磷在作物生长中有不可替代的地位，但磷矿作为不可再生矿产，面临着开发殆尽的局面^[1]。对工业、城镇、农业含磷废弃物进行回收利用是目前全球研究的热点^[2-4]。我国生活污水产生量大，氮、磷营养元素浓度高，生活污水农田回用不仅能够减少污水对水环境的污染负荷，而且能够在保证产量的同时减少化肥的投入，这对面源污染的防控和可持续发展有重要的意义^[5]。稻田作为一种特殊的人工湿地系统，对污水的消纳具有很大的潜力，经处理后的生活污水有毒有害物质很少，对水稻生长发育及粮食的安全没有显著的负面影响^[6]。所以，在保证食品安全的前提下，生活污水作为水稻的灌溉用水具有巨大的经济和社会效益及广阔的应用前景。现有稻田污水利用的研究大多关注水稻湿地对污水中氮、磷的去除^[7]、生活污水灌溉的田面水氮、磷动态变化^[8-9]以及不同布水方式对水稻生长的影响等^[10]。生活污水灌溉对土壤磷循环影响的研究较少^[11]，尤其是对土壤中磷形态和磷的吸附特征的相关研究还较为缺乏。

土壤中磷的存在形态与其生物有效性密切相关^[12-13]，对土壤肥力的管理具有重要意义。李中阳等^[11]研究了城市再生水灌溉对黑麦草生长及土壤磷形态的影响，结果表明再生水灌溉增加了土壤钙结合态磷，同时也增加了土壤活性有机磷含量。生活污水中养分含量较高，而且有大量的溶解有机质，其中氮、磷浓度受污水来源、当地气候、饮食以及污水处理工艺等因素影响，差异较大^[14]。生活污水的氮、磷浓度不仅影响水稻的生长和产量，而且对土壤的磷形态和磷的吸附特征也会产生一定影响。本研究采用不同氮、磷浓度的生活污水进行水稻灌溉，通过改进的Hedley法对土壤的磷形态进行分析，研究生活污水灌溉条件下水稻土壤磷形态的变化以及土壤磷的吸附特征的变化，以期为生活污水的稻田合理利用提供技术支撑。

1 材料与方法 1.1 盆栽设置

供试土壤来自南京市高淳区东坝镇稻田，土壤类型为脱潜水稻土，土壤基本理化性质见表 1。实验地点位于江苏省农业科学院内温室大棚。盆栽采用聚乙烯塑料桶(直径30 cm)，填土厚度30 cm，填土质量20 kg。水稻品种为武运粳23号，育苗移栽，每盆3穴，每穴3株。于2015年6月17日进行移栽，10月13日收获。

1.2 实验设计

实验设置不施肥对照(N0P0)、常规施化肥对照(NcPc)及4个不同氮、磷浓度生活污水处理(低氮低磷N2P2、高氮低磷N4P2、低氮高磷N2P4、高氮高磷N4P4)，每个处理设置3个重复。对照采用自来水灌溉，污水处理均不施化肥，生活污水来自化粪池污水，原水水质见表 2，重金属含量均满足农田灌溉水质标准(GB 5084—2005)。通过对化粪池污水进行不同倍数的稀释获得不同氮、磷浓度的生活污水，具体见表 3。常规施化肥处理氮、磷、钾的施用量分别为210 (N)、70 (P₂O₅)、70 (K₂O) kg·hm^-2，磷钾肥全部作基肥，泡田时溶于水一次性施入；氮肥分3次施入，基肥、蘖肥、穗肥总氮(TN)施用量均为70 kg·hm^-2，均为溶于水施入。

