林開淼,郭劍芬,楊智杰,紀(jì)淑蓉,楊玉盛
(福建師范大學(xué) a.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地;b.地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州350007)
不同林齡人促天然更新林土壤磷素形態(tài)及有效性分析
林開淼a,b,郭劍芬a,b,楊智杰a,b,紀(jì)淑蓉a,b,楊玉盛a,b
(福建師范大學(xué) a.濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地;b.地理科學(xué)學(xué)院,福建 福州350007)
采用Hedley磷素分級改進(jìn)方法對福建省順昌縣不同林齡(21年生、31年生、49年生)米櫧人促更新林Castanopsis carlesii表層土壤(0~10 cm)磷素有效性和磷素形態(tài)變化特征進(jìn)行研究,結(jié)果表明:21年生、31年生、49年生米櫧人促更新林土壤總無機(jī)磷含量分別為237.53、238.75和251.89 mg/kg;各形態(tài)無機(jī)磷中,樹脂-P、氫氧化鈉無機(jī)P最大值均出現(xiàn)在49年生米櫧林土壤,而碳酸氫鈉無機(jī)磷、稀鹽酸無機(jī)磷、濃鹽酸無機(jī)磷、殘留磷變化不大;表層土壤有機(jī)磷形態(tài)中NaCHO3-Po和NaOH-Po及總有機(jī)磷的含量均隨著林齡增加而增大,但C.HCl-Po沒有變化;土壤有效磷含量亦隨著林齡增加而增加,且土壤有效磷與樹脂-P、NaCHO3-Po、NaOH-Po呈顯著正相關(guān)??梢姌渲?P可以作為紅壤磷素缺乏的一個(gè)預(yù)測指標(biāo),而森林土壤有機(jī)磷礦化對土壤磷素有效性具有明顯影響。
米櫧;人促天然更新林;有機(jī)磷;無機(jī)磷;土壤磷素分級
以米櫧Castanopsis carlesii為建群種的常綠闊葉林是我國東部濕潤亞熱帶山地海拔<500 m以下常綠闊葉林的重要群系之一,以米櫧為主營造人工促進(jìn)天然更新林在閩西北被廣泛推廣應(yīng)用,已成為亞熱帶一種經(jīng)營地帶性植被的十分有效模式。目前對這種更新方式的研究主要集中在林分結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)力[1]、物種多樣性[2]與一些生態(tài)因子的簡單相關(guān)性[3-4],而對森林土壤養(yǎng)分循環(huán)等的研究仍不深入。P是植物生長必需的大量元素之一,由于磷在土壤很難溶解和難移動(dòng)性等特點(diǎn),很難被植物吸收,成為限制植物生長的主要因子。特別是亞熱帶地區(qū),紅壤具高度風(fēng)化和酸性特征,紅壤自身嚴(yán)重缺磷,且固磷能力強(qiáng),紅壤中磷素大多被活性鐵和活性鋁所固定,形成Fe-P和Al-P,使得紅壤地區(qū)磷素對森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和重要生態(tài)過程的限制性更為明顯[5-9]。
適宜的磷素形態(tài)分級方法研究土壤磷素對揭示土壤磷素狀況具有重要意義。磷在土壤中以各種形態(tài)存在,但是直接鑒定含各種形態(tài)磷礦化物較為困難,適宜的磷素分級方法構(gòu)建可以有效評價(jià)土壤有效磷庫的多少和供應(yīng)狀況。磷素分級方法經(jīng)歷了從無機(jī)磷分級到有機(jī)磷分級,再到二者結(jié)合分級的發(fā)展過程,以Hedley等提出的磷素連續(xù)浸提方法,兼顧有機(jī)磷和無機(jī)磷土壤磷素分級方法,且較好地提取了土壤中活性較高的磷素組分[10],被國內(nèi)外公認(rèn)為較為合理、全面的磷素分級方法。由于紅壤的特性和磷有效性研究方法的不成熟,磷有效性體系還不完善。以Hedley為基礎(chǔ)的改進(jìn)土壤磷分級方法為森林土壤P轉(zhuǎn)化及其有效性研究提供新思路。
Hedley磷素分級方法在酸性紅壤地區(qū)的土壤磷素的形態(tài)和轉(zhuǎn)化研究取得一定的進(jìn)展,張教林等[11]利用Hedley方法研究熱帶膠定值年限對紅壤中磷素各形態(tài)的轉(zhuǎn)化及其對有效磷供應(yīng)狀況的影響。楊芳等[12]用Hedley方法研究不同施肥管理下旱地紅壤不同形態(tài)磷對有效磷供應(yīng)的影響。詹書俠等[13]用Hedley分級法測定5種形態(tài)的有效P含量,研究中亞熱帶丘陵紅壤區(qū)森林演替典型階段土壤磷素形態(tài)的變化。目前對不同林齡米櫧人促更新林的土壤磷庫及其有效性變化的研究還未見報(bào)道。本研究以人工促進(jìn)天然更新方式的21年生、31年生、49年生米櫧人促更新林0~10 cm土壤為研究對象,利用Hedley磷素分級方法,研究不同林齡米櫧人促更新林土壤的磷素形態(tài)和有效性變化,探討米櫧人促更新林維持自身生長需求的磷素利用機(jī)制,這對深入了解亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)過程和森林重建等具有重要意義。
