土壤磷是植物生长发育必需的矿质营养元素,大部分的磷易被吸附固定而形成各种稳定的无机、有机态组分;由于这些组分的磷,必须经过长时间的分解释放才能满足植被的生长需求,所以导致了有效磷占磷素总量的比例很低[1]。因此,对不同形态土壤磷含量的测定,分析、了解土壤磷有效性的变化规律,已成为当前退化森林生态系统生态修复领域研究的热点[2]。

阔叶红松林是我国小兴安岭林区地带性的原始植被,由于历史上过度的人为干扰导致原始的阔叶红松林消耗殆尽。火烧和皆伐迹地经过植被自然恢复,形成了不同演替阶段的各种次生植被类型。已有研究发现,森林自然恢复过程中,植被类型的更替会对土壤物理结构、化学性质、生物特征等方面产生显著影响,从而导致磷在土壤中的循环过程产生较为明显的差异变化[3,4,5,6]。迄今,以往有关土壤磷有效性动态变化的研究,多集中在人工更新方面,而对于土壤各组分磷含量在植被自然恢复过程中的变化规律尚不明确。因此,本研究以小兴安岭阔叶红松林皆伐迹地上经植被自然恢复形成的毛榛子灌丛、软阔叶林、软硬阔混交林、硬阔叶林以及红松原始林为对象,采用空间代替时间的方法,研究不同形态磷质量分数的变化规律以及对磷库储量和有效性的影响,旨在为深入系统研究阔叶红松林区植被自然恢复过程中林地土壤磷有效性及动态变化提供参考。

1、研究区自然概况

研究地点位于黑龙江凉水国家级自然保护区(47°10′50″N,128°53′20″E),属典型温带大陆性季风气候,年均气温-0.3℃,有效积温2200～2600℃,无霜期100～120d;年均降水量676mm,年均蒸发量805.4mm,空气相对湿度78%。植被类型以红松原始林为主,逆行演替和进展演替共同作用的结果,形成了以山杨、白桦为主的软阔叶天然林,以水曲柳、胡桃楸、黄檗、紫椴、色木槭为主的硬阔叶天然林,以红松、落叶松、红皮云杉为建群种的人工林。地带性土壤类型为暗棕壤,隐域分布有草甸土、沼泽土等。

2、研究方法

2.1样地设置与土样采集

在研究区内,按照小兴安岭阔叶红松林皆伐迹地植被自然恢复过程中森林进展演替的次序,分别选择立地条件相近的毛榛子灌丛、软阔叶林、软硬阔混交林、硬阔叶林以及红松原始林(对照)作为试验地(见表1),每种植被类型布设3块20m×30m的样地;在每个样地内用5点法采集0～10cm土层的土壤样品,自然风干后过2mm土壤筛,用四分法制备混合样,用于土壤基本化学性质和不同形态磷质量分数的测定。

表1试验地林分特征及土壤化学性质

注:“红”为红松;“白”为白桦;“色”为色木槭;“水”为水曲柳;“枫”为枫桦;“榆”为春榆;“杨”为山杨;“黄”为黄檗;pH值为1∶2.5H2O水浸提测定结果。

2.2评价指标测定方法

采用Suietal.[7]改进的Hedley土壤磷分级法,称取0.5g过2mm筛的风干土样置于离心管中,逐级加入30mL的去离子水、0.5mol·L-1NaHCO3、0.1mol·L-1NaOH、1mol·L-1HCl,依次分别提取出土壤中稳定性由弱到强的各组分磷,即水溶性磷(H2O-Pi)、碳酸氢钠无机磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氢钠有机磷(NaHCO3-Po)、氢氧化钠无机磷(NaOH-Pi)、氢氧化钠有机磷(NaOH-Po)、酸溶性无机磷(HCl-Pi)、酸溶性有机磷(HCl-Po);最后的残留土壤样品,采用硫酸-高氯酸高温消解测定残留磷(Residual-P,简写为R-P)。各形态无机磷采用钼蓝比色法直接对浸提液进行测定;有机磷总质量分数,则需先采用硫酸-高氯酸消解钼蓝比色法测定各级浸提液的磷总质量分数,再减去相对应的无机磷总质量分数后求得。此外,土壤全磷采用硫酸-高氯酸消解钼蓝比色法测定;有效磷采用氟化铵-盐酸浸提法测定;土壤有机碳采用碳氮分析仪(TOC)测定;pH值采用水浸提(1∶2.5H2O)电位法测定。每个指标重复4次。

