磷作为植物生长发育必不可少的营养元素之一，也是限制作物生长和农业生产的重要养分^[1]。我国设施蔬菜每季磷素（P₂O₅）投入量可达 600～1000 kg/hm²，但吸收利用率却较低，经常不到 15%^[2]。磷的有效性与土壤固液相间磷的转化有密切关系，吸附能限制植物对磷的吸收利用，解吸则能使磷从土壤中流失^[3]。通常，植物对磷素的获取主要依赖于土壤的供给^[4]，磷在土壤中以不同形态存在，植物吸收利用的是土壤中的有效磷，土壤有效磷的消长取决于土壤磷素的收支状况，而消长速度则与土壤性质有关^[5]。不同质地土壤胶体表面的吸附能力不同，因而影响土壤溶液中磷的浓度^[6]。但由于土壤液相部分的磷素与胶体表面的铁、铝氧化物发生配位交换而被吸附固定，使土壤中的磷多以稳定的化合物形态存在，导致其溶解性较差且难以运移，最终影响土壤磷素对植物的有效性^[7]。因此，通过对土壤磷吸附与解吸特征的研究，深入了解土壤对磷素固定与释放过程的机理和影响因素一直是生态环境学研究的热点问题。

根据山西省第二次土壤普查数据^[8]，褐土、潮土和黄绵土是山西省主要的耕作土壤，占全省总耕地面积的 78.63%。褐土在山西省分布于暖温带半干旱半湿润气候区，干湿季节交替明显，气候条件的差异直接影响着土壤物质的淋溶与淀积； 潮土有机质积累不多，母质为冲洪积物，砂粘互层或交错；黄绵土剖面通体壤土或砂质壤土，钾素丰富，但有机质和有效养分含量低。山西省农民长期以来习惯大量施用土杂肥，不仅增加了土壤肥力，也带给土壤大量其他物质，加厚了活土层^[9]。不同质地土壤颗粒的比表面和表面吸附力不同，与土壤对磷的吸附解吸有密切关系，是土壤重要的化学反应之一，控制土壤溶液中磷的浓度，决定土壤中有效磷的含量，进而影响作物的生长发育^[3，10]。

国内外学者已从多方面对土壤磷的吸附解吸特征开展了研究，土壤类型、土层深度及施肥措施等均是影响磷吸附解吸的主要因素^[1，11]。有关土壤类型对磷吸附解吸的影响方面，学者们在褐土和潮土上开展的较多，黄绵土早期有零星的研究^[12-13]。目前，山西省内有关土壤磷素吸附与解吸特征的研究相对较少，尤其关于山西省三大主要耕作土壤和不同土层土壤固磷和供磷特性的研究鲜有报道。本研究以山西省褐土、潮土和黄绵土三大耕作土壤及不同土层土壤为研究对象，通过土壤固磷和供磷参数的测定，分析褐土、潮土和黄绵土不同土层土壤中磷吸附与解吸特征的规律性变化，明确磷在土壤中的分配规律，可为评估不同土壤对磷的环境容量、预测土壤中磷流失状况、合理施肥、提高磷肥利用率等提供理论基础和实践指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤包括褐土（采自晋中市太谷县）、潮土（采自太原市）和黄绵土（采自吕梁市柳林县） 3 种类型，每种土壤分 0～20、20～40、40～60 cm 3 个层次采集。将野外采集的土样分层处理，剔除土样中的根茬、石块和动物残体等杂物，将土样自然阴干，过 2 mm 筛保存备用。供试土壤的基本理化性质见表1。

1.2 试验方法

吸附解吸试验^[14]：称取过 1 mm 筛孔的风干土样 3.0 g 于 50 mL 离心管中，分别加入 30 mL 含 P 量为 0、20、40、60、80、100、120、160、200 mg/L 的 KCl 溶液（ 将 KH₂PO₄ 溶于 0.01 mol/L），每个处理重复 3 次，加两滴氯仿抑制微生物生长，室温 （25℃）下连续振荡 30 min 后，在 25℃恒温箱中平衡 24 h，并在 4000 r/min 离心机中离心 10 min，用钼锑抗比色法测定上清液中磷含量即为平衡液中磷的浓度。土壤磷的吸附量为添加的溶液与平衡液中的磷浓度之差。根据所得结果，以平衡液中的磷浓度为横坐标，土壤吸附的磷浓度为纵坐标画图，此为磷的等温吸附曲线，并用 Langmuir 方程进行拟合。