研究試驗(yàn)點(diǎn)位于福建省南平市順昌縣境內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng) 117°30′~ 118°14′,北緯 26°39′~27°12′。該地區(qū)屬于山地丘陵,地貌類型以低山、高丘為主,最高海拔達(dá)到1 383.7 m。氣候?qū)儆谥衼啛釒ШQ笮约撅L(fēng)氣候,年平均氣溫18.5 ℃,1月平均氣溫7.9 ℃,7月平均氣溫28.1 ℃,年積溫 5 388~5 659 ℃,年平均降水量1 756 mm,降雨主要集中在5~8月份,年平均相對濕度在80%~83%之間。土壤類型主要以花崗巖發(fā)育的紅壤和黃壤為主,植被屬中亞熱帶常綠闊葉林地帶。
試驗(yàn)地位于順昌縣鄭坊鄉(xiāng)榜山村和武坊河垅村,兩者直線距離不超過30 km。試驗(yàn)地不同林齡米櫧人促更新林都是在米櫧闊葉原始林經(jīng)過高度擇伐后,采用人促更新方式,清理采伐剩余物,保留目的樹種,封山育林形成的天然人促更新林。主要喬木優(yōu)勢樹種為米櫧Castanopsis carlesii、薯豆Elacocarpus japonicus、少葉黃杞Engelhardia fenzelii;灌木優(yōu)勢樹種為絨毛杜鵑Rhododendron pachytrichum、鼠刺Itea chinensis、梨茶Camellia octopetala;草本優(yōu)勢樹種為狗脊蕨Woodwardia japonica、苔草Carex chinensis。在不同林齡米櫧人促更新林中各建立3個(gè)20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地。不同林分特征見表1。
表1 試驗(yàn)地林分特征Table 1 Stand characteristics in plots
在每個(gè)林分的每個(gè)樣地內(nèi)按上、中、下坡隨機(jī)取9點(diǎn),取表層0~10 cm土壤,然后將各點(diǎn)土樣混合均勻后得到供試土壤。土壤自然風(fēng)干后過0.149 mm篩待進(jìn)一步分析。
Hedley磷素分級方法[10]:采用Hedley分級改進(jìn)法對不同年齡人促更新林土壤磷素特征分級,將土壤磷分為5個(gè)不同的組,分別為樹脂交換態(tài)磷(Resin-P)、NaHCO3提 取 態(tài) 磷(NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po)、NaOH提取態(tài)磷(NaOH-Pi和NaOH-Po)、HCl提取態(tài)磷(HCl-P)、殘留磷(Residual-P),不同浸提劑見表2。分級方法中無機(jī)磷用鉬銻抗比色法測定;各級全磷量采用過硫酸銨、硫酸氧化后,采用鉬銻抗比色法測定;有機(jī)磷含量為全磷量減去無機(jī)磷求得。
有效磷測定采用Bray-I法提取[12],鉬銻抗比色法測定。
采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)誤、方差分析 (ANOVA),用 Fisher’s LSD(α=0.05)比較不同林齡人促天然更新林土壤各磷素形態(tài)及有效性差異。
表2 土壤磷素形態(tài)分級浸提方法Table 2 Hierarchical extraction methods of soil phosphorus fractions
3.1.1 無機(jī)磷形態(tài)與含量
21年生、31年生、49年生米櫧人促更新林土壤總無機(jī)磷含量分別為237.53、238.75和251.89 mg·kg-1。21年生和31年生米櫧林表層土壤樹脂-P沒有顯著差異(P>0.05),但從31年生到49年生增加了68.4%。氫氧化鈉無機(jī)磷含量隨林齡增加而增加,且不同林分間差異顯著(P<0.05),但不同林齡土壤NaCHO3-Pi、稀鹽酸無機(jī)磷、濃鹽酸無機(jī)磷和殘留磷含量均無明顯差異(見表3)。
表3 不同林齡人促林土壤無機(jī)磷含量(mean±SE)?Table 3 Concentrations of soil inorganic P in a age sequence of C. carlesii stands (mean±SE)
3.1.2 有機(jī)磷形態(tài)及含量
表層土壤NaCHO3-Po、NaOH-Po和總有機(jī)磷含量均隨林齡增加而增大,但各林分間土壤C.HCl-Po含量差異不顯著(見表4)。
