貢嘎山東坡亞高山土壤生物有效磷的時空分異*

何曉麗 吳艷宏 周 俊 邴海健 孫宏洋

（1 中國科學院、水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，成都 610041）

（2 中國科學院大學，北京 100049）

土壤生物有效磷的充足供給是維持山地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎，然而，目前仍不清楚其隨海拔梯度的變化特征及其主要影響因素。土壤生物有效磷含量受成土母質［1］、成土時間［2］、氣候［3］、生物活動［4］和土壤理化性質［5］等因素共同影響。具有較大高差的山地是研究上述因素變化對生態(tài)系統(tǒng)磷（P）生物有效性的綜合作用及評估各因素對土壤生物有效磷時空分布相對重要性的理想場所。Sundqvist［6］、Vincent［3］和Vitousek［7］等對山地土壤的研究發(fā)現(xiàn)，隨海拔升高，溫度降低導致微生物分解速率減慢，生物有效磷含量呈降低趨勢。Mukai等［8］在日本Yakushima的研究發(fā)現(xiàn)，在高海拔冷、濕環(huán)境下，土壤濕度過大和較低的土壤pH加速了P淋溶流失。然而，Unger等［9］在厄瓜多爾東北部的研究發(fā)現(xiàn)，有機質層和礦質層中生物有效磷庫隨海拔升高（溫度降低）而增大，其主要原因是隨海拔升高，植物對P的需求量逐漸降低，從而導致土壤生物有效磷逐漸積累。Zhou等［10］對貢嘎山東坡6種植被帶的研究發(fā)現(xiàn)，隨海拔升高，土壤生物有效磷的濃度和儲量呈“拋物線”型分布，亞高山針葉林土壤生物有效磷的濃度和儲量最大，溫度、土壤pH和凋落物產(chǎn)量是影響生物有效磷空間分布的主要因素?？梢姡壳坝嘘P土壤生物有效磷隨海拔梯度的變化模式和主要影響因素還存在較多爭論。因此，有必要開展更多的相關研究，為闡明山地土壤生物有效磷的時空分異提供案例。

貢嘎山東坡亞高山海拔2 600～3 200 m的峨眉冷杉林是開展土壤生物有效磷垂直分異和季節(jié)變化特征研究的理想場所。本區(qū)土壤母質和植被類型差異較小，溫度和降水存在明顯的梯度差異［11-12］。隨海拔升高，土壤溫度降低，有機磷（Po）礦化速率減慢，則生物有效磷含量應逐漸減少［3,6-7］。然而，本研究區(qū)是貢嘎山東坡降雨量最大的區(qū)域［11］，如果考慮由海拔引起的徑流差異對土壤生物有效磷的影響，則對生物有效磷的海拔分布和季節(jié)變化特征的預測將更加困難。本研究分別利用濕化學浸提法［13］和Bowman等［14］原位樹脂袋包埋法測定貢嘎山東坡峨眉冷杉林（2 600～3 200 m）土壤生物有效磷含量和供給量，以闡明土壤生物有效磷的海拔分布和季節(jié)變化特征以及影響該區(qū)土壤生物有效磷時空分異的主要因素。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

貢嘎山位于青藏高原和四川盆地的交界處，最高峰海拔7 556 m（圖1），由于相對高差達6 km，各種環(huán)境要素隨海拔發(fā)生急劇變化，形成完整的土壤和植被帶譜［12］。針葉林在貢嘎山地區(qū)分布范圍最廣，是最重要的植被類型之一，東坡海拔2 600～3 200 m是峨眉冷杉林帶［12］。貢嘎山東坡主要受東亞季風影響，根據(jù)中國科學院貢嘎山站（3 000 m）的觀測，該區(qū)年平均氣溫4.2℃，1月平均氣溫-4.6℃，7月平均氣溫12.5℃，年降雨量約為1 947 mm，年相對濕度為90%左右，年蒸發(fā)量約為327 mm［15］。6—10月為生長季，植物根系和微生物活動劇烈；11月至次年5月為非生長季，植物和微生物基本處于休眠狀態(tài)［16］。土壤成土母質主要為花崗巖，由低海拔至高海拔發(fā)育了山地棕壤（2 600～2 800 m）和山地暗棕壤（2 800～3 200 m）［12］。

