外源磷在2種母質(zhì)發(fā)育米櫧林土壤中的分配及影響因素

夏允，肖華翠，王全成，楊柳明*

(福建師范大學(xué) a.地理科學(xué)學(xué)院,b.地理研究所，c.濕潤(rùn)亞熱帶山地生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地,福州 350007)

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素之一，以多種形式參與植物有機(jī)體的生命代謝過程，在植物生產(chǎn)力的維持和生態(tài)系統(tǒng)平衡中起著重要作用[1]。土壤作為植物獲取磷的關(guān)鍵來源，其豐缺及供給狀況直接影響著植物的生產(chǎn)力水平，據(jù)統(tǒng)計(jì)全球1/3的土壤受磷素養(yǎng)分限制[2]。施磷肥是提高土壤速效磷，以滿足磷養(yǎng)分需求的重要途徑。然而，長(zhǎng)期施用磷肥可能導(dǎo)致土壤磷積累大于植物最佳生長(zhǎng)所需，增加了磷流失到地表水源的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化[3]。因此，關(guān)注磷肥在土壤中的轉(zhuǎn)化過程，對(duì)于合理施肥和促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

磷在土壤中的遷移和轉(zhuǎn)化受生物地球化學(xué)過程所調(diào)控[4]。由于土壤對(duì)磷的吸附-解吸和沉淀-溶解等物理化學(xué)作用，使磷肥進(jìn)入土壤后大多被鐵鋁氧化物和有機(jī)質(zhì)吸附和固定，限制磷肥效率[5]。土壤對(duì)磷的吸附和固定強(qiáng)度主要受土壤鐵鋁氧化物形態(tài)、pH、有機(jī)質(zhì)含量以及土壤黏粒的影響[6]。土壤對(duì)磷的化學(xué)固定能力與鐵鋁氧化物和黏粒含量呈正相關(guān)關(guān)系，與pH呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而土壤有機(jī)質(zhì)對(duì)磷吸附解析影響則存在不確定性[7-8]。微生物在土壤磷轉(zhuǎn)化中亦扮演重要角色，微生物在周轉(zhuǎn)過程中會(huì)吸收或者釋放磷，并且能夠分泌有機(jī)酸和磷酸酶促進(jìn)無機(jī)磷溶解和有機(jī)磷礦化[9]。微生物對(duì)磷的固定和釋放取決于土壤C/P，當(dāng)C/P大于300表現(xiàn)為凈固定，當(dāng)C/P小于200時(shí)，表現(xiàn)為凈礦化[10]?？梢?，外源磷在土壤中轉(zhuǎn)化是生物因素和化學(xué)因素共同作用的結(jié)果，探究影響磷在土壤中轉(zhuǎn)換的主要環(huán)境因素，是指導(dǎo)合理施肥的理論依據(jù)。

近20年來，由Hedley等[11]人建立的基于不同化學(xué)強(qiáng)度提取劑的磷素分級(jí)方法已經(jīng)被廣泛用于定性和定量量化磷肥施加后土壤中不同生物有效性磷變化情況。磷肥施加對(duì)土壤不同磷組分的影響已有大量的研究，大部分研究認(rèn)為施磷肥增加土壤活性無機(jī)磷和有機(jī)磷[12-14]，與此同時(shí)亦導(dǎo)致中等穩(wěn)定態(tài)磷和殘余態(tài)磷的大量富集，并且與磷肥施加速率相關(guān)，但也有研究表明施磷肥對(duì)土壤有機(jī)磷的影響不顯著[15-16]?？梢娏追试谕寥乐械霓D(zhuǎn)化存在不確定性，是多種因素綜合作用的結(jié)果，并且施肥作業(yè)主要集中于農(nóng)業(yè)土壤。關(guān)于磷肥在山地、森林土壤的轉(zhuǎn)化特征的研究則鮮見報(bào)道，且大量施肥已經(jīng)改變了農(nóng)業(yè)土壤的理化性質(zhì)，在農(nóng)業(yè)土壤中研究土壤磷轉(zhuǎn)化特征，無法準(zhǔn)確刻畫影響磷在土壤中轉(zhuǎn)化的本質(zhì)。因此，選擇未施肥森林土壤有助于更好地厘清影響外源磷在不同土壤磷組分中轉(zhuǎn)化的環(huán)境因素。