表4 不同林齡人促林土壤有機(jī)磷含量(mean±SE)Table 4 Concentrations of soil organic P in a age sequenceof C. carlesii stands (mean±SE)
3.1.3 各種形態(tài)磷素的相對含量
表5為土壤各級磷素形態(tài)中無機(jī)磷和有機(jī)磷含量占全磷的比值。不同林齡人促更新林無機(jī)磷的含量均高于有機(jī)磷的含量,無機(jī)磷占全磷的70.8%~83.2%,大部分是穩(wěn)定性高的礦物態(tài)磷(HCl-Pi)和難被植物吸收的殘余磷(Residual-Pi)組成,容易被植物吸收利用的樹脂-P和NaCHO3-P含量較少。有機(jī)磷占全磷比例順序?yàn)镹aOH-Po>濃HCl-Po> NaCHO3-Po。NaCHO3-Po、NaOH-Pi和NaOH-Po占全磷的比例隨林齡增加而增大,而濃HCl-Pi和濃HCl-P占全磷比例逐漸下降。
表5 各級磷素含量占全磷量的比例Table 5 Proportion of every-level phosphorus content accounted for total P
3.2.1 不同林齡人促林對土壤有效磷含量的影響
由表6可見,隨著林齡的增長,土壤有效磷含量先減小后增加,49年生人促林土壤有效磷含量(2.48 mg/kg)顯著高于21年生(1.07 mg/kg)和31年生(0.83 mg/kg)(P<0.05)。
3.2.2 不同林齡人促林土壤中Hedley各形態(tài)磷組分與有效磷的相關(guān)分析
對不同土壤Hedley分級各形態(tài)磷素與土壤有效磷含量進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果(見表7)表明,土壤有效磷與樹脂-P相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P<0.01),樹脂-P可以很好地反映土壤有效性指標(biāo)。同時(shí)土壤有效磷與NaCHO3-Po和NaOH-Po顯著正相關(guān)(P<0.05),相關(guān)系數(shù)分別為0.748和0.708。
表6 不同林齡人促林土壤有效磷含量?Table 6 Concentrations of soil availability P in a age sequence of C. carlesii stands (mean±SE)
表7 不同土壤Hedley分級各形態(tài)磷素與土壤有效磷含量的相關(guān)分析?Table 7 Pearson significant correlation between Hedley classification P fractions and availability P
森林更新對土壤磷素形態(tài)影響可以通過無機(jī)磷和有機(jī)磷形態(tài)的轉(zhuǎn)變來表示。在原有的米櫧采伐跡地上,通過保留采伐剩余物和主要目的樹種(米櫧)的方式營造人促天然更新林。一般情況土壤有機(jī)磷被認(rèn)為是比較穩(wěn)定的土壤磷庫組成[14-15], 然而,本研究認(rèn)為經(jīng)過49年的米櫧人促更新,土壤易分解態(tài)有機(jī)磷(NaCHO3-Po)和中穩(wěn)定態(tài)有機(jī)磷(NaOH-Po)顯著提高,而難分解態(tài)有機(jī)磷(C.HCl-Po)卻沒有變化。Baker[16]認(rèn)為森林更新前50年是有機(jī)磷快速積累過程,50年以后有機(jī)磷的積累速度開始下降,并且達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。Turner等[17]認(rèn)為在130年的森林演替過程中,有機(jī)磷從5 g/kg 增加到220 g/kg,達(dá)到整個(gè)演替階段最高值。隨著森林的演替,有機(jī)磷通過凋落物等形式向土壤轉(zhuǎn)移,提高土壤有機(jī)磷溶度。Frizano等[18]調(diào)查滑坡地上森林更新后土壤有機(jī)磷有上升,認(rèn)為凋落物的歸還是提高土壤有機(jī)磷的主要原因。Brandtberg等[19]在新西蘭研究發(fā)現(xiàn)大面積風(fēng)倒木后更新的山地山毛櫸森林土壤有機(jī)磷提高,認(rèn)為可能是由于枯枝落葉層的有機(jī)磷向土壤轉(zhuǎn)移提高土壤有機(jī)磷的濃度。但是這種轉(zhuǎn)移機(jī)制并不是很清楚??扇苄杂袡C(jī)磷可能通過采伐剩余物釋放到土壤[20-21],而亞熱帶紅壤具有較高的Fe、Al離子,大量輸入的可溶性有機(jī)磷能快速形成溶解度較低的NaOH-Po,從而引起土壤有機(jī)磷固定。