无机磷总质量分数、有机磷总质量分数、磷活化系数,分别采用如下公式计算[8]:无机磷(Pi)总质量分数w(Pi)=w(H2O-Pi)+w(NaHCO3-Pi)+w(NaOH-Pi)+w(HCl-Pi);有机磷(Po)总质量分数w(Po)=w(NaHCO3-Po)+w(NaOH-Po)+w(HCl-Po);磷活化系数=(土壤有效磷质量分数/全磷总质量分数)×100%。

2.3数据处理

采用Excel2003和SPSS19.0软件对数据进行统计分析;采用单因素进行方差分析和多重比较(α=0.05);对土壤各组分磷、全磷、有效磷等指标进行Pearson相关分析和通径分析。

3、结果与分析

3.1土壤全磷及有效磷质量分数的变化

测定结果表明,5种植被类型土壤,全磷总质量分数的变化范围为0.73～1.67g·kg-1、有效磷质量分数的变化范围为3.14～36.56mg·kg-1,但随植被自然恢复进程各次生植被类型之间及与对照之间的差异有所不同(见表2)。土壤全磷总质量分数,不同次生植被类型虽然均维持相对较高水平,但均显著低于地带性原始植被的参数值(P<0.05),且在植被恢复初期的软阔叶林阶段出现土壤全磷总质量分数显著降低的现象。虽然不同次生植被类型的土壤有效磷质量分数,低于原始植被的相应指标(P<0.05),但整体上呈现出随植被自然恢复进程而不断增加的趋势;毛榛子灌丛土壤有效磷质量分数与软阔叶林土壤有效磷质量分数间差异未达显著水平,说明在植被自然恢复初期土壤磷的有效性变化并不明显。

当土壤磷活化系数小于2%时,说明土壤全磷转化为有效性磷的能力较差[9]。由表2可见,各植被类型的土壤磷活化系数变化范围为0.36%～2.19%,仅红松原始林土壤磷活化系数高于2%,说明小兴安岭地区阔叶红松林皆伐迹地植被自然恢复各阶段,主要次生植被土壤有效磷的转化能力,远远没有达到原始林的水平。

表2不同植被类型的土壤全磷及有效磷质量分数测定结果

注:表中数据为“平均值±标准差”;数据后,同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2土壤各组分磷质量分数的变化

水溶性磷是土壤各组分磷中活性最高的磷源[10]。测定结果表明,各植被类型土壤水溶性磷质量分数为7.25～31.68mg·kg-1,仅占磷素总质量分数的0.82%～2.17%;其中,毛榛子灌丛和软阔叶林的土壤水溶性磷质量分数间无显著差异,其余植被类型土壤水溶性磷质量分数的变化呈现出随植被自然恢复的进程而逐渐增加的趋势(见表3)。碳酸氢钠无机磷的活性仅次于水溶性磷的活性,各植被类型土壤碳酸氢钠无机磷的质量分数为31.81～107.17mg·kg-1,以红松原始林的质量分数最大、软阔叶林的质量分数最小,且随植被自然恢复进程呈现出先减少后增加的趋势。与碳酸氢钠无机磷相比,碳酸氢钠有机磷的质量分数较高,占碳酸氢钠磷总质量分数的60.93%～75.70%,在植被自然恢复各阶段该组分磷质量分数变化不明显,除与红松原始林对照间的该组分磷质量分数差异显著(P<0.05)外,不同次生植被类型间该组分磷质量分数的差异均未达显著水平。氢氧化钠磷的总质量分数占磷素总质量分数的40.64%～53.81%,是各植被类型土壤磷的主要磷源。其中,氢氧化钠无机磷的、氢氧化钠有机磷的质量分数,分别为50.24～189.39、239.81～613.09mg·kg-1;有机磷部分占该组分的比例较大,其质量分数随植被自然恢复进程的变化趋势与碳酸氢钠无机磷的变化相似。