表 1 不同母質(zhì)森林土壤的理化特征

以中亞熱帶典型砂巖和花崗巖發(fā)育的米櫧林土壤為研究對(duì)象，采用添加磷酸鹽進(jìn)行室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，通過Hedley分級(jí)方法[11]提取不同形態(tài)的磷，旨在分析外源磷肥在不同母質(zhì)土壤中轉(zhuǎn)化特征及其影響因素，以期為亞熱帶山地土壤合理施肥提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 供試土壤采集

采自福建三明市陳大鎮(zhèn)國(guó)有采育場(chǎng)(117°36′E、26°19′N)和格氏栲自然保護(hù)區(qū)(117°28′E、26°11′N)的兩種土壤，分別為砂巖發(fā)育的米櫧林黃紅壤和花崗巖發(fā)育的米櫧林黃紅壤。在20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方內(nèi)進(jìn)行土壤樣品采集，每個(gè)樣方內(nèi)按“S”型隨機(jī)采集土樣，用土鉆(直徑為2 cm)鉆取15～20個(gè)點(diǎn)深度為0～10 cm土層土壤，然后將每個(gè)樣方土混勻后放入裝有保鮮冰袋的保溫箱內(nèi)迅速帶回實(shí)驗(yàn)室。過2 mm篩剔除土壤中的根系、碎石和其他雜質(zhì)，將土樣分為兩部分，一部分置于4℃冰箱低溫儲(chǔ)存，用于磷轉(zhuǎn)化培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)；另一部分自然風(fēng)干，用于測(cè)定和分析土壤其他基本理化性質(zhì)。

1.2 室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)置

稱50 g過2 mm篩的新鮮土樣于500 mL培養(yǎng)瓶中，設(shè)置對(duì)照(0 g·kg-1)和施磷(0.1 g·kg-1)兩種處理，將NaH2PO4溶液加入施磷處理培養(yǎng)瓶中，對(duì)照加入等量去離子水，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，并將土壤水分調(diào)至田間持水量的60%，且在培養(yǎng)瓶蓋上開幾個(gè)小孔以保持有氧條件，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，定期補(bǔ)充土壤損失的水分(3～5天)，保證土壤水分流失率小于2%，在培養(yǎng)120天后采集樣品。

1.3 土壤基本理化性質(zhì)測(cè)定

土壤pH通過PHS-3B型pH酸度計(jì)(STARTER 300，OHAUS，美國(guó))進(jìn)行測(cè)定，水土比為2.5∶1；SOC和TN采用碳氮元素分析儀測(cè)定(Elementar Vario EL III，Elementar，德國(guó))；土壤中鐵鋁氧化物的測(cè)定參考魯如坤的研究方法[17]60-71提取，分別采用草酸銨溶液浸提無定型鐵鋁，焦磷酸鈉溶液(pH=10)浸提絡(luò)合態(tài)鐵鋁，檸檬酸鈉、碳酸氫鈉和連二亞硫酸鈉浸提游離態(tài)鐵鋁，使用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀(ICP-OES，Perkins Elmer，Waltham，MA，美國(guó))測(cè)定3種浸提液中的鐵鋁濃度；土壤質(zhì)地采用激光粒度儀(MasterSizer 2000，Malvern，英國(guó))測(cè)定；陽離子交換量采用醋酸銨交換法[17]22-24測(cè)定；土壤酶活性參照Saiya-Cork和Sinsabaugh[18]的方法，用4-甲基傘形酮磷酸脂(4-MUB-phosphate)作為標(biāo)示底物來測(cè)定土壤酸性磷酸酶活性，使用多功能酶標(biāo)儀(Spectra Max M5，美國(guó))測(cè)定；微生物生物量磷采用氯仿熏蒸法提取[19]，稱取3份5 g過2 mm篩的鮮土，分別用于熏蒸、未熏蒸和加標(biāo)液處理，按照水土比4∶1，用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提，采用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定(San++，Skalar，Breda，Netherlands)。

1.4 土壤磷素分級(jí)

