浙江大学梁新强教授团队：土壤胶体磷储存与流失阻控

导  读

土壤胶体以巨大的比表面积、强大的吸附性能及多样的表面官能团，在污染物储存形态、迁移转化等生物地球化学循环过程中起到重要作用。胶体易化磷元素运移已成为农业面源磷污染的重要形式，因此，控制胶体磷从土壤向水体的流失至关重要。《土壤胶体磷储存与流失阻控》关于土壤胶体磷储存与调控的介绍可丰富当前在土壤磷储存形态、流失机制及阻控技术方面的研究成果。

文/梁新强

来源：科学出版社公号（2020年7月20日）

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土壤胶体以巨大的比表面积、强大的吸附性能及多样的表面官能团，在污染物储存形态、迁移转化等生物地球化学循环过程中起到重要作用。胶体易化磷元素运移已成为农业面源磷污染的重要形式，因此，控制胶体磷从土壤向水体的流失至关重要。《土壤胶体磷储存与流失阻控》关于土壤胶体磷储存与调控的介绍可丰富当前在土壤磷储存形态、流失机制及阻控技术方面的研究成果。

该书共15章。第1章，回顾了农业面源污染、土壤磷的储存形态、胶体促发的土壤磷流失、影响胶体磷活化迁移的因素、土壤胶体磷存在的双重效应、农业面源胶体磷流失原位控制策略的研究现状。第2章，发现了胶体作为中间介质对磷元素从真溶解态向大颗粒态运移的动态过程起到维稳缓冲作用。第3章，探明了多种农田土壤真溶解态磷、胶体磷的流失潜能及其差异性。第4章，明确了我国南方典型稻田土壤胶体磷储存与释放的影响机制。第5章，分析了全国水稻主产区稻田土壤胶体磷含量的地带性差异。第6章，探究了不同pH影响下稻田和菜地土壤胶体磷的分子形态及其流失机制。第7章，明确了保护性耕作与多样化轮作对不同时期稻田土壤胶体磷储存规律的影响。第8章，考察了降雨和施肥对水稻田田面水和稻田排水径流中的胶体磷流失贡献的影响。第9～11章，评估了胶体磷在稻田土壤剖面中的分布特征、田面水中的流失风险及其与磷肥输入的关系。第12章，探究了施加粪源生物炭（简称粪源炭）对土壤胶体磷释放的影响规律。第13章，弄清了不同土地利用类型土壤中胶体磷的阻滞系数。第14章，建立了可以预测土壤胶体磷流失潜能的线性回归模型。第15章，考察了PAM和生物质炭施用对土壤胶体磷流失的联合阻控效应。

该书所用的许多资料含有诸多创新理论和学术观点，对发展我国农业面源污染控制理论具有较大的贡献。书中提出的土壤胶体磷流失防治对策大多来源于田间实际，是切实可行的，一些来自室内模拟和温室试验，在实际应用过程中可能会出现偏颇，有待实践检验。

图片来源：Pixabay

农业面源污染及其引发的地表水体富营养化已成为当今环境领域的世界性难题，也是我国水体污染控制的核心问题。早在20 世纪90 年代，美国评估报告已指出农业面源污染是面源污染的主要贡献源，其贡献量高达68%～83%，影响到50%～70%的地表水体；丹麦、日本等发达国家也意识到农业面源污染对地表水氮磷的贡献不容忽视，直接影响到地表水体的质量控制目标。

我国农业面源诱发的水体污染问题至20 世纪70 年代以后日益突出，主要体现在滇池、太湖和巢湖等大型湖泊，淮河、汉江、珠江、葛洲坝水库、三峡水库等典型河流水体中氮、磷富营养化问题急剧恶化，部分湖泊、河流水质氮磷指标已达劣五类，其中农业面源污染是水体富营养化的主要贡献源。2007 年太湖大规模蓝藻暴发，直接导致无锡等城市自来水供给中断，严重影响了当地居民的正常生活及身心健康。鉴于农业面源污染及水体富营养化的严峻形势，我国根据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》，在“十一五”期间设立了水体污染控制与治理科技重大专项，以缓解我国能源、资源和环境的瓶颈制约，为推进我国水体污染控制与治理提供强有力的科技支撑，体现了我国政府对农业面源污染及水体富营养化控制的高度重视。

图文导读

1胶体磷的维稳缓冲作用及磷素在典型面源污染河流中的分布特征

胶体在磷素粒径分布中可能起到维稳缓冲作用（图1）。作者团队通过对太湖流域典型的以农业面源为主的入湖河流苕溪的研究发现，东苕溪流域从上游到下游，颗粒态的TP及MRP（钼蓝反应磷）含量激增，真溶解态的TP及MRP下降，而胶体态TP及MRP含量较为稳定（图2）。

图1胶体对流域磷酸盐的运移作用

图2 东苕溪磷素粒径分布绝对浓度（a）和含量百分比（b）

2全国典型稻区土壤胶体磷地带性差异

作者团队采集了全国典型稻区（东北稻区、西南稻区、华中稻区、华南稻区和华东稻区）的土壤样品，分析了稻田土壤胶体磷含量的地带性差异，发现土壤水分散性胶体磷含量范围为3.11～66.49mg/kg，平均值为27.14mg/kg，各土壤间差异性较大；在流失的土壤总磷（＜1μm）中，胶体磷含量的比例范围为10.51%～84.47%，平均值为51.31%，其中50%以上的土壤样本中的水分散性胶体磷含量超过真溶解态磷（图3）。

