埃塞俄比亚Didessa地形序列高风化土壤中闭蓄态磷的主导分布及其对成土作用的挑战

《CATENA》：Occluded phosphorus dominates in highly weathered soils of the Didessa toposequence, Western Ethiopia

本研究针对埃塞俄比亚西部Didessa流域高风化土壤（Ultisols、Alfisols、Vertisols）中生物有效磷缺乏但全磷储量未知的问题，通过Hedley连续提取法量化了四种土地利用方式下土壤磷组分。结果发现全磷含量高达2020–3138 mg kg?1，且73–80%为闭蓄态和残留态磷，表明高风化土壤中稳定磷库占主导，挑战了传统成土过程中磷耗竭的范式，为热带地区磷管理提供了新见解。

　　

在热带农业系统中，土壤磷素的可持续管理是保障作物产量的关键。埃塞俄比亚西部的Didessa流域属于湿润热带气候，广泛分布着高风化的Ultisols（老成土）、Alfisols（淋溶土）和Vertisols（变性土）。这些土壤虽然全磷（Total P, TP）储量可能很高，但植物可直接利用的生物有效磷往往严重缺乏，导致作物生产受到限制。传统的观点认为，随着土壤风化程度的加深，磷会因淋溶作用而不断耗竭，尤其在Ultisols和Oxisols（氧化土）等高度风化的土壤中，全磷含量通常较低（约200-250 mg kg^-1）。然而，来自埃塞俄比亚等地的不少研究却报道了相反的现象：一些高风化土壤的全磷含量可以超过1000 mg kg^-1，甚至接近3000 mg kg^-1。这种矛盾凸显了我们对高风化土壤中磷的赋存形态、转化规律及其驱动机制的认识仍存在空白。为了厘清Didessa流域主要土壤类型的磷库特征及其对土地利用方式的响应，Abdenna Deressa和Markku Yli-Halla开展了这项研究，其成果发表在环境科学领域知名期刊《CATENA》上。

研究人员采用了野外调查与室内分析相结合的方法。他们沿Didessa流域一条53公里长的地形序列（海拔1273–2700米）设置了采样点，涵盖了Typic Hapludults（典型弱发育湿润老成土）、Typic Ferrudalfs（典型铁质湿润淋溶土）、Typic Rhodudalfs（典型红色湿润淋溶土）和Typic Hapluderts（典型弱发育湿润变性土）这四种代表性土壤，以及可耕地、休耕地、公共放牧地和混农林业这四种土地利用方式。研究的关键技术是改进的Hedley磷连续分级提取法（由Tiessen和Moir修正），该方法将土壤磷依次提取分为六个功能库：微生物磷（microbial-P）、0.5 M NaHCO₃提取磷（活性磷库）、0.1 M NaOH提取磷（与铁铝氧化物紧密结合的磷）、1 M HCl提取磷（推测为钙结合磷）、浓HCl提取磷（闭蓄态磷）以及浓H₂SO₄-H₂O₂消解磷（残留态磷）。同时，直接测定了土壤全磷。此外，还分析了土壤基本理化性质如pH、有机碳（SOC）等，并运用统计软件（SPSS）进行了差异性和相关性分析。

3.1. 全磷

研究发现，所有土壤类型的全磷含量均异常高，范围在2020至3138 mg kg^?1之间，中位数为2258 mg kg^?1，远高于教科书通常报道的500-800 mg kg^?1，也高于全球高度风化土壤的平均水平。然而，全磷含量沿地形序列的变化趋势并不一致，未显示出与景观位置或风化程度的明确规律。例如，位于较高地形部位（山顶）的Ferrudalfs全磷含量最低，而位于较低海拔的Rhodudalfs全磷含量最高。这表明，除了成土过程，母质差异（如Hapludults和Ferrudalfs发育于玄武岩，Rhodudalfs发育于花岗片麻岩，Hapluderts发育于冲积物和崩积物）是导致全磷变异的重要因素。