选取初始外源磷浓度为 80、100、120、160、 200 mg/L 的处理进行解吸试验。在离心管中加入饱和 NaCl 溶液，清洗两次以除去游离态磷，加入 30 mL 0.01 mol/L 的 KCl 溶液，室温（25℃）下连续振荡 30 min 后，在 25℃恒温箱中平衡 24 h，并在 4000 r/min 离心机中离心 10 min，用钼锑抗比色法测定上清液中磷含量即为磷的解吸量。

1.3 理化分析及方法

pH 值采用玻璃电极法测定；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法测定；有效磷采用 0.5 mol/L 碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用 1 mol/L NH₄OAc 浸提-火焰光度法测定；全磷采用 NaOH 熔融-钼锑抗比色法测定；硝态氮采用 CaCl₂ 浸提-流动分析仪测定^[15]。

1.4 数据处理

Langmuir 等温吸附方程^[16]：

式中，C 为平衡溶液中磷浓度（mg/L）；Q 为土壤对磷的吸附量（mg/kg）；Q_m 为土壤对磷的最大吸附量 （mg/kg），K 为表面吸附常数。

当平衡溶液中磷浓度 C 为 0.2 mg/L 时，土壤对磷的吸附量 Q 即为“标准需磷量”（SPR）^[17]，根据以上方程计算。

根据试验结果及 Langmuir 方程确定土壤磷的 Q_m、K 值，计算土壤磷的最大缓冲容量（MBC）和磷的吸附饱和度（DPS）‚ 其公式如下：

数据处理、绘图等采用 Excel 2007 进行；方差分析采用 SPSS 20.0 进行。

2 结果与分析

2.1 褐土、潮土和黄绵土不同土层的等温吸附曲线

由图1 可知，褐土、潮土和黄绵土各土层磷等温吸附曲线大致相同，整体上土壤吸附磷量随平衡液磷浓度增加呈先快速增加再趋于平缓的趋势。3 种供试土壤对磷的吸附较明显地分为快速吸附和慢速吸附 2 个阶段。在平衡液磷浓度低于 60 mg/L 时，土壤对磷的吸附量增加较快，各条曲线上升快而陡，此时为土壤对磷的快速吸附阶段；当平衡液浓度达到 60 mg/L 时，曲线出现拐点，斜率明显下降，土壤对磷的吸附速度减慢，即土壤对磷的吸附能力开始下降；随着平衡液浓度的继续增加，土壤对磷吸附量的增加较缓慢且有所降低，曲线逐渐趋于平缓，此为土壤对磷的慢速吸附阶段。从图1 中的曲线比较可知，加入相同浓度外源磷，在 0～20、20～40、40～60 cm 土层吸附磷量均表现为褐土 >黄绵土 >潮土，同一土层褐土吸附磷量为黄绵土和潮土的 2～3 倍。对于同一土壤的不同土层，其吸附磷量均随土壤深度的增加而增加，40～60 cm 土层对磷的吸附量最大，表层 0～20 cm 土层土壤的吸附磷量最小。

2.2 褐土、潮土和黄绵土不同土层的磷吸附特征

由表2 可知，采用 Langmuir 方程对 3 种土壤不同土层的磷等温吸附进行拟合，其相关系数均达到显著水平（R² =0.9528～0.9968）。因此，使用该方程描述 3 种土壤对磷的吸附特性并由此计算的一些相关参数是可行的。

最大吸附量（Q_m）反映土壤磷库大小，只有在磷库达到一定容量时，土壤才有可能向作物提供磷素养分^[17]。由表2 可知，褐土和潮土的 Q_m 随土壤深度的增加而增加，40～60 cm 土层 Q_m 最大，分别为 793.65 和 256.41 mg/kg；但黄绵土 Q_m 随深度增加并无变化，始终为 263.16 mg/kg。在同一土层时，3 种土壤 Q_m 均表现为褐土 >黄绵土 >潮土，即褐土对磷的吸附量最大。

吸附常数（K）反映土壤吸附磷的能级，K 值越大，说明常温下土壤对磷的吸附能级越强，致使其供磷能力越弱^[18]。由表2 可知，K 值均随土壤深度增加而变大，各土壤 40～60 cm 土层 K 值最大；在同一土层中，3 种土壤 K 值均为黄绵土较高，表明其对磷素吸附和固定能力较强。而黄绵土有效磷含量较低（18.81 mg/kg，表1），表明该土壤可供植株吸收的磷较少。因此，在实际生产中，应考虑适当提高磷肥施用量，保证作物正常生长的需要。