表3不同植被类型的土壤不同形态磷质量分数测定结果

注:表中数据为“平均值±标准差”;数据后,同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由表3可见,各植被类型土壤酸溶性无机磷的、酸溶性有机磷的质量分数,分别为3.80～13.90、31.52～45.90mg·kg-1,占土壤磷素总质量分数的比例较低,仅分别为0.43%～1.17%、2.47%～4.70%;其质量分数随植被自然恢复进程的变化无明显规律,说明植被自然恢复对该组分磷质量分数的影响不大。与酸溶性磷相比,残留磷的离子键结合能更高,通常被认为是无效的磷;但亦有研究表明,残留磷在长期矿化与分解的作用下,对土壤有效磷质量分数也同样具有贡献[11]。本研究发现,各植被类型土壤残留磷的质量分数为189.74～365.75mg·kg-1,占土壤磷总质量分数的21.44%～34.64%,是仅次于氢氧化钠有机磷的另一主要磷源。此外,氢氧化钠有机磷质量分数占土壤磷总质量分数的比例,随植被自然恢复进程的变化呈现先增加后减少的趋势,说明植被自然恢复对该组分磷的转化具有积极影响。

3.3土壤有机磷和无机磷总质量分数的变化

磷在土壤中以无机态、有机态的形式存在,两者的相互转化导致了各植被类型土壤磷有效性的差异[12]。研究发现,各植被类型土壤无机磷、有机磷总质量分数,分别为96.05～334.85、370.42～849.46mg·kg-1,均以红松原始林的质量分数最高、软阔叶林的质量分数最低,且随植被自然恢复的进程呈现出先减少后增加的一致性规律(见表4)。各植被类型土壤无机磷总质量分数在磷库中所占的比例,红松原始林、硬阔叶林的显著高于其余植被类型所占的比例(P<0.05),而毛榛子灌丛、软阔叶林、软硬阔混交林的所占比例间无显著差异。

表4不同植被类型的土壤无机磷和有机磷质量分数

注:表中数据为“平均值±标准差”;数据后,同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05);w(C)为碳总质量分数、w(P)为磷总质量分数。

由表4可见,不同植被类型土壤磷组成均以有机态的组分为主,占土壤磷素总质量分数的71.74%以上。与土壤中无机磷总质量分数随植被恢复进程的变化不同,有机磷总质量分数所占磷素总质量分数的比例随自然恢复进程呈现逐渐降低的趋势,说明植被自然恢复促进了土壤有机磷的转化。此外,土壤碳与土壤磷比值(w(C)∶w(P))越低,说明土壤磷的矿化能力越强,各植被类型土壤w(C)∶w(P)为55.68～79.28,矿化能力随自然恢复进程呈现先降低后升高的趋势。硬阔叶林和红松原始林间土壤碳磷比无显著差异,表明在植被自然恢复后期土壤磷的矿化水平已达到较高水平。

4、结论与讨论

4.1磷素形态对土壤磷有效性的影响

土壤全磷由不同形态的磷组成,其含量的多少并不能直接反映出土壤磷的有效性,仅可表征土壤的供磷潜力的大小[13]。通过对各植被类型土壤全磷、有效磷以及各组分磷质量分数的相关分析发现(见表5),除酸溶性有机磷外,其余各组分的磷均与土壤全磷之间呈显著的正相关(P<0.05),说明其质量分数的变化均会对土壤磷库储量产生明显改变。与全磷相比,土壤有效磷的丰缺是表征磷素有效性的重要指标。本研究表明,除酸溶性磷外,各组分磷均与有效磷呈极显著的相关关系(P<0.01),其中,水溶性磷、碳酸氢钠无机磷、氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷与有效磷的相关系数较高,分别达到0.879、0.972、0.910、0.877(见表5),说明高活性和中活性组分的磷对土壤有效磷质量分数的变化起到了重要作用。

