磷(P)是大多数水体富营养化的主要限制因子^[1]，其在水-沉积物界面的交换是影响磷从沉积物向上覆水体迁移转化的重要过程^[2]. 土壤中磷释放与固定过程，和碳(C)、 铁(Fe)的循环过程密不可分，尤其在有机质积累程度较高的淹水土壤中^[3,4]. 三峡库区消落带为水生生态系统和陆地生态系统的衔接过渡地带，存在一个复杂的非季节性淹水环境，受人为活动干扰明显，因此消落带既可能拦截库区周边径流及水体中磷素成为“汇”，也可能成为水体磷素的重要“源”^[5]. 目前针对该区域磷释放过程多侧重对磷释放过程的单一描述^[6]； 在所考察的环境因子影响中^{[7, 8, 9]}，对光照的讨论还鲜有报道.

对于淹水土壤而言，特别是浅水区，光照作为一个重要环境因子，可以穿透水体到达淹水土壤. 一方面光辐射诱导的光反应过程^[10]，产生自由基； 另一方面藻类(消耗CO₂产O₂)和光合细菌(消耗CO₂不产O₂)的光合作用^[11]，均会对整个水-土界面产生深刻影响. 而光照导致土壤固相铁氧化物和有机质变化^[12]，可能是解释淹水土壤磷释放特征的关键之一. 光照不易直接作用于沉积物发生物理化学反应，但在光照条件下光合细菌和耐低氧环境的藻类对磷产生吸收和释放的影响^[13]. 有研究表明^{[14, 15, 16, 17]}，照度对底栖藻类生长具有显著影响，对磷等营养物质具有同化吸收作用. 同时光合微生物也会对铁的氧化-还原产生影响^[11]——而铁氧化物与磷的迁移释放密切相关^[18,19]. 曲东等^[20]对水稻土的研究表明光照作用下微生物对有机物的分解作用增强，电子受体消耗增加，最终加快了铁还原； 同时Tsujimura等^[21]的研究表明光照使温度上升，微生物活性提高，底泥环境还原程度进一步加剧，从而提高铁还原，进一步引起磷释放. 另外，许伟^[22]研究发现DOM诱导铁还原，进一步导致磷释放. 对于浅水区域，尤其是真光层以上的淹水土壤，光照是整个系统中不可避免的环境因素，因此我们提出如下假设：光照和非光照条件下淹水土壤释放磷的现象是有所差异的.

因此，本研究通过实验室模拟试验，分析了在光 照条件下三峡库区消落带两种典型土壤(紫色潮土 和灰棕紫泥)淹水后磷释放的变化情况； 并同时结合CO₂和CH₄的产生，探讨了在铁还原-磷释放过程中有机物分解(碳循环)所起的作用. 以期丰富三峡库区消落带土壤磷释放机制的研究工作； 同时为进一步了解库区消落带水体富营养化特征与温室气体排放的内在联系，提供理论基础和数据支持. 1 材料与方法 1.1 供试土壤

如图 1所示，试验所用紫色潮土采集于开县170 m高程消落带区域(E108°27′21″,N31°11′26″)； 灰棕紫泥土采集于涪陵160 m高程的消落带区域(E107°31′37″,N29°51′30″). 所有样品均按文献^[23]规定方法进行采样及分析测定. 土壤的基本性质见表 1.

图 1

Fig. 1

图 1 采样点位置示意 Fig. 1 Sampling locations in the water-level fluctuation zones of Three Gorges reservoir areas

表 1(Table 1)

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soil samples 土壤类型 pH 有机质 /g·kg-1 总铁 /g·kg-1 游离铁 /g·kg-1 全磷 /mg·kg-1 有效磷 /mg·kg-1 采样点 紫色潮土 8.85 8.91 21.65 4.52 315.76 3.49 开县 灰棕紫泥 8.68 13.67 22.74 4.30 267.59 23.50 涪陵

