桉樹(shù)人工林土壤團(tuán)聚體無(wú)機(jī)磷組分對(duì)林齡的響應(yīng)

彭良富，潘明華，陳 林，蒙龍傳，秦安明，張 喆

(1.廣西壯族自治區(qū)國(guó)有大桂山林場(chǎng)，廣西 賀州 542899；2.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

磷素是植物生長(zhǎng)不可或缺的營(yíng)養(yǎng)元素，參與植物不同生長(zhǎng)階段的生理生化過(guò)程[1]。植物生長(zhǎng)所需磷素主要由土壤供應(yīng)，依據(jù)化學(xué)形態(tài)特征土壤磷素可分為無(wú)機(jī)磷和有機(jī)磷2種形態(tài)[2]。一些研究表明，只有部分溶于土壤溶液的無(wú)機(jī)磷能被植物直接吸收[3]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，部分能溶于水的有機(jī)磷也能直接被植物同化利用[4]。在一些以酸性紅壤為主的亞熱帶地區(qū)，土壤中富含的鐵鋁氧化物會(huì)強(qiáng)烈固定吸附土壤磷素，從而進(jìn)一步加重亞熱帶紅壤生態(tài)系統(tǒng)的有效磷虧缺[5]。目前，關(guān)于磷素在植物-土壤系統(tǒng)中循環(huán)的研究主要集中在全磷和有效磷方面，而不同磷組分(尤其是無(wú)機(jī)磷組分)卻鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，研究亞熱帶地區(qū)紅壤中不同無(wú)機(jī)磷組分的分布和轉(zhuǎn)化規(guī)律，有助于提高土壤磷素的高效利用，從而實(shí)現(xiàn)土壤磷素的可持續(xù)循環(huán)。

土壤團(tuán)聚體作為土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其穩(wěn)定性能夠反映土壤結(jié)構(gòu)變化、土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤固碳及抗蝕能力[6]。土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性越高，土壤抵抗地表侵蝕的能力越強(qiáng)，從而有利于減少水土流失、提升土壤質(zhì)量[7]。根據(jù)形成機(jī)制與膠結(jié)物質(zhì)的不同，土壤團(tuán)聚體可以劃分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和微團(tuán)聚體(<0.25 mm)[8]。各粒徑團(tuán)聚體在磷素吸附、保持和供應(yīng)能力等方面存在明顯差異，同時(shí)團(tuán)聚體組成比例也會(huì)影響土壤磷素水平的高低[9]。因此，研究土壤無(wú)機(jī)磷組分在團(tuán)聚體尺度下的微觀表征，對(duì)促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)磷素循環(huán)和提升其有效性具有重要意義。

桉樹(shù)(Eucalyptus)作為我國(guó)特有的亞熱帶速生豐產(chǎn)樹(shù)種，具有易繁殖、高產(chǎn)高質(zhì)、生長(zhǎng)周期短等特點(diǎn)[10]。作為廣西三大主要造林樹(shù)種之一，桉樹(shù)人工林在區(qū)域生態(tài)及經(jīng)濟(jì)效益方面起著重要作用。截至2020年底，廣西桉樹(shù)人工林面積約為200萬(wàn)hm2，居全國(guó)首位。20世紀(jì)50年代起，大桂山林場(chǎng)憑借地理優(yōu)勢(shì)逐漸開(kāi)展了桉樹(shù)人工林培育。然而，以追求生產(chǎn)力為目標(biāo)的多年純林連栽，造成了諸如林分結(jié)構(gòu)單一、地力衰退和土壤養(yǎng)分循環(huán)失調(diào)等嚴(yán)重的生態(tài)問(wèn)題，從而導(dǎo)致了桉樹(shù)人工林生產(chǎn)力下降。鑒于此，本研究以不同林齡桉樹(shù)人工林表層土壤(0～20 cm)為研究對(duì)象，立足于土壤團(tuán)聚體角度，探討不同形態(tài)土壤無(wú)機(jī)磷組分隨林齡的演變規(guī)律，以期為提升桉樹(shù)人工林土壤磷素利用效率及其生產(chǎn)力提供理論依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域