虽然相关分析结果可表征各组分磷对土壤有效磷质量分数的影响,但仍不能准确判断其贡献大小,仅能说明某一组分磷质量分数的变化都会引起有效磷质量分数的波动。通径分析结果表明(见表6),碳酸氢钠无机磷、氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷是影响土壤有效磷质量分数变化的敏感组分。尤其以碳酸氢钠无机磷的直接系数最高(1.852),表明其对土壤有效磷的贡献最大。氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷的直接通径系数均较低,仅为-0.600、-0.315,表明其对土壤有效磷质量分数变化的直接贡献较小。从间接通径系数看,氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷向碳酸氢钠无机磷转化的间接通径系数,分别高达1.800、1.742,说明这种转化趋势是导致土壤有效磷质量分数提高的主要原因。

表5不同形态土壤磷指标间的相关性

注:*表示显著相关(P<0.05),**表示极显著相关(P<0.01)。

除软阔叶林外,碳酸氢钠无机磷、氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷质量分数均呈现随植被自然恢复的进程而显著升高的趋势。产生这种变化的主要原因是,碳酸氢钠无机磷主要吸附在土壤颗粒表面,很容易被土壤中的金属离子吸附固定;但随着植被自然恢复的进程,林内枯落物逐渐累积,土壤中腐殖酸含量不断增加,通过促进腐殖酸与金属离子的络合反应,使碳酸氢钠无机磷不断释放。通常,土壤中氢氧化钠磷主要是与铁、铝离子结合而成的磷酸盐所构成。随植被的自然恢复,土壤中交换性的铁、铝、锰等金属阳离子会不断累积[14,15],使更多的磷被其吸附固定,成为中活性的磷源,导致氢氧化钠磷逐渐增加。另外,本研究还发现,各植被类型土壤中氢氧化钠有机磷均占土壤有机磷总质量分数的64.74%以上,是土壤中最主要的有机磷源。这是由于随着森林植被的自然恢复,林分内的枯落物在降雨等淋溶作用下,使大量的可溶性有机磷富集在土壤表层,迅速被铁、铝离子固定,从而使氢氧化钠有机磷质量分数逐渐增加[16,17]。

表6不同形态磷与土壤有效磷的通径系数

注:决定系数(R2)为0.978,剩余系数(Pe)为0.148。

4.2植被自然恢复对土壤有机磷和无机磷总质量分数的影响

本研究发现,由于软阔叶林土壤无机磷、有机磷总质量分数明显下降,使所研究的其他植被类型土壤无机磷、有机磷总质量分数的变化呈现为随植被自然恢复进程先降低而后增加的趋势。主要原因是:软阔叶林阶段,林分的建群种以先锋树种为主,其早期速生的特点易形成较为强烈的种内和种间竞争关系,使林内养分归还量小于需求量,导致土壤磷素总质量分数的下降[18]。从软硬阔混交林阶段开始,土壤无机磷、有机磷总质量分数均不断显著增加,但有机磷占土壤磷素总质量分数比例却不断减少,这与Zhouetal.[19]、Tangetal.[20]研究结果相吻合。这一方面是由于随着植被自然恢复进程,林内凋落物数量不断增加,累积了大量的可溶性有机磷富集在土壤表层,增加了可矿化的部分磷源;另一方面,由于水曲柳和黄檗等中庸性伴生树种成为建群种,特别是典型K对策种红松的出现,不仅改变了林内凋落物的种类和组成,而且枯落物与根系分泌物中含有大量的低分子有机酸,将极大地促进难溶性无机磷的分解以及有机磷的转化,提高了土壤磷的有效性[21]。另外,土壤酶和微生物,在影响有机磷矿化方面,同样会发挥着重要的作用。Zhangetal.[22]研究发现,森林的进展演替会使土壤微生物的生物量不断增加,生物量的最大值出现在演替后期。土壤微生物量的增加,使其代谢产物的数量也不断累积,酸性磷酸酶活性的提高亦可加速无机磷的释放[23,24],同样有利于土壤磷有效性的提高。

