湖南會同不同年齡杉木人工林土壤磷素特征

曹 娟，閆文德,2，項文化,2，諶小勇,2,3,*，雷丕鋒,2，向建林

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)， 長沙 410004； 2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，長沙 410004；3. 州長州立大學(xué)，美國伊利諾伊州 60484； 4. 湖南會同縣林業(yè)局，會同 418300)

湖南會同不同年齡杉木人工林土壤磷素特征

曹 娟1，閆文德1,2，項文化1,2，諶小勇1,2,3,*，雷丕鋒1,2，向建林4

(1. 中南林業(yè)科技大學(xué)， 長沙 410004； 2. 南方林業(yè)生態(tài)應(yīng)用技術(shù)國家工程實驗室，長沙 410004；3. 州長州立大學(xué)，美國伊利諾伊州 60484； 4. 湖南會同縣林業(yè)局，會同 418300)

對湖南會同不同年齡(7年生、17年生、25年生)杉木人工林土壤全磷、有效磷、無機(jī)磷組分和有機(jī)磷進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：3種不同林齡杉木林土壤全磷和有效磷的含量分別在 317.06—398.56 mg/kg和 0.82—1.38 mg/kg 之間，土壤全磷和速效磷含量均屬低水平；杉木林土壤全磷含量從7年生幼齡林到25a近熟林出現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，并且17 年生和25年生林分比7 年生林分分別增加了19.68%、15.75%，土壤有效磷含量17 年生和25 年生林分比7 年生林分提高了45.55%左右；土壤磷素活化系數(shù)均小于2.0%，這表明本研究區(qū)土壤全磷向速效磷轉(zhuǎn)化較難，土壤中磷素的有效性較低，但該值隨著林分年齡的增加而出現(xiàn)增大的現(xiàn)象；無機(jī)磷含量分別為：7年生 169.50 mg/kg、17年生 182.03 mg/kg、25年生 175.94 mg/kg，從幼齡林到中齡林增高, 中齡林以后降低；土壤中無機(jī)磷組分以O(shè)-P含量最高，其次是Fe-P，Ca-P，Al-P最少；杉木不同生長發(fā)育階段對無機(jī)磷形態(tài)的吸收是有選擇性的，幼齡林到中齡林階段林木以吸收Al-P為主，近熟林階段林木以吸收Fe-P和Ca-P為主；有機(jī)磷含量在全磷所占比例隨林齡的變化來看，杉木生長過程中有部分的有機(jī)磷礦化為無機(jī)磷。土壤不同形態(tài)磷的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤有效磷與有機(jī)磷相關(guān)系數(shù)為0.667，呈極顯著相關(guān)性，是研究區(qū)杉木人工林土壤有效磷的主要來源。

杉木人工林; 土壤全磷; 有效磷; 無機(jī)磷

磷是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，雖然在植物體內(nèi)磷的含量很低(平均約占干重的0.2%)[1]，但其重要性不亞于碳、氮，很容易成為植物生長的限制性因子[2- 5]，尤其在參與蛋白質(zhì)合成、細(xì)胞分裂、新生組織發(fā)育和能量轉(zhuǎn)化方面有著特殊的功能，直接影響植物的生長發(fā)育、初級生產(chǎn)力的形成和其它生物學(xué)過程的進(jìn)行[6- 8]。植物所利用的磷素主要來源于土壤，而能夠被植物直接吸收利用的磷僅占土壤全磷的很小部分，絕大部分(95%—99%)的磷以難以利用的遲效狀態(tài)存在[3,9]，成為地質(zhì)時代尺度上生物生產(chǎn)力的限制性養(yǎng)分元素[9- 10]，作為不可再生資源的磷在控制陸地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)過程方面越來越受到關(guān)注[11- 12]。因此，研究土壤中磷素的含量和分布特征及其動態(tài)過程對于更好地認(rèn)識、調(diào)控和管理磷的生物地球化學(xué)循環(huán)十分必要[13]。

國內(nèi)外對磷的研究多集中于農(nóng)田、濕地、水域生態(tài)系統(tǒng)，主要內(nèi)容側(cè)重于土壤磷分級、存在規(guī)律、形態(tài)及其轉(zhuǎn)化、吸附解吸、有效性、生物地球化學(xué)循環(huán)以及碳氮磷元素互補(bǔ)作用和化學(xué)計量等方面[14- 22]。目前我國南方林區(qū)進(jìn)行了一些施肥的對比試驗，結(jié)果表明，對于松、杉、桉等樹種的生長表現(xiàn)為不同程度的肥效，在許多情況下，磷似乎是比氮、鉀更重要的養(yǎng)分要素，這表明土壤磷可能是制約南方人工林速生豐產(chǎn)、影響地力、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡和穩(wěn)定的一個重要因素[23]。因此，近年來對森林生態(tài)系統(tǒng)中磷形態(tài)及其轉(zhuǎn)化和植物對磷吸收利用的研究愈發(fā)關(guān)注。

我國亞熱帶的紅壤地區(qū)，由于高溫多雨，土壤進(jìn)行著強(qiáng)烈的富鋁化作用, 大多數(shù)呈酸性或強(qiáng)酸性，土壤磷素大多被鐵、鋁等固定，形成林木難以利用的磷酸鐵、鋁和閉蓄態(tài)磷，使得土壤磷對紅壤區(qū)的植物生長影響明顯[24- 27]。由于土壤磷形態(tài)和磷化學(xué)行為的復(fù)雜性，有效磷含量與土壤全磷量不一定具有相關(guān)性[3,28- 30]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，土壤有效磷的供應(yīng)能力取決于磷素的礦化、解吸和釋放作用，不同土壤類型、不同的植被類型中磷各形態(tài)的含量、比例及其有效性差異很大[30]。

