)生危害，造成水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題。目前，對(duì)于凍融作用條件下磷分轉(zhuǎn)化、遷移機(jī)制的研究取得了較好的研究成果，但仍有許多尚未解決的問題，有關(guān)研究對(duì)于更好地制訂和實(shí)施凍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、保護(hù)水土資源、改善生態(tài)環(huán)境具有重要意義。魏麗紅［67］綜述了凍融作用對(duì)土壤養(yǎng)分含量及有效性的影響，指出凍融作用下土壤養(yǎng)分含量、存在狀態(tài)及其有效性的變化應(yīng)成為今后研究的重點(diǎn)。而對(duì)于未來凍融作用對(duì)磷分轉(zhuǎn)化、遷移影響機(jī)制的研究，筆者認(rèn)為應(yīng)從以下4方面深入進(jìn)行。

5.1 凍融過程對(duì)土壤磷分轉(zhuǎn)化遷移機(jī)制

研究凍融作用下農(nóng)田土壤磷分在水平方向、垂直方向上的遷移及轉(zhuǎn)化機(jī)制。在凍融影響下磷分在水平、垂直方向上如何遷移、以何種形式遷移，游離態(tài)或化合態(tài)，遷移的過程中是吸附于膠體表面還是泥沙顆粒表面等;磷分不同存在形態(tài)磷之間發(fā)生何種形式的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的過程是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。

5.2 凍融過程對(duì)植物磷分轉(zhuǎn)化遷移機(jī)制

研究凍融作用條件下植物體內(nèi)磷分的遷移及轉(zhuǎn)化的機(jī)制。在凍融影響下磷分如何遷出植物體外，對(duì)土壤磷分含量有何影響;植物體內(nèi)磷分不同存在形態(tài)磷之間發(fā)生何種形式的轉(zhuǎn)化，化合態(tài)變?yōu)橛坞x態(tài)亦或是從有機(jī)態(tài)變?yōu)闊o機(jī)態(tài)、轉(zhuǎn)化的過程是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。

5.3 凍融過程對(duì)微生物生物量磷轉(zhuǎn)化遷移機(jī)制

研究凍融作用條件下微生物生物量磷的遷移和轉(zhuǎn)化機(jī)制。微生物經(jīng)受凍融過程中，體內(nèi)生物量磷發(fā)生何種形式的轉(zhuǎn)化;微生物凍融死亡后，其體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)會(huì)滲出體外，流向土壤的過程中，又發(fā)生何種形式的轉(zhuǎn)化，遷移的過程怎樣，對(duì)土壤中磷分含量有何影響等。

5.4 凍融過程磷分流失模型

目前對(duì)于模型開發(fā)方面的研究，已有很多預(yù)報(bào)模型，如凍土研究方面的凍脹-融沉量模型、凍結(jié)-融化深度預(yù)報(bào)模型、凍土中的水分運(yùn)動(dòng)規(guī)律模型、雪蓋變化模型以及融雪量計(jì)算模型等;土壤侵蝕方面的水蝕模型、風(fēng)蝕模型等;但對(duì)于凍融作用下農(nóng)田土壤磷分流失模型，仍未建立可靠的預(yù)報(bào)模型。因此，凍融侵蝕急需解決的問題之一就是要建立凍融作用下農(nóng)田土壤的磷分流失模型，預(yù)測凍融作用下農(nóng)田土壤磷分的流失量，為磷分流失的防治、環(huán)保部門制訂相關(guān)政策提供理論和依據(jù)。

［1］王錦平，司陽，張士勇.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染狀況及其防治措施［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(8):266-267

［2］梁新強(qiáng)，田光明，李華，等.天然降雨條件下水稻田氮磷徑流流失特征研究［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2005，19(1):59-63

［3］甘華軍，王震洪，張絲菊，等.不同降雨強(qiáng)度中度石漠化地區(qū)氮/磷/鉀流失特征［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(4):93-95

［4］焦平金，王少麗，許迪，等.次暴雨下作物植被類型對(duì)農(nóng)田氮磷徑流流失的影響［J］.水利科學(xué)，2009，40(3):296-301

［5］于會(huì)彬，席北斗，郭旭晶，等.降水對(duì)農(nóng)田排水溝渠中氮磷流失的影響［J］.環(huán)境科學(xué)研究，2009，22(4):409-414

