2. 中国林业科学研究院热带林业实验中心,广西凭祥 532600;
3. 中国林业科学研究院林业科技信息研究所,北京 100091;
4. 广西大学林学院,广西森林生态与保育重点实验室,南宁 530004
磷是参与植物体的遗传、代谢、调节过程和结构性物质构建的必需大量元素,而土壤磷既是植物生长发育必需磷的主要来源又是影响其生长发育的主要限制因子[1-3]。由于直接测定土壤中不同化学形态的磷较为困难,研究者采用化学分组法将土壤中化学组成相近或分解矿化能力较为接近的一类无机或有机磷化合物划归为相同的组分(称为土壤磷的分级),并提出了不同磷分级的化学浸提方法[4-5],以期研究磷在土壤中的转化过程及其与植物有效性的关系[6]。同时,土壤对磷有很强的吸附能力[7-8],而测定土壤磷吸附等温线是研究土壤磷吸附性能的重要方法[9],土壤磷吸附特征是控制磷从土壤向水体释放的重要因素[10]。
近年来关于人工林土壤磷组分的研究愈发受到关注,比如曹娟等[11-12]对湖南会同不同年龄杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林土壤全磷、有效磷、无机磷组分和有机磷组分进行了研究,刘旭军等[13]探讨了连作对华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)人工林表层土壤磷组分的影响。我国南亚热带地区土壤高度风化且具有强酸性,富含铁、铝氧化物且普遍缺磷[14],导致土壤磷成为该区域森林生产力的主要限制因素[15];但该区域因水热资源相对丰富而成为外来速生桉树(Eucalyptus)的主要种植区。长期以来,众多学者对桉树人工林林地养分循环[16-17]、水分利用与平衡[18]和生物多样性[19-20]以及桉树林对区域水质影响[21-23]等问题进行了研究,而对桉树人工林土壤磷组分状况及吸附特征的研究缺乏关注。
本研究以位于广西凭祥市的中国林业科学研究院热带林业实验中心的桉树、马尾松(Pinus massoniana)和红椎(Castanopsis hystrix)人工林为对象。其中,马尾松和红椎分别是南亚热带地区的主要乡土针叶造林树种[24]和珍优乡土阔叶造林树种[25]。通过对桉树人工林与2种典型乡土树种人工林土壤剖面中磷组分含量及吸附特性的比较分析,探讨不同树种人工林土壤磷组分差异的影响因素, 为该地区人工林营建的树种选择及人工林可持续经营管理提供参考依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概况与林分土壤样品采集研究区位于广西崇左凭祥市的中国林科院热带林业实验中心伏波试验场(106°51' ~ 106°53'E,22°02' ~ 22°04'N),属于南亚热带季风型半湿润-湿润气候类型。该地区年均气温为20.5 ~ 21.7 ℃,最冷月(1月)均温13.5 ℃,最热月(7月)均温27.6 ℃;年均降雨量为1 200 ~ 1 500 mm,干湿季节明显(4—9月为湿季,10月至次年3月为干季);地带性土壤为花岗岩发育的山地红壤,土层厚度 > 80 cm[26]。
2017年8月,在伏波实验场典型选取立地条件相似(海拔:450 ~ 550 m,坡度:15° ~ 30°,坡向:南或西南,土壤类型:山地红壤)的桉树人工林和2种乡土树种(马尾松和红椎)人工林。其中,桉树人工林(面积约7 hm2)为巨尾桉(Eucalyptus grandis× E. urophylla)二代萌芽林,2008年3月于杉木人工林皆伐迹地上种植(初植密度2 500株/hm2),2014年11月皆伐留桩形成萌芽林,现林分平均胸径5.8 cm, 平均树高7.5 m。马尾松人工林(面积约1 hm2)和红椎人工林(面积约3 hm2)于1983年2月在杉木人工林皆伐迹地上种植(初植密度2 500株/hm2),分别于1993年、2003年和2008年进行了3次间伐(强度约30%);现马尾松林平均胸径和树高分别为27.5 cm和19.7 m;而红椎林形成了复层林,其主林层的平均胸径和树高分别为24.7 cm和18.8 m,次林层的平均胸径和树高分别为10.2 cm和8.5 m。在每种林分的上、中、下坡各设1块20 m × 20 m样地,并在每块样地内的对角线上随机选取3个点,按0 ~ 20、20 ~ 40和40 ~ 60 cm用土钻(内径5.0 cm)取土壤,然后将同层土壤混合后用铝盒取样用于测定土壤含水量,剩余混合土壤装入聚乙烯保鲜袋带回实验室。在实验室对混合土壤样品充分混合后按四分法取样,一部分于4 ℃低温保存,用来测定土壤酸性磷酸酶活性;另一部分经自然风干后过0.25 mm筛保存,用来测定土壤化学性质和磷组分。
