全 文 ：第 32 卷 第 3 期 生 态 科 学 32(3): 372-378
2013 年 5 月 Ecological Science May. 2013
收稿日期：2012-10-17 收稿，2012-01-24 接受
基金项目：国家重点基础研究发展计划 973 前期(2012CB426506)；贵阳市重大科技专项([2010]5-03)；贵州师范大学学生科研重点项目
作者简介：陈峰峰(1985—)，男，山东枣庄人，硕士研究生，从事环境化学及水环境生态修复研究．E-mail:chf4077761@qq.com.
＊通讯作者：李秋华，E-mail:qiuhua2002@126.com

陈峰峰，李秋华，龙健，焦树林，刘送平，李小峰，田涛. 百花湖消落带土壤磷释放的模拟研究[J]. 生态科学, 2013, 32(3): 372-378.
CHEN Feng-feng, LI Qiu-hua, LONG Jian, JIAO Shu-lin, LIU Song-pin, LI Xiao-feng, TIAN Tao. Simulated study on phosphorus
release from the soils of water-level-fluctuating zone in Baihua Reservoir[J]. Ecological Science, 2013, 32(3): 374-378.

百花湖消落带土壤磷释放的模拟研究

陈峰峰 1，李秋华 1＊，龙健 1，焦树林 2，刘送平 1，李小峰 1，田涛 3

1 贵州师范大学贵州省山地环境信息系统和生态环境保护重点实验室，贵阳 550001
2 贵州师范大学地理与环境科学学院，贵阳 550001
3 浙江富春紫光环保股份有限公司，杭州 310012

【摘要】 为探讨贵州省百花湖（水库）消落带土壤磷的释放状况，采用实验室模拟法研究了不同消落带土壤和环境条件变化
对百花湖消落带土壤磷释放的影响，分析磷的释放量与磷赋存形态的关系。结果表明：未淹的黄壤释磷量最大，砂石壤最低；
温度升高，土壤中磷的释放强度随之增大；扰动上覆水比静置条件下更有利于磷的释放；酸性和碱性条件下土壤磷的释放量略
高于中性条件，且碱性条件下最高；厌氧条件比好氧条件更能加速磷释放；不同形态磷与土壤磷释放量有不同程度相关，其中
有机磷（OP）与磷的释放极显著相关；与铁铝结合态磷（Fe/Al-P）和钙结合态磷（Ca-P）显著性相关。
关键词：消落带；磷释放；土壤；百花湖
Doi：10.3969/j.issn.1008-8873.2013.03.019 中图分类号：X523 文献标识码：A 文章编号：1008-8873（2013）03-372-07

Simulated. study on phosphorus release from the soils of water-level-fluctuating
zone in Baihua Reservoir

CHEN Feng-feng1, LI Qiu-hua1＊, LONG Jian1, JIAO Shu-lin2, LIU Song-pin1, LI Xiao-feng1, TIAN Tao5

1.Key Laboratory for Information System of Mountainous Area and Protection of Ecological Environment of Guizhou Province，Guizhou Normal
University, Guiyang 550001, China
2. School of Geographic and Environmental Sciences, Guizhou Normal University, Guiyang 550001, China
3. Zhejiang fuchun ziguang environmental protection co.,ltd. , Hangzhou 310012, China

Abstract: Effects of environmental factors on the phosphorus release were studied by laboratory simulated test. The quantity of
releasing phosphorus and the relationships between the different forms of phosphorus in soils of water-level-fluctuating zone of Baihua
Reservoir were studied. Results showed that the phosphorus release amount was the most in yellow soils, and the least in the sand soils.
The release strength of phosphorus from the soils increased with rising of the temperature. The phosphorus release amount under the
stirring condition was more than under still condition. The soils released more phosphorus under the non-neutral condition compared to
the neutral condition; the anaerobic condition was propitious to the phosphorus than the aerobic condition. Phosphorus form was related
to the release. The OP in soils played the most important roles in phosphorus release; the Fe/Al-P and Ca-P were in high correlation with
soil phosphorus release.
Key words: water-level-fluctuating zone; phosphorous release; soil; Baihua Reservoir.
3 期 陈峰峰，等. 百花湖消落带土壤磷释放的模拟研究 373
1 引言 (Introduction)