研究區(qū)域位于廣西國(guó)有大桂山林場(chǎng)，地理位置東經(jīng)111°20′5″～111°54′39″，北緯23°58′33″～24°14′25″。屬亞熱帶季風(fēng)氣候，干濕季節(jié)分明，年均氣溫19.3 ℃，年均日照1700 h，年均降水量2056 mm，降雨集中在4～10月份。地貌類型以低山丘陵為主，土壤類型主要為紅壤，成土母巖以寒武系的砂巖為主。研究區(qū)域森林植被主要包括桉樹(shù)、米老排、火力楠等。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在野外詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇由撂荒地(撂荒時(shí)間約為5年，主要地被物種包括芒萁、芒和山菅蘭等)造林而來(lái)的桉樹(shù)(巨尾桉，Eucalyptusgrandis×urophylla)人工林土壤為研究對(duì)象。造林密度約1667株/hm2，株行距2 m×3 m。人工整地挖坎種植，坎規(guī)格30 cm×30 cm×30 cm。種植前每穴施0.5 kg復(fù)合肥(N∶P∶K = 15∶8∶7)作為基肥，造林后每年追肥1次，每次施0.5 kg復(fù)合肥(N∶P∶K = 16∶6∶8)作為追肥。

在營(yíng)林措施、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母質(zhì)等立地條件基本一致或相近的不同林齡(1年生、2年生和4年生)桉樹(shù)人工林中，各隨機(jī)設(shè)置3個(gè)面積約為30 m×30 m的樣方。同時(shí)，在鄰近的撂荒地中，也隨機(jī)設(shè)置3個(gè)面積約為30 m×30 m的樣方作為對(duì)照(CK)。試驗(yàn)共計(jì)12個(gè)樣方(4個(gè)處理×3個(gè)重復(fù))，相鄰樣方間距離大于300 m，樣方與林分邊緣距離大于100 m，林分與林分間距離大于1000 m。

2.3 樣品采集

在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤表層收集1 m×1 m的凋落物樣品，然后混合均勻，共計(jì)12個(gè)混合凋落物樣品。在每個(gè)采樣點(diǎn)的0～20 cm土層采集原狀土樣，然后混合均勻，共計(jì)12個(gè)混合土壤樣品。將凋落物樣品和土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，凋落物樣品在105 ℃條件下烘干至恒重，測(cè)定其生物量(表1)；土壤樣品沿自然紋理輕輕掰開(kāi)，過(guò)5 mm篩去除小石塊和動(dòng)植物殘?bào)w，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干。土壤樣品一部分用于測(cè)定全土理化性質(zhì)(表1)，另一部分用于土壤團(tuán)聚體分級(jí)。

表1 不同林齡桉樹(shù)人工林凋落物及土壤理化性質(zhì)

2.4 團(tuán)聚體分級(jí)

通過(guò)濕篩法[11]采用孔徑依次為2 mm、1 mm和0.25 mm的篩網(wǎng)對(duì)500 g風(fēng)干土樣進(jìn)行了篩分。設(shè)置震動(dòng)頻率、振幅、時(shí)間恒定，通過(guò)自動(dòng)篩分儀將土樣分為>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm共4個(gè)粒徑團(tuán)聚體(表2)，然后用于測(cè)定不同粒徑土壤團(tuán)聚體中無(wú)機(jī)磷組分含量。

表2 不同林齡桉樹(shù)人工林土壤團(tuán)聚體組成特征 %

2.5 指標(biāo)測(cè)定

土壤pH值采用電位法測(cè)定，土壤容重采用環(huán)刀法測(cè)定，土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定。土壤無(wú)機(jī)磷分級(jí)采用Zhang等[12]的方法：

(1)磷酸鋁鹽(Al-P)采用0.5 mol/L，pH=8.2的氟化銨浸提。

(2)磷酸鐵鹽(Fe-P)采用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液浸提。

(3)閉蓄態(tài)磷(O-P)采用0.3 mol/L檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉溶液浸提。