表 1 供试土壤的基本理化性质 Table 1 Physicochemical properties of soil samples

风干土壤样本过2 mm筛后，称取30 g土样若干份，分别置于棕色培养瓶和透明培养瓶内，培养瓶体积100 mL. 按土-水比1 ∶1加入Millipore纯水(18.2 mΩ ·cm)，充高纯N₂除氧后加盖配有三通阀门活塞的瓶盖，便于取样. 于2013年4月末初夏，自然条件下进行光照和避光试验. 整个试验在25℃恒温条件下进行(室内控温)，整个试验在N₂保护下进行，分别于0、 3、 5、 7、 10、 13、 17、 21、 25、 30、 35、 40、 50和60 d采集底层土壤(底泥)溶液以及上覆水样，同时收集瓶中CO₂和CH₄气体. 该试验设置2个重复. 另分别在装样前后称重，以确定所采集土壤悬液重量，计算干土重. 1.3 测定指标及方法

取上覆水体测定总磷(TP)^{[24, 25, 26]}. 采用文献^{[11,18,20,27]}方法采集土壤溶液测定相关指标：培养瓶摇匀后快速吸取土壤悬液2 mL各4份备用. 第1份置于含25 mL 0.5 mol ·L^-1 NaHCO₃中，离心后采用钼锑抗比色法^[28]测定滤液中有效磷含量； 第2份取2 mL置于含20 mL 0.5 mol ·L^-1 HCl中，离心后测定滤液中Fe²⁺含量； 第3份置于含50 mL草酸-草酸铵溶液中，离心后测定无定形铁含量； 第4份参照文献^[30]土壤无机磷分级方法，置于含50 mL 0.25 mol ·L^-1 NaHCO₃溶液中，测定土壤磷酸二钙(Ca₂-P)、 磷酸八钙(Ca₈-P)、 磷酸铝(Al-P)、 磷酸铁(Fe-P)、 闭蓄态磷(O-P)、 磷灰石(Ca₁₀-P)含量. Fe测定方法为邻菲罗啉比色法^[29]. 通过三通阀门迅速抽取气样置于气样瓶中，以测定CO₂和CH₄：采用7890A气相色谱仪(FID检测器)测定^[31]. 1.4 数据处理

试验数据图采用Origin 8.0绘制，通过SPSS 17.0进行方差分析及相关性分析. 采用MINTEQ模型计算铁氧化物固相界面的饱和系数(SI)，模型假设条件：溶液相与气相中含碳气体处于平衡. SI≥0为过饱和； SI<0为未饱和. 2 结果与讨论 2.1 磷释放

图 2为分别在光照和避光条件下，淹水土壤上覆水体总磷(TP)浓度变化情况. 两种处理下TP变化均是先增加后降低最后基本趋于稳定，和是否光照无关，这和以往报道基本一致：淹水环境促进磷释放，还原条件下底泥磷释放，并向上覆水体迁移^[32]. 淹水初期，底泥铁还原导致磷释放引起上覆水体TP量明显增加； 一方面Fe²⁺再次被氧化为Fe³⁺后对磷的吸附^[4]，另一方面藻类、 微生物等同化作用对磷酸盐的吸收^[33]，均会引起磷释放出现波动； 最后趋于稳态释放是生物和非生物因素共同作用的“净”结果.

图 2

Fig. 2

图 2 淹水过程中上覆水体总磷浓度变化 Fig. 2 Changes of total phosphorus concentration in underlying water during submerging under different light irradiation treatments

尽管光照和避光处理中TP变化趋势一致，但TP释放存在显著差异(紫色潮土P<0.05； 灰棕紫泥P<0.01)，光照处理紫色潮土上覆水中TP含量变化范围为0.018~0.033mg ·L^-1，均低于避光处理0.02~0.057 mg ·L^-1； 灰棕紫泥光照下TP变化范围为0.028~0.045 mg ·L^-1，低于避光处理0.04~0.084 mg ·L^-1. 姜霞等^[16]也发现光照导致土壤/底泥对上覆水体中外源添加磷酸盐的吸收，上覆水总磷含量降低. 两种土壤在光照处理中，磷释放均低于避光处理. 这可能和光照对磷释放机制的影响有关. 一方面土-水界面生成的藻类(图 3)对光照吸收，光合作用能力增加，磷的生物利用提高，同时释放的微量O₂会再次氧化还原态Fe²⁺，从而与磷再次结合. 另外，在Fe²⁺和DOM条件下，光诱导的光Fenton反应，会产生强氧化性的活性自由基(例如 ·OH)^[34,35]，使已还原的Fe²⁺被氧化； 同时自由基也可能对固相界面上铁氧化物的还原过程(例如还原性溶解，释放Fe²⁺和磷)产生抑制作用，减少磷释放.