圖1 研究區(qū)位置及采樣點分布Fig. 1 Location of the study area and distribution of sampling sites

1.2 樣品采集

2016年5月在貢嘎山東坡海拔2 628 m (S1)、2 781 m (S2)、3 044 m (S3)和3 210 m (S4)的峨眉冷杉林下共設置4個采樣點（表1），每個采樣點選擇坡度較小的坡中挖掘6個土壤剖面，每個剖面間距大于10 m。土壤剖面由上至下分為：分解強烈的凋落物層（O層）、淋溶層（A層）、淀積層（B層）和母質層（C層）。按土壤發(fā)生層由下至上依次采集各層容重和土壤樣品。參照Maynard和Curran［17］提出的容重樣品采集方法，有機層利用薄膜法，礦質層利用環(huán)刀法（體積為100 cm3）。用小鏟采集土壤樣品，每一層采集鮮重土壤1～2 kg。所有樣品采集后均用干凈的聚乙烯袋封裝，低溫帶回實驗室儲存于4℃。

表1 采樣點概況Table 1 General characteristics of the sampling sites

將10 g陰陽離子混合交換樹脂（Lewatit NM-60 H+/OH-）封裝于60目尼龍袋（10 cm × 10 cm）。參照Bowman等［14］原位樹脂袋包埋法，將樹脂袋埋入每一土層，每個采樣點選擇剖面1～4。埋置時間為2016年5月至2017年5月，其中2016年6月至10月每月收集樹脂袋一次，11月至次年5月收集一次。收集的樹脂儲存于4℃保溫箱中，一周內(nèi)完成測試。

原位連續(xù)監(jiān)測每個采樣點剖面1～3的O、A和B層的土壤溫度變化（溫度計型號：Maxim DS 1923, USA）。

1.3 樣品分析

土壤pH采用電極法測定，O層和礦質土層水土比分別為10∶1和2.5∶1。無定形鐵Feox和無定形鋁Alox濃度采用草酸-草酸銨法提?。?0］，用ICPOES（PerkinElmer Optima 8300, USA）測定，檢測限均為0.001 mg·L-1。全碳TC和全氮TN濃度用元素分析儀（Vario Isotope Cube, Germany）測定，檢測限分別為0.050%和0.015%。全磷TP濃度參照鉬銻抗比色法利用UV2450紫外可見分光光度計（Shimadzu, Japan）測定［21］，檢測限為0.01 mg·L-1。TP和無機磷Pi之差為有機磷Po濃度［13］。土壤微生物生物量磷MBP采用氯仿熏法測定［22］。磷酸酶活性采用對硝基苯磷酸鹽法測定［23］。

1.4 生物有效磷測定

利用室內(nèi)分析和野外原位監(jiān)測2種方式測定土壤生物有效磷。

室內(nèi)分析：稱0.5 g風干土樣，用30 mL 0.5 mol·L-1NaHCO3浸提［13］。為避免風干效應造成土壤生物有效磷含量偏高［24］，本研究將NaHCO3提取的無機態(tài)磷（NaHCO3-Pi）作為室內(nèi)濕化學提取測定的生物有效磷含量（Bio-PL），mg·kg-1。參照Zhou等［10］的方法，O層和0～50 cm礦質土層Bio-PL的儲量（StockBio-PL），kg·hm-2：

式中，CO、CA、CB和CC分別表示O層、A層、B層和C層的Bio-PL濃度，mg·kg-1；DO、DA、DB和DC分別表示4個土層的土壤容重，g·cm-3；TO、TA和TB分別表示3個土層的厚度，cm。

原位監(jiān)測：用2 mol·L-1KCl按1∶10的樹脂:浸提劑（重量:體積）浸提樹脂吸附的P［14］。然后利用AutoAnalyzer 3流動分析儀（Seal Analytical,Germany）測定浸提液中PO43-濃度。用單位質量樹脂每天吸附的P表征原位樹脂袋包埋法測定的土壤生物有效磷供給量（Bio-PS），mg·kg-1·d-1：