盆栽水稻整个生长期的用水量及通过污水灌溉带来的氮、磷含量见表 3。各处理设计的灌溉水量相同，并依照水稻生长实际需求灌溉。田面水自然下落至2 cm水深时进行灌溉，每次灌溉量约为2~4 L·盆^-1，保持水层深度在2~6 cm。N0P0和NcPc处理生长期内均用自来水灌溉，污水灌溉处理除烤田结束统一补水时用自来水灌溉外，均用生活污水灌溉。各处理生长期内自来水和生活污水共灌溉14次，基肥、蘖肥、穗肥期的灌溉次数分别为3次、3次和8次。除施化肥组外，其他处理的灌溉量均为45 L·盆^-1，由于施化肥组水稻生长旺盛，为避免田面水落干，实际灌水量偏多。烤田前和收获前让田面水自然落干。污水灌溉处理带入的氮、磷分别为468~936 mg·盆^-1(折合N 67.4~134.6 kg·hm^-2)、27.3~54.6 mg·盆^-1(折合P₂O₅ 8.1~16.2 kg·hm^-2)。以常规施化肥为参照，相当于替代32.1%~64.1%的氮，11.6%~23.2%的磷。

1.3 样品采集与分析

成熟期采集盆栽内全部水稻的籽粒和秸秆，进行测产并分析产量构成因素。籽粒和秸秆烘干后粉碎测定氮、磷含量。植株TN和总磷(TP)含量按农业行业标准方法测定，用浓硫酸与双氧水消解样品，凯氏微量法测氮，磷钼蓝法测磷，并计算植株氮、磷吸收^[15]。

水稻收获后将盆栽土整体倒出，充分混合后作为待测土样。土壤样品室温风干，过2 mm土筛，备用。土壤TP采用硫酸-高氯酸消解，磷钼蓝比色法测定^[16]。土壤TN按浓硫酸与双氧水消解后凯氏定氮法测定。土壤磷库的变化指种植后盆栽土壤TP含量减去种植前土壤TP含量，即(收获后土壤TP浓度－供试土壤TP浓度)×盆栽填土质量。作物带走磷包括秸秆和籽粒中的磷。本研究土壤呈酸性，所以有效磷采用0.03 mol·L^-1 NH₄F和0.025 mol·L^-1稀盐酸混合溶液提取^[17]。

采用改进后的Hedley法进行磷形态连续提取^[18]。取过2 mm筛的土壤约0.5 g，分别加入25 mL提取液，震荡16 h后离心，分析上清液，残渣进行下一步提取分析。第一步加入阴离子交换树脂膜(AMI)提取，为树脂交换态磷(Resin-P)，是土壤中生物有效性最高的磷形态。第二步加入NaHCO₃溶液提取，磷钼蓝法直接测定NaHCO₃-Pi，代表吸附在晶体铁铝氧化物表面的无机磷，是土壤有效磷库的重要组成部分^{[12, 19]}。NaHCO₃提取液消解后测定TP，通过TP与NaHCO₃-Pi相减后得到NaHCO₃-Po，NaHCO₃-Po是结构较为简单的钙磷有机物，代表易矿化的有机磷。第三步加入NaOH溶液提取，磷钼蓝法直接测定NaH-Pi，代表吸附于无定型铁铝氧化物的无机磷，是土壤供给作物磷的缓冲库。溶液进一步消解后测定溶液TP，通过TP与NaH-Pi相减后得到NaH-Po，代表相对稳定的有机磷。第四步加入HCl溶液提取HCl-P，代表钙结合态矿物磷^[19]，缺磷的条件下，其仍然可以为作物提供所需的磷^[20]。Hedley法通常把Resin-P、NaHCO₃-Pi和NaHCO₃-Po作为易利用态磷(L-P)，NaH-Pi和NaH-Po一般被认为是中等活性的磷形态(ML-P)，HCl-P是钙结合态磷，性质较为稳定。