杉木是我國南方重要的速生用材樹種之一，隨著栽培面積的擴(kuò)大、林木經(jīng)營集約度的提高以及輪伐期的縮短, 杉木人工林地力衰退、初級生產(chǎn)力下降的問題受到廣泛關(guān)注[31]。自20世紀(jì)70年代開始，許多學(xué)者展開了杉木人工林生產(chǎn)力和養(yǎng)分循環(huán)的研究，對包括磷素在內(nèi)的大量元素的含量、分布和循環(huán)特征作了較系統(tǒng)地報道，取得了一批重大研究成果。然而，對該系統(tǒng)中磷元素的系統(tǒng)研究不多，對有機(jī)磷與無機(jī)磷形態(tài)以及它們對杉木生長發(fā)育以及生產(chǎn)力形成和物質(zhì)循環(huán)的作用仍不十分清楚。過去的幾十年里，由于人類活動的加強(qiáng)，導(dǎo)致氮沉降量不斷增加，使得林地土壤中碳氮磷比例失調(diào)，進(jìn)而影響磷素在林木生長發(fā)育、生理功能以及在生態(tài)系統(tǒng)中的循環(huán)特征。作為杉木人工林磷素動態(tài)特征研究項目的一部分，本文重點描述土壤磷形態(tài)以及磷各組分的比例特征，揭示這些特征參數(shù)在不同林齡中的變化狀況，探討土壤中磷各形態(tài)之間的相互關(guān)系，可為南方杉木人工林持續(xù)經(jīng)營管理提供科學(xué)依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)于湖南會同杉木林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站(109°45′E，26°50′N)，氣候?qū)俚湫偷膩啛釒駶櫺詺夂?，年平均氣?16. 8 ℃，年降水量為 1100—1400 mm，年相對濕度為 80% 以上。地貌為低山丘陵，海拔 300—500 m。土壤為變色頁巖和砂巖發(fā)育成的山地黃壤，pH值在4.9—5.1，氣候、土壤等都有利于杉木的生長。本實驗選取7年生、17年生和25年生3個年齡的杉木林分建立標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個樣地面積為20 m×20 m，設(shè)置3個重復(fù)，共9塊樣地。3個年齡杉木林均是煉山后用實生苗進(jìn)行的全墾造林，造林后的3a內(nèi)每年進(jìn)行2次(6、11月)林地人工撫育，撫育期后任其自然生長。3種杉木林分樣地土壤類型、立地條件一致，林分的基本狀況見表1，林下灌木主要是杜莖山、菝葜和冬青，草本有狗脊蕨、鐵芒萁和華南毛蕨等。

表1 3種不同林齡樣地林分特征

1.2 土樣采集和測定方法

1.2.1 土壤樣品的采集

野外采樣于2013年8月進(jìn)行。分別在各試驗林分內(nèi)按照“隨機(jī)”、“等量”和“多點混合”的原則，采用品字布點取樣。采樣深度為0—20 cm、20—40 cm、40—60 cm 3層，取土深度及采樣量均勻一致，各樣地內(nèi)共取3個樣點，將土樣按層次分別混合，去掉雜質(zhì)，采用四分法各取 1 kg左右土樣。將帶回的土樣置于室內(nèi)通風(fēng)處自然風(fēng)干，采用對角線法取土樣100—200 g，用木棍碾壓并過 2 mm孔徑篩的土樣，可供有效磷的測定，然后從 2 mm 的土壤樣品中取 200 g左右磨細(xì)全部過 0.149 mm 篩備用，進(jìn)行全磷、無機(jī)磷Al-P、Fe-P 、O-P、Ca-P的測定。

1.2.2 土壤樣品的測定

土壤全磷用堿熔—堿熔-鉬銻抗比色法測定[32]；有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提法測定[32]；土壤無機(jī)磷用張敬守和Jackson提出的分級方法測定[33]，土壤有機(jī)磷含量是根據(jù)土壤全磷和土壤無機(jī)磷的差值估算。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用 SPSS18. 0統(tǒng)計軟件, 對3種林齡杉木林土壤的全磷、有效磷、無機(jī)磷進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果分析

2.1 不同林齡杉木林土壤磷含量及其空間分布特征

土壤磷素含量高低在一定程度上反映了土壤中磷素的儲量和潛在的供應(yīng)能力[7, 34]。由表2可以看出，3種林齡杉木人工林土壤全磷含量在 317.06—398.56 mg/kg之間，依據(jù)《中國土壤》中全磷含量的分級統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)[35]，全磷含量均處于低級水平(0.2—0.4 g/kg)。3種林齡杉木人工林土壤全磷含量平均分別為328.62 mg/kg、393.31 mg/kg、380.36 mg/kg，7年生與17年生、25年生差異性顯著(P<0.05)，而17年生、25年生之間沒有差異性顯著(P>0.05)，形成這種現(xiàn)象的原因可能是3個林齡杉木林的林下凋落物層厚度不同造成的，17年生、25年生林下凋落物層較厚，通過枯枝落葉歸還土壤和淋洗作用使得全磷含量增加。

