2021, Vol. 53
2. 福建省湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地, 福州 350007;
3. 华中农业大学微量元素研究中心, 武汉 430070
杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国亚热带地区广泛种植的速生树种，其人工林面积已达1.10×107 hm2，约占全国人工林总面积的21.4%，在人工林生态系统中占据重要地位[1-2]。然而，由于杉木特有的生物学特性以及不合理的营林措施，导致人工林土壤肥力下降，磷(P)素缺乏已成为杉木人工林生长的重要制约因素[2]。土壤磷素供应受限一方面是由于连栽以及皆伐火烧等导致土壤养分大量流失[3]，另一方面是因为该区域土壤高度风化且呈酸性，植物可吸收利用的有效磷(AP)易被土壤中铁铝氧化物吸附固定[4]，致使磷素多以难分解态存在，即使土壤全磷(TP)含量高，AP供应也很难满足植物需求[5]。因此，活化土壤固定的和不易被植物吸收的磷是提高其利用率的重要途径[6]。
生物质炭是生物质材料在缺氧或限氧环境中热解而成的稳定多孔、高度芳香化的富碳物质[7]。研究表明，生物质炭作为土壤改良剂，有助于改善杉木人工林土壤肥力状况[8]。目前，围绕生物质炭施入对土壤磷素有效性的影响研究亦有较多报道，但结论不一[9-11]。已有研究发现，生物质炭可以直接释放可溶性磷以增加土壤AP含量[9]，但也有研究认为生物质炭施用加剧了土壤磷淋失[12]，或间接改变了土壤性质而影响磷的吸附、解吸、溶解、沉淀等过程[13]。这些差异表明生物质炭施用对土壤磷循环的影响还存在很大的不确定性。因此，研究磷组分分布特征及影响因素对深入认识生物质炭和土壤磷有效性关系尤为重要[14-15]。
由Hedley等[16]及Wang等[17]提出的连续浸提法已被广泛用于土壤磷组分研究。Gao等[7]发现生物质炭施用对农田土壤AP和微生物生物量磷(MBP)含量有促进作用。Chathurika等[13]研究发现，生物质炭施用显著提高了黏壤土中NaHCO3浸提磷(NaHCO3-P)和NaOH提取磷(NaOH-P)含量，而对壤土中的没有影响。Xu等[18]将生物质炭施用到酸性土壤中提高了HCl提取磷(HCl-P)含量，但这种影响未在碱性土壤中发现。亦有研究发现，生物质炭会吸附溶液中磷酸盐，降低碱性土壤磷有效性[19]。这些差异可能与土壤类型、生物质炭来源和制备条件以及施用量不同有关。当前，有关生物质炭施用对土壤磷组分变化的影响研究较少，且报道多集中在农田土壤，对人工林土壤的研究还不多见。为此，本研究以杉木幼苗土壤为研究对象，研究生物质炭施用对土壤磷组分的影响，以为该区域人工林土壤肥力提升和生物质资源合理利用提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 供试材料供试土壤于2019年3月下旬取自福建省闽北水土保持科教园，土壤类型为山地红壤。将去除石砾、动植物残体等杂物后的新鲜土壤样品，过5 mm筛备用。供试土壤的全碳(TC) 16.51 g/kg，全氮(TN) 1.71 g/kg，全磷(TP) 0.53 g/kg，pH 4.49。供试1年生杉木幼苗购自三明苗木基地。供试生物质炭(玉米秸秆，450℃制备)购自辽宁金和福农业科技股份有限公司，TC 442.91 g/kg，TN 7.97 g/kg，TP 2.94 g/kg，pH 10.17。
1.2 试验设计试验地点位于仓山校区长安山公园(26°02′ 11″N，119°18′03″E)。将6.24 kg新鲜土(相当于5.00 kg烘干土)、生物质炭与基肥按照一定比例混合均匀后装入直径25 cm、高25 cm的塑料盆中，选择长势一致的杉木幼苗栽入盆中。基肥施用量为：CO(NH2)2 50 kg/hm2，K2SO4 75 kg/hm2，Ca(H2PO4)2 100 kg/hm2；生物质炭施用量分别为0、12、36 t/hm2，相当于土壤质量的0、1% 和3%，分别记作处理CK、B12、B36，每个处理5次重复。自2019年4月1日起，每天检查幼苗生长状况，调换塑料盆位置，补充水分，去除土壤表面杂草和杂物，以减少环境因素的干扰。试验180 d后进行破坏性取样，利用四分法取出土样，新鲜土样去除根系、石砾等杂物，过2 mm尼龙网筛后分成两部分，一部分4℃储存；另一部分自然风干。