图 3

Fig. 3

图 3 光照条件下淹水过程中藻类生长 Fig. 3 Algae growth in the soil-water interface during submerging under the natural light condition

为进一步解释磷释放过程，测定了淹水土壤中有效磷(Olsen-P)变化情况. 由图 4可见，淹水后土壤有效磷持续增加，以30 d为界大致可分为快速增长期(Ⅰ阶段)和慢速增长期(Ⅱ阶段). 光照与避光条件下，两种土壤的有效磷变化不同，但均表现出避光下有效磷释放高于光照培养. 紫色潮土和灰棕紫泥分别在淹水17 d和7 d后，光照和避光处理差异达极显著水平(P<0.01)，进一步说明光照对土壤有效磷释放存在明显抑制. 60 d淹水后紫色潮土和灰棕紫泥土壤悬浮液中有效磷含量光照处理与避光处理分别相差3.3 mg ·L^-1和25.2mg ·L^-1. 土壤悬浊液中有效磷是连接土壤固相吸附结合磷与上覆水体磷之间重要桥梁^[25,36]. 因此光照条件下，有效磷浓度的减少，从来源上降低了上覆水体的磷供给，这可能是导致上覆水体中总磷浓度低于避光处理的重要原因之一.

图 4

Fig. 4

图 4 消落带土壤淹水过程中有效磷浓度变化 Fig. 4 Changes of available phosphorus concentration in soil solution during submerging under different light irradiation treatments

由于土壤中磷赋存形态对磷的迁移及生物可利用性具有重要作用^[26,36]，因此也研究了光照和避光处理下，淹水土壤中无机磷形态变化分别和有效磷、 上覆水体总磷相关性，以便进一步了解光照抑制磷释放原因. 光照条件下，上覆水体总磷和有效磷与各形态磷之间的相关性改变并不一致(表 2). 这是因为在整个试验体系中还存在微生物、 藻类影响(尤其在光照下)，难以观察到理想状态下非生物因素间相关联系. 但是值得注意的是，在两种土壤中，光照使得Fe-P和有效磷、 水体TP相关系数均增大，结合以往研究^[4,18]，证明土壤/底泥中铁氧化物的变化情况是控制淹水水体中磷变化关键，进而说明光照引起淹水土壤中铁结合态磷的变化可能是光照抑制磷释放的重要原因.

表 2(Table 2)

表 2 光照处理下淹水过程中有效磷和上覆水体总磷与无机磷相关性分析 1) Table 2 Correlations between Olsen-P of soils,TP of underlying water and inorganic phosphorus in the process of submerging under light irradiation 土壤类型 处理 指标 Ca2-P Ca8-P Al-P Fe-P O-P Ca10-P 避光 TP -0.015 -0.499 -0.142 -0.039 0.348 0.462 紫色潮土 有效磷 0.319 -0.890** -0.353 -0.180 -0.187 0.263 光照 TP 0.024 -0.227 -0.203 -0.685** -0.017 0.563* 有效磷 0.579* -0.868** -0.643* -0.612* -0.656* 0.548* 避光 TP -0.043 0.180 -0.318 -0.032 -0.082 -0.435 灰棕紫泥 有效磷 0.051 -0.021 0.388 -0.295 0.507 0.546* 光照 TP -0.289 0.279 -0.104 -0.631* 0.364 -0.050 有效磷 -0.093 -0.451 0.243 -0.609* -0.353 0.072 1)**表示 P<0.01,*表示 P<0.05

表 2 光照处理下淹水过程中有效磷和上覆水体总磷与无机磷相关性分析 1) Table 2 Correlations between Olsen-P of soils,TP of underlying water and inorganic phosphorus in the process of submerging under light irradiation

为进一步解释光照抑制磷释放的原因，同时测定了土壤溶液中无定形铁和Fe²⁺变化. 结果表明，淹水过程中无定形铁和Fe²⁺均呈上升趋势(图 5)，与是否光照无关. 这与以往研究^[12,37,38]一致，证明淹水土壤的厌氧还原环境会促进铁还原及无定形铁氧化物的活化. 但光照处理中，两种铁的含量明显低于避光处理：紫色潮土和灰棕紫泥分别在淹水第10 d和第30 d开始，光照和避光之间差异达极显著水平(P<0.01). 与有效磷的变化一致:淹水后Fe²⁺与无定形铁浓度在淹水30 d后基本趋于慢速增长阶段. 光照并没有改变这个“快-慢”阶段的发展，进一步说明光照影响的是体系热力学过程，而非动力学过程.