消落带是因水库调度引起水位变动而在库周围
形成的一段特殊地带，具有生物的多样性、人类活
动的频繁性和生态的脆弱性等特点，且在回水区易
于发生富营养化[1-2]。水体富营养化是全球水环境问
题，营养盐浓度的升高会使浮游藻类大量繁殖，而
消落带土壤是水体营养盐的重要来源之一[3-4]。水库
季节性的水位涨落，会使消落带表层积累大量营养
物质，在风浪和库水的横向作用下沉积于消落带土
壤的磷便可能向上覆水释放[5-6]。磷是水体浮游藻类
的限制性营养元素，是引起水体富营养化的主要元
素之一[7-10]。因此了解消落带土壤中磷的释放规律，
对水体富营养状况的研究和控制是非常必要的。国
内外对磷释放及其迁移转化有所研究，其对象主要
是湖库沉积物[11]；而对消落带土壤与水环境之间关
系的研究多集中在受淹土壤性质变化和土壤重金属
污染等方面[12-13]。本文以百花湖消落带土壤为研究
对象，模拟研究了不同环境因素对消落带土壤磷释
放的影响及不同磷形态与磷释放的关系，从而为百
花湖水体富营养化的治理提供基础数据。
2 材料与方法(Materials and methods)

2.1 研究区域概括
百花湖（水库）位于贵阳西北郊，于 1966 年建
成，坝高 48.7 m，是乌江水系的一级支流—猫跳河
梯级电站第二级蓄水库，也是贵阳市居民用水的重
要水源地。主要由红枫湖水库下泄水及长冲河、东
门桥河、麦城河和麦西河四源组成。百花湖消落带
地处高海拔的喀斯特山区，地势起伏不平；属亚热
带湿润季风气候；土壤以碳酸盐岩为母质的黄壤和
石灰土为主。其水位在非汛期主要受百花湖发电蓄
水的影响，在汛期主要受调洪限制，在 10 月份开始
蓄水，至次年的 4 月份水位开始下落，落差的垂直
高度约 5 m[14]。干湿交替的土壤环境可能对土壤中
磷的化学行为产生重要影响，进而对消落带的土壤
生态环境及水环境产生各种影响。

2.2 材料
2.2.1 土壤
于2011年5月取自百花湖消落带生态修复区地
表 0-10 cm 土壤。样品采集后，放入密封袋运回实
验室在-20 ℃条件经冷冻干燥机（LGJ-12 型）冷冻
干燥处理。用玛瑙研钵捣碎后，过 100 目筛，保存
于封口袋中，4 ℃保存待分析。土壤理化性质如表 1。

表 1. 供试土壤理化性质
Table 1 Physical and chemical properties of test soil

土壤类型 总磷
mg·kg-1
总氮
mg·kg-1
有机质
g·kg-1
pH 值
砂石壤 892.5 1626.2 9.29 7.52
黄壤 1120.9 1716.8 13.91 7.62
黑壤 1314.3 1857.6 16.08 8.74

2.2.2 上覆水
使用在百花湖码头处采集的新鲜湖水作为上
覆水。模拟 pH 值改变对磷释放的影响时用 HCl 和
Na2CO3 调节并到指定水平。上覆水的理化性质见表
2。

表 2.百花湖湖水基本性质
Table 2 Properties of water in Baihua Reservoir.

项目 pH 总磷
mg·L -1
总氮
mg·L -1
氨氮
mg·L -1
溶氧
mg·L -1
数值 7.96 0.056 1.34 0.012 5.12

2.3 试验设计
采用 1 L 棕色广口瓶为反应器，取混合均匀的
消落带土壤样品 10 g，用虹吸法注入实验用水。定
期取水样 100 mL 测定总磷（TP），取样后加入相同
体积的湖水，保持上覆水体积不变[15]。
不同消落带土壤对磷释放的影响：选取样品中
黄色土壤（未淹没的消落带土壤）、黑色淤壤（消落
带落干后的淤泥）、砂石土壤三种不同土壤进行模拟
实验。
扰动对土壤磷释放的影响：每天分别在 8:00、
12:00、16:00 和 20:00 时四次以 60 r/min 的速度搅拌
上覆水，每次搅拌 5 min，棒深 5 cm，进行磷释放
的模拟实验。
温度对土壤磷释放的影响：水温分别为 5 ℃和
25 ℃时，以人工气候箱控制温度，进行磷释放的模
拟实验。
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷

374
pH对土壤磷释放的影响：在水温25 ℃条件下，
用 HCl 和 Na2CO3 调节上覆水使 pH 值分别为 5、7、
9，进行磷释放的模拟实验。
好氧/厌氧条件对消落带土壤磷释放的影响：温
度在 25 ℃条件下，对实验体系上覆水持续通入空
气模拟好氧环境，同时以经预先同氮气除氧的去离
子水作为上覆水的静置体系模拟模拟厌氧环境，进
行磷释放的模拟实验。
磷释放平衡试验：在 100 mL 具塞离心管中分
别加入 3 种不同的消落带土壤 0.5 g，加入 50 mL 去
离子水，在恒温振荡器上（25 ℃）以 200 r/min 震
荡 24 h，4 000 r/min 离心 10 min，上清液过 0.45 μm
滤膜，测定样品的溶解性活性磷（SRP）含量并计
算磷的释放量。
以上磷释放模拟实验均在相同的条件下重复模
拟 3 次，结果用平均值表示。

2.4 样品的分析方法
水样TP测定采用过硫酸钾消解分光光度计法，
每个样品都做 3 个平行样。
消落带土壤磷形态测定采用欧洲标准测试委员
会框下发展的 SMT 法[16]。该方法将消落带中的磷
分为铁铝结合态磷（Fe/Al-P）、钙结合态磷（Ca-P）、
无机磷（IP）、有机磷（OP）和总磷(TP)。以上磷形
态均用钼锑抗比色法在UV-1801紫外分光光度计上
测定。
可按下式计算土壤磷的释放强度 γ [17]：
( )n 0
1
V C C ( ) / A
n
n j a
j n
V C Cγ γ γ
= −
= − + − =∑ ；
式中：V 为土样上方水的体积（L），取 V=1 L；
Cn 为第 n 次采样时水体中营养盐浓度(mg/L)；C0 土
样上方水的起始营养盐浓度(mg/L)；Ca 为添加水后
土样上方水营养盐的浓度（mg/L）；n 为采水样的次
数；为每次采水样的体积；A 为与水体接触的土壤
面积(m2)，A=0.0133 m2； γ 为每次采水样时的释
放量(mg)； γ 为释放强度(mg/m2)。

3 结果与讨论 (Results and discussion)

3.1 不同消落带土壤对磷释放的影响
0
2
4
6
8
10
12
1 2 3 5 7 10 14
时间 Time(d)
释
放
强
度
R
el
ea
se
s
tr
en
gt
h(
mg
/m
2 ) 砂壤
黄壤
黑壤

图 1 不同土壤中磷的释放曲线
Fig. 1 Curve of phosphorus release in different soils

如图 1 所示，在实验前二天，磷的释放强度最
大，并且都在第一天到最大值；三天后释放变得缓
慢，其后土壤释磷的强度呈现出逐渐缓慢下降至实
验结束，最终达到动态平衡。不同的消落带土壤对
磷的释放强度不同（p﹤0.01），其中黄壤的释放强
度最高，黑壤其次，砂石壤最低。黄壤为未淹没土
壤，靠近农田，耕种过程施用的农药化肥中的磷会
随雨水进入土壤，磷含量较高。在水淹厌氧条件下，
水溶性有机质浓度增加，并且吸附在土壤矿物表面，
与磷酸根竞争吸附，磷位会被逐渐占据，越来越多
的可溶性磷就会释放进入水体，从而保持平衡状态
[18-20]。黑壤为落干后的消落带淤泥壤，在落干过程
中与氧气充分接触，可以促进土壤中多价态的金属
离子由低价态向高价态转变，高价态的金属离子可
与磷酸根形成较稳定的磷酸盐而不容易释放[21]。砂
石壤为落干区植被较少土壤，二氧化硅和其他矿物
含量较多，磷含量相对较少，磷释放量最低。百花
湖消落带的“淹水”与“落干”，有利于减少水体与表
层土壤的营养物质交换。