［6］鄔倫，李佩武.降雨-產(chǎn)流過程與氮磷流失特征研究［J］. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，1996，16(1):111-116

［7］李裕元，邵明安，鄭紀(jì)勇，等.降雨強(qiáng)度對(duì)黃綿土坡地磷流失特征影響試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(4):39-45

［8］黃滿湘，周成虎，章申，等.農(nóng)田暴雨徑流侵蝕泥沙流失及其對(duì)氮磷的富集［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2002，16(4):13-16

［9］趙敏慧，楊樹華，王寶榮.不同植被類型對(duì)土壤全氮隨降雨徑流流失的控制研究:以撫仙湖流域磷礦開采區(qū)為例［J］.云南地理環(huán)境研究.2006，18(40):20-26

［10］謝學(xué)儉，陳晶中，湯莉莉，等.不同磷水平處理下水稻田磷氮徑流流失研究［J］.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，16(6):261-266

［11］袁東海，王兆騫，陳歡，等.不同農(nóng)作方式下紅壤坡耕地土壤磷素流失特征［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2003，14(10):1661-1664

［12］黃東風(fēng)，王果，李衛(wèi)華，等.不同施肥模式對(duì)蔬菜產(chǎn)量、硝酸鹽含量及菜地氮磷流失的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2008，22(5):5-10

［13］黃云鳳，張珞平，洪華生，等.不同土地利用對(duì)流域土壤侵蝕和氮、磷流失的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，23(4):735-739

［14］尹澄清，毛戰(zhàn)坡.用生態(tài)工程技術(shù)控制農(nóng)村非點(diǎn)源污染［J］. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，13(2):229-232

［15］張永龍，莊季屏.農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］. 生態(tài)學(xué)雜志，1998，17(6):51-55

［16］王曉燕.非點(diǎn)源污染及其管理［M］.北京:海洋出版社，2003:87-88

［17］竇培謙，王曉燕，王麗華.非點(diǎn)源污染中氮磷遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理研究進(jìn)展［J］.首都師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2006，27(2):93-98

［18］趙其國，王浩清，顧國安.中國的凍土［J］.土壤學(xué)報(bào)，1993，30(4):341-354

［19］Grogan P，Michelsen A，Ambus P，et al.Freeze-thaw regime effects on carbon and nitrogen dynamics in sub-arctic heath tundra mesocosms［J］.Soil Biology and Biochemistry，2004，36(4):641-654

［20］Fitzhugh R D，Driscoll C T，Groffman P M，et al.Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen，phosphorus and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem［J］.Biochemistry，2001，56:215-238

［21］樸河春，袁芷云，劉廣深，等.非生物應(yīng)力對(duì)土壤性質(zhì)的影響［J］.土壤肥料，1998(3):17-21

［22］Edwards L M.The effect of alternate freezing and thawing on aggregate stability and aggregate size distribution of some Prince Edward Island soil［J］.Journal of Soil Science，1991，42:193-204

［23］Lehrsch G A.Freeze-thaw cycles increase near surface aggregate stability［J］.Journal of Soil Science，1998，163:63-70

［24］Taskin O，F(xiàn)erhan F.Effect of freezing and thawing processes on soil aggregate stability［J］.Catena，2003，52:1-8

［25］王洋，劉景雙，王國平，等.凍融作用與土壤理化效應(yīng)的關(guān)系研究［J］.地理與地理信息科學(xué)，2007，23(2):91-96

［26］Wang G P，Liu J S，Zhao H Y，et al.Phosphorus sorption by freeze-thaw treated wetland soils derived from a winter-cold zone(Sanjing Plain，Northeast China)［J］.Geoderma，2007，138:153-161

［27］Panagopoulos I，Mimikou M，Kapetanaki M.Estimation of Nitrogen and Phosphorus Losses to Surface Water and Groundwater Through the Implementation of the SWAT Model for Norwegian Soils［J］.J Soils Sediments，2007，7(4):223-231

［28］裴海昆，朱志紅，喬有明，等.不同草甸植被類型下土壤腐殖質(zhì)及有機(jī)磷類型探討［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，2001，10(4):18-23