1.2 土壤性质测定土壤含水量(SM)用烘干法测定。土壤pH采用水浸提(水土比为2.5:1),pH计(Prtavo 907 MULTI pH,德国)测定。土壤有机碳(SOC)含量采用高温催化燃烧法(Multi N/C 3100 TOC/TN,德国)测定;总氮(TN)含量采用H2SO4-HClO4消解,然后用SmartChem200全自动化学元素分析仪(Alliance,法国)测定;有效磷(Olsen-P)含量采用NaHCO3-钼锑抗比色法测定[27]。土壤酸性磷酸酶(ACP)活性采用对硝基酚磷酸钠法测定[28]。
1.3 土壤磷组分测定土壤中磷素的形态分为有机磷(Po)和无机磷(Pi)。土壤Po采用Bowman-Cole分级测定法[29]可得到活性有机磷(LO-P)、中等活性有机磷(MLO-P)、中稳性有机磷(MSO-P)和高稳性有机磷(HSO-P)等4个组分。土壤Pi依据Zhang-Jackson分级测定方法[30]可分别得到磷酸铝盐(Al-P)、磷酸铁盐(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和磷酸钙盐(Ca-P)等4个组分。
1.4 土壤磷吸附性能的测定参照Moughli等[31]方法进行土壤磷的等温吸附试验,采用Langmuir方程对磷等温吸附试验结果进行拟合。磷等温吸附Langmuir方程为:
$\frac{C}{Q} = \frac{C}{{{Q_m}}} + \frac{1}{{k{Q_m}}} $ | (1) |
式中:Q 表示土壤中磷的吸附量(mg/kg);C 表示平衡溶液中磷的浓度(mg/L);Qm表示土壤中磷的潜在最大吸附容量(mg/kg);k 表示土壤与磷的结合能有关的常数(L/mg)。
土壤磷吸附饱和度(DPS)表征土壤胶体上已吸附磷的数量占土壤磷总吸附容量的百分数,计算公式为[32]:
$\mathrm{DPS} = \frac{{{P_e}}}{{{Q_m} + {P_e}}} $ | (2) |
式中:Pe为吸附态磷(mg/kg),可用Olsen-P表示。
1.5 数据统计分析采用双因素方差分析(two-way ANOVA)检验林分类型与土层对土壤基本性质、全磷(TP)、Pi、Po和各磷组分含量的差异显著性;用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验不同林分类型和不同土层的土壤基本性质、TP、Pi、Po和各磷组分含量的差异显著性,若差异显著则用Duncan法进行多重比较;运用Pearson相关分析探究土壤基本性质与土壤TP、Pi、Po和各磷组分含量的关系。上述计算由IBM SPSS Statistics 24.0软件完成,绘图由Origin 9.0软件完成。
2 结果与分析 2.1 土壤基本性质方差分析表明林分类型对土壤含水量(SM)、pH、总氮(TN)含量和酸性磷酸酶(ACP)活性具有极显著影响(P < 0.01),土层对5个土壤性质均具有极显著影响,而林分类型×土层对5个土壤性质的交互作用均不显著(图 1)。在各土层中,桉树林的SM显著高于马尾松林和红椎林(P < 0.05),而2种乡土树种林分间差异不显著;桉树林和红椎林的pH差异不显著,但均显著高于马尾松林。
3种林分间土壤有机碳(SOC)含量、TN含量和ACP活性的差异依土层不同而异。在0 ~ 20 cm土层中,红椎林的SOC和TN含量均显著高于桉树林和马尾松林,桉树林的ACP活性显著低于马尾松林和红椎林;20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm土层中,3种林分间的ACP活性无显著差异,桉树林的SOC含量显著高于马尾松林和红椎林,但红椎林的TN含量最高,而马尾松林的TN含量最低。另外,3种林分的土壤SM、SOC含量、TN含量和ACP活性均呈现随土壤深度增加而逐渐减少,而土壤pH随土壤深度增加而递增。
2.2 土壤磷组分3种人工林土壤Po含量(91.51 ~ 257.45 mg/kg)和Pi含量(42.64 ~ 220.16 mg/kg)分别占TP的46.25% ~ 71.58%。方差分析可知(表 1),林分类型和土层均对Pi、Po和TP含量具有极显著影响;林分类型×土层对土壤Pi和TP含量的交互作用均达极显著水平(P < 0.01),而对土壤Po含量的交互作用仅达显著水平(P < 0.05)。在不同土层中,桉树林土壤TP、Pi和Po含量明显低于马尾松林和红椎林。红椎林土壤TP、Pi和Po含量在0 ~ 20 cm土层中显著高于马尾松林,而在20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm土层则与马尾松林之间差异不显著。另外,3种林分土壤TP、Pi和Po含量均随土壤深度增加而逐渐减少。