式中，Bio-PS表示土壤中的活性磷經(jīng)輸入（巖石風化、Po礦化和礦物及黏粒解吸等）與損耗（生物體吸收、礦物及黏粒吸附和隨徑流流失等）后土壤可交換態(tài)磷每天的供給量；C0和Ct分別表示空白樹脂與野外掩埋后回收樹脂的浸提液中PO43--P濃度，mg·kg-1；V表示浸提液體積，mL；M為樹脂質量，g；D表示樹脂袋包埋時長，d。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用Shapiro-Wilk檢驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布（P＞0.05）。利用單因素方差分析（One-way ANOVA）判識不同土層和不同海拔土壤屬性是否存在顯著差異（P＜0.05）。利用Spearman相關分析探討不同土層和不同海拔土壤屬性之間的相關關系（P＜0.05）。

2 結 果

2.1 土壤性質的空間變化

由表2可知，隨海拔升高，各層土壤溫度顯著降低（P＜0.05）。除A層外，其他各層土壤含水量均在S2樣點最高。除C層外，其他各層土壤pH均在S2樣點最小。O層和A層Feox濃度均在S2樣點最低，但B層和C層Feox濃度均在S2樣點最高。各層Alox濃度均在S3樣點最低。除A層外，其他各層土壤TC和TN濃度隨海拔升高而降低，但均在S2樣點最高。

隨土層深度增加，土壤溫度逐漸降低。O層土壤含水量顯著高于礦質層（P＜0.05）。A層土壤pH小于其他各層，均值為4.6。Feox和Alox濃度均值在O層最低，B層最高。TC、TN和MBP濃度及磷酸酶活性隨土層深度增加均有降低趨勢。

2.2 土壤全磷和有機磷的空間變化

隨海拔升高，亞高山土壤O層和A層的TP濃度均逐漸增大（圖2a）；S2樣點B層的TP濃度顯著低于其他樣點；4個樣點的C層TP濃度無顯著性差異（P ＞ 0.05）。與TP相比，Po梯度變化趨勢較復雜（圖2b）。O層和C層Po濃度隨海拔升高有增大趨勢，而B層Po濃度梯度變化趨勢則相反，S2樣點A層的Po濃度顯著低于其他樣點（P ＜ 0.05）。隨土層深度增加，TP和Po濃度均有降低趨勢。

圖2 貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤TP（a）和Po（b）濃度的梯度變化Fig. 2 Changes of soil TP (a) and Po (b) with altitude in the Abies fabri (Mast.) Craib forest on Mt. Gongga

2.3 土壤生物有效磷的時空變化

低海拔地區(qū)（S1和S2樣點）土壤Bio-PL濃度顯著低于高海拔地區(qū)（S3和S4樣點）（P ＜ 0.05）（圖3a）。隨土層深度增加，Bio-PL濃度顯著降低（P ＜ 0.05）。隨海拔升高，StockBio-PL有增大趨勢（圖3b）。O層StockBio-PL顯著高于其他土層（P ＜0.05），約占土壤剖面總StockBio-PL的75%。

與Bio-PL梯度變化一致，隨海拔升高，Bio-PS呈增大趨勢，且均在S3樣點最大（圖3a和圖4）；但Bio-PS最小值出現(xiàn)在S2樣點。O層Bio-PS均為正值；低海拔地區(qū)Bio-PS在礦質土層出現(xiàn)負值，此時的土壤并未釋放生物有效磷，而是處于吸附生物有效磷的狀態(tài)。

各樣點O層土壤Bio-PS全年均為正值（圖5a）。S1樣點O層Bio-PS無顯著季節(jié)變化（P ＞0.05）。S2樣點Bio-PS在9—10月較大，其他月份的均值約為0 mg·kg-1·d-1（“單峰”）。S3和S4樣點Bio-PS的季節(jié)變化均呈“雙峰”（6月和9月是兩個峰值點），兩者Bio-PS最低值均出現(xiàn)在11月至次年5月（非生長季）。

表2 貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤性質Table 2 Soil properties of the sampling sites in the Abies fabri (Mast.) Craib forest on M t. Gongga

圖3 貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤生物有效磷含量（a）和生物有效磷儲量（b）的梯度變化Fig. 3 Changes of Bio-PL (a) and StockBio-PL (b) with altitude in the Abies fabri (Mast.) Craib forest on Mt. Gongga

圖4 貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤Bio-PS梯度變化（2016年6月）Fig. 4 Changes of Bio-PS with altitude in the Abies fabri (Mast.) Craib forest on Mt. Gongga (June, 2016)

