滕澤琴，李旭東，韓會(huì)閣，張春平，傅華

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020）

磷是植物生長(zhǎng)必需的大量元素，它以多種途徑參與植物體內(nèi)的各種代謝過程，影響著植物的生長(zhǎng)發(fā)育，是限制植物生長(zhǎng)的主要因子之一 ，同時(shí)在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡中起著重要作用［1，2］。土壤中存在多種化學(xué)形態(tài)的磷，不同形態(tài)磷的生物有效性不同，其循環(huán)過程也存在差異，并在系統(tǒng)有效磷的供應(yīng)中起著各自不同的作用［3］。利用Hedley分級(jí)法可將土壤磷按照其對(duì)植物有效性的大小和轉(zhuǎn)化特征的不同而進(jìn)行分級(jí)，同時(shí)考慮了無機(jī)磷和有機(jī)磷，因而被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛用于農(nóng)田、草地、森林和濕地土壤磷形態(tài)的研究中［4－13］。比較不同磷組分在土壤中的變化，對(duì)于理解土壤發(fā)育、耕作措施、植被類型等對(duì)土壤磷形態(tài)的影響和土壤微生物在磷轉(zhuǎn)化中的作用具有重要意義。

黃土高原為我國(guó)暖溫帶落葉闊葉林向干旱草原和荒漠化草原過渡的地帶，由于氣候變化等自然因素和亂砍濫伐、過度放牧等不合理的土地利用方式的影響，該區(qū)成為我國(guó)水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境問題最為嚴(yán)峻的地區(qū)之一［14－16］。生態(tài)系統(tǒng)和土地利用方式的多樣化是人類干擾下黃土高原最為典型的特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對(duì)黃土高原不同區(qū)域的植被恢復(fù)、耕作方式、種植制度等對(duì)土壤磷素的影響進(jìn)行了研究［16－19］。本研究通過對(duì)甘肅隴中黃土高原區(qū)至少已有50年傳統(tǒng)耕作歷史的農(nóng)田和退耕24年的草地2種生態(tài)系統(tǒng)土壤磷組分進(jìn)行比較研究，探討土地利用方式對(duì)土壤磷素的形態(tài)及其分布的影響，為該區(qū)土壤養(yǎng)分管理和保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省榆中縣的蘭州大學(xué)國(guó)際地面氣候與環(huán)境監(jiān)測(cè)站及周圍區(qū)域，地理坐標(biāo)為北緯35.946°，東經(jīng)104.137°，海拔1 965.8m。年平均氣溫6.7℃，年降水量382mm，蒸發(fā)量1 343mm，無霜期90～140d，年日照時(shí)數(shù)約2 600h，屬大陸性半干旱氣候［21］。植被類型為典型草原，塬面草地植物主要有長(zhǎng)芒草（Stipa bungeana）、賴草（Leymus secalinus）、鐵桿蒿（Tripolium vulgare）、冷蒿（Artemisia frigida）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等。地貌為黃土高原殘塬梁峁溝壑，塬面土壤為灰鈣土。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為雨養(yǎng)型，主要作物為谷子（Setaria italica）、豌豆（Pisum sativum）與馬鈴薯（Solanum tuberosum）等，間歇式耕作，一年一熟制。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 選擇坡向和地勢(shì)平緩一致緊鄰的面積各為2hm2的樣地4塊，分別為自由放牧地（grazing grassland，GG），圍封草地（fenced grassland，F(xiàn)G），谷子樣地（S.italic，SI），休閑耕地（fallow cropland，F(xiàn)C）（農(nóng)田樣地根據(jù)2008年種植狀況命名）。草地原為農(nóng)田，1986年撂荒，現(xiàn)已恢復(fù)到天然草地，主要優(yōu)勢(shì)種為本氏針茅。圍封草地2005年10月設(shè)置圍欄。農(nóng)田以輪作方式種植馬鈴薯、豌豆和谷子，每2～3年休閑。2005－2008年農(nóng)田的種植狀況見表1。