磷的等温吸附实验：取过2 mm土筛的土壤样品2.5 g放入离心管，加入含磷量不同的0.01 mol·L^-1的CaCl₂溶液50 mL。磷的浓度梯度为0、2.5、5、10、25、50、80 mg·L^-1，在各处理中滴两滴甲苯以抑制微生物活性。在25 ℃下恒温连续震荡24 h，然后在10 000 r·min^-1的速度下离心，分别测定上清液中的磷浓度，以差减法计算吸附量。以平衡溶液的磷浓度为横坐标，以土壤的吸磷量为纵坐标绘制等温吸附曲线，并用Langmuir方程拟合。其表达式一般为：

式中：C为吸附平衡液中的磷浓度，mg·L^-1；S为单位质量土壤固相对磷素的吸附量，mg·kg^-1；K_L是与结合能有关的一个常数(即吸附平衡常数)，L·mg^-1；S_m为单位质量土壤固相对磷素的饱和吸附量，mg·kg^-1。由K_L和S_m两个数值的乘积，可计算得到磷素的最大缓冲容量(MBC)，mg·kg^-1。并根据实验结果计算易解吸磷(RDP)、磷零吸持平衡浓度(EPC0) 等参数^[21]。RDP是0.01 mol·L^-1 CaCl₂溶液提取的磷，代表在一定条件下易溶磷从土壤进入溶液或地表径流的难易程度。EPC0是土壤溶液中的磷在达到吸持与解吸动态平衡时的浓度，EPC0主要用来表征土壤的固磷能力，EPC0越小，土壤固磷能力越大，反之，则土壤固磷能力越小^[22]。原土(OS)和各处理(N0P0、NcPc、N2P2、N4P2、N2P4、N4P4) 的3个重复样品均进行了磷的等温吸附实验，各参数的最终结果表示为平均值±标准差。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel软件对数据进行统计；采用SPSS中Duncan法对数据进行差异显著性分析(P＜0.05)，采用Sigma plot软件制图。

2 结果与分析 2.1 土壤TP和有效磷的变化

水稻收获后土壤TP和有效磷的含量见表 4，土壤TP浓度介于628.6~769.2 mg·kg^-1，除N4P4土壤TP含量显著下降外(P＜0.05)，其他处理略有下降，但与原土差异不显著。NcPc的土壤TP含量与原土含量没有显著差异，高氮处理组土壤TP含量略低于低氮处理组。各处理土壤有效磷介于5.42~13.0 mg·kg^-1，经过一季水稻种植，土壤有效磷显著下降(P＜0.05)，其中NcPc有效磷含量显著高于其他处理(P＜0.05)。各污水灌溉组土壤有效磷含量介于5.42~7.88 mg·kg^-1，处理间没有显著差异，与N0P0土壤的有效磷含量也没有显著差异。

2.2 污水灌溉下土壤磷形态的变化

土壤中不同活性的磷含量见表 5。各处理中土壤磷含量均表现为ML-P＞L-P＞HCl-P。种植水稻后，N0P0和NcPc的L-P均有显著增加(P＜0.05)，除N2P2与原土的L-P含量没有显著差异外，其他污水灌溉处理均显著下降(P＜0.05)。N0P0和NcPc土壤ML-P比OS略有下降，但差异不显著，而高磷处理土壤ML-P含量显著高于OS、N0P0和NcPc(P＜0.05)。水稻收获后土壤HCl-P没有显著变化，各处理间差异也不显著。

不同处理下土壤磷形态含量见图 1。OS处理中NaH-TP含量最高(占TP的37.2%，其中NaH-Pi占TP的25.1%)，其次为HCl-P(占TP的15.3%)和NaHCO₃-TP(占TP的12.2%，其中NaHCO₃-Pi占TP的10.7%)，Resin-P含量最少，仅占TP的7.4%。