另一個(gè)土壤有機(jī)磷增加的原因可能是由于根系和真菌活動(dòng),促進(jìn)無機(jī)磷向有機(jī)磷轉(zhuǎn)變,提高土壤易分解態(tài)有機(jī)磷。在森林的長期演替中,如果沒有受到干擾,土壤有機(jī)磷的含量與森林生產(chǎn)力具有很高的相關(guān)性。在較短的時(shí)間內(nèi),易溶解態(tài)有機(jī)磷和穩(wěn)定態(tài)有機(jī)磷容易受到土地利用方式的變化和物種的改變影響[18]。土壤有機(jī)磷成分和轉(zhuǎn)化對改善森林植物磷素營養(yǎng)具有重要作用,本研究結(jié)果也說明了森林土壤磷素有效性的變化與土壤有機(jī)磷礦化具有很大的相關(guān)性。Anna Slazak等[22]認(rèn)為隨著橡樹林分年齡的增長,土壤有機(jī)磷和易溶性有機(jī)磷(NaCHO3-Po)顯著增加,能提高土壤有效磷的含量。本研究的結(jié)果表明土壤有效磷的含量與NaCHO3-Po 和NaOH-Po具有顯著的相關(guān)性,是影響土壤有效磷的重要磷素形態(tài)。
土壤有效磷是指土壤有效磷庫中部分能直接供給作物吸收利用,是評價(jià)土壤供磷能力的重要指標(biāo)。不同土壤中磷的存在形態(tài)不同,不同植物對各種形態(tài)的磷利用程度也不同,土壤有效磷并不是指土壤中某一特定形態(tài)的磷,而是相對地說明土壤的供磷水平[23]。通用的有效磷測定方法包括兩種,石灰性土壤一般用Oslen-P測定方法,酸性土壤采用Bray-I測定方法。在南方酸性紅壤的有效磷長期以來延用Bray-I(HCl-NH4+)測定方法,作為判斷土壤磷素有效性豐缺的指標(biāo)。大量研究和多年的生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),南方大部分森林紅壤有效磷含量非常低,南方森林植物對紅壤有效磷的吸收利用能力較強(qiáng),用一般方法測定有效磷含量很難反映紅壤實(shí)際的供磷能力。土壤Hedley磷素各分級形態(tài)與有效磷存在一定關(guān)系,一般認(rèn)為,土壤有效磷與某形態(tài)磷組分的相關(guān)性愈顯著,則該形態(tài)組分磷的有效性愈大,對土壤有效磷的貢獻(xiàn)也越大[24-25]。本研究中利用Hedley磷素分級方法分析森林土壤不同磷素形態(tài)特征對土壤有效磷的影響,為解決南方森林紅壤磷素供應(yīng)能力評估提供一個(gè)新思路。土壤各磷素形態(tài)對植物的有效性意義已經(jīng)較為清楚,但由于各形態(tài)磷之間具有不同程度的相關(guān)性,而且各形態(tài)磷在土壤中含量差異較大,不同形態(tài)的有機(jī)磷和無機(jī)磷相互轉(zhuǎn)化,其對土壤磷素有效性的貢獻(xiàn)大小和貢獻(xiàn)方式受到土壤性質(zhì)、母巖、水分、pH值、微生物活動(dòng)、Fe、Al氧化物含量等一系列生物與非生物因素控制[26]。我國南方紅壤磷素特征與溫帶地區(qū)和熱帶地區(qū)存在較大的差異,紅壤全磷含量不低,但是土壤有效磷含量非常低[8]。目前,針對南方紅壤不同磷素形態(tài)對磷素有效性的影響的研究結(jié)果存在較多的矛盾。張教林等[11]研究認(rèn)為由于微生物活動(dòng)減弱,大量的NaCHO3-Po向NaOH-Po轉(zhuǎn)化,微生物能礦化的有機(jī)磷庫降低,最終導(dǎo)致土壤磷素有效性水平降低。楊芳等[12]認(rèn)為紅壤旱地土壤對有效磷貢獻(xiàn)最大的磷素形態(tài)是NaCHO3-Pi、NaOH-Pi和存在于土壤團(tuán)聚體內(nèi)表面的有機(jī)磷。詹書俠等[13]認(rèn)為在較長的時(shí)間內(nèi),NaCHO3-P較為穩(wěn)定,NaOH-P是最重要的有效P來源之一。郭海超等[27]研究認(rèn)為由于受磷肥施用、土壤有機(jī)質(zhì)礦化、植物磷素吸收等外部因素影響,Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi 和 HCl-P 4 個(gè) 無機(jī)磷形態(tài)與土壤有效磷呈極顯著相關(guān)。本研究結(jié)果顯示,人促更新林土壤有效磷含量與NaCHO3-Pi和NaOH-Pi的相關(guān)性沒有達(dá)到顯著,直接用NaCHO3-Pi和NaOH-Pi含量來表示土壤有效磷的大小顯然還不夠科學(xué)。而有效磷與NaCHO3-Po和NaOH-Po具有顯著關(guān)系,森林土壤有機(jī)磷對土壤磷素有效性具有明顯影響。因此,森林紅壤不同磷素形態(tài)特征以及對土壤磷素有效性影響的研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng),特別是不同磷素形態(tài)與土壤有效性的轉(zhuǎn)化機(jī)理。