(4)磷酸鈣鹽(Ca-P)采用0 .25 mol/L硫酸溶液浸提。

2.6 數(shù)據(jù)處理

土壤磷儲(chǔ)量(SPS，gm)的計(jì)算公式[13]如下：

SPS=∑(Wi×Pi)×ρ×H×10

(1)

式(1)中：Pi為第i粒徑團(tuán)聚體磷含量(g/kg)，ρ為土壤容重(g/cm3)，H為土層厚度(cm)。

各粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤磷儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率(CR，%)計(jì)算公式[13]如下：

(2)

式(2)中：SPSi為第i粒徑團(tuán)聚體磷儲(chǔ)量(g/m2)，SPS為全土磷儲(chǔ)量(g/m2)。

統(tǒng)計(jì)分析利用SPSS 21.0軟件進(jìn)行，不同處理之間多重比較及其顯著性水平(P<0.05)通過(guò)最小顯著性差異法進(jìn)行檢驗(yàn)，圖表采用Microsoft Office 4.3軟件制作。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

3 結(jié)果與分析

3.1 土壤團(tuán)聚體無(wú)機(jī)磷含量分布特征

3.1.1 總無(wú)機(jī)磷含量

不同林齡桉樹(shù)人工林土壤總無(wú)機(jī)磷含量在各粒徑團(tuán)聚體中差異不顯著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中分別為105.15、106.91、106.11和100.67 mg/kg(表3)。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土和各粒徑團(tuán)聚體中總無(wú)機(jī)磷含量均較高，且達(dá)顯著水平。隨著林齡的增長(zhǎng)，土壤磷含量先增后減，在2 a時(shí)最高。

表3 不同林齡桉樹(shù)人工林土壤團(tuán)聚體總無(wú)機(jī)磷含量分布特征 mg/kg

3.1.2 無(wú)機(jī)磷組分含量

不同林齡桉樹(shù)人工林土壤Al-P含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中分別為13.47、11.25、13.89和12.95 mg/kg(表4)。其中0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體中土壤Al-P含量最高。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土和各粒徑團(tuán)聚體中Al-P含量均較高，且達(dá)顯著水平。隨著林齡的增長(zhǎng)，土壤Al-P含量先增后減再增，在1 a時(shí)最高。

不同林齡桉樹(shù)人工林土壤Fe-P含量在各粒徑團(tuán)聚體中差異不顯著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中分別為44.30、47.19、49.22和42.53 mg/kg(表4)。除1 a桉樹(shù)人工林土壤<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體Fe-P含量低于CK，其余不同林齡桉樹(shù)人工林土壤各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)Fe-P含量均高于CK。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土Fe-P含量均較高，隨著林齡的增長(zhǎng)先增后減，在2a時(shí)最高。

不同林齡桉樹(shù)人工林土壤O-P含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中分別為41.55、42.26、33.27和38.59 mg/kg(表4)。其中>1 mm粒徑團(tuán)聚體中土壤O-P含量最高。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土和各粒徑團(tuán)聚體中O-P含量均較高，且達(dá)顯著水平。隨著林齡的增長(zhǎng)，土壤O-P含量先增后減，在1 a時(shí)最高。

不同林齡桉樹(shù)人工林土壤Ca-P含量在各粒徑團(tuán)聚體中差異不顯著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中分別為8.06、8.41、9.00和7.61 mg/kg(表4)。除2 a桉樹(shù)人工林土壤>2 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體Ca-P含量低于CK，其余不同林齡桉樹(shù)人工林土壤各粒徑團(tuán)聚體內(nèi)Ca-P含量均高于CK。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土Ca-P含量均較高，隨著林齡的增長(zhǎng)先增后減再增，在4 a時(shí)最高。