由表2還可以看出，7年生杉木人工林土壤全磷含量表現(xiàn)為：隨著土層深度的增加而增加。 杉木人工林造林前，被砍伐的成熟林枯落物、采伐剩余物經(jīng)過煉山歸還土壤，豐富的營養(yǎng)元素為后期幼苗生長提供了條件，隨著林齡的推移，由于元素的遷移、淋溶和幼苗、雜草消耗，可能使得土壤表層全磷含量較少，當(dāng)7年生杉木人工林開始進(jìn)入林冠郁閉期后，林內(nèi)光照條件仍較好，林間雜草生長依然茂密，雜草與杉木共同吸收利用了表層土壤中的磷以合成各種營養(yǎng)物質(zhì)導(dǎo)致隨著土層深度的增加而增加；而17年生、25年生杉木人工林土壤全磷含量表現(xiàn)為：隨著土層深度的增加，全磷含量先下降再升高，這是可能是因為杉木處于速生生長階段吸收了大量可利用磷，加之0—40 cm是杉木根系主要集中的土層，因此表層土全磷減幅較大。

表2 3種不同林齡杉木林土壤全磷含量(mg/kg)

Table 2 Total phosphorus concentrations in soils in the studied three aged stands of Chinese fir plantations

土層Layer林齡Age/a717250—20cm317.06±42.21398.56±13.37387.62±10.5420—40cm330.99±29.58385.94±24.80359.56±27.8540—60cm337.81±25.87395.43±34.83393.91±36.07平均值Means328.62A393.31B380.36B

同行相同大寫字母表示差異不顯著(P>0.05)

全磷含量并不反映土壤磷素的豐缺程度，土壤有效磷是植物根系吸收的直接來源，是土壤P素的現(xiàn)實供應(yīng)指標(biāo)。3種林齡杉木人工林土壤有效磷的含量在 0.82—1.38 mg/kg之間(表3)，依據(jù)《中國土壤》中速效磷含量的分級統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)[35]，3種林齡杉木人工林土壤速效磷含量處于低水平(<3 mg/kg)，這表明杉木人工林土壤嚴(yán)重供磷不足。3種林齡杉木人工林土壤速效磷平均分別為0.90、1.31、1.31 mg/kg，含量均很小，不同系統(tǒng)間差異不大，土壤有效磷濃度的變化與全磷一致。從年齡方面來看，17 年生和25年生林分土壤有效磷含量比7年生林分提高了45.55%左右，差異性顯著(P<0.05)。

從表3可以看出，3種林齡杉木人工林，土壤有效磷含量表現(xiàn)出從7年生幼齡林到17年生中齡林土壤有效磷含量增加的規(guī)律，這首先可能是7年生幼齡林后凋落物開始增加，凋落物的分解為土壤提供了營養(yǎng)，其次隨著樹齡的增加對養(yǎng)分需要量增大，微生物和根系分泌酶促進(jìn)了有機(jī)磷的水解，釋放出大量的生物有效磷；17年生中齡林到25年生近熟林有效磷含量變化不明顯。

表3 不同林齡杉木林土壤有效磷含量(mg/kg)

Table 3 Concentrations of available phosphorus in soils in the studied three aged stands of Chinese fir plantations

土層/cmLayer林齡Age/a717250—200.82±0.071.38±0.091.37±0.1820—400.84±0.091.28±0.201.19±0.4040—601.04±0.051.27±0.031.37±0.33平均值Means0.90A1.31B1.31B

同行相同大寫字母表示差異不顯著(P>0.05)

圖1 不同林齡杉木林各土層土壤磷的有效性Fig.1 Effectiveness of phosphorus in different layers of soils in the studied three aged stands of Chinese fir plantations

用速效磷與全磷之比作為土壤磷素活化系數(shù) (Phosphorus activation coefficient，簡稱 PAC) 來表征土壤磷素有效性，土壤磷素活化系數(shù)越高，則土壤磷素有效性越高。PAC小于2.0%，說明全磷各形態(tài)很難轉(zhuǎn)化為速效磷，有效性不高[31, 36- 37]。由圖1可以看出，3種林齡杉木林土壤磷素活化系數(shù)均在0.25%—0.35%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2.0%，這表明本研究區(qū)土壤全磷向速效磷轉(zhuǎn)化較難，土壤中磷素的有效性較低；但從3種杉木林的 PAC 指標(biāo)來看25年生 > 17年生> 7年生，表明隨著年齡的增長，速效磷容量和供應(yīng)強(qiáng)度增加，且全磷較容易轉(zhuǎn)化為速效磷，土壤中磷素的有效性增加；從同一林齡不同土層的 PAC 指標(biāo)變化來看，PAC沒有表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，說明該參數(shù)變異不大。

2.2 不同林齡杉木林土壤無機(jī)磷組成的變化

依據(jù)張守敬無機(jī)磷的分級，將土壤中的無機(jī)磷分為鋁結(jié)合態(tài)磷(Al-P)、高鐵結(jié)合態(tài)磷(Fe-P)、被鐵鋁氧化物包裹的閉蓄態(tài)磷(O-P)以及與鈣結(jié)合在一起的鈣磷(Ca-P)[38]。土壤中無機(jī)磷的存在形態(tài)、數(shù)量與土壤磷的有效性密切相關(guān)[38]。3種不同林齡杉木林土層土壤無機(jī)磷含量為165.71—195.14 mg/kg，約占全磷總量的43.78%—53.03%，平均為48.06%。無機(jī)磷分組測定結(jié)果表明(見表4)，土壤中無機(jī)磷組分以O(shè)-P含量最高，約占無機(jī)磷總量的48.30%— 59.80%；其次是Fe-P，約占21.61%—28.98%；Ca-P約占12.57%—23.53%；Al-P最少，約占2.16%—3.32%；3種不同林齡杉木林無機(jī)磷組分的排序及比例情況與杉木、馬尾松純林及其混交林中根際、非根際土壤的研究結(jié)果大體一致[39]。由表4還可以看出，3個林齡杉木林土壤不同剖面中，無機(jī)磷4個組分的分布沒有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。