图 5

Fig. 5

图 5 淹水过程中二价铁与无定形铁浓度变化 Fig. 5 Changes of Fe(Ⅱ) and amorphous iron in the soil solution during submerging under different light irradiation treatments

比较光照与避光处理下两种土壤铁与磷的相关性(图 6)，发现灰棕紫泥中，避光处理相关系数明显高于光照处理(光照：r无定形铁=0.907，rFe²⁺=0.636； 避光：r无定形铁=0.957，rFe²⁺=0.887)，这可能与土壤有机物大分子的降解有关. 降解形成的小分子有机酸成为土壤微生物的能源和物质来源：一方面微生物可以参与磷的吸收，另一方面微生物和DOM在一起，可以加速铁氧化物的还原^[39]. 但另外与避光相比，光照下Fe²⁺与无定形铁含量低的原因可能和藻类光合作用产生O₂导致部分Fe被氧化有关； 同时光Fenton反应产生的活性自由基^[40,41](例如 ·OH)对Fe²⁺的再氧化也有影响，从而改变铁与磷的相关性.

进一步，采用MINTEQ模型^[42]计算了淹水土壤中几种主要铁矿物固相界面的饱和系数(表 3). 由饱和系数(SI)=lg(离子活度积IAP)-lg(结合常数Ks)，在温度不变情况下，磷和铁矿固相界面的吸附只和界面吸附面积大小有关. 本研究中取SI≥0为饱和；<0为未饱和. SI越大饱和程度越高，可吸附和结合溶质的固相面积越小.

图 6

Fig. 6

图 6 光照作用下淹水过程中铁含量与有效磷的相关性 Fig. 6 Correlations between Fe and P during submerging under different light irradiation treatments

MINTEQ计算结果表明(表 3)，Fe(OH)₃、 蓝铁矿[Fe₃(PO₄)₂ ·8H₂O]以及磁铁矿在光照和避光处理中均从开始就已饱和，因此对磷释放量改变的影响不大. 和避光处理相比，光照处理中几种主要含铁固相界面饱和系数均减小，唯一只有Fe(OH)₂胶体SI值增加. 这可能由于光反应产生的·OH和藻类光合作用产生的O₂不断消耗Fe(OH)₂； 同时也有可能Fe²⁺与铁氧化物表面配位形成铁氧化物-Fe²⁺体系^[43,44]，从而导致固相界面未饱和程度增加. 另外，土壤中结合磷位点数量增加(例如针铁矿、 赤铁矿)，而溶液相中Fe(OH)₂胶体减少，从而直接导致磷在液相中的主要结合载体减少，因此使得磷的释放量受到影响. 由此可见磷释放过程并不是一个简单的传质过程，而是与土-水界面密切相关^[10].

表 3(Table 3)

表 3 光照作用下淹水过程中铁矿物的饱和系数SI 1) Table 3 Saturation index of iron minerals during submerging under different light irradiation treatments 固相铁矿物种类 紫色潮土 ΔSI (光照-避光) 灰棕紫泥光照 ΔSI (光照-避光) 光照 避光 光照 避光 Fe(OH)2 -1.526 -1.715 0.189 -1.436 -1.593 0.157 Fe2(SO4)3 -100.530 -99.515 -1.015 -99.842 -98.599 -1.243 Fe3(OH)8 已饱和 水铁矿 -7.481 -7.386 -0.095 -7.525 -7.447 -0.078 针铁矿 -4.772 -4.677 -0.095 -4.816 -4.738 -0.078 赤铁矿 -7.144 -6.954 -0.190 -7.233 -7.076 -0.157 黄钾铁矿 -71.253 -70.419 -0.834 -70.870 -69.911 -0.959 纤铁矿 -5.652 -5.557 -0.095 -5.696 -5.618 -0.078 磁铁矿 已饱和 红磷铁矿 -14.707 -14.328 -0.379 -14.886 -14.573 -0.313 蓝铁矿 已饱和 1) SI≥0为饱和； SI<0为未饱和