表1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2005－2008年種植狀況Table 1 Crop rotation in the cropland ecosystem in 2005－2008

農(nóng)田在種植年施入有機(jī)肥3 000kg／hm2，尿素30kg／hm2，過磷酸鈣60kg／hm2。農(nóng)田收獲時(shí)將作物連根拔起，留在土壤中的植物殘余物非常少。

1.2.2 樣品采集 于2008年9月采集土樣，在每一個(gè)樣地內(nèi)設(shè)置3個(gè)50m×50m樣區(qū)，每個(gè)樣區(qū)內(nèi)采用樣線法隨機(jī)設(shè)置2條樣線，各樣線設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn)，采用土鉆法按0～10，10～20，20～30，30～40和40～60cm土層采集土壤樣品，同一土層5個(gè)樣點(diǎn)混合為1個(gè)樣本。將土樣去除植物根系和石塊后，充分混勻并用四分法取約1 kg的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.2.3 樣品分析 土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，去除殘留的根系后用玻璃管壓碎，過2mm篩測(cè)定速效磷和pH；四分法分出部分樣品過0.5mm篩，測(cè)定有機(jī)碳、全氮、全磷和磷組分。速效磷采用Olsen法、全磷采用微波消解－鉬銻抗比色法、全氮采用凱氏定氮法、有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法、pH采用電極法測(cè)定。

磷組分采用Sui等［22］1999年修正后的Hedley磷素分級(jí)方法，即采用連續(xù)浸提的方法，逐級(jí)加入：去離子水、0.5mol／L NaHCO3、0.1mol／L NaOH、1.0mol／L稀鹽酸和濃鹽酸提取出土壤中穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的各級(jí)土壤磷素形態(tài)（依次為 H2O－Pi、NaHCO3－P、NaOH－P、DHCl－P和 HHCl－P，以下同）。其中，0.5mol／L NaHCO3、0.1 mol／L NaOH和濃鹽酸浸提的形態(tài)又分為有機(jī)態(tài)（Po）和無機(jī)態(tài)（Pi）兩部分，土壤浸提液消化后測(cè)定該組分的全磷和無機(jī)磷含量，而土壤的有機(jī)磷含量由全磷減去無機(jī)磷得出。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及作圖，采用相關(guān)性分析（Correlate－Pearson）確定土壤理化性質(zhì)、各形態(tài)磷組分之間的關(guān)系；采用單因素方差分析（One－way ANOVA）中的LSD法對(duì)不同樣地之間各磷組分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用方式對(duì)土壤不同形態(tài)無機(jī)磷的影響

土地利用方式對(duì)土壤各組分無機(jī)磷的含量有影響（圖1）。土壤活性磷組分中H2O－Pi含量最低，各樣地變化范圍在0.20～3.27mg／kg，0～10cm土層農(nóng)田樣地顯著高于圍封草地，放牧草地和其他樣地間無顯著差異；10～20cm土層，谷子地顯著高于休閑地和草地，休閑地和草地之間無顯著差異；在20～30和40～60cm土層各樣地間無顯著差異，而30～40cm土層表現(xiàn)為休閑地＞谷子地＞草地（P＜0.05）?；钚詿o機(jī)磷（NaHCO3－Pi）含量在0～40cm的4個(gè)土層具有相同的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為谷子地＞休閑地＞草地（P＜0.05）；40～60cm土層為農(nóng)田樣地顯著高于草地。潛在活性無機(jī)磷（NaOH－Pi）含量在各土層都表現(xiàn)為農(nóng)田樣地顯著大于草地，谷子地與休閑地、圍封與放牧地之間都沒顯著差異。各樣地土壤3種活性磷組分含量都隨土層深度的增加呈下降趨勢(shì)。

圖1 不同土地利用方式下土壤各組分無機(jī)磷的含量Fig.1 Content of different soil inorganic phosphorus fractions under different land use patterns