表4 不同林齡杉木林土壤無機(jī)磷含量(mg/kg)

由表5可以看出，不同林分無機(jī)磷含量分別為：7年生 169.50 mg/kg、17年生182.03 mg/kg、25年生175.94 mg/kg，表現(xiàn)出從幼齡林、中齡林到近熟林先上升后下降的趨勢，17年生中齡林時無機(jī)磷含量超過了7年生幼齡林的7.39%，無機(jī)磷在全磷中所占比例下降了5.30%，這可能是由于17年生杉木林下枯枝落葉較厚，在微生物作用下分解歸還土壤而使土壤中全磷含量和無機(jī)磷含量增加，杉木處于速生生長階段，吸收利用了土壤中可溶性的磷而使無機(jī)磷所占比例下降，而無機(jī)磷的增加量大于無機(jī)磷在全磷中所占比例的下降量，這表明根系分泌物和微生物作用下，有機(jī)磷被礦化為無機(jī)磷，從而使杉木生長可利用的磷酸鹽含量增加。17年生中齡林以后，土壤全磷和無機(jī)磷含量有所減少。

表5 不同林齡杉木林土壤無機(jī)磷和有機(jī)磷含量

同列不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)

從圖2杉木林無機(jī)磷各組分所占比例隨林齡的變化可以看出，Al-P、O-P比例從7年生幼齡林到17年生中齡林分別下降了0.79%、4.95%，而Fe-P比例分別上升了2.35%，由于O-P是難溶解的非晶態(tài)的鐵鋁鈣等膠膜包裹的磷酸鹽，O-P比例的下降是杉木根系分泌物對O-P的活化，使O-P表面的鐵鋁氧化物膜逐漸“溶解”，而將Al-P、Fe-P放出使其比例增加，杉木處于速生生長，對養(yǎng)分的需求增大，而Fe-P上升、Al-P比例反而明顯下降是由于對Al-P吸收較大且吸收速率大于O-P釋放速率，對Fe-P的吸收較少且吸收速率小于O-P釋放速率導(dǎo)致的，同時可能還存在部分Al-P向Fe-P的轉(zhuǎn)化。17年生中齡林到25年生近熟林Al-P、Fe-P、O-P比例分別增加0.30%、0.18%、5.91%，由于有效性高的磷向著有效性低的O-P轉(zhuǎn)化而使含量增加，說明17年生中齡林時杉木對磷的需求量最大，中齡林后林木對磷的吸收量減少，同時也存在可逆的O-P活化過程而使Al-P、Fe-P含量增加，加之杉木對Al-P的吸收減少較多，因此Al-P 比例比前一階段略微增加；雖然Fe-P比例略有增加，但Fe-P吸收速率開始大于向O-P的轉(zhuǎn)化速率，表明中齡林后杉木對Fe-P吸收增加，并且與中齡林之前相比Fe-P的變化程度較Al-P大，因此此階段杉木以吸收Fe-P為主。Ca-P比例中齡林比幼齡林高3.40%，這是O-P活化釋放、土壤礦物風(fēng)化大于杉木吸收的結(jié)果；近熟林比幼齡林低2.98%，是由于近熟林比幼齡林對Ca-P需求較大，林木吸收更多Ca-P的結(jié)果，而近熟林比中齡林低6.38%，要高于近熟林比幼齡林的降低量，這說明除了杉木對其吸收增加外，隨著林齡、土壤風(fēng)化增加形成的過量Ca2+以氧化物的形式被吸附在土壤膠體內(nèi)形成閉蓄態(tài)O-P導(dǎo)致的。

圖2 杉木林無機(jī)磷4種組分在無機(jī)磷中比例隨林齡的變化Fig.2 Changes of four fractions in inorganic phosphorus in soils with aged Chinese fir plantations

2.3 不同林齡杉木林土壤有機(jī)磷的變化

測定土壤有機(jī)磷含量及其在全磷中的比例，可以判斷土壤有機(jī)磷對樹木的有效性及土壤供磷的調(diào)節(jié)能力[40]。由表5可以看出，3種不同林齡的杉木林有機(jī)磷含量分別為：159.12、211.28、204.42 mg/kg，并且17年生、25年生與7年生林分差異性顯著(P<0.05)。3種林齡杉木林有機(jī)磷含量隨林齡增加而增加, 而17年生中齡林到25年生近熟林時有所降低，但其含量比幼齡林分別提高了32.78%、28.47%，這可能是由于枯枝落葉歸還土壤，通過分解和淋溶作用使土壤全磷和有機(jī)磷含量增加；有機(jī)磷含量在全磷中的比例分別為：48.42%、53.72%、53.74%，從幼齡林到近熟林呈現(xiàn)增加的趨勢，中齡林、近熟林比幼齡林分別增加5.30%、5.32%，由于中林齡和近熟林比幼齡林全磷含量分別增加19.68%、15.75%，有機(jī)磷在全磷中的比例大約在45% —55%之間，其比例的實際增加分別小于理論范圍8.86% —10.82%、7.09%—8.66%，表明杉木生長過程中始終存在有機(jī)磷的礦化作用。