最大缓冲量（MBC）综合反映磷吸附强度与容量因素，MBC 值大说明土壤贮存磷的能力强^[17]。由表2 可知，3 种土壤 MBC 值均随土壤深度增加而逐渐增大，40～60 cm 土层 MBC 值最大。褐土、潮土和黄绵土 3 个不同土层 MBC 值范围分别是 35.82～49.38、16.31～26.74 和 28.90～129.87mg/kg；在同一土层，潮土相较于褐土和黄绵土的 MBC 最小，即对磷的活化能力较强，供磷能力则较高。

DPS 反映土壤吸附磷位点的饱和状况，是评估土壤固磷能力及磷淋溶流失风险的指标，DPS 越大，土壤固相的磷越易解吸进入液相，土壤对磷的吸附能力越低^[19]。由表2 可知，3 种土壤 DPS 值随土壤深度增加而减小，说明耕层土壤更易产生磷素淋失风险；在 0～20 cm 土层 3 种土壤 DPS 为潮土 >褐土 >黄绵土，在 20～40 和 40～60 cm 土层中 3 种土壤 DPS 为潮土 >黄绵土 >褐土，潮土 0～20 cm 土层 DPS 可达 21.73%，而褐土、黄绵土分别为 7.40%、7.15%，潮土中磷素淋失风险明显较高。

2.3 3 种土壤需磷量、土壤主要性质与土壤磷吸附参数的关系

土壤需磷量可用来研究磷肥利用率，并为农业生产中磷肥的合理施用提供科学依据，其估算方法有肥料效应函数及土壤磷饱和吸附配方施磷法。土壤磷饱和吸附法主要包括土壤吸附等温线法、土壤磷酸吸收系数法和磷肥指标法^[6]。土壤吸附等温线法是一种常见的土壤磷饱和吸附法，在 1970 年 Fox 等人设计提出用不同含磷浓度溶液处理土壤，当磷浓度维持在 0.2 mg/L 时，旱地作物生长量便可达到最高生长量的 92%～98%，因此把平衡溶液中磷浓度保持在 0.2 mg/L，土壤对磷的吸附量即为“标准需磷量”^[20]。由表2 可知，采用 Langmuir 等温吸附方程估算 3 种土壤需磷量，对于 0～20 cm 耕层土壤需磷量与最大吸附量趋势一致，即褐土 >黄绵土 >潮土，褐土、潮土和黄绵土需磷量分别为 7.10、3.22 和 5.65 mg/kg。

从 3 种土壤对磷的等温吸附参数与土壤主要性质的相关性（表3）来看，仅 DPS 与有机质呈极显著正相关，与有效磷和全磷均达显著正相关，其他参数与土壤主要性质间虽呈一定的相关性，但未达显著水平。

注：Q_m 为最大吸附量，K 为表面吸附常数，MBC 为最大缓冲量，DPS 为磷吸附饱和度，SPR 为标准需磷量。* 和 ** 分别表示 P<0.05 和 P<0.01 水平。

2.4 褐土、潮土和黄绵土不同土层磷解吸特征

土壤对磷的解吸是吸附的逆反应，但存在滞后的现象，因为吸附的磷只有部分能被解吸下来^[1]。由表4 可知，土壤所吸附的磷素在一定程度上能够被解吸下来重新进入溶液。土壤解吸磷量随平衡溶液磷浓度的增加而增加，且在相同磷浓度条件下，同一土层对磷的解吸量均表现为褐土 >潮土 >黄绵土，即褐土相较于潮土和黄绵土对磷的解吸量最大。不同土层土壤对磷的解吸能力也有差异，解吸量随着土层深度增加而减少，在相同平衡液磷浓度下均表现为 0～20 cm 土层土壤解吸量最大， 40～60 cm 土层最小，且差异显著（P<0.05）。

注：不同小写字母表示不同土层间差异显著（P<0.05）。

3 讨论

本试验中山西省三大耕作土壤对磷的吸附特征与常用的 Langmuir 等温吸附方程有很好的拟合性，相关系数均达显著水平，这与有关学者^[18，21] 在 3 种水稻土和长期施肥条件下灰漠土上所得结果基本一致。等温吸附曲线表明，3 种供试土壤对磷的吸附量随着平衡液浓度的增加而不断增加，平衡液磷浓度低于 60 mg/L 时为土壤对磷的快速吸附阶段，该阶段与土壤中的铁、铝矿物对磷的化学吸附以及黏粒上的盐基离子对磷的共价吸附有关^[22]；当平衡液浓度达到 60 mg/L 时，随着平衡液浓度的继续增加，土壤对磷吸附量的增加较缓慢，曲线逐渐趋于平缓，此为土壤对磷的慢速吸附阶段，该阶段与吸附位点饱和后土壤对磷的物理性吸附和物理化学吸附有关^[18]。