研究區(qū)無機(jī)磷組分中，中穩(wěn)性無機(jī)磷（DHCl－Pi）含量最高，變幅為351.95～473.36mg／kg，0～10cm土層為谷子地＞休閑地＞放牧地＞圍封地（P＜0.05）；10～20cm土層，谷子地顯著高于休閑地和2個(gè)草地，而休閑地和2個(gè)草地之間差異不顯著；在20～30cm土層，放牧地顯著高于其他3個(gè)樣地；30～60cm土層各樣地之間無顯著差異。各樣地DHCl－Pi含量隨土層深度的增加呈先降低后增加的趨勢(shì)。

高穩(wěn)性無機(jī)磷（HHCl－Pi）含量次高，變化范圍為66.49～86.58mg／kg。在0～10cm土層，谷子地顯著高于其他各樣地，其他3個(gè)樣地之間差異不顯著；在10～20cm土層，4個(gè)樣地之間無顯著差異；20～30cm土層，谷子地顯著高于其他2個(gè)草地，而休閑地與其余3個(gè)樣地差異不顯著；在30～60cm土層處農(nóng)田都顯著高于草地。

2.2 土地利用方式對(duì)土壤不同形態(tài)有機(jī)磷的影響

有機(jī)磷的3個(gè)組分中NaHCO3－Po活性有機(jī)磷＜NaOH－Po潛在活性有機(jī)磷＜HHCl－Po穩(wěn)定性有機(jī)磷，變化范圍分別為1.81～10.06，2.58～31.57和21.52～97.46mg／kg（圖2）。

0～10cm土層NaHCO3－Po含量在各樣地之間無顯著差異；10～20cm土層，放牧地和谷子地顯著高于休閑地，圍封樣地與各樣地差異不顯著；20～30cm土層，放牧地和谷子地顯著高于休閑地和圍封地，休閑地和圍封地之間差異不顯著；30～40cm土層農(nóng)田樣地顯著高于圍封地，放牧地與各樣地差異不顯著；40～60cm土層農(nóng)田顯著高于草地。NaOH－Po含量在0～10cm土層圍封草地顯著高于農(nóng)田，放牧地與各樣地差異不顯著；10～20cm土層各樣地之間無顯著差異；20～60cm各土層農(nóng)田顯著高于草地。HHCl－Po含量，在0～10cm土層草地顯著高于休閑地，谷子地與各樣地差異不顯著；在10～20cm土層圍封地顯著高于休閑地和放牧地，與谷子地差異不顯著；在20～30和30～40cm土層與NaOH－Po含量表現(xiàn)一致，均為農(nóng)田顯著高于草地；40～60cm土層草地顯著高于休閑地，谷子地與各個(gè)樣地差異不顯著。

隨土層深度的增加，農(nóng)田土壤有機(jī)磷的3個(gè)組分都表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢(shì)；放牧草地中活性有機(jī)磷的剖面變化與農(nóng)田一致，草地潛在活性有機(jī)磷沿土壤剖面呈下降趨勢(shì)，穩(wěn)定性有機(jī)磷在40～60cm土層顯著升高。

圖2 不同土地利用方式下土壤各組分有機(jī)磷的含量Fig.2 Content of different soil organic phosphorus fractions under different land use patterns

2.3 土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系

以不同土層各形態(tài)磷占全磷百分比做相關(guān)分析，結(jié)果表明，部分磷組分之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明這2個(gè)組分之間可以 相 互 轉(zhuǎn) 化［23］。草 地 0～20cm 土 壤 中，DHCl－Pi與 HHCl－Pi、HHCl－Po，NaHCO3－Pi與 HHCl－Pi、HHCl－Po呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表2）；20～40cm 土壤中，DHCl－Pi與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi、NaOH－Po、HHCl－Po，HHCl－Pi與 H2O－Pi、NaOH－Pi呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表3）。農(nóng)田0～20cm土壤中，DHCl－Pi與 HHCl－Pi、NaOH－Po、HHCl－Po、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)（表4）；在20～40 cm土壤中，HHCl－Po與 H2O－Pi、NaOH－Pi呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)（表5）。