2.4 土壤不同形態(tài)磷的相關(guān)性分析

從表6可以看出，3種林齡杉木林土壤中的全磷、有效磷、有機(jī)磷與無機(jī)磷組分存在一定的相關(guān)性。統(tǒng)計結(jié)果表明：土壤全磷與有效磷、Fe-P、O-P、有機(jī)磷存在不同程度的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.725、0.586、0.446和0.940，達(dá)到顯著或者極顯著相關(guān)。土壤有效磷與有機(jī)磷的相關(guān)系數(shù)為0.667，呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，這說明有機(jī)磷是有效磷的主要貢獻(xiàn)者，是土壤有效磷的主要來源，林木吸收會引起土壤中 P匱乏，土壤有機(jī)磷會在土壤微生物和磷酸酶作用下，將含磷有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷酸鹽釋放進(jìn)入土壤溶液中。土壤Al-P含量與Fe-P含量之間存在一定的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.454；O-P與Ca-P存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這說明O-P的釋放也是Ca-P含量的主要來源之一；其余各形態(tài)磷之間均不存在顯著相關(guān)性(P>0.05)。

3 結(jié)論與討論

3種不同林齡杉木林土壤全磷和有效磷的含量分別在 317.06—398.56 mg/kg和 0.82 —1.38 mg/kg之間，土壤全磷和速效磷含量均屬低水平，這表明研究地土壤磷素供應(yīng)不足，這將影響林木的生長和杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營。3種林齡杉木人工林，土壤全磷含量平均分別為328.62 mg/kg、393.31 mg/kg、380.36 mg/kg，17 年生和25 年生林分比7 年生林分分別增加了19.68%、15.75%，并表現(xiàn)出從7年生幼齡林到17年生中齡林土壤全磷含量增高, 17年生中齡林到25年生近熟林全磷含量降低的規(guī)律，這與不同發(fā)育階段落葉松人工林土壤全磷含量的演變的研究結(jié)果一致[41]。

表6 土壤全磷、有效磷、有機(jī)磷與無機(jī)磷組分的相關(guān)性分析

n=27,r0.05=0.380，r0.01=0.482，*代表顯著相關(guān)，**代表極顯著相關(guān)

17 年生和25 年生杉木林土壤有效磷含量比7年生提高了45.55%左右；3種杉木林土壤磷素活化系數(shù)(PAC)在0.25%—0.35%之間，均小于2.0%，這表明本研究區(qū)速效磷容量和供應(yīng)強(qiáng)度小，土壤全磷向速效磷轉(zhuǎn)化較難，直接供植物吸收利用的磷很少，這與趙均嶸對杉木林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換對土壤磷形態(tài)的影響中的研究結(jié)果一致[31]。

土壤無機(jī)磷各組分中，植物最難利用的是O-P，無機(jī)磷活化過程O-P首先轉(zhuǎn)變?yōu)镕e-P、Al-P，才能再由Fe-P、Al-P轉(zhuǎn)化為可供植物吸收利用的有效磷[39]。無機(jī)磷分組測定結(jié)果表明，土壤中無機(jī)磷組分以O(shè)-P含量最高，其次是Fe-P、Ca-P，Al-P最少。3種林齡杉木林無機(jī)磷含量從幼齡林到中齡林增高，中齡林以后降低；無機(jī)磷含量隨年齡的變化規(guī)律與全磷含量的演變是一致的，這與不同發(fā)育階段落葉松人工林土壤無機(jī)磷含量的演變的研究結(jié)果相反[41]，兩種森林類型土壤無機(jī)磷含量變化的差異可能是由于凋落物的分解與樹種生長對養(yǎng)分吸收利用的情況引起的。

從無機(jī)磷各組分所占比例隨林齡的變化趨勢來看，杉木不同發(fā)育階段對無機(jī)磷形態(tài)的吸收是有選擇性的，幼齡林到中齡林階段林木以吸收Al-P為主，近熟林到成熟林階段林木以吸收Fe-P和Ca-P為主，這與陳立新對落葉松人工林不同發(fā)育階段對無機(jī)磷形態(tài)吸收的研究結(jié)果不同[41]，落葉松中齡林和近熟林林木以吸收Fe-P為主，成熟林林木以吸收Al-P和 Ca-P 為主，兩種人工林對無機(jī)磷形態(tài)利用的差異可能是由于樹種的生物學(xué)特性導(dǎo)致的。

土壤不同形態(tài)磷的相關(guān)性分析結(jié)果顯示，土壤Al-P含量與Fe-P含量之間相關(guān)系數(shù)為0.454，Al-P與Fe-P含量的增加是O-P活化釋放的結(jié)果，而在杉木生長過程中，其在無機(jī)磷中所占比例的非一致性變化是由于不同發(fā)育階段杉木對兩者選擇性吸收的結(jié)果。土壤有效磷與有機(jī)磷的相關(guān)系數(shù)為0.667，呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性；同時，從有機(jī)磷、無機(jī)磷在全磷所占比例隨林齡的變化趨勢來看，杉木生長過程中在根系分泌物和微生物作用下，有機(jī)磷有一定的礦化作用，或者是有機(jī)磷的礦化作用大于生物固持作用而出現(xiàn)有機(jī)磷的凈礦化，為杉木生長提供可吸收利用的磷酸鹽，這表明有機(jī)磷是杉木林土壤有效磷的主要來源。Chen 對我國南方18年生杉木人工林研究結(jié)果表明，有機(jī)磷和無機(jī)磷中的Ca-P是有效磷的主要來源[42]。本研究中土壤有效磷與Ca-P存在不顯著的正相關(guān)關(guān)系，但從Ca-P比例在3種林齡杉木林變化來看，杉木生長過程中一直對Ca-P進(jìn)行吸收，且中齡林、近熟林比幼齡林對Ca-P的吸收利用較大，因此Ca-P也是杉木生長的有效磷源。

References:

[1] Pan R C, Dong Y D. Plant Physiology. Beijing: Higher Education Press, 2001.

[2] Larcher W. Plant Physioecology//Li B, et al, translated. Beijing: Science Press, 1980.