土壤磷組分采用Carter等[20]改進(jìn)后的Hedley磷分級(jí)方法[11]，具體方法如下：即稱取1 g冷凍干燥后的土壤于離心管中，依次逐步加入3 cm×2 cm陰離子交換樹脂膜、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH逐級(jí)提取出穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的有機(jī)及無機(jī)磷組分。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用單因素方差分析(ANOVA)對(duì)不同處理下各形態(tài)磷的含量進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(Tukey，α= 0.05)，分析磷添加前后土壤不同磷組分的變化量與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性，并進(jìn)行冗余分析(RDA)。數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤理化性質(zhì)

2.2 磷酸鹽添加后土壤無機(jī)磷組分變化特征

磷添加顯著增加土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi的含量，并且砂巖發(fā)育土壤Resin-Pi和NaOH-Pi增加量大于花崗巖發(fā)育土壤(圖1)。其中，施磷后砂巖發(fā)育米櫧林土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi分別增加26.85、11.25、33.45 mg·kg-1，而施磷后花崗巖發(fā)育米櫧林土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi分別增加了24.08、14.10、28.35 mg·kg-1。

注：Resin-Pi：樹脂磷；NaHCO3-Pi：碳酸氫鈉-無機(jī)磷；NaOH-Pi：氫氧化鈉無機(jī)磷。不同大寫字母表示施磷和對(duì)照之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同母質(zhì)類型間差異顯著(P<0.05)。下同。

圖 2 施磷后不同母質(zhì)森林土壤有機(jī)磷組分的含量

2.3 磷酸鹽添加后有機(jī)磷組分的變化特征

磷添加顯著影響土壤有機(jī)磷組分，且因母質(zhì)類型的不同，磷添加對(duì)有機(jī)磷的影響也不同(圖2)。磷添加后砂巖發(fā)育米櫧林土壤NaOH-Po含量增加，增幅為12.08%；而磷添加后花崗巖發(fā)育米櫧林土壤NaHCO3-Po、NaOH-Po含量分別降低，降幅分別為20.18%和15.88%。

圖 3 施磷后不同母質(zhì)土壤酸性磷酸酶和微生物量磷含量

2.4 磷酸鹽添加對(duì)土壤微生物生物量磷和酸性磷酸酶活性的影響

磷添加顯著影響不同母質(zhì)米櫧林土壤酸性磷酸酶活性和土壤微生物生物量(圖3)。施磷顯著降低砂巖和花崗巖酸性磷酸酶活性，降幅為45.80%、39.87%；而磷添加顯著增加兩種母質(zhì)土壤微生物生物量磷含量，增幅為328.40%、279.45%。其中，砂巖發(fā)育的土壤酸性磷酸酶活性低于花崗巖發(fā)育的土壤，而砂巖發(fā)育的土壤的微生物生物量磷較高。

注：○表示砂巖樣地；△表示花崗巖樣地。δResin-Pi：樹脂磷變化量；δNaHCO3-Pi：碳酸氫鈉-無機(jī)磷變化量；δNaHCO3-Po：碳酸氫鈉-有機(jī)磷變化量；δNaOH-Pi：氫氧化鈉無機(jī)磷變化量；δNaOH-Po：氫氧化鈉有機(jī)磷變化量；C/N：土壤碳氮比；Fed/Ald：游離態(tài)鐵鋁；Feo/Alo：無定型態(tài)鐵鋁；Fep/Alp：絡(luò)合態(tài)鐵鋁；CEC：陽離子交換量；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：黏粒。

2.5 土壤磷組分變化量與環(huán)境因子的相關(guān)性

以土壤不同磷組分變化量為響應(yīng)變量，以土壤理化性質(zhì)作為解釋變量進(jìn)行冗余分析(RDA)，結(jié)果如圖4所示，環(huán)境因子解釋了土壤磷組分變化的95.97%。第一軸解釋了磷組分變異的88.14%，第二軸解釋了磷組分變異的7.83%。土壤不同形態(tài)鐵鋁氧化物、土壤質(zhì)地、陽離子交換量等指標(biāo)的變化可以明顯區(qū)分砂巖和花崗巖發(fā)育土壤磷組分變化，其中游離態(tài)鐵、陽離子交換量以及黏粒含量分別解釋磷組分變化量的86.2%、7.5%和5.1%。此外，土壤碳氮比、土壤有機(jī)碳、鐵鋁氧化物、黏粒、陽離子交換量與NaHCO3-Pi變化量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與Resin-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、NaOH-Pi組分變化量呈正相關(guān)關(guān)系；并且游離態(tài)和絡(luò)合態(tài)鐵鋁與Resin-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、NaOH-Pi組分變化量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