同一采樣點礦質土層Bio-PS的季節(jié)變化趨勢類似（圖5b和5c）。S2樣點的Bio-PS基本小于其他樣點，A層和B層最小值均出現(xiàn)在8月。S4樣點的Bio-PS基本大于其他樣點，A層和B層的最大值均出現(xiàn)在9月。

2.4 土壤生物有效磷時空變化的影響因素

表3列出了具有顯著相關關系的系數(shù)，可以看出，O層Bio-PL和StockBio-PL與各土壤性質均無顯著相關關系，Bio-PS與TP顯著正相關，與土壤溫度、磷酸酶活性顯著負相關（P ＜ 0.05）。A層Bio-PL分別與TC、TN顯著正相關，與土壤pH、Alox顯著負相關；Bio-PS與Po顯著正相關，與土壤溫度顯著負相關（P ＜ 0.05）。B層Bio-PL和StockBio-PL均與TP顯著正相關，且兩者均分別與土壤溫度、Feox、Alox、TC、TN、Po、磷酸酶活性顯著負相關；Bio-PS分別與TP、MBP顯著正相關，與土壤含水量、Feox、TC、TN顯著負相關（P ＜ 0.05）。C層Bio-PL和StockBio-PL均與Po顯著正相關；Bio-PS與Alox顯著負相關（P ＜ 0.05）。

圖5 貢嘎山東坡峨眉冷杉林O層（a）、A層（b）和B層（c）土壤Bio-PS的季節(jié)變化Fig. 5 Seasonal variations of Bio-PS in the O horizon (a), A horizon (b) and B horizon (c) in the Abies fabri (Mast.) Craib forest on Mt. Gongga

表3 貢嘎山東坡峨眉冷杉林土壤生物有效磷與土壤性質的Spearman相關系數(shù)Table 3 Spearman’s correlation coefficients between bioavailable P and soil properties in the Abies fabri (Mast.) Craib forest on Mt.Gongga

3 討 論

3.1 土壤生物有效磷梯度變化特征及影響因素

土壤生物有效磷的主要來源為礦物風化、解吸過程（酸性土壤主要來自Fe和Al氧化物）和Po礦化［2,4-5］，其消耗過程主要包括生物同化和徑流流失［8-9］。

風化過程與巖性、溫度、降水、土壤發(fā)育和植被類型密切相關［2,25］。本研究4個海拔梯度上巖性和植被類型差異較小，溫度和降水是風化的主要影響因子。低海拔地區(qū)土壤溫度高、濕度大（表2），巖石風化程度較強［25］，生物有效磷含量應更高。然而，這與我們的實測結果相反（圖3和圖4）。酸性土壤中Fe和Al氧化物對生物有效磷的吸附是導致生物有效磷含量降低的主要地球化學過程［5］。但本研究中，一方面生物有效磷主要儲存于O層（圖3），且O層中Bio-PL、StockBio-PL和Bio-PS均與Feox、Alox濃度無顯著相關關系（P ＞0.05）；另一方面礦質土層中除B層外，A層和C層生物有效磷與Feox、Alox濃度的相關性均較弱（表3）。因此，由Feox和Alox的吸附造成生物有效磷梯度特征改變的可能較小。土壤Po礦化是生物有效磷的主要來源［3-4］，隨海拔升高，溫度和土壤含水量降低，微生物活性減弱（表2），Po的礦化速率減慢［6-7］，生物有效磷含量應逐漸降低。Po儲量確實出現(xiàn)隨海拔升高而增大的趨勢（依次為1 021、825、1 125和1 296 kg·hm-2），但此時生物有效磷含量也隨海拔升高而增加（圖3和圖4），且與土壤溫度、磷酸酶活性均顯著負相關（P ＜ 0.05）（表3）。植物的同化吸收是影響生物有效磷梯度變化的又一因素［9］，但研究發(fā)現(xiàn)隨海拔升高，植物對P的年需求量有增大趨勢（表1）。