1.3 测定项目及方法土壤pH采用便携式pH计(Mettler FE28，上海)测定；TC利用元素分析仪(Elementar Vario MAX CN，德国)测定；含水量(SWC)采用烘干法测定；可溶性有机碳(DOC)采用总有机碳分析仪(TOC-VCPH/ CPN，Shimadzu，日本)测定。微生物生物量碳(MBC)和微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸–K2SO4浸提法浸提，微生物生物量磷(MBP)采用氯仿熏蒸–NaHCO3浸提法浸提[20]，利用连续流动分析仪测定提取液氮和磷含量，利用总有机碳分析仪(TOC- VCPH/CPN，Shimadzu，日本)测定提取液碳含量。
土壤磷组分分析采用Hedley等[16]提出的连续浸提法，参照Fan等[21]和Wang等[17]将土壤磷形态划分为：①易分解态磷(labile phosphorus，LP，包括Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)，其中Resin-P为阴离子树脂膜提取的无机磷(Pi)，NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po是通过NaHCO3溶液提取的无机磷与有机磷(Po)；②中等易分解态磷(moderately labile phosphorus，ML-P，包括NaOH-Pi、NaOH-Po)，即利用NaOH溶液进一步提取的无机磷和有机磷；③稳定态磷(occluded phosphorus，OP，包括NaOHs-Pi、NaOHs-Po、Dil.HCl-Pi)，其中NaOHs-Pi、NaOHs-Po是经NaOH溶液浸提和超声处理后的无机磷和有机磷，Dil.HCl-Pi是用稀HCl浸提的无机磷；④残余态磷(residual phosphorus，RP)，即利用H2SO4和HClO4高温消煮后测得的残留在土壤中的磷，为闭蓄态无机磷。根据土壤磷形态稳定性由弱到强的顺序提取，利用连续流动分析仪(Skalarsan++，荷兰)测定土壤磷组分含量。土壤TP为各级磷组分之和，土壤AP为Resin-P+NaHCO3-Pi+NaHCO3-Po，总有机磷(TPo)为NaHCO3-Po+NaOH-Po+NaOHs-Po。
1.4 数据处理数据运用Microsoft Excel 2013整理，统计分析和作图采用SPSS 25.0和Origin 2017软件，文中数据为平均值±标准误差。采用单因素方差分析法，分析不同处理下各指标的差异显著性(LSD检验，P < 0.05)；利用相关分析研究不同处理下土壤理化性质、磷组分和微生物生物量之间的相关性；运用CANOCO 5.0软件进行冗余分析(RDA)。
2 结果与分析 2.1 施用生物质炭对土壤基本性质的影响如表 1所示，与CK处理相比，B12和B36处理显著提高了土壤pH及TC、MBC、MBP、TP和AP含量(P < 0.05)，pH分别提高了0.19和0.62个单位，TC含量分别增加了38.1% 和95.5%，MBC含量分别提高了55.9% 和50.4%，MBP含量分别提高了28.6% 和40.3%，TP含量分别增加了8.7% 和26.0%，AP含量分别提高了24.0% 和101.7%，AP在TP中所占比例亦显著提高(P < 0.05)。B36处理显著增加SWC、DOC含量(P < 0.05)，但B12处理与CK处理差异并不显著；此外，不同处理间的土壤MBN含量和MBC/MBP比值均无显著差异。
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表 1 不同处理的土壤基本性质 Table 1 Basic properties of soils under different treatments |