3.1 外源磷在土壤無機(jī)磷組分中的分配特征及影響因素

外源磷在土壤不同無機(jī)磷組分中的分配特征決定了磷肥的效益。經(jīng)過120天的室內(nèi)培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)母質(zhì)顯著影響外源磷在不同無機(jī)磷組分中的分配，其中砂巖發(fā)育土壤樹脂和NaOH可提取的無機(jī)磷的增加量大于花崗巖發(fā)育土壤，這與肖華翠等[21]研究結(jié)果相似，他們發(fā)現(xiàn)砂巖發(fā)育土壤活性無機(jī)磷組分和中等活性無機(jī)磷組分均顯著高于花崗巖。這說明大部分的外源輸入土壤后可能被鐵鋁氧化物吸附固定，且外源磷酸鹽大部分轉(zhuǎn)化成土壤中等穩(wěn)定磷和難利用磷。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)大約60%～70%的外源磷分配至樹脂、NaHCO3以及NaOH浸提無機(jī)磷，并且其中樹脂和NaHCO3浸提無機(jī)磷占磷添加量的比例分別約為24.52%和12.68%。這與當(dāng)前一些外源磷添加實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果既有相似之處[22]，也有不同之處。例如，Kaila[23]發(fā)現(xiàn)添加難溶性過磷酸鈣后，約48%磷分配至鐵鋁結(jié)合態(tài)磷，而分配至水溶性磷比例不到4%，而另一項(xiàng)研究[24]也證實(shí)添加可溶性磷酸鹽后，約80%被鐵鋁結(jié)合態(tài)磷所固定。這也證明外源磷添加后可能被土壤中鐵鋁氧化物吸附固定導(dǎo)致無機(jī)磷含量較低?？梢姡庠戳自谕寥罒o機(jī)磷庫中的轉(zhuǎn)化特征不僅與土壤物理化學(xué)性質(zhì)相關(guān)，還受磷肥種類的影響。

已有研究表明，外源磷在土壤無機(jī)磷組分中的轉(zhuǎn)化受土壤pH、鐵鋁氧化物形態(tài)、SOC以及土壤質(zhì)地等因素的影響[25]。本研究通過冗余分析發(fā)現(xiàn)土壤游離態(tài)鐵可以解釋土壤磷組分變化的86.2%，并且土壤無機(jī)磷組分(Resin-Pi和NaOH-Pi)的變化量與各形態(tài)的鐵鋁氧化物均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明鐵鋁氧化物的含量和組成是調(diào)控外源磷在土壤不同活性無機(jī)磷組分中分配的關(guān)鍵因素，可能是導(dǎo)致外源磷在砂巖和花崗巖土壤無機(jī)磷組分中分配差異的重要原因之一。鐵鋁氧化物是酸性紅壤中最常見和含量較高的活性礦物，也是土壤結(jié)構(gòu)的重要膠結(jié)物，影響土壤磷的吸附-解吸與沉淀等過程，進(jìn)而調(diào)控土壤磷的供應(yīng)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，鐵鋁氧化物通常通過以下兩種途徑調(diào)控磷酸鹽在土壤無機(jī)磷組分中的分配。其一,磷酸鹽進(jìn)入土壤后，與土壤溶液中鋁、鐵、鈣等高價(jià)陽離子反應(yīng)，形成難溶性的磷酸鹽[26]。其二,磷酸鹽通過配位鍵結(jié)合到鐵鋁氧化物，形成中等穩(wěn)定性無機(jī)磷組分(NaOH-Pi)[27]。其三,磷酸鹽通過靜電作用和陽離子橋等非鍵合的方式結(jié)合到土壤鐵鋁氧化物表面，形成樹脂可提取態(tài)的無機(jī)磷[28]。因此，外源磷在不同母質(zhì)土壤不同無機(jī)磷組分的分配比例變化可能取決于土壤鐵鋁氧化物形態(tài)、吸附位點(diǎn)和作用方式。