不同土壤对磷的吸附能力相差较大，本试验中 Q_m 低至 232.76 mg/kg（潮土 0～20 cm 土层），最高可达 793.65 mg/kg（褐土 40～60 cm 土层），这可能与供试土壤的质地类型、有机质含量、种植年限以及土壤 pH 等影响有关。谢学俭等^[18]对 3 种水稻土的研究证明，物理性黏粒含量显著影响不同土壤类型或土壤不同层次下的最大吸附量。不同土层土壤有机质、黏粒、pH 值等土壤性质差异较大，进而影响土壤磷素的有效性。杨小燕等^[23]研究发现，未开垦黑土土壤有机质含量高，分解过程有机阴离子能竞争磷吸附点位，增加磷的有效性，减少土壤对磷的固定。由于本试验未做粒径分析，难以反映这类土壤磷吸附的全部特征，有待进一步的试验研究。

DPS 常作为磷的土壤环境容量，用以评估土壤固磷能力及磷淋溶流失风险。刘彦伶等^[24]研究认为，黄壤 DPS 达 10% 左右时存在极高的磷素淋失风险。Chrysostome 等^[25]和戚瑞生等^[26]则将 DPS 值为 15% 时作为土壤磷素流失的临界值。荷兰国家环保局^[27]认为 DPS 达到 25% 时，土壤中磷素极易发生流失。在本研究中，仅潮土 0～20 cm 土层 DPS 可达 21.73%，而其他土壤各土层 DPS 均低于 10%。因此，潮土中磷素淋失风险明显较高。 DPS 受 Q_m 和有效磷共同影响，Q_m 与农业生产中的施肥结构有关，而有效磷受磷肥施用量的影响，在合理施磷条件下，调节有机无机肥配施可减少环境影响，同时保证磷素供应充足。其他研究者发现， DPS 与有机质、全磷和碳酸钙呈显著正相关^[28]，张微微^[29]研究结果表明，有机质会通过与胶体比表面积和 pH 的关系来影响磷的吸附-解吸，从而影响土壤有效磷效率。本研究中土壤有机质、有效磷和全磷含量越高，土壤对磷的吸附能力越低，土壤固相的磷越易解吸进入液相。

从环境科学的角度来看，土壤磷解吸与土壤吸附磷再利用、提高作物有效性及土壤向水体释放磷素等相关^[14，16]。表3 显示，当初始外源磷浓度增加时，土壤对磷的解吸量也会增加。其原因可能是吸附的磷更多地被固定在土壤中不能解吸出来，只有当磷含量达到一定浓度时，多余的磷才能解吸出来。这说明如果土壤本身含磷量高或者外界补给了大量磷，在条件适合的情况下，这些磷会随水流失，进而增加附近水体的含磷量，加速周围水体的富营养化进程，对环境产生潜在的负效应，影响环境质量。因此，对农田土壤要合理施肥，既保证作物生长对肥料的需要量，又做到不浪费资源。不同土层磷解吸量与土壤有机质、有效磷、全磷和 pH 随土层变化趋势一致，将其做相关分析，发现土壤有效磷与不同土层磷解吸量相关程度较高，但未达显著水平，可能本研究中不同土层磷解吸量受土壤有效磷影响较大。

4 结论

Langmuir 方程能较好描述 3 种土壤不同土层对磷的吸附解吸特征。3 种土壤及其不同土层间对磷的吸附解吸均存在不同程度的差异。

（1）土壤对磷的吸附能力随深度增加而提高；同一土层 3 种土壤磷的吸附能力为褐土 >黄绵土 >潮土，即褐土对磷的吸附量最大，而且土壤越深则固磷能力越强。

（2）在同一土层，3 种土壤对磷的解吸能力为褐土 >潮土 >黄绵土。土壤对磷的解吸能力随深度的增加而降低，也即耕层土壤磷素淋失风险较大。

（3）从等温吸附特征参数来看，Q_m 最大值出现在褐土 40～60 cm 土层；MBC 以潮土 0～20 cm 土层最小，为 16.31 mg/kg；0～20 cm 土层 DPS 值表现为潮土 >褐土 >黄绵土，0～20 cm 耕层土壤需磷量为褐土 >黄绵土 >潮土。由此可知，潮土中磷素淋失风险明显较高。

综合来看，褐土对磷有较强的吸附能力，且吸附的磷易被解吸；潮土对磷的吸附能力相对较弱，但供磷能力较强；黄绵土相较褐土与潮土对磷解吸能力较弱。在农作物种植过程中，要根据当地土壤对磷吸附解吸特性合理制定磷肥施用方案。

参考文献