表4 不同林齡桉樹(shù)人工林土壤團(tuán)聚體無(wú)機(jī)磷組分含量分布特征 mg/kg

3.2 土壤團(tuán)聚體無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量分布特征

3.2.1 總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量

在不同林齡桉樹(shù)人工林中，土壤總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量在各粒徑團(tuán)聚體中分布順序均表現(xiàn)為：>2 mm最大，<0.25 mm次之，1～2 mm較小，0.25～1 mm最小(表5)，這與不同粒徑團(tuán)聚體含量的分布規(guī)律一致。>2 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率最高，為41.3%～55.0%；其次是<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體，貢獻(xiàn)率為23.8%～38.0%；而1～2 mm和0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率較低，分別為14.4%～17.9%和4.7%～7.9%。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量均較高，且達(dá)顯著水平。隨著林齡的增長(zhǎng)，土壤總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量先增后減，在2 a時(shí)最高。

表5 不同林齡桉樹(shù)人工林土壤團(tuán)聚體總無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量分布特征 g/m2

3.2.2 無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量

在不同林齡桉樹(shù)人工林中，土壤無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量在各粒徑團(tuán)聚體中分布順序均表現(xiàn)為：>2 mm最大，<0.25 mm次之，1～2 mm較小，0.25～1 mm最小。(表6)，這與不同粒徑團(tuán)聚體含量的分布規(guī)律一致>2 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率最高，為31.4%～62.5%；其次是<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體，貢獻(xiàn)率為8.9%～40.5%；而1～2 mm和0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量的貢獻(xiàn)率較低，分別為10.2%～20.9%和3.7%～8.8%。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林全土無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量均較高，且達(dá)顯著水平。隨著林齡的增長(zhǎng)，土壤各無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量的變化規(guī)律與其相應(yīng)無(wú)機(jī)磷組分含量的變化規(guī)律一致。

表6 不同林齡桉樹(shù)人工林土壤團(tuán)聚體無(wú)機(jī)磷組分儲(chǔ)量分布特征 g/m2

4 討論

在本研究中，不同林齡桉樹(shù)人工林土壤總無(wú)機(jī)磷含量在各粒徑團(tuán)聚體中分布較均勻，這可能與土壤團(tuán)聚體中鐵鋁氧化物含量分布有關(guān)[14]。鐵鋁氧化物在酸性土壤中可通過(guò)以下過(guò)程將磷固定在土壤磷庫(kù)中[15]：一是游離態(tài)鐵鋁氧化物表面形成的離子與氫基發(fā)生配位體交換，從而產(chǎn)生吸附作用；二是通過(guò)形成難溶性的磷酸鐵與磷酸鋁將磷固定下來(lái)。有研究表明:大團(tuán)聚體具有更強(qiáng)的物理保護(hù)能力，其攜帶的磷素相對(duì)于小團(tuán)聚體中的磷素更不易流失，這也意味著小團(tuán)聚體中的磷素活性更高[16]。因此，在土壤磷素水平總體較低的情況下，迅速生長(zhǎng)的桉樹(shù)人工林消耗了小團(tuán)聚體中大量的無(wú)機(jī)磷，使得大團(tuán)聚體及小團(tuán)聚體中無(wú)機(jī)磷含量分布較均勻。這與Cui等[17]和Teng等[18]關(guān)于濕地土壤團(tuán)聚體中磷素分布的研究結(jié)果一致。