[3] Zhao Q, Zeng D H. Phosphorus cycling in terrestrial ecosystems and its controlling factors. Acta Phytoecologica Sinica, 2005, 29(1): 153- 163.

[4] McDowell R W, Stewart I. The phosphorus composition of contrasting soils in pastoral, native and forest management in Otago, New Zealand: sequential extraction and31PNMR. Geoderma, 2006, 130(1/2): 176- 89.

[5] Wang Y P, Law R M, Pak B. A global model of carbon, nitrogen and phosphorus cycles for the terrestrial biosphere. Biogeosciences, 2010, 7(7): 2261- 2282.

[6] Corinne E B, Jennifer D K, Jennifer M F. Interactive effects of disturbance and nitrogen availability on phosphorus dynamics of southern Appalachian forests. Biogeochemistry, 2013, 112(1/3): 329- 342.

[7] Bai C X. Study on Forest Soil phosphate in Badaling Mountain of Beijing [D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2006.

[8] Zhang L, Wu N, Wu Y, Luo P, Liu L, Chen W N, Hu H Y. Soil phosphorus form and fractionation scheme: A review. Chinese Journal of Applied Ecology, 2009, 20(7): 1775- 1782.

[9] Zhan S X, Chen F S, Hu X F, Gan L, Zhu Y L. Soil nitrogen and phosphorus availability in forest ecosystems at different stages of succession in the central subtropical region. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(9): 4673- 4680.

[10] Compton J S, Mallinson D J, Glenn C R, Filippelli G, F?llmi K, Shields G, Zanin Y. Variations in the global phosphorus cycle // Glenn C R. Marine Authigenesis: From Global to Microbial. Society of Sedimentary Geology, 2000, 66: 21- 33.

[11] Walbridge R. Phosphorus biogeochemistry. Ecology, 2000, 81(5): 1474- 1475.

[12] Wang Q R, Li J Y, Li Z S. Studies on plant nutrition of efficient utility for soil phosphorus. Acta Ecologica Sinica, 1999, 19(3): 417- 421.

[13] Jiang Y, Zhuang Q L, Zhang Y G, Liang W J. Distribution characteristics of soil phosphorus in maize belt farmlands of Northeast China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2008, 19(9): 1931- 1936.

[14] Lai L, Hao M D, Peng L F. Development of researches on soil phosphorus. Research of Soil and Water Conservation, 2003, 10(1): 65- 67.

[15] Hu P, Zhou S G, Liu D H. Assessment of soil phosphorus fractionation scheme. Chinese Journal of Soil Science, 2003, 34(3): 229- 232.

[16] Zhang D H, Tu C J, Shen P S, Liu G L. Phosphorus status of main soil groups in Fujian mountainous regions. Scientia Silvae Sinicae, 2008, 44(8): 29- 36.

[17] Lopez-Contreras A Y, Hernandez-Valencia I, Lopez-Hernandez D. Fractionation of soil phosphorus in organic amended farms located on savanna sandy soils of Venezuelan Amazonian. Biology and Fertility of Soils, 2007, 43(6): 771- 777.

[18] Herlihy M, McGrath D. Phosphorus fractions and adsorption characteristics in grassland soils of varied soil phosphorus status. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2007, 77(1): 15- 27.

[19] Verma S, Subehia S K, Sharma S P. Phosphorus fractions in an acid soil continuously fertilized with mineral and organic fertilizers. Biology and Fertility of Soils, 2005, 41(4): 295- 300.

[20] Sundareshwar P V, Morris J T. Phosphorus sorption characteristics of intertidal marsh sediments along an estutarines saliniy gradient. Limnology and Oceanography, 1999, 44(7): 1693- 1701.

[21] Liu J X, Huang W J, Zhou G Y, Zhang D Q, Liu S Z, Li Y Y. Nitrogen to phosphorus ratios of tree species in response to elevated carbon dioxide and nitrogen addition in subtropical forests. Global Change Biology, 2013, 19(1): 208- 216.

[22] Xiang W S, Tong C L, Wu J S, Li X H. Chemical forms, availability and cycling of soil phosphorus in wetland farming systems. Acta Ecologica Sinica, 2001, 21(12): 2067- 2073.

[23] Yu J. Exudative Organic Acids from Tree Roots and Phosphorus Mobilization of Soil under P Stress [D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2005.

[24] Li Q K. Red Soils of China. Beijing: Science Press, 1983.

[25] Zhang D H, Ye Z F, Luo S F. The preliminary study on P_Adsorption and P_Desorption in Fujian mountain red soils. Journal of Mountain Science, 2001, 19(1): 19- 23.

[26] Lu R K. Soil and Plant Nutriology, Principles and Fertilization. Beijing: Chemical Industry Press, 1998.

[27] Qiu Y, Zhang D H. Research progress on phosphorus transformation in southern acid soils. Fujian Science and Technology of Rice and Wheat, 2003, 21(3): 14- 17.

[28] Lajtha K, Sehlesinger W H. The biogeochemistry of phosphorus cycling and phosphorus availability along a desert soil chronosequence. Ecology, 1988, 69(1): 24- 39.

[29] Kellogg L E, Bridgham S D. Phosphorus retention and movement across an ombrotrophic-minerotrophic peatland gradient. Biogeochemistry, 2003, 63(3): 299- 315.

[30] Sun G F, Jin J Y, Shi Y L. Research advance on soil phosphorous forms and their availability to crops in soil. Soil and Fertilizer Sciences, 2011, (2): 1- 8.

[31] Zhao J R. The Influence of Chinese Fir Ecosystem Conversion on the Soil Phosphorus Forms and Its Mechanism [D]. Fuzhou: Fujian Agriculture & Forestry University, 2012.