3.2 温度对磷释放的影响
如图 2 所示，在水温为 5 ℃时，上覆水磷的释
放缓慢，始终未超过 8 mg/m2。当水温在 25 ℃时，
磷的释放强度增加，在前两天尤为显著。5 ℃和 25
℃时同时在第一天达到最高值，之后释放量会逐渐
下降。不同水温对消落带土壤磷的释放会产生一定
的影响(p﹤0.01)；并且温度升高会加快消落带土壤
磷的释放速度。低温环境影响了各种有机酸和 Fe2+
3 期 陈峰峰，等. 百花湖消落带土壤磷释放的模拟研究 375
的溶出，温度升高一方面使物理、化学反应的平衡
向溶解、解析的吸热方向转移，有利于 Fe3+向 Fe2+
转化，致使 Fe 结合磷中的磷释放出来[22]；另一方
面使土壤中微生物和底栖生物活动加强，提高生物
搅动作用和有机质的矿化速率，使土壤中的有机磷
转化为无机态的磷酸盐释放出来[23]。Liikanen 的研
究也证明无论好氧还是厌氧条件，磷的释放都随温
度升高而增长，温度升高 1-3 ℃将使磷的释放强度
增加 9-57%[24]。北京密云水库沉积物也有类似的释
放规律，夏季释放量明显增加，春、秋季略低，冬
季最少[25]。百花湖在夏季水体浮游植物丰度较高，
藻类的繁殖减少了水体中磷的浓度[26]，从而加速了
消落带土壤磷的释放。
如图 3 所示，扰动条件下的释放量始终大于未


图 2 不同水温下土壤中磷的释放曲线
Fig. 2 Curve of phosphorus release in soil under different
temperatures as a function of time

3.3 扰动对磷释放的影响


图 3 扰动条件下磷的释放曲线
Fig. 3 Curve of phosphorus release in soil under different
stirring condition
扰动条件下，实验前两天两种条件下释磷量比较显
著，可见扰动条件会对消落带土壤磷的释放产生一
定影响。扰动条件下的释放量和释放速率大于静置
条件下（p﹤0.01），扰动使土壤颗粒再悬浮，增加
了颗粒的反应界面，并促进土壤中磷的释放，同时
加速了土壤间隙水与上覆水体的物质交换速度，反
应的最终结果是释放与吸附达到一种动态平衡[27]。
从理论上讲，搅动虽然增加了系统内的溶解氧，应
不利于底泥中磷的释放，但是扰动促进了泥水之间
的混合和交换，而这种混合交换作用对底泥释放磷
的影响要比单纯溶解氧的影响重要[15]。水动力条件
对磷释放的影响是有限的短期效应，当土壤受扰动
向水体释放磷达到一定程度后，土壤和悬浮物与水
体之间的磷达到动态平衡，自然条件下风力、湖流
和生物的扰动变化对磷酸盐释放有较大影响[28]。

3.4 pH 对磷释放的影响


图 4 不同 pH 下土壤磷的释放曲线
Fig. 4 Curve of phosphorus release in soil under different
pH

由图 4 可见，不同 pH 值条件下磷的释放强度会
有不同（p﹤0.01）。中性条件下磷的释放量最小，
酸性条件能促进磷的释放，碱性条件亦能促进磷的
释放且更为明显。pH 值在中性条件下水中磷酸盐的
主要存在形态为 H2PO4-，较易被土壤吸附，释放量
最小[27]。在弱碱条件下，土壤中的磷的释放以离子
交换态为主。OH-与铁铝磷酸盐复合体中的磷酸盐
发生交换，铁对磷的固定性减弱，磷酸盐的解析过
程增强，使土壤中的磷释放出来[29]。在弱酸条件下，
土壤中的磷释放以溶解为主，钙磷复合体发生一定
过程的溶解，有利于土壤中磷的释放。太湖沉积物
生 态 科 学 Ecological Science 32 卷

376
亦表现出酸性和碱性条件均有利于磷的释放，其中
碱性条件更有利于磷的释放，在接近中性的条件下，
最不利于磷释放[30]。Jensen 等调查了丹麦不同湖泊
pH 值与磷酸根含量之间的关系，发现部分湖泊高
pH 值明显促进磷的释放[31]。百花湖湖水常年呈微
碱性，pH 在 7-9，如果水体进一步向富营养化程度
发展，藻类大量繁殖并通过光合作用吸收了水体中
的 CO2，改变水中 CO2/HCO3-/CO32-的平衡而使 pH
值升高[32]，这种情况下消落带土壤释放的磷会对百
花湖水体的富营养化产生影响。

3.5 好氧/厌氧对磷释放的影响

0
2
4
6
8
10
12
14
1 2 3 5 7 10 14
时间 Time(d)
释
放
强
度
R
el
ea
se
s
tr
en
gt
h(
mg
/m
2 ) 好氧厌氧