3.2 外源磷在土壤有機(jī)磷組分中的分配特征及影響因素

有機(jī)磷是土壤磷的重要組成部分，其礦化所釋放的磷酸鹽是維持土壤磷有效供應(yīng)的重要途徑，是土壤潛在的有效磷源。磷添加后土壤有機(jī)磷變化主要由于磷酸鹽添加改變了有機(jī)磷輸入和分解的凈平衡。從土壤有機(jī)磷來源分析，磷酸鹽添加可能將增加微生物源有機(jī)磷的含量。通常土壤有機(jī)磷輸入主要來自微生物和凋落物，在無凋落物輸入的情況下，微生物來源的有機(jī)磷是土壤有機(jī)磷主要來源，而本研究發(fā)現(xiàn)磷添加后土壤微生物量磷增加，說明了外源磷添加將增加微生物來源的有機(jī)磷的量。與此同時(shí)，從有機(jī)磷分解角度分析，本研究發(fā)現(xiàn)磷添加后土壤磷酸酶活性顯著降低，表明磷酸鹽添加可能抑制有機(jī)磷分解，增加土壤有機(jī)磷的累積。可見，有機(jī)磷輸入增加和分解降低可能是磷添加后砂巖土壤有機(jī)磷含量(NaHCO3-Po和NaOH-Po)增加的主要原因。與尹金來等研究結(jié)果相一致[29]，他們發(fā)現(xiàn)磷肥施入后，土壤中等活性和中穩(wěn)性的有機(jī)磷顯著增加。

然而，與砂巖發(fā)育土壤的結(jié)果不同，本研究發(fā)現(xiàn)，磷添加后花崗巖發(fā)育土壤不同活性有機(jī)磷組分的含量則顯著降低，與磷添加后土壤有機(jī)磷輸入增加和分解降低的推斷似乎存在矛盾之處，但是有機(jī)磷的分解除了與磷酸酶活性有關(guān)，還與土壤有機(jī)質(zhì)水平、催化底物的可接觸性以及微生物碳限制程度有關(guān)[9]。因此，推測(cè)導(dǎo)致砂巖和花崗巖土壤有機(jī)磷組分對(duì)磷添加響應(yīng)不一致的原因，可能與花崗巖發(fā)育土壤鐵鋁氧化物含量和有機(jī)碳含量低有關(guān)。一方面，磷添加可能加劇花崗巖發(fā)育土壤微生物碳限制，促進(jìn)有機(jī)磷分解，在碳限制加劇情況下，微生物可能通過利用有機(jī)磷為碳源，以緩解碳限制。另外一方面，相比砂巖發(fā)育土壤，低鐵鋁氧化物的花崗巖發(fā)育土壤對(duì)有機(jī)磷吸附較弱，導(dǎo)致微生物死亡釋放的有機(jī)磷底物有效性高，溶液被磷酸酶催化水解，進(jìn)而降低土壤活性有機(jī)磷的含量。

4 結(jié)論

關(guān)注磷酸鹽在不同母質(zhì)發(fā)育森林土壤中的轉(zhuǎn)化特征對(duì)于指導(dǎo)合理施肥具有重要作用。本研究發(fā)現(xiàn)磷添加后土壤砂巖和花崗巖發(fā)育土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi等不同活性無機(jī)磷組分顯著增加，其中轉(zhuǎn)化為活性磷(Resin-Pi、NaHCO3-Pi)的組分約為37.20%；而磷添加后土壤不同活性有機(jī)磷含量變化則因母質(zhì)不同而不同，其中砂巖發(fā)育土壤不同活性有機(jī)磷顯著增加，花崗巖發(fā)育土壤不同活性有機(jī)磷顯著降低；冗余分析和相關(guān)分析結(jié)果表明土壤鐵鋁氧化物、陽離子交換量以及土壤質(zhì)地是影響外源磷在不同磷組分轉(zhuǎn)化和分配的關(guān)鍵因素；以上結(jié)果說明對(duì)森林土壤施磷肥時(shí)，需綜合考慮土壤母質(zhì)、陽離子含量以及土壤質(zhì)地等因素，以確定最佳的施磷量，實(shí)現(xiàn)磷肥的最大效益。