[32] Forestry Profession Standard of the People′s Republic of China. A handbook of Analysis methods for soil forest soils. Beijing: State Forestry Administration Press, 1999.

[33] Chinese Society of Soil Science. Method of Analysis in Soil and Agrochemistry. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 1999.

[34] Liu Z G, Yin W J. Effect of burning on soil′s total and available phosphorus contents in the eucalyptus grandis plantation. Hubei Agricultural Sciences, 2011, 50(14): 2837- 2840.

[35] China Soil Survey Office. China Soil. Beijing: Agricultural Press, 1992.

[36] Li X M, Zhang J M. Distribution of soil phosphate in Hebei Province. Chinese Journal of Soil Science, 1994, 25(6): 259- 260.

[37] Jia X Y, Li J M. Study on soil phosphorus availability and its relation to the soil properties in 14 soils from different sites in China. Soil and Fertilizer Sciences, 2011, (6): 76- 82.

[38] Chen Y L, Han S J, Zhou Y M, Zou C J, Zhang J H. Characteristics of available P in the rhizosphere soil in pureJuglansmandshuricaandLarixgmeliniiand their mixed plantation. Chinese Journal of Applied Ecology, 2002, 13(7): 790- 794.

[39] Zhang D H, Lin K M, Li B F. Phosphorus characteristics in rhizosphere soil ofCunninghamialanceolata,Pinusmassonianaand their mixed plantations. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(11): 2815- 2821.

[40] Chen L X. Relationship between soil organic phosphorus forms in larch plantations and tree growth. Chinese Journal of Applied Ecology, 2003, 14(12): 2157- 2161.

[41] Chen L X, Yang C D. The succession of various types of phosphorus, phosphatase activity, and the relationship with the tree growth in Larch plantations. Scientia Silvae Sinicae, 2004, 40(3): 12- 18.

[42] Chen H J. Phosphatase activity and P fractions in soils of an l8-year old Chinese fir plantation. Forest Ecology and Management, 2003, 178(3): 301- 310.

參考文獻(xiàn):

[1] 潘瑞熾, 董愚得. 植物生理學(xué). 北京: 高等教育出版社, 北京, 2001.

[2] Larcher W. 植物生理生態(tài)學(xué)//李博等, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 1980.

[3] 趙瓊, 曾德慧. 陸地生態(tài)系統(tǒng)磷素循環(huán)及其影響因素. 植物生態(tài)學(xué)報, 2005, 29(1): 153- 163.

[7] 白翠霞. 北京八達(dá)嶺森林土壤磷素研究 [D]. 北京: 北京林業(yè)大學(xué), 2006.

[8] 張林, 吳寧, 吳彥, 羅鵬, 劉琳, 陳文年, 胡紅宇. 土壤磷素形態(tài)及其分級方法研究進(jìn)展. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2009, 20(7): 1775- 1782.

[9] 詹書俠, 陳伏生, 胡小飛, 甘露, 朱友林. 中亞熱帶丘陵紅壤區(qū)森林演替典型階段土壤氮磷有效性. 生態(tài)學(xué)報, 2009, 29(9): 4673- 4680.

[12] 王慶仁, 李繼云, 李振聲. 高效利用土壤磷素的植物營養(yǎng)學(xué)研究. 生態(tài)學(xué)報, 1999, 19(3): 417- 421.

[13] 姜勇, 莊秋麗, 張玉革, 梁文舉. 東北玉米帶農(nóng)田土壤磷素分布特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2008, 19(9): 1931- 1936.

[14] 來璐, 郝明德, 彭令發(fā). 土壤磷素研究進(jìn)展. 水土保持研究, 2003, 10(1): 65- 67.

[15] 胡佩, 周順桂, 劉德輝. 土壤磷素分級方法研究評述. 土壤通報, 2003, 34(3): 229- 232.

[16] 張鼎華, 涂傳進(jìn), 沈乒松, 劉桂林. 福建山地幾種主要土類土壤磷的研究. 林業(yè)科學(xué), 2008, 44(8): 29- 36.

[22] 向萬勝, 童成立, 吳金水, 李學(xué)垣. 濕地農(nóng)田土壤磷素的分布、形態(tài)與有效性及磷素循環(huán). 生態(tài)學(xué)報, 2001, 21(12): 2067- 2073.

[23] 余健. 磷脅迫下林木分泌的有機(jī)酸及對土壤磷的活化 [D]. 南京: 南京林業(yè)大學(xué), 2005.

[24] 李慶逵. 中國紅壤. 北京: 科學(xué)出版社, 1993.

[26] 魯如坤. 土壤-植物營養(yǎng)學(xué)原理和施肥. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 1998.

[27] 邱燕, 張鼎華. 南方酸性土壤磷素化學(xué)研究進(jìn)展. 福建稻麥科技, 2003, 21(3): 14- 17.

[30] 孫桂芳, 金繼運(yùn), 石元亮. 土壤磷素形態(tài)及其生物有效性研究進(jìn)展. 中國土壤與肥料, 2011, (2): 1- 8.

[31] 趙均嶸. 杉木林生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換對土壤磷形態(tài)的影響及其機(jī)制 [D]. 福州: 福建農(nóng)林大學(xué), 2012.

[32] 中華人民共和國林業(yè)行業(yè)性標(biāo)準(zhǔn). 森林土壤分析方法. 北京: 國家林業(yè)局, 1999.

[33] 中國土壤學(xué)會. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析方法術(shù). 北京: 科技出版社, 1983.