图 5 好氧/厌氧条件下的释放曲线
Fig. 5 Curve of phosphorus release under anaerobic/aerobic
conditions

由图 5 可以看出，在释放初期，曝气的效果不
明显，甚至还引起土壤释磷强度增高。但是随着上
覆水的不断曝气，上覆水总磷浓度下降，释磷强度
降低，后期明显低于对照处理，可见厌氧条件下的
磷释放量高于好氧条件下土壤磷的释放量（p﹤
0.01）。实验初期曝气引起的水体扰动作用增加了消
落带土壤释放的有效界面，但随着反应的进行曝气
提高了上覆水体及土壤表层的氧化还原电位，此时
有利于 Fe2+向 Fe3+转化，使与磷酸盐结合形成难溶
的磷酸铁而固定于土壤中；在厌氧状态时，有利于
Fe3+向 Fe2+转化，使得脱离磷酸根进入上覆水[29]。
此外厌氧条件下微生物的存在能加快铁的还原，进
而进一步促进消落带土壤中磷向上覆水释放[33]。高
丽等对滇池沉积物释放磷的研究表明，厌氧条件加
速磷的释放[27]。可见高溶解氧对于控制消落带土壤
向上覆水释磷，维持水体较低 TP 的含量是必要的。

3.6 磷的形态对磷释放的影响
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
砂石壤 黑壤 黄壤
不同土壤 Different soils
磷
形
态
含
量
(
mg
/k
g)

Co
nt
en
t
of
p
ho
sp
ho
ru
s
fo
rm
s
TP
OP
IP
Fe/Al-
Ca-P


图 6 不同消落带土壤中磷形态分布
Fig. 6 Amounts of TP and different P fractions in different
soils.

百花湖 3 种不同消落带土壤中磷形态分布如图
6 所示。由图可以看出，消落带土壤中占主要形态
的是 OP，占 TP 的 48.6%-57.1% ；IP 中的 Fe/Al-P
含量高于 Ca-P 含量，分别占 TP 的 13.0%-18.9%和
2.9%-10.6%。
经过 24 小时的震荡后，不同消落带土壤（砂石
壤、黑壤、黄壤）的平均释放量分别为 5.07、5.27、
6.54mg/kg。对选取的 18 个供试土壤磷的形态分别
进行测定，并与磷的释放量进行相关性分析。消落
带土壤磷的释放量与 OP 含量极显著性相关
（r=0.760；p﹤0.01）；与 Fe/Al-P（r=0.518； p﹤
0.05）、Ca-P（r=0.468； p﹤0.05）显著性相关。OP
作为部分活性磷的形态，可以被细菌产生的胞外酶
分解而转换为被生物可利用，还可在水中溶解态磷
酸酶的催化作用下转化为可溶性磷酸盐，其转化速
度会由于竞争性抑制作用而进一步变慢[28]。OP 是
本实验消落带土壤磷的主要赋存形态，是影响磷酸
盐平衡的主要因素之一。Fe/Al-P 作为磷形态的活性
部分，易被生物所利用，主要来源工业污水和生活
废水，在氧化还原等环境改变的条件下可以转化为
可溶性磷而进入间隙水，并进而放入上覆水体[34]
Ca-P 是土壤中较惰性的磷组分，很难被溶解，对间
隙水和上覆水磷含量影响较小[35]。百花湖消落带中
3 期 陈峰峰，等. 百花湖消落带土壤磷释放的模拟研究 377
活性磷组份（OP+Fe/Al-P）含量相对较高，在适宜
的条件下会加速水体的富营养化进程。

4 结论 (Conclusions)

消落带土壤的磷释放是十分复杂的多因素综
合过程。本次试验研究了不同的消落带土壤和影响
释放的几个主要因素，结果表明：不同消落带土壤
中，未淹没的黄壤释放强度最高，砂石壤最低；温
度升高有利于消落带土壤磷的释放，且释放量增大；
扰动条件下比静置条件下更有利于磷的释放；中性
条件不利于消落带土壤磷的释放，碱性和酸性条件
有利于磷的释放，而且碱性条件下释放量要比酸性
条件下大；厌氧条件下的释放量大于好氧条件下的
释放量。OP 是消落带土壤中磷的主要赋存形态，
在释放中起主要作用，在适宜条件下会加速百花湖
水体的富营养化进程。

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