因此，造成生物有效磷隨海拔升高而增大這一分布特征的主要原因可能是低海拔地區(qū)生物有效磷流失量較大。此結論由以下證據(jù)支持：首先，對貢嘎山東坡亞高山土壤的多個研究已發(fā)現(xiàn)了較為明顯的淋溶過程［12,26］，該過程造成了土壤溶質快速、大量運移［27-28］。其次，在本研究S2樣點所處小流域的研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域P由陸地向水體遷移的主要形態(tài)為樹脂提取態(tài)P［29］。第三，本研究中低海拔地區(qū)相對較高的土壤含水量（表2）進一步說明土壤淋溶作用是生物有效磷大量流失的重要原因之一。S2樣點2016年6月各層Bio-PS均低于其他樣點（圖4），表明在更酸、更濕的S2樣點生物有效磷的流失量更大［8］。

3.2 土壤生物有效磷土層變化特征及影響因素

總體而言，StockBio-PL遠大于植物P年需求量（圖3b，表1），這一結果與多個研究一致［30-31］。土壤中Bio-PL主要儲存于O層（圖3b）且全年O層Bio-PS均大于0 mg·kg-1·d-1（圖5a），說明土壤有機質層有潛力全年為植物和微生物提供充足的生物有效磷［30］。然而，礦質土層較低的Bio-PL含量（圖3）和Bio-PS負值的出現(xiàn)（圖4、圖5b和5c），表明某些月份礦質土層的生物有效磷供給能力較差。

表層土壤生物有效磷含量顯著高于底層的分布模式，從一定程度上展現(xiàn)了植物和微生物對生物有效磷垂直分層的控制作用［29］。植物吸收各層土壤中的生物有效磷，并通過凋落物將Po歸還至土壤表層，因此表層Po礦化后釋放的生物有效磷較下層土壤的生物有效磷濃度更高。與礦質層相比，O層中較高的TP和Po含量（圖2）和較強的磷酸酶活性（表2）是造成土壤生物有效磷主要蓄積于O層的重要因素。

3.3 土壤生物有效磷季節(jié)變化特征及影響因素

同一土層不同樣點的Bio-PS季節(jié)變化存在一定差異（圖5a）。由高海拔至低海拔，有機質層Bio-PS季節(jié)變化依次出現(xiàn)S4和S3樣點的“雙峰型”（6月和9月）、S2樣點的“單峰型”（9月）和S1樣點的“無峰型”。S4和S3樣點在6月也出現(xiàn)“峰值”是因為此時低海拔植物已進入生長季，開始吸收土壤中的生物有效磷，而高海拔較低的溫度（表2）使得植物和微生物活性較差［16］，大量生物有效磷仍儲存于土壤中。與8月相比，9月溫度和降雨量分別下降25%和26%［15］，生物有效磷被生物吸收量和隨徑流流失量減少。因此，9月是O層土壤P的生物有效性最高的月份，S2、S3和S4樣點Bio-PS均在此時出現(xiàn)“峰值”。

S2樣點有機質層Bio-PS的均值在絕大多數(shù)月份（除9-10月外）均為0 mg·kg-1·d-1（圖5a）。此外，該樣點A層和B層的Bio-PS全年均為負值且低于其他樣點（圖5b，圖5c），表明該樣點全年P的生物有效性均較低［11］。為保證S2樣點生物有效磷的充足供給，生態(tài)系統(tǒng)一方面通過MBP直接補償（表2）；另一方面，通過提高磷酸酶活性礦化土壤Po以補償有效磷庫（表2）。在生態(tài)系統(tǒng)補償機制下S2樣點O層中的生物有效磷輸入量（巖石風化、Po礦化和礦物解吸等）基本等于其消耗量（生物吸收、礦物吸附和隨徑流流失等）［14］。

相較于有機質層，礦質土層Bio-PS季節(jié)變化的梯度差異較小，各樣點A層和B層Bio-PS均在8月最小且為負值（圖5b，圖5c）。此時，貢嘎山東坡氣溫最高且降雨量最大（分別為12℃和310 mm）［15］，處于旺盛生長期的生物對生物有效磷的大量吸收及強降雨導致生物有效磷的大量流失可能是造成此時礦質土壤生物有效磷含量較低的主要原因。

4 結 論

隨海拔升高，貢嘎山東坡亞高山土壤生物有效磷含量有增大趨勢，形成這一梯度特征的主要原因是低海拔地區(qū)生物有效磷隨徑流大量流失。9月是有機質層P的生物有效性最高的月份，8月是礦質土壤P的生物有效性最低的月份，生物吸收及隨徑流流失是控制生物有效磷季節(jié)變化的主要因素。