3种林分土壤中,活性有机磷(LO-P)、中等活性有机磷(MLO-P)、中稳性有机磷(MSO-P)和高稳性有机磷(HSO-P)含量分别占Po的1.74% ~ 7.16%、31.86% ~ 69.25%、21.52% ~ 55.43% 和7.29% ~ 17.42%,说明MLO-P和MSO-P是土壤Po的优势组分。方差分析显示(表 1),林分类型、土层分别对4个有机磷组分含量有显著或极显著影响,而林分类型×土层仅对土壤MSO-P含量具有极显著交互作用。桉树林土壤LO-P含量显著高于马尾松林和红椎林,而2种乡土树种人工间土壤LO-P含量差异不显著。红椎林土壤MSO-P含量显著高于桉树林和马尾松林,而马尾松林土壤MLO-P含量显著高于桉树林和红椎林。在0 ~ 20 cm和40 ~ 60 cm土层中,3种林分间土壤HSO-P含量差异不显著,而在20 ~ 40 cm土层中桉树林土壤HSO-P含量显著高于马尾松林和红椎林。另外,3种人工林土壤各有机磷组分含量均表现随土壤深度增加而递减趋势。
3种林分土壤磷酸铝盐(Al-P)、磷酸铁盐(Fe-P)、闭蓄态磷(O-P)和磷酸钙盐(Ca-P)含量分别占Pi的42.40% ~ 74.93%、12.77% ~ 43.92%、5.34% ~ 9.66% 和3.44% ~ 8.64%,表明Al-P和Fe-P是土壤Pi的优势组分。方差分析表明(表 1),林分类型、土层分别对4个无机磷组分含量具有极显著影响,而林分类型×土层仅对Al-P含量具有极显著的交互作用。桉树林各土层中Al-P、Fe-P、O-P和Ca-P含量均小于马尾松林和红椎林。在0 ~ 20 cm土层中,红椎林土壤Al-P含量显著高于马尾松林,而其土壤Fe-P、O-P和Ca-P含量均与马尾林无显著差异;20 ~ 40 cm土层,除了红椎林土壤Fe-P含量显著高于马尾松林外,其他无机磷组分含量在2种乡土树种人工林分间差异不显著;40 ~ 60 cm土层,仅有红椎林土壤Fe-P和Ca-P含量显著高于马尾松林。此外,3种人工林分土壤各无机磷组分含量均表现随土壤深度增加而逐渐减少规律。
2.3 土壤磷组分与土壤基本性质的相关性Pearson相关分析表明(表 2),3种林分土壤磷组分与土壤基本性质的相关性因土层而异。在0 ~ 20 cm土层中,SM与LO-P含量显著正相关(P < 0.05),而与Al-P、Fe-P、O-P和Pi含量显著负相关;pH与LO-P含量极显著正相关(P < 0.01),而与Fe-P和O-P含量显著负相关;TN含量与MSO-P、Al-P、Pi、Po和TP含量具有显著的正相关关系;ACP活性与LO-P含量极显著负相关,而与Fe-P、O-P、Ca-P和Pi含量显著正相关;SOC含量对土壤各磷组分含量的影响未达显著性。在20 ~ 40 cm和40 ~ 60 cm土层,主要表现为SM与土壤LO-P含量极显著正相关,而与4个无机磷组分、Pi和TP含量显著负相关。此外,在20 ~ 40 cm土层,TN含量与MSO-P含量极显著正相关(P < 0.01)。
从表 3可看出,采用Langmuir方程拟合不同林分土壤磷吸附等温曲线的决定系数为0.77 ~ 0.95,表征Langmuir方程能很好地拟合不同林分土壤对磷的吸附特征。3种人工林分土壤潜在最大磷吸附量(Qm)为564.97 ~ 1313.48 mg/kg,土壤对磷的吸附结合能(k)为4.54 ~ 8.63 L/mg,且Qm与k值具有一致变化关系。同时,桉树人工林各土层Qm和k值均小于马尾松和红椎人工林。
土壤磷饱和度(DPS)表征土壤已吸附磷素的多少, 反映了土壤磷素吸持能力。3种林分土壤DPS为1.08% ~ 2.38%,并表现随土壤深度增加而逐渐下降趋势。桉树人工林土壤DPS在各土层均高于马尾松和红椎人工林。