由表 2和图 1可知，CK处理土壤不同形态磷总体分布表现为RP > ML-P > OP > LP，所占TP比例分别为51.1%、33.6%、8.3% 和6.9%。生物质炭施用后土壤无机磷中的Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、Residual-P含量升高，且处理间差异显著(P < 0.05)。同CK处理相比，B36处理土壤OPi(NaOHs-Pi、Dil.HCl-Pi)含量显著增加，LPo和ML-Po(NaHCO3- Po、NaOH-Po)含量显著下降(P < 0.05)，而B12处理无明显变化。B36处理土壤磷组分总体分布呈现为RP > ML-P > LP > OP，所占TP比例依次为48.5%、33.1%、11.1% 和7.4%。
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表 2 不同处理土壤磷组分含量(mg/kg) Table 2 Contents of soil P fractions under different treatments |
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(图中小写字母表示不同处理间差异在P < 0.05水平显著，下同) 图 1 不同处理下土壤磷组分在全磷中的比例 Fig. 1 Percentages of soil P fractions to total P under different treatments |
从表 2与图 2A可见，土壤中RP/TPi比例为58.7% ~ 68.3%，表明RP是TPi的主体部分。与CK处理相比，B12和B36处理均显著提高了LPi/TPi和ML-Pi/TPi的比例，但RP/TPi比例显著降低(P < 0.05)；而B36处理的OPi/TPi亦有显著降低(P < 0.05)。土壤中ML-Po/TPo比例最大，为69.3% ~ 70.2%，并且生物质炭施用并未显著影响各有机磷组分在TPo中的比例(图 2B)。
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(A图中TPi：总无机磷；LPi：易分解态无机磷；ML-Pi：中等易分解态无机磷；OPi：稳定态无机磷；RP：残余态磷；B图中LPo：易分解态有机磷；ML-Po：中等易分解态有机磷；OPo：稳定态有机磷；下同) 图 2 不同处理下土壤磷组分占无机磷和有机磷的比例 Fig. 2 Percentages of soil P fractions to total inorganic P and total organic P under different treatments |
由表 3可知，土壤AP含量与无机磷组分呈极显著正相关关系(P < 0.01)，与有机磷组分中的NaOH-Po呈极显著负相关关系(P < 0.01)，与NaHCO3-Po呈显著负相关关系(P < 0.05)。除NaOHs-Po与其他各组分磷之间以及NaHCO3-Po与Dil.HCl-Pi之间无显著相关性外，土壤各磷组分之间呈不同程度的显著相关关系，其中Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、NaOHs-Pi、Residual-P之间存在极显著相关关系(P < 0.01)。
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表 3 土壤中有效磷与磷组分的相关性分析 Table 3 Pearson correlations between soil AP and different soil P fractions |