综上所述,小兴安岭阔叶红松林皆伐迹地上自然恢复的主要植被类型土壤全磷、有效磷质量分数分别为0.73～1.67、3.14～36.56mg·kg-1,磷活化系数为0.36%～2.19%;表明土壤全磷总质量分数较高,但有效磷质量分数相对较低。植被自然恢复在土壤磷的修复方面虽然起到了积极作用,但尚未恢复至原始林水平。本研究发现,土壤水溶性磷、碳酸氢钠无机磷、氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷与有效磷的相关性较高,说明高活性、中活性的磷对阔叶红松林皆伐迹地植被自然恢复过程中土壤有效磷质量分数的变化产生了重要影响。土壤碳酸氢钠无机磷的直接作用以及氢氧化钠无机磷、氢氧化钠有机磷的间接影响,显著提高了土壤有效磷的质量分数,是小兴安岭阔叶红松林皆伐迹地植被自然恢复过程中土壤磷有效性提高的主要原因。

参考文献：

[1]吴浩,卢志军,黄汉东,等.三种植物对土壤磷吸收和富集能力的比较[J].植物生态学报,2015,39(1):63-71.

[2]刘爱琴,严加亮,侯晓龙,等.武夷山自然保护区不同海拔土壤磷素的分布规律[J].森林与环境学报,2015,35(4):310-316.

[3]张佳慧,王兴昌,王传宽.帽儿山温带森林演替初期土壤碳、氮、磷计量特征的变化[J].应用生态学报,2016,27(10):3189-3195.

[4]胡耀升,么旭阳,刘艳红.长白山森林不同演替阶段植物与土壤氮磷的化学计量特征[J].应用生态学报,2014,25(3):632-638.

[5]孔健健,张亨宇,荆爽.大兴安岭火后演替初期森林土壤磷的动态变化特征[J].生态学杂志,2017,36(6):1515-1523.

[6]邵宜晶,俞梦笑,江军,等.鼎湖山3种演替阶段森林土壤C、N、P现状及动态[J].热带亚热带植物学报,2017,25(6):523-530.

[8]张鑫,谷会岩,陈祥伟.择伐干扰对小兴安岭阔叶红松林土壤磷形态及有效性的影响[J].应用生态学报,2018,29(2):441-448.

[9]舒正文,王春雪,李敏,等.水稻-牧草轮作牧草季土壤磷对牛粪浆施用的响应特征[J].江西农业学报,2019,31(8):35-41.

[10]刘旭军,田慧霞,程小琴,等.凋落物处理对不同林龄华北落叶松针阔混交林土壤磷组分的影响[J].生态学杂志,2019,38(10):3042-3032.

[11]王兴凯,徐明岗,王小利,等.长期施肥对褐土有机碳矿化的影响[J].河南农业科学,2019,48(6):81-86.

[12]姚怡,王艳玲,高振,等.不同利用方式红壤磷素有效性的深度变化:以江西省余江县孙家小流域为例[J].土壤通报,2019,50(2):365-373.

[13]高天一,李娜,彭靖,等.连续施用生物炭对棕壤磷素形态及有效性的影响[J].植物营养与肥料学报,2019,25(9):1451-1460.

[18]李雪峰,张岩,牛丽君,等.长白山白桦(Betulaplatyphlla)纯林和白桦山杨(Populusdavidiana)混交林凋落物的分解[J].生态学报,2007,27(5):1782-1790.

[21]赵雨森,王文波,徐金忠,等.毛细管气相色谱法测定凋落物淋洗液中的低分子有机酸[J].东北林业大学学报,2010,38(4):102-104.

张鑫,谷会岩,刘强.植被自然恢复对表层土壤磷有效性的影响[J].东北林业大学学报,2020,48(07):75-80.

基金:林业公益性行业科研专项(201404303).