[34] 劉正剛, 尹武君. 煉山對巨桉林地土壤全磷和有效磷含量的影響. 湖北農(nóng)業(yè)科技, 2011, 50(14): 2837- 2840.

[35] 中國土壤普查辦公室. 中國土壤. 北京: 農(nóng)業(yè)出版社, 1992.

[36] 李學(xué)敏, 張勁苗. 河北潮土磷素狀態(tài)的研究. 土壤通報, 1994, 25(6): 259- 260.

[37] 賈興永, 李菊梅. 土壤磷有效性及其與土壤性質(zhì)關(guān)系的研究. 中國土壤與肥料, 2011, (6): 76- 82.

[38] 陳永亮, 韓士杰, 周玉梅, 鄒春靜, 張軍輝. 胡桃楸、落葉松純林及其混交林根際土壤有效磷特性的研究. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2002, 13(7): 790- 794.

[39] 張鼎華, 林開淼, 李寶福. 杉木、馬尾松及其混交林根際土壤磷素特征. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2011, 22(11): 2815- 2821.

[40] 陳立新. 落葉松土壤有機(jī)磷形態(tài)與林木生長量的關(guān)系. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報, 2003, 14(12): 2157- 2161.

[41] 陳立新, 楊承棟. 落葉松人工林土壤磷形態(tài)、磷酸酶活性演變與林木生長關(guān)系的研究. 林業(yè)科學(xué), 2004, 40(3): 12- 18.

Characteristics of soil phosphorus in different aged stands of Chinese fir plantations in Huitong, Hunan Province

CAO Juan1,YAN Wende1,2, XIANG Wenhua1,2, CHEN Xiaoyong1,2,3,*, LEI Pifeng1,2, XIANG Jianlin4

1CentralSouthUniversityofForestryandTechnology，Changsha410004，China2NationalEngineeringLaboratoryforAppliedTechnologyofForestry&EcologyinSouthChina,Changsha410004，China3GovernorsStateUniversity,Illinois60484,USA4HuitongForestryAdministrationinHunanProvince,Huitong418300，China

Phosphorus (P) is an essential element for growth and development of plants. At cellular and sub-cellular levels, P plays a vital role in various important metabolic processes, such as protein synthesis, cell division, newborn tissues development and energy transformations. In terrestrial ecosystems, P is often the most limiting nutrient. This is particularly the case for some regions where nitrogen (N) in the soils is likely saturated due to high N deposition, extensive N fertilizer application and fossil fuel combustion. In this study, changes in P formations (total P, available P, inorganic P and organic P) in soils were investigated in three aged stands of Chinese fir plantations (7-, 17- and 25-year-old stands) in Huitong County, Hunan Province, China. The fractions of inorganic P in soils were also determined in the studied plantations. The purpose of this project is to examine the alterations of soil P in different aged Chinese fir forests. The results showed that the total P content ranged from 317.06 to 398.56 mg/kg and available P content from 0.82 to 1.38 mg/kg, in the three examined aged stands. The total P and available P contents were in a relative low level when compared with the corresponding values derived from the national soil survey. But the total P and available P contents in soils significantly increased with the aged stands. The average total P content in soils was about 19.68% and 15.75% higher in 17-year-old stands and 25-year-old stands than in 7-year-old stands. Available P content was about 45.55% higher in the 17- and 25-year-old stands than in the 7-year-old stands. P activation coefficient in the soils was low (< 2.0%) in the three aged stands of Chinese fir forests, which suggested that the transformation of organic P to available P was restricted, even certain mineralization indeed occurred in the studied site. The concentration of inorganic phosphorus was 169.50, 182.03 and 175.94 mg/kg in the 7-, 17- and 25-year-old stands, respectively. On average, the amount of inorganic P fractions in the studied soils was in an order: occluded bound P (O-P) > iron bound P (Fe-P) > calcium bound P (Ca-P) > aluminum bound P (Al-P). Significant changes in the patterns of absorption of inorganic phosphorus fraction occurred in different growth and developmental stages of Chinese fir forests. Typically, the Al-P fraction was the major component of the inorganic P absorbed by the tree in the 7- and 17-year-old plantations. But the Fe-P and Ca-P fractions became the most assimilated inorganic P in 25-year-old Chinese fir stands. It was found that there was a close relationship between the available P and organic P in soils with a correlation coefficient of 0.667 in the studied stands, which implied that the organic P was the main source of soil available P in Chinese fir plantations in the study region. The results suggested that it was likely an important management practice to increase the transform rate of inorganic P to available P in the younger stands in order to improve soil fertility and promote forest productivity. Our study provided a scientific basis and reference for better understanding of P storage and cycling in Chinese fir forests.

Chinese fir plantation; soil total phosphorus; available phosphorus; inorganic phosphorus fraction

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201404316)；湖南省自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項目(湘基金委字[2013]7號)；城市森林生態(tài)湖南省重點實驗室運(yùn)行項目資助；湖南省優(yōu)勢重點學(xué)科項目資助；湖南省“百人計劃”項目(0842)；中南林業(yè)科技大學(xué)研究生科技創(chuàng)新基金項目(CX2014A04)

2014- 04- 06;

2014- 11- 03

10.5846/stxb201404060655

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xchen@govst.edu

曹娟，閆文德，項文化，諶小勇，雷丕鋒，向建林.湖南會同不同年齡杉木人工林土壤磷素特征.生態(tài)學(xué)報,2014,34(22):6519- 6527.

Cao J,Yan W D, Xiang W H, Chen X Y, Lei P F, Xiang J L.Characteristics of soil phosphorus in different aged stands of Chinese fir plantations in Huitong, Hunan Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(22):6519- 6527.