以土壤基本性质(pH、SWC、TC、DOC)和微生物生物量(MBC、MBN、MBP)作为解释变量，土壤磷组分的变化特征值作为响应变量作RDA分析(图 3)。RDA的第1轴和第2轴分别解释变量的93.82% 和1.18%，其中，TC的影响最大，解释了土壤磷组分变化的92.0%，TC与土壤无机磷含量呈显著正相关关系，与土壤有机磷含量呈显著负相关关系。
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图 3 土壤磷组分影响因素的冗余分析 Fig. 3 Redundancy analysis (RDA) of influencing factors on soil P fractions |
本研究发现，Resin-P占TP比例仅0.5%，可见供试土壤短期内最易被杉木幼苗吸收利用的磷含量很低。此外，施用生物质炭显著提高了土壤TP和AP含量，且不同生物质炭施用量处理间存在显著差异，高量施用处理效果较低量施用处理更为明显，这与Gao等[7]研究结果一致，其原因在于生物质在热解过程中挥发碳，同时分解有机磷键，使得大量可溶性磷酸盐残留在生物质炭中，因此生物质炭可作为直接磷源[7]；且生物质炭理化性质稳定，抗分解、抗氧化能力强，磷挥发性差，可以保证磷素长期有效地供应[22-24]。已有研究表明，土壤AP含量和活性与土壤pH改变有关[18]。如Fan等[4]研究发现，pH与土壤磷组分之间存在显著相关性；Hou等[25]研究认为，pH对表层土壤有机磷起着关键调控作用；Zhai等[26]亦发现，玉米秸秆生物质炭施用后红壤pH增加，进而提高了AP含量。由于生物质炭表面带有负电基团，能结合土壤溶液中的H+，施用生物质炭提高了酸性土壤pH[27]，导致磷与土壤矿物或金属离子的络合作用发生改变，吸附在铁铝氧化物上的磷素溶解，减少了磷素在土壤中的固定[5]。本研究与上述报道结论相近，RDA分析亦进一步表明，土壤pH与无机磷组分含量呈正相关，与有机磷组分含量呈负相关。
MBP是土壤中重要的活性磷源，能在一定程度上反映土壤供磷能力，而MBC/MBP是衡量土壤MBP有效性的重要指标，一般比值越小表明微生物对磷的矿化速率越快[28]。此外，Gul等[29]研究表明，较高的MBC含量也意味着较高的磷矿化率。本研究中，MBC/MBP比值较小，且生物质炭施用后土壤MBC、MBP含量显著增加。生物质炭施入土壤，为微生物提供了碳源，同时改善了土壤养分和通气性，有利于微生物活性提高，分泌大量胞外酶(如酸性磷酸酶)，进而提高土壤磷矿化率[30]。李渝等[28]亦有类似发现，他们发现MBP含量增加主要是来自于微生物驱动下有机磷和矿化了的无机磷的同化作用。生物质炭施用可以激发微生物对磷的矿化潜力，这可能是本研究中生物质炭提高土壤AP的又一原因。在本研究中，施用生物质炭对土壤AP的影响程度大于TP，这与Yang等[31]研究结论一致，他们认为生物质炭施用后土壤AP含量增加主要归因于土壤内源磷的活化，而非生物质炭中磷的释放，生物质炭能够将植物难以利用的磷转化为可利用性磷，对磷代谢产生积极影响。
3.2 生物质炭施用对土壤磷组分的影响本研究发现，生物质炭施用显著改变了土壤磷组分含量及各组分在TP中的比例，土壤磷素对生物质炭的响应程度与不同磷组分的稳定性有关。已有研究表明，各处理中土壤RP含量最高，约占TP一半，该组分可与铁铝氧化物结合，较为稳定，但可通过解吸、风化、矿化过程被植物吸收利用，成为潜在磷库[32]。尽管施用生物质炭后土壤中RP含量显著增加，但RP在TP及TPi中的比例显著降低，相关分析亦表明，RP与无机磷组分均呈显著正相关关系，这可能与生物质炭施用促进了解磷微生物对土壤RP等难溶性磷酸盐利用有关[6]，进而引起RP向其他形态磷转化。