3 讨论 3.1 桉树人工林与2种乡土树种人工林土壤磷组分特征及其影响因素土壤有机磷(Po)大部分以有机物质的形态存在于土壤中,因此有机质含量高的土壤中可以发现Po含量也较丰富,而在磷含量较低或者固持严重的土壤中,有机质中的Po矿化是土壤有效磷的主要来源[33]。本研究中3种人工林土壤Po是磷库的主要形态,与曾晓敏等[34]关于我国亚热带地区不同森林植被类型(常绿阔叶林、针阔混交林和针叶林)土壤磷素研究结果一致,说明土壤Po在南亚热带地区人工林土壤磷素供应中具有重要作用。另外,本研究的3种人工林土壤Po的组分主要是中等活性有机磷(MLO-P), 其次为中稳性有机磷(MSO-P)和高稳性有机磷(HSO-P), 而活性有机磷(LO-P)含量最低(表 1),这与他人的研究结果略有不同。陈立新[35]发现在落叶松(Larix gmelinii)林地土壤Po组分中,MSO-P的相对含量最大, 其次为MLO-P和HSO-P,而LO-P含量最低;耿玉清等[36]研究表明北京八达岭地区9种人工林土壤Po组分中,以MLO-P为主, 其次为LO-P,而HSO-P的比例最低。至于为何不同树种人工林土壤Po各组分间比例关系不具一致性还有待深入探究。
土壤酸性磷酸酶(ACP)活性的高低直接影响着土壤有机磷分解转化及其生物有效性[37]。本研究中,桉树人工林各土层中ACP活性均低于马尾松人工林和红椎人工林(图 1),表征桉树人工林土壤中涉及磷循环的生物活动作用强度低于2种乡土树种人工林,而谭宏伟等[37]研究也表明南亚热带地区桉树人工林土壤ACP活性低于马尾松人工林;同时,尽管桉树林土壤LO-P含量高于2种乡土树种人工林,但LO-P含量占土壤Po的比例极小。因此,依据桉树速生特点,在桉树人工林培育过程中相较于2种乡土树种人工林而言,可能需要更加多的磷肥施用量,才能有效预防桉树人工林土壤肥力衰退。
土壤无机磷(Pi)组分中的Al-P和Fe-P是强烈吸附在铝铁化合物上的磷酸盐,是土壤中可溶性Pi的重要来源,而Ca-P和O-P则是比较难溶性的Pi组分[38-39]。本研究中,3种人工林各土层的Al-P和Fe-P均是Pi的优势组分(表 1),这是因为在酸性土壤中活性铁、铝的含量较高,对P的吸附固持和沉积作用较强[40]。桉树人工林土壤Al-P和Fe-P含量显著小于马尾松和红椎人工林(表 1),其原因是桉树林SM显著高于这2种乡土树种人工林(图 1),因为3种林分各土层的Al-P和Fe-P含量均与SM呈显著负相关(表 2)。土壤SM可通过影响pH而对Al-P和Fe-P含量产生作用,比如随着pH增加,OH-离子会与吸附在吸附剂(如Fe和Al化合物)上的P竞争,从而通过释放P来减少P的固定[41],导致Al-P和Fe-P含量下降。
3.2 桉树人工林与2种乡土树种人工林土壤磷吸附特性本研究采用Langmuir方程能很好地拟合3种人工林土壤对磷的等温吸附特征,并且3种人工林土壤潜在最大磷吸附量(Qm)(564.97 ~ 1 313.48 mg/kg) (表 3),与Campos等[42]关于热带土壤Qm(60 ~ 5 500 mg/kg)的研究结果相似。土壤中磷的吸附和储存在很大程度上受非晶铁、铝等离子的制约[42-43],而土壤对磷的结合能参数k值与土壤铁、铝氧化物含量显著正相关[44-45],导致3种人工林土壤Qm 与k 值呈正相关关系。
桉树人工林土壤磷吸附饱和度(DPS)高于马尾松和红椎人工林,可能原因是桉树林土壤Qm值低于2种乡土树种人工林。土壤DPS越高,土壤中易解吸的磷数量就越大,磷被植物吸收的可能性越高,但同时磷流失的风险也越高。因此,相对于2种乡土树种人工林而言,桉树林土壤具有较高的磷流失风险。
4 结论本研究中3种人工林土壤Po含量占TP的比例较高,是土壤有效磷库的重要来源,其优势组分是MLO-P和MSO-P。Al-P和Fe-P是土壤Pi的优势组分。桉树人工林土壤Po和Pi含量明显低于马尾松人工林和红椎人工林,表明桉树林的磷供应能力低于2种乡土树种人工林。桉树人工林土壤DPS高于2种乡土树种人工林,说明桉树林土壤磷流失风险高于2种乡土树种人工。因此, 就土壤磷素供应水平和吸附性能来说,乡土树种马尾松和红椎比外来桉树更适于作为当地的造林树种。
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2. Experimental Centre of Tropical Forestry, Chinese Academy of Forestry, Pingxiang, Guangxi 532600, China;
3. Research Institute of Forestry Policy and Information, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China;
4. Guangxi Key Laboratory of Forest Ecology and Conservation, College of Forestry, Guangxi University, Nanning 530004, China