表 3 光照作用下淹水过程中铁矿物的饱和系数SI 1) Table 3 Saturation index of iron minerals during submerging under different light irradiation treatments

另外，结合MINTEQ模拟计算和相关性分析发现，光照导致TP和各含铁固相组分的相关系数降低，P值增加(P均<0.12) (表 4)，进一步说明光照可能是改变整个试验体系的重要外界因素，通过：①影响微生物活性和藻类生长(例如光合作用)； ②光反应过程，来改变体系中的热力学平衡. 有研究报道了光诱导铁氧化物的还原性溶解会导致固相Fe³⁺向Fe²⁺转化^[45]，特别是在溶解性有机质参与下，释放结合的无机及重金属元素^[9]. 但在本研究中，光照条件下溶液相中Fe²⁺相对减少，而淹水土壤的铁矿物固相吸附界面增大才是磷释放量减小的主导因素.

表 4(Table 4)

表 4 不同处理淹水过程中总磷与各铁矿物组分的Pearson相关系数 1) Table 4 Pearson correlation coefficients between iron minerals and P during submerging under different light irradiation treatments 土壤类型 处理 Fe(OH)2 Fe2(SO4)3 Fe3(OH)8 水铁矿 针铁矿 赤铁矿 黄钾铁矿 纤铁矿 磁铁矿 红磷铁矿 蓝铁矿 紫色潮土 避光 -0.580 (0.030)2) +0.446 (0.110) +0.580 (0.030) +0.580 (0.030) +0.580 (0.030) +0.477 (0.085) +0.580 (0.030) +0.580 (0.030) 光照 -0.480 (0.083) +0.439 (0.116) NC3) +0.481 (0.082) +0.481 (0.082) +0.480 (0.082) +0.465 (0.094) +0.481 (0.082) NC +0.480 (0.082) NC 灰棕紫泥 避光 -0.211 (0.047) +0.188 (0.052) +0.211 (0.047) +0.211 (0.047) +0.211 (0.047) +0.194 (0.051) +0.211 (0.047) +0.211 (0.047) 光照 -0.121 (0.068) +0.107 (0.071) +0.121 (0.068) +0.121 (0.068) +0.121 (0.068) +0.111 (0.071) +0.121 (0.068) +0.121 (0.068) 1)相关系数前-表示负相关，+表示正相关； 2)a(b):a=Pearson相关系数； b=P值； 3) NC表示未计算出(Non-calculated)

表 4 不同处理淹水过程中总磷与各铁矿物组分的Pearson相关系数 1) Table 4 Pearson correlation coefficients between iron minerals and P during submerging under different light irradiation treatments

CO₂和CH₄的变化可以反映淹水土壤中有机质变化情况，同时提供整个体系中厌氧环境的演化证据； 同时有机质转化和铁氧化物的变化密切相关^[3,18,39]，因此有助于进一步了解淹水过程中磷释放机制. 本试验过程中CO₂和CH₄浓度变化情况如图 7所示，和以往研究相同，在淹水初期，CH₄产量较低，以CO₂生成为主导^[46,47]，但光照培养下CO₂产量明显低于避光培养(P<0.05). 在整个淹水过程中，光照与避光处理的CH₄产量并没有显著差异(P<0.05). CO₂/CH₄比值用来表征有机质消耗的两个过程，光照使得该比值明显下降的时间由避光处理的第30 d提前到第7 d.

计算有机碳气态转化效率[e(%)=C_CO2+CH4/SOC]，式中C_CO2+CH4为整个试验过程中含碳气体累积排放量(以C计)； SOC为土壤中有机碳含量. 由图 8可见，光照条件下有机碳气态转化效率更低. 理论上，光照导致淹水土壤中铁氧化物含量增加(电子受体增加)，同时在有机质含量一定情况下，CO₂产量应高于避光处理. 但是本研究中结果却恰好相反. 这可能和藻类及光合细菌对CO₂的消耗有关. 结合图 7，进一步说明光照作用下CO₂/CH₄比值下降明显提前并非意味着光照加速了淹水土壤中无机电子受体的消耗，使得产CH₄过程提前； 而是因为CO₂的消耗导致该比值下降.