［29］Ollesch G，Demidov V，Volokitin M，et al.Sediment and nutrient dynamics during snowmelt runoff generation in a southern Taiga catchment of Russia［J］.Agriculture，E-cosystems and Environment，2008，126:229-242

［30］Shanley J B，Chalmers A.The effect of frozen soil on snowmelt runoff at Sleepers River，Vermont［J］.Hydrology Proceedings，1999，13:1843-1858

［31］Ludwig B，Teepe R，Lopes V，et al.CO2and N2O emissions from gleyic soil in the Russian tundra and a german forest during freeze-thaw periods-a microcosm study［J］.Soil Biology and Biochemistry，2006，38:3516-3519

［32］Freppaz M，Williams B L，Edwards A C，et al.Simulating soil freeze/thaw cycles typical of winter alpine conditions:Implications for N and P availability［J］.Applied Soil Ecology，2007，35:247-255

［33］周旺明，王金達(dá)，劉景雙，等.凍融及枯落物對(duì)濕地土壤淋溶液的影響［J］.中國環(huán)境科學(xué)，2008，28(10):927-932

［34］Yu X F，Zou Y C，Jiang M，et al.Response of soil constituents to freeze-thaw cycles in wetland soil solution［J］.Soil Biology＆Biochemistry，2011，43:1308-1320

［35］Fellman J B，D’Amore D V，Hood E.An evaluation of freezing as a preservation technique for analyzing dissolved organic C、N and P in surface water samples［J］.Science of the Total Environment，2008，392:305-312

［36］武瑞平，李華，曹鵬.風(fēng)化煤施用對(duì)復(fù)墾土壤理化性質(zhì)酶活性及植被恢復(fù)的影響研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(9):1855-1861

［37］王永潔，羅金明，葉雅杰，等.季節(jié)性凍融對(duì)扎龍濕地演化的影響［J］.水土保持學(xué)報(bào)，2009，23(5):34-43

［38］Hinman W G.Effects of freezing and thawing on some chemical properties of three soils［J］.Can J Soil Sci，1970，50:179-182

［39］Ron Vaz M D，Edwards A C，Shand C A，et al.Changes in the chemistry of soil solution and acetic-acid extractable P following different types of freeze/thaw episodes［J］.Euro J Soil Sci，1994，45:353-359

［40］Goring C A I.Biological transformations of phosphorus in soil II Factors affecting synthesis of organic phosphorus［J］.Plant and Soil，1973，38(3):557-566

［41］Groffman P M，Hardy J P，Nolan S，et al.Snow depth，Soil frost and nutrient loss in a northern hardwood forest［J］.Hydr.Process，1999，13:2275-2286

［42］Zhao Q，Zeng D H，F(xiàn)an Z P.Effects of freeze-thaw on soil nitrogen and phosphorus availability at the Keerqin Sandy Lands，China［J］.Journal of Forestry Research，2008，19(1):44-48

［43］Sjursen H，Michelsen A，Holmstrup M.Effects of freezethaw cycles on microarthropods and nutrient availability in a sub-Arctic soil［J］.Applied Soil Ecology，2005，28:79-93

［44］Peltovuori T，Soinne H.Phosphorus solubility and sorption in frozen，air-dried and field-moist soil［J］.European Journal of Soil Science，2005，56:821-826

［45］Soinne H，Peltovuori T.Extractability of slurry and fertilizer phosphorus in soil after repeated freezing［J］.Agricultural and Food Science，2005，14:181-188

［46］Read D W L，Cameron D R.Changes in the amount of nitrogen and phosphorus in the soil between the fall and spring sampling［J］.Can J Soil Sci，1979，59(6):271-276

［47］Bechmann M E，Kleinman P J A，Sharpley A N，et al.Freeze-Thaw Effects on Phosphorus Loss in Runoff from Manured and Catch-Cropped Soils［J］.Journal of Environmental Quality，2005，34(6):2301-2309

［48］Deluca T H，Keeney D R，Mccarty G M.Effect of freezethaw events on mineralization of soil nitrogen［J］.Biology and Fertility of Soils，1992，14:116-120

［49］Williams M W，Losleben M，Caine N，et al.Change in the climate and hydrochemical responses in a high-elevation catchment in the Rocky Mountains，U.S.A. ［J］.Limnology Oceanogr，1996，41:939-946