经过一季水稻种植后，各处理Resin-P显著下降(P＜0.05)，从57.0 mg·kg^-1下降至10 mg·kg^-1左右，处理间没有显著差异。在水稻收获后NaHCO₃-Pi含量均有所增加，其中NcPc、N2P2和N4P4处理增加显著(P＜0.05)，N0P0、NcPc和N2P2土壤的NaHCO₃-Po含量也显著增加(P＜0.05)，其他污水处理增加不显著。在污水磷投入相同条件下，高氮处理的土壤NaHCO₃-Pi和NaHCO₃-Po在低磷投入时均小于低氮处理，其中NaHCO₃-Po的差异达显著水平(P＜0.05)，在高磷投入时高氮处理的土壤NaHCO₃-Pi含量比低氮处理高。在污水氮投入相同条件下，高磷处理的NaHCO₃-Pi和NaHCO₃-Po在低氮投入下均低于低磷处理，其中NaHCO₃-Po的差异达显著水平(P＜0.05)，而在高氮投入下高磷处理的NaHCO₃-Pi含量要高于低磷处理。

NaH-Pi的含量在水稻收获后均有所增加，其中污水处理组均显著增加(P＜0.05)，不施肥对照和施化肥对照增加不显著。NaH-Po除污水高磷处理外，其他处理均显著减少(P＜0.05)。在低磷投入下高氮处理土壤NaH-Pi显著小于低氮处理(P＜0.05)，在高磷投入下高氮处理与低氮处理没有显著差异；而NaH-Po含量不受影响。收获后土壤NaH-Pi含量在高磷处理低氮条件下显著小于低磷处理，高氮条件下没有显著差异；NaH-Po含量则不受氮投入的影响，高磷处理无论在低氮还是高氮条件下均显著高于低磷处理(P＜0.05)。

2.3 磷吸附曲线的变化

磷吸附曲线可以通过Langmuir方程较好地拟合，决定系数均高于0.93，磷吸附曲线参数见表 6。经过一季水稻生长，土壤磷的最大吸附量S_m均有所提升，从235.4 mg·kg^-1升高到434.9 mg·kg^-1，各处理均达到显著水平(P＜0.05)。K_L在水稻收获后也均有提高，仅有低氮污水处理组提高显著(P＜0.05)。在种植水稻后土壤MBC也均有增加，污水灌溉处理和N0P0增加显著(P＜0.05)，NcPc土壤MBC较低，但各处理间没有显著差异。收获后各处理的RDP均显著下降，NcPc降幅较小，N2P4降幅最大。本研究水稻土吸附平衡浓度EPC0介于0.065~0.102 mg·kg^-1，收获后土壤EPC0显著下降，其中NcPc的EPC0值最高，N2P2、N4P2和N2P4显著低于NcPc(P＜0.05)。

在低磷条件下，高氮处理与低氮处理的磷吸附参数没有显著的差异，高氮处理S_m略高，K_L略低。在高磷条件下，高氮处理与低氮处理土壤的S_m、K_L和MBC没有显著差异，但高氮处理的RDP和EPC0均显著高于低氮处理(P＜0.05)。在同等氮投入条件下，高磷处理和低磷处理各参数没有显著差异，高磷处理的RDP和EPC0在低氮条件下略低于低磷处理，在高氮条件下则略高于低磷处理。

土壤磷的吸附参数与磷形态之间的相关系数见表 7，S_m、K_L、MBC均与NaH-Pi显著正相关，与Resin-P显著负相关(P＜0.05)。RDP、EPC0与Resin-P显著正相关，EPC0与NaH-Pi显著负相关(P＜0.05)。

3 讨论 3.1 生活污水灌溉下土壤TP和磷形态的变化

本研究发现，种植一季水稻后，NcPc的土壤TP含量基本持平，表明化肥处理中磷的投入与产出达到平衡；生活污水灌溉下，土壤TP含量有所下降，其中N4P4下降最多，平均降幅为19.0%。这主要是因为污水灌溉带入的磷仅相当于施化肥处理的11.6%~23.2%，远远小于作物带走的磷元素(见表 4)。在高氮浓度的污水灌溉下，土壤TP含量较低，这是因为氮是水稻生长的重要营养，高氮投入促进了水稻生长，从而增加了对磷的吸收^[23]。本研究高氮污水处理下水稻植株的吸磷量与施化肥处理没有显著差异，这说明土壤在生活污水灌溉下为水稻提供了足够的磷素。污水中带入的磷量相对来说差异较小，不同磷浓度灌溉并没有表现出土壤TP上的差异。各处理土壤有效磷在水稻收获后均有显著下降，NcPc的有效磷含量显著高于N0P0和污水处理组。土壤有效磷(Bray法)13~20 mg·kg^-1是作物维持产量的区间^[24]，污水处理组土壤有效磷偏低，水稻吸收的磷需要土壤中其他形态的磷转化而来。