另外,樹脂磷是用陰離子交換樹脂代換出的磷,與土壤溶液磷處于平衡狀態(tài)的可交換態(tài)無機(jī)磷是充分有效的,即使在土壤溶液磷被植物吸收后也能迅速進(jìn)行補(bǔ)充,構(gòu)成土壤活性磷的最大部分。樹脂磷在土壤中的含量與土壤中的有效磷庫的大小相關(guān)[28]。本研究顯示土壤有效磷與樹脂-P具有極顯著相關(guān)性,可以用樹脂-P來作為亞熱帶地區(qū)磷素生物有效性指標(biāo)。
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Soil phosphorus forms and availability in natural regeneration by man-aided Castanopsis carlesii forests
LIN Kai-miaoa,b, GUO Jian-fena,b, YANG Zhi-jiea,b, JI Shu-ronga,b, YANG Yu-shenga,b
(a. Cultivation Base of State Key Lab. of Humid Subtropical Mountain Ecology; b. College of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian, China)
By appling a modif i ed Hedley phosphorus (P) fractionation method, the soil phosphorus availability and forms in surface soil(0~10 cm) ofCastanopsis carlesiistands at different tree-ages (21, 31, 49-year-old) in Shunchang county, Fujian province were investigated.The results show that the concentrations of inorganic P in 21, 31, 49-year-old stands were 237.53, 238.75 and 251.89 mg/kg, respectively; Of all forms of inorganic phosphorus, the maximum concentration values of resin-P and NaoH-Pi both appeared in the 49-year-old forest’s soil, but other forms of inorganic P did not depend on the stages of forest development; the concentrations of NaCHO3-Po, NaOH-Po and total organic P increased with the stages of forest development; the concentrations of available phosphorus increased with the stages of stand development and had signif i cant positive correlation with resin-P, NaCHO3-Po and NaOH-Po. The results implied that resin-P may serve as a predictive indicator of red soil P def i ciency. The mineralisation of organic P in the soil had a signif i cant impact on soil P availability.
Castanopsis carlesii; man-aided natural regeneration forest; organic phosphorus; inorganic phosphorus; phosphorus fractionation
S714
A
1673-923X(2014)09-0006-06
2014-01-30
福建省科技廳公益類重點(diǎn)項(xiàng)目(K3-295);國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304205)
林開淼(1985-),男,福建泉州人,博士研究生,主要從事常綠闊葉林碳氮循環(huán)研究;E-mail:303790102@qq.com
楊玉盛(1964-),男,教授,博士,主要從事常綠闊葉林碳氮循環(huán)研究; E-mail:geoyys@fjnu.edu.cn
[本文編校:謝榮秀]