LP(Resin-P、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po)中Resin-P是与土壤溶液处于平衡状态的土壤固相无机磷[33]，NaHCO3-Pi是晶体化合物表面弱吸附力的活性无机磷，NaHCO3-Po主要存在于不稳定有机化合物中[34]。因此，植物和微生物趋向于首先利用LP来满足增加的磷需求，但在高度风化土壤中，LP易被铁铝氧化物吸附固定[4]。ML-P(NaOH-Pi、NaOH-Po)与LP相比，与铁铝氧化物及有机物的联系更为密切，是维持土壤LP平衡的关键，被认为是短期内LPi的潜在来源[34]。本研究中，Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和NaHCO3-Po、NaOH-Po之间均存在显著相关关系，这与其他研究强风化酸性土壤的报道一致[35-36]。生物质炭施用显著提高了土壤中LPi和ML-Pi含量及其在TPi中的比例，较高生物质炭施用量处理的土壤中LPo和ML-Po含量显著降低，但各有机磷组分在TPo中的比例未显著变化，这与武玉[36]的研究结论相似，他在短期培养研究中发现，生物质炭施用加强了对酸性土壤Resin-P、NaOH-Pi的正激发，减弱了对NaHCO3-Pi的负激发，对NaHCO3-Po的激发效应由正转负。蒋炳伸等[30]研究发现，外源秸秆输入改善土壤环境(pH和养分)，有利于微生物的大量繁殖，微生物产生的大量分泌物(如低分子量有机酸)，可通过配位交换作用与磷酸根竞争土壤颗粒表面的阴离子吸附位点，进而促进弱吸附力的活性无机磷释放，这可能是本研究中活性无机磷增加的原因。Maranguit等[37]指出，微生物对土壤有机磷的矿化是AP主要补充来源。亦有研究表明，土壤NaHCO3-Po中部分以MBP形式存在[38]。因此LPo和ML-Po含量降低可能是因为生物质炭施用增强了微生物群落驱动的土壤易矿化有机磷向LPi和ML-Pi转化的过程，或被微生物矿化后继而同化为MBP。此外，在对照及施用生物质炭的所有处理中土壤ML-Po占TPo比例最大，Wu等[39]亦有类似发现，表明该组分比例相对较高且较为稳定，只有少部分具有生物活性。本研究中OP受生物质炭影响最小，其中Dil.HCl-Pi含量较低，它是与钙结合的原生矿物态磷[6]，该形态磷只在高量生物质炭处理下显著增加，这可能由于土壤pH升高，交换性钙镁含量增加，钙诱导磷吸附，促进了Dil.HCl-Pi积累[18]。
本研究发现TC是影响土壤磷组分变化的关键因子，TC与无机磷组分含量显著正相关，与有机磷组分含量显著负相关，其中TC对土壤LPi和ML-Pi影响最大(图 3)。这与Maranguit等[37]研究结果吻合，他们研究了土地利用变化对土壤磷组分的影响，发现高度风化的热带土壤中LP与TC含量显著正相关，表明土壤有机质在维持磷有效性中起着关键作用。Frizano等[35]对亚热带滑坡迹地森林恢复过程中土壤磷组分变化展开研究，同样认为强风化土壤中TC积累对土壤AP库的维持至关重要，且微生物作用下有机质矿化是向植物提供磷素的最重要过程。此外，生物质炭的多孔结构能够改善微生物栖息环境，提高营养物质的转换效率[40]。雷海迪等[8]在对杉木凋落物及其制备而成的生物质炭对比研究中发现，生物质炭中TC含量高于凋落物，且生物质炭性质稳定，存留时间更长，施入土壤后可显著提高TC含量，进而影响微生物活动，本研究结果与之一致。因此，土壤中碳、磷循环可能存在耦合关系，微生物对碳的需求同时影响磷的供应，进而影响土壤磷组分变化[41]。
4 结论1) 本研究中土壤磷组分主要以残余态磷(RP)为主，最易被杉木幼苗吸收利用的磷含量很低，无机磷组分中所占比例最高的仍然是残余态磷，而有机磷组分中所占比例最高的为中等易分解态有机磷(ML- Po)。
2) 短期内生物质炭施用显著提高了土壤TP和AP含量，影响了土壤磷组分含量及其所占比例，特别是高量生物质炭施用效果更加明显。
3) 生物质炭施用显著提高了土壤TC含量和pH，且TC是影响土壤磷组分变化的关键因子。
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2. State Key Laboratory for Subtropical Mountain Ecology, Fuzhou 350007, China;
3. Microelement Research Center, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China