经过一季水稻生长，除HCl-P外，土壤各磷形态有较为明显的变化。生活污水灌溉组除了N2P2外，其他土壤L-P均有显著的下降(P＜0.05)。ML-P则大多有所增加，其中N2P2、N4P2和N4P4增加显著(P＜0.05)。Resin-P下降最为显著，各处理间并没有显著差异，这与土壤有效磷的结果一致，说明无论施化肥或者生活污水灌溉，土壤Resin-P均为水稻提供了有效的磷供给。N0P0的土壤磷形态主要变化还包括NaHCO₃-Po的显著增加和NaH-Po的显著减少(P＜0.05)，说明不施肥条件下水稻生长主要影响土壤有机磷的转变。NaH-Po的减少和NaHCO₃-Po的增加可能与水稻生长过程中根系和微生物作用有关。一方面，缺磷条件下，根系和微生物会分泌磷酸酶，促进有机磷的水解，另一方面，微生物的繁殖促进微生物磷的增加，此部分有机磷正是NaHCO₃-Po的重要组成部分。

与N0P0相比，NcPc的土壤NaHCO₃-Pi显著增加(P＜0.05)，NaH-Pi略有增加，其他形态磷没有显著变化。这与Linquist等^[25]的研究结果一致，研究指出水稻施用的化肥和有机肥超出水稻带走磷的那部分会成为土壤的NaHCO₃-Pi和NaH-Pi。Wang等^[26]5年水稻盆栽实验表明施磷肥不仅增加无机磷(Resin-P、NaHCO₃-Pi、NaH-Pi)含量，也增加有机磷(NaHCO₃-Po、NaH-Po)的含量。张奇春等^[27]研究表明施化肥条件下，水稻土经过多年耕作后NaHCO₃-Po逐渐降低，NaH-Po基本上没有变化。可见，土壤有机磷的变化影响因素较多，但本研究表明施化肥并未影响短期土壤有机磷的变化。

生活污水中的磷主要以无机磷的形式存在，有机磷不足10%，所以污水灌溉对土壤磷形态的影响与施化肥处理有相似之处。与不施肥对照相比，污水灌溉增加了NaHCO₃-Pi的含量，其中N2P2和N4P4处理达到显著性水平；NaH-Pi也有所增加，N2P2处理增加显著(P＜0.05)。但与NcPc相比，不同氮、磷浓度对NaHCO₃-Pi和NaH-Pi的影响有差异，比如，N2P4和N4P2处理NaHCO₃-Pi含量显著低于NcPc(P＜0.05)，而且N2P2、N4P2和N2P4处理的NaH-Pi显著高于NcPc(P＜0.05)。这一方面可能是因为生活污水中磷是分散投入，所以磷的吸附转化有所不同；另一方面，生活污水中氮、磷有相互作用，水稻对磷的吸收利用存在差异，导致土壤磷形态的差异。然而，污水灌溉对土壤有机磷的影响与施化肥处理有明显不同。生活污水处理土壤中NaHCO₃-Po显著低于N0P0和NcPc(P＜0.05)，说明污水灌溉促进了土壤中此类活性有机磷的矿化分解。污水磷浓度影响了NaH-Po的变化。低磷污水灌溉处理NaH-Po的下降，可能是土壤原有NaH-Po的矿化分解导致的，相关研究指出缺磷条件下微生物和植物会利用此部分有机磷^[28]。高磷污水NaH-Po相对增加的原因一方面可能是污水带入了部分NaH-Po，另一方面，高浓度污水中无机磷会抑制土壤微生物和根系磷酸酶的产生^[29]，减少了此部分有机磷的矿化。