图3 典型稻区土壤水分散性胶体和胶体磷含量分布

3基于同步辐射与核磁共振技术的土壤胶体磷形态表征

作者团队联合应用同步辐射X射线吸收近边结构（XANES）及磷-31核磁共振（31P-NMR）光谱技术深入表征了土壤中胶体磷的分子形态特征（图4），发现了菜地和稻田土壤胶体磷主要以铁结合态磷和钙结合态磷存在（图5）。

图4 磷分子形态表征手段

图5 土壤胶体样品及磷标样磷的K边XANES谱

注：短线表示不同磷形态的特征峰：a，铁磷；b，白线峰；c和d，钙磷；e，氧的振荡峰。HAP，羟基磷灰石；TCP，磷酸三钙；DCPD，二水合磷酸氢钙；MCP，磷酸二氢钙。稻田谱图经过Savitsky-Golay平滑处理

4土壤胶体磷流失阻控策略研究

作者团队探究了保护性耕作和多样化轮作、添加生物炭、高分子絮凝剂等手段对土壤胶体磷流失的阻控作用。

保护性耕作及多样化轮作

试验点实景图

壤质土试验点

粘壤土试验点

通过田间长期定位实验，作者团队发现免耕与秸秆还田可以有效阻控土壤胶体磷流失，但阻控效果受土壤质地、轮作背景及土壤本底磷含量的交互作用影响。

图6 不同耕作处理下供试土壤的胶体磷含量

CHF，翻耕/秸秆不还田/冬闲；CRF，翻耕/秸秆还田/冬闲；CHW，翻耕/秸秆不还田/小麦；CRB，翻耕/秸秆还田/豌豆；NHF，免耕/秸秆不还田/冬闲；NRF，免耕/秸秆还田/冬闲；NHW，免耕/秸秆不还田/小麦；NRB，免耕/秸秆还田/豌豆

不同种类粪源炭

作者团队探究了施加3种粪源生物炭的土壤中胶体磷的释放潜能，发现了猪粪生物炭（PM）的添加会显著增强土壤中胶体总磷的释放，而羊粪生物炭（SM）与牛粪生物炭（CM）会抑制胶体总磷的释放（图7）。

图7 施加不同种类粪源生物炭后土壤胶体磷的流失潜能

TPcoll-胶体总磷；MRPcoll-胶体钼蓝反应磷；MUPcoll-胶体钼蓝不反应磷

高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺PAM）

作者团队研究了添加高分子絮凝剂（聚丙烯酰胺PAM）后八种土壤水分散胶体的微观结构，及不同PAM施加量对其土壤胶体磷的释放阻控效应，发现施加25kg/hm2PAM后，八种土壤胶体的形貌如图8所示。在10μm的空间分辨率下，八种典型土壤胶体中均可观察到呈网状分布的PAM絮状体，并且PAM表面还有明显的土壤颗粒物分布。PAM对黏土和粉壤土中胶体磷流失潜能的抑制作用较好（59.4~96.3%），对胶体磷含量较少的粉土的抑制效果较弱（31.7~39.6%）。PAM在砂壤土和壤质土中也能发挥良好的作用，在施加低、中、高三个水平的PAM后，抑制率平均为40.7~81.2%。但是，PAM的施加可能会促进土壤中胶体态MRP、真溶态TP、真溶态MRP、真溶态MUP的释放（图9）。

图8 施加25kg/hm2PAM后土壤水分散性胶体的SEM图

图9  施加不同含量PAM后土壤胶体磷和真溶解态磷的流失潜能

0、L、M、H分别指0 kg/hm2 、12.5kg/hm2 、25kg/hm2 、50kg/hm2 的PAM施加量

作者简介

梁新强，浙江余杭人，博士、教授、博士生导师。现任浙江大学环境与资源学院院长助理、环境工程系主任、浙江省水体污染控制与环境安全技术重点实验室副主任。国家自然科学优青项目和浙江省自然科学杰青项目获得者，入选浙江省151人才工程第二层次、省部属单位高层次人才，兼任国际水协会会员、中国地理学会会员、浙江省农业生态与能源技术创新与推广服务团队专家、《环境生态学》期刊特邀编委、《浙江大学学报农业与生命版》编委。主要从事流域面源污染发生机制与治理技术研究，研究成果发表Nature正刊论文1篇，主编科学出版社专著6部，授权国家发明专利20项、美国发明专利1项，为解决我国流域面源污染物迁移转化关键科学问题，以及促进面源污染防治研究成果走向应用作出了一定的贡献。

《土壤胶体磷储存与流失阻控》主要介绍了当前农业面源污染研究中有关胶体促发的土壤磷流失现状，揭示了胶体作为中间介质对磷元素迁移的重要作用，探明了多种农田土壤胶体磷的流失潜能、阻滞系数及其差异性，考察了土壤酸度变化、保护性耕作与多样化轮作、降雨和磷肥输入、施加生物炭等土壤调理剂对土壤胶体磷释放及流失的影响规律，并提出了土壤胶体磷流失的有效阻控对策。

该书适合环境学、土壤学、水科学、生态学、农学等领域的科研工作者和工程技术人员阅读，特别是从事农业面源污染防治研究的广大科技人员，对从事环境保护、生态保护和农业可持续发展的政府管理与决策者也有重要的参考价值。

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