在桉樹(shù)人工林中，土壤無(wú)機(jī)磷組分含量表現(xiàn)為Fe-P>O-P>Al-P>Ca-P。該研究結(jié)果與Li等[19]和Wu等[20]的研究結(jié)果一致。酸性紅壤含有大量的次生礦物(如高嶺石和鐵礦石等)，這些次生礦物可以強(qiáng)烈固定土壤磷素，造成土壤中Fe-P含量較高。不同林齡桉樹(shù)人工林土壤各無(wú)機(jī)磷組分含量在各粒徑團(tuán)聚體土中的分布情況也存在差異。Al-P含量在1～2 mm粒徑團(tuán)聚體中較高，O-P含量在>1 mm粒徑團(tuán)聚體中較高，F(xiàn)e-P和Ca-P含量在各粒徑團(tuán)聚體中無(wú)顯著差異。吳雯等[3]的研究表明，Al-P的含量與土壤活性鋁含量有關(guān)，而小團(tuán)聚體由于其較大的比表面積對(duì)Al離子有更強(qiáng)的吸附作用，通常會(huì)使得小團(tuán)聚體中Al-P含量更高。這與我們的研究結(jié)果并不一致，造成研究結(jié)果差異的原因可能與活性鋁離子在不同粒徑團(tuán)聚體中的分布狀況有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，土壤有效磷的來(lái)源主要是無(wú)機(jī)磷中較為活躍的Al-P和Fe-P。魯如坤[21]對(duì)酸性紅壤水稻土的研究也表明Fe-P是土壤有效磷的主要供應(yīng)來(lái)源，這與本研究的結(jié)果一致。小團(tuán)聚體中活性較高的Fe-P作為有效磷的主要來(lái)源在桉樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中為其提供所需的土壤磷素，使得小團(tuán)聚體中的Fe-P含量下降，從而造成各粒徑團(tuán)聚體間Fe-P含量分布較均勻。作為一種難溶性磷，小粒徑團(tuán)聚體中的O-P活性更高，被先礦化分解出來(lái)，導(dǎo)致>1 mm粒徑中O-P的含量更高，這一過(guò)程與Fe-P的變化過(guò)程類似。Ca-P作為一種穩(wěn)定的沉積態(tài)磷，其含量主要與土壤成土母質(zhì)及風(fēng)化程度有關(guān)[22]。

與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林各粒徑團(tuán)聚體及全土中無(wú)機(jī)磷及相關(guān)磷組分含量均較高，且達(dá)顯著水平，說(shuō)明林齡會(huì)顯著影響土壤無(wú)機(jī)磷及其磷組分含量。林齡2 a之前，土壤總無(wú)機(jī)磷和Al-P、Fe-P和O-P含量均在1 a或2 a時(shí)達(dá)到最高，這可能與土壤凋落物的分解及養(yǎng)分的輸入有關(guān)[23]。值得注意的是，林齡2 a以后，土壤Al-P和Ca-P含量再次增長(zhǎng)。在本研究中，Al-P和Ca-P均為有效性較低的土壤磷素形態(tài)，說(shuō)明林齡2 a以后土壤磷素的確存在有效磷轉(zhuǎn)化程度困難的情況。林齡2 a以后O-P含量顯著降低，這可能與土壤pH值的下降有關(guān)[24]。土壤酸化導(dǎo)致O-P外包被的鐵鋁膠膜逐漸溶解，O-P礦化釋放出磷酸根離子并向其他形態(tài)磷素轉(zhuǎn)化。

根據(jù)各形態(tài)土壤無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率的變化情況，不同林齡桉樹(shù)人工林各形態(tài)土壤無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量的主要來(lái)源均為>2 mm粒徑團(tuán)聚體，其次是<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體。這與土壤團(tuán)聚體組成比例分布情況高度一致。與CK相比較，不同林齡桉樹(shù)人工林土壤無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量均較高，表明桉樹(shù)的種植能夠提升土壤磷素的積累。

5 結(jié)論

在本研究中，桉樹(shù)人工林土壤Al-P含量在0.25～1 mm粒徑團(tuán)聚體中較高，O-P含量在>2 mm和1～2 mm粒徑團(tuán)聚體中較高，F(xiàn)e-P和Ca-P含量在各粒徑團(tuán)聚體中無(wú)顯著差異。不同林齡桉樹(shù)人工林土壤無(wú)機(jī)磷組分含量均顯著高于CK，土壤Al-P和O-P含量在1 a時(shí)最高，F(xiàn)e-P含量在2 a時(shí)最高，Ca-P含量在4 a時(shí)最高。不同粒徑土壤團(tuán)聚體無(wú)機(jī)磷儲(chǔ)量與土壤團(tuán)聚體組成比例顯著相關(guān)，CK和不同林齡桉樹(shù)人工林土壤無(wú)機(jī)磷組分的儲(chǔ)量均在>2 mm粒徑團(tuán)聚體中最高。因此，在桉樹(shù)人工林培育過(guò)程中，應(yīng)重視土壤>2 mm粒徑團(tuán)聚體的保護(hù)，以維持土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定和土壤無(wú)機(jī)磷的儲(chǔ)存。