可看出土壤磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在中穩(wěn)性無機(jī)磷DHCl－Pi與其他磷組分之間，且農(nóng)田主要發(fā)生在0～20cm土層。

2.4 土壤理化性質(zhì)對(duì)不同磷組分含量的影響

土壤理化性質(zhì)影響土壤磷的形態(tài)、有效性及供應(yīng)潛力。H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi與土壤全磷和速效磷呈極顯著（P＜0.01）相關(guān)，其余磷組分與全磷和速效磷無顯著相關(guān)性。土壤全氮和有機(jī)碳與NaOH－Pi、NaOH－Po和HHCl－Pi含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與其余各磷組分無顯著相關(guān)。土壤pH與NaHCO3－Po呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi、NaOH－Po和 HHCl－Pi呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（表6）。

表2 草地0～20cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 0－20cm soil layer in the grasslands

表3 草地20～40cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 20－40cm soil layer in the grasslands

表4 農(nóng)田0～20cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 0－20cm soil layer in the croplands

表5 農(nóng)田20～40cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 20－40cm soil layer in the croplands

表6 土壤磷組分與土壤基本理化性狀的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlations between soil physical and chemical properties and soil phosphorus fractions

3 討論

3.1 土地利用方式對(duì)土壤各磷組分含量的影響

土地的利用與管理方式影響土壤養(yǎng)分物質(zhì)的輸入和輸出，進(jìn)而影響土壤的養(yǎng)分含量。本研究結(jié)果表明，在隴中黃土高原，2種土地利用方式下農(nóng)田土壤中活性無機(jī)磷（H2O－Pi、NaHCO3－Pi）、潛在活性無機(jī)磷（NaOH－Pi）的含量顯著高于草地，這主要與農(nóng)田系統(tǒng)長(zhǎng)期的施肥有關(guān)［24］，與周寶庫和張喜林［25］的研究結(jié)果施磷肥后土壤速效磷顯著增加相似，另外，農(nóng)田耕作破壞了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善了通氣狀況，促進(jìn)了有機(jī)磷的礦化［26］，進(jìn)而提高了無機(jī)磷含量。有研究表明土壤pH是影響土壤磷酸鹽形態(tài)和轉(zhuǎn)化的重要因素［27］，農(nóng)田中由于磷肥和氨態(tài)氮肥的施用降低了土壤的pH值，具有溶磷作用［28，29］，進(jìn)而增加了上層土壤活性無機(jī)磷（H2O－Pi、NaHCO3－Pi）和潛在活性無機(jī)磷（NaOH－Pi）的含量。休閑與當(dāng)年耕作地相比，谷子地由于當(dāng)年的施肥原因，耕層土壤中植物容易利用的無機(jī)磷組分和有機(jī)磷組分都有所增加。農(nóng)田土壤中NaOH－Po在耕層以下顯著增加，也可能是農(nóng)田長(zhǎng)期施用化肥和有機(jī)肥引起的潛在活性有機(jī)磷的增加，與來璐等［30］研究結(jié)果相似。圍封草地由于較多的凋落物歸還和較高的根系生物量［21，29，31］，可能是其表層土壤潛在活性有機(jī)磷（NaOH－Po）含量高于農(nóng)田的主要原因，這和 Lajtha［32］的研究結(jié)果相似。李曉東等［33］的研究也指出本研究區(qū)在0～10cm土層草地由于大量植物殘余物的返還和根系分泌物導(dǎo)致有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)田，長(zhǎng)期的施肥積累可能是20cm土層以下有機(jī)碳含量農(nóng)田高于草地的主要原因，與本研究引起有機(jī)磷變化的原因一致。放牧草地由于家畜的采食，使地上活體量低于圍封