［50］鄧仁菊，楊萬勤，馮瑞芳，等.季節(jié)性凍融期間亞高山森林凋落物的質(zhì)量損失及元素釋放［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2009，29(10):5730-5735

［51］Sturite I，Henriksen T M，Breland T A.Winter losses of nitrogen and phosphorus from Italian ryegrass，meadow fescue and white clover in a northern temperate climate［J］.Agriculture，Eco-systems and Environment，2007，120:280-290

［52］George T S，Tumer B L，Gergory P J，et al.Pepletion of organic phosphorus from oxisols in relation to phosphatase activities in the rhizosphere［J］.European Journal of Soil Science，2006，57:47-57

［53］Larsen K S，Jonasson S，Michelsen A.Repeated freezethaw cycles and their effects on biological processes in two arctic ecosystem types［J］.Applied Soil Ecology，2002，21:187-195

［54］Marion G M.Freeze/thaw processes and soil chemistry.U.S.Army Corps Engineers，Special Reports［R］.Philadelphia:the American Society for Testing and Material，1995

［55］Mazur P.Cryobiology:the freezing of biological systems［J］.Science，1970，168:939-949

［56］Schimel J P，Clein J S.Microbial response to freeze-thaw cycles in tundra and taiga soils［J］.Soil Biology and Biochemistry，1996，28:1061-1066

［57］Clein L S，Schimel J P.Microbial activity of tundra and taiga soils at sub-zero temperatures［J］.Biology and Biochemistry，1995，27:1231-1234

［58］Appel T.Non-biomass soil organic N-the substrate for N mineralization flushes following soil drying rewetting and for organic N rendered CaCl2-extractable upon soil drying［J］.Soil Biology and Biochemistry，1998，30(10/11):1445-1456

［59］Hassink J.Effects of soil texture and structure on carbon and nitrogen mineralization in grassland soils［J］.Biology and Fertility of Soils，1992，14:126-134

［60］Lundekvam H E，Romstad E，?ygarden L.Agricultural policies in Norway and effects on soil erosion［J］.Environmental Science＆ Policy，2003，6:57-67

［61］Meisinger J J，Hargrove W L，Mikkelsen R L，et al.Effects of cover crops on ground water quality［C］∥Hargrove W L.Cover crops for clean water.Ankeny IA:Soil and Water Conservation Society，1991:57-68

［62］Bergstrom L F，Jokela W E.Ryegrass cover crop effects on nitrate leaching in spring barley fertilized with15NH4

15NO3［J］.J Environ Qual，2001，30:1659-1667

［63］Ulén B，Jakobsson C.Critical evaluation of measures to mitigate phosphorus losses from agricultural land to surface waters in Sweden［J］.Science of the Total Environment，2005，344:37-50

［64］張建國，劉淑珍，楊思全.西藏凍融侵蝕分級(jí)評(píng)價(jià)［J］.地理學(xué)報(bào)，2006，61(9):911-918

［65］王恒松，熊康寧，劉云.喀斯特地區(qū)凍融作用對(duì)土壤物理特性的影響:以王家寨-羊昌洞小流域?yàn)槔跩］.水土保持研究，2009，16(2):101-106

［66］范昊明，蔡強(qiáng)國.凍融侵蝕研究進(jìn)展［J］.中國水土保持科學(xué)，2003，1(4):50-55

［67］魏麗紅.凍融作用對(duì)土壤理化及生物學(xué)性質(zhì)的影響綜述［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(11):5054-5057

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

Li Guiyuan，F(xiàn)an 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

項(xiàng)目名稱:國家自然科學(xué)基金“遼西褐土旱作農(nóng)田區(qū)溝灌侵蝕機(jī)理與侵蝕過程研究”(41071183);國家自然科學(xué)青年基金“東北旱地耕作土壤凍融作用機(jī)理與春季解凍期土壤侵蝕模擬”(40601054)

李貴圓(1986—)，男，碩士研究生。主要研究方向:凍融作用機(jī)制與水土流失。E-mail:li.gui.yuan@163.com

?責(zé)任作者簡介:范昊明(1972—)，男，博士，副教授。主要研究方向:流域侵蝕、產(chǎn)沙與水土保持規(guī)劃。E-mail:fanhaoming@163.com

(責(zé)任編輯:程 云)