3.2. 土壤类型间的磷组分

最活跃的磷库（NaHCO₃-Pi）含量极低，平均值仅为5.2 mg kg^?1，处于Olsen磷检验的“低”或“极低”水平。相比之下，NaHCO₃提取的有机磷（Po）和微生物磷的含量至少是活性无机磷的7倍，表明活性磷库主要以有机形态存在，并积极参与生物循环。中等活性磷库（NaOH提取磷）占总磷分量的15-18%，其中有机磷（NaOH-Po）的含量是无机磷（NaOH-Pi）的2.4至11倍，再次凸显了有机磷在相对活跃磷库中的主导地位。稀HCl提取的磷（推测为钙结合磷）含量在34-143 mg kg^?1之间，鉴于土壤呈酸性，这部分磷可能并非原生钙磷酸盐，而是操作定义下的其他形态磷。最引人注目的发现是，稳定磷库（浓HCl提取的闭蓄态磷和浓H₂SO₄-H₂O₂提取的残留态磷）在数量和比例上都占据了绝对优势，占总提取磷分量的73-80%。这意味着土壤中绝大多数的磷以植物难以利用的稳定形态存在。土壤总有机磷（TPo）含量在361-540 mg kg^?1之间，占总磷的20-28%。土壤有机碳与总有机磷的比值（SOC:TPo）在63-148之间，低于200的临界值，表明这些土壤具有较高的磷矿化潜力。

3.3. 土地利用方式间的全磷和磷组分

不同土地利用方式对土壤全磷和磷组分的影响相对有限。可耕地土壤的全磷和部分磷组分（如NaOH-Pi）与混农林业地并无显著差异，尽管可耕地的土壤有机碳含量低了24%。这可能是由于可耕地历史上施用肥料和粪肥在一定程度上补偿了有机质的下降。由于并非所有土壤类型下都包含全部四种土地利用方式，因此难以就休耕或放牧对土壤磷库的影响得出可靠结论。

3.4. 磷组分与成土作用

本研究最重要的启示在于其对高度风化土壤磷循环范式提出了挑战。传统的Walker和Syers（1976）模型认为，随着成土作用进行，土壤全磷会因淋溶而不断减少，同时磷从原生矿物向次生吸附态再向闭蓄态转化，最终导致高度风化土壤贫磷。然而，Didessa流域的土壤虽然风化程度高，全磷储量却非常丰富，且绝大部分存在于闭蓄态和残留态库中。研究人员认为，这可能与埃塞俄比亚西部母质本身富含磷，以及强烈的化学风化作用有关。高风化速率导致硅酸盐矿物分解，硅（Si）被淋失，而释放出的铁（Fe）和铝（Al）形成氧化物并在土壤中相对富集。这些氧化物对磷有强烈的吸附固定作用，新形成的氧化物不断覆盖先前形成的氧化物及其表面吸附的磷，从而将磷逐渐“埋葬”形成闭蓄态磷。因此，在这些富含铁铝氧化物的酸性土壤中，丰富的稳定磷库非但不能有效补充活性磷库，反而会“清除”（scavenge）由风化作用释放出的磷，使其进入难以利用的稳定库中。

本研究通过详细的磷分级分析揭示，埃塞俄比亚Didessa流域的高风化土壤（Ultisols、Alfisols、Vertisols）拥有异常高的全磷储量（2020–3138 mg kg^?1），但植物有效磷极度匮乏。磷的赋存形态以闭蓄态和残留态无机磷为主（占总磷分量的73–80%），而活性磷库则主要由有机磷构成。研究结果证实了假设H1（全磷含量高于全球高风化土壤平均水平），但未能支持假设H2（Ultisols的磷耗竭程度高于其他土类）和H3（Ultisols的闭蓄态磷比例更高）。不同土地利用方式对土壤磷储量的影响不明显，假设H4（耕地和放牧地会导致全磷和有机磷下降）也未得到支持。这项研究的重要意义在于挑战了高度风化土壤必然贫磷的传统成土作用范式，强调了母质背景和强烈风化作用下铁铝氧化物对磷的固定和闭蓄作用可能导致高储量、低有效性的特殊磷循环模式。这一发现对于理解热带地区土壤磷素演变规律、评估土壤磷库现状以及制定针对性的磷肥管理策略（如如何活化巨大的稳定磷库）具有重要的理论和实践价值。