图 7

Fig. 7

图 7 光照作用下淹水过程中CO2和CH4浓度变化 Fig. 7 Changes of CO2 and CH4 concentrations during submerging under different light irradiation treatments

图 8

Fig. 8

图 8 光照作用下淹水过程中有机碳气态转化效率 Fig. 8 otal gas transformation rate of soil organic matter during the submerging under different light irradiation treatments

淹水过程中CO₂和CH₄产生主要源于厌氧呼吸下微生物分解有机物^[4,35]. 通过相关性分析发现(表 5)，铁的还原与CO₂和CH₄显著相关(P<0.01)，且光照使该相关性减小，进一步证明光照对铁还原过程的影响是解释两种气体变化的重要原因. 同时，避光与光照处理下pH与CO₂和CH₄产量负相关，而光照处理下相关性不显著，说明淹水 过程中光照对pH与CO₂和CH₄存在一定影响. 另外，光照下CO₂、 CH₄与磷的相关性较避光处理下小，说明光照对淹水土壤中有机质厌氧分解、 铁还原的影响会进一步改变磷释放过程. 一方面可能由于光照作用下藻类和光合细菌的生长； 另一方面，光照对铁氧化物的影响进一步导致了铁、 碳耦合循环的复杂性，使得CO₂、 CH₄与磷的相关性减弱.

表 5(Table 5)

表 5 光照作用下淹水过程中CO2、 CH4与铁和磷相关性分析 1) Table 5 Correlations among CO2,CH4,Fe and P during submerging under different light irradiation treatments 土壤类型 处理 指标 上覆水体TP 有效磷 无定形铁 Fe2+ pH 光照 CO2 0.518 0.078 0.197 -0.103 -0.122 紫色潮土 CH4 0.204 0.892** 0.782** 0.805** -0.688* 避光 CO2 0.295 0.794** 0.791** 0.823** -0.730** CH4 0.048 0.654* 0.592* 0.734** -0.644* 光照 CO2 -0.013 -0.508 0.617* -0.245 -0.379 灰棕紫泥 CH4 -0.326 0.764** 0.611* 0.339 -0.354 避光 CO2 -0.246 0.881** 0.958** 0.935** -0.592* CH4 -0.424 0.848** 0.895** 0.959** -0.633* 1)**表示 P<0.01,*表示 P<0.05

表 5 光照作用下淹水过程中CO2、 CH4与铁和磷相关性分析 1) Table 5 Correlations among CO2,CH4,Fe and P during submerging under different light irradiation treatments

(1)库区消落带的两种典型土壤，均呈现出近似规律：即光照对磷释放存在抑制. 光照引起淹水土壤中铁氧化物变化可能是光照抑制磷释放的重要原因.

(2)光照抑制铁还原及无定形铁的生成，同时使得铁还原与磷释放相关性减弱. 光照条件下溶液相中Fe²⁺相对减少，淹水土壤的铁矿物固相吸附界面增大才是抑制磷释放的主要因素.

(3)光照加快无机电子受体的消耗、 降低有机碳的转化效率，抑制铁还原，从而使CO₂和CH₄与铁还原及磷释放的相关性减弱. 藻类和光合细菌的光合作用可能导致淹水条件下铁氧化物还原受到影响，同时对CO₂吸收也可能是导致光照处理中CO₂产量较低的原因.

(4)值得注意的是，对于库区消落带沿岸水深较浅(<2 m)的浅水区域而言，光照可能会是影响淹水土壤磷释放的重要因素； 但对于水深较深的土壤/底泥而言，光照的影响是否存在还值得进一步研究. 而不同光照强度、 照射时长、 入射波段(UV_A、 UV_B、 UV_C及UV_R)、 量子产率和自由基(例如 ·OH和H₂O₂)在该过程中的具体影响机制，则是下一步研究工作开展的重点.