土壤有机磷矿化是土壤磷循环的重要组成部分，对土壤肥力和供磷水平具有重要意义。Sharpley等^[30]指出未施肥土壤有效磷与有机磷和磷酸酶活性有关，说明有机磷矿化对土壤供磷具有重要作用。已有研究指出在不同施肥种类和方式下有机磷总量在短期并不会增加^{[19, 31]}，但本研究结果表明在短期的污水灌溉下有机磷的组成结构有明显的变化，即代表活性有机磷的NaHCO₃-Po显著下降。土壤有机磷的矿化过程主要是根系和土壤微生物产生的磷酸酶促进了有机磷的水解^[32-33]。生活污水中溶解有机质的氮的投入，对土壤微生物功能和群落结构有改善的作用，能够有效增加土壤微生物多样性^[34]。生活污水中带入的微生物是否增加了土壤微生物的多样性，及其对土壤磷循环的作用过程如何还需要进一步研究。

3.2 生活污水灌溉下土壤磷的吸附特征的变化

相比施化肥处理，污水灌溉的土壤磷的最大吸附量S_m和吸附参数K_L显著提高(P＜0.05)。土壤中磷的吸附受到土壤有机质、铁铝氧化物、粘土矿物等成分的影响^[35]。研究表明，溶解有机质一方面与磷竞争吸附点位，减少磷的吸附^[36]；另一方面，在土壤胶体表面，溶解有机质通过与金属离子桥接，增加磷的吸附^[35]。本研究属于后者，即污水有机质与土壤金属离子螯合，为磷提供了较多的吸附点位。这说明污水灌溉有利于提高土壤对磷的吸附容量，提高土壤磷的最大缓冲量MBC，从而增加土壤对肥料的缓冲。相关分析表明S_m与NaH-Pi显著正相关(P＜0.05)，在本研究中污水灌溉增加了土壤的吸附量，NaH-Pi的增加也表明污水中无机磷能够被铁铝氧化物吸附，促进土壤最大吸附量的增加。Bar-Yosef等^[37]指出污水磷进入土壤刚开始以吸附为主，然后是沉淀，与本研究的结果一致。另外，表示吸附能力的K_L值也表现为污水灌溉处理高于化肥处理，即增加了土壤对磷的吸附能力。土壤对磷的吸附和缓冲能力的增加有助于减少磷的径流和渗漏损失。

生活污水氮、磷的浓度对土壤最大吸附量和吸附能力没有显著的影响，但对土壤RDP和EPC0有显著的影响。高氮处理土壤的RDP和EPC0显著高于低氮处理，这可能是因为高氮处理的生物量高于低氮处理^[23]，根系分泌的有机酸对土壤的吸附能力有负面效果^[38]，促进了土壤平衡溶液中磷浓度的增加，也促进了水稻对磷的吸收利用。

4 结论

生活污水灌溉下土壤的磷形态受污水灌溉中氮、磷的投入和水稻生长的共同影响。相比种植前，收获后各处理土壤中Resin-P含量均有显著的下降，而HCl-P含量没有显著变化。

由于生活污水投入磷含量较少，种植水稻后土壤TP略有下降，土壤有效磷有显著的降低。施化肥主要促进了土壤L-P的增加，生活污水灌溉显著降低了土壤L-P，增加了土壤ML-P，对土壤有机磷的矿化过程影响显著，而且生活污水灌溉能增加土壤对磷的最大吸附量，增强土壤对磷的吸附。

生活污水中磷浓度的提高增加了土壤中等活性有机磷的含量，污水中氮浓度的提高促进了水稻的生长发育从而影响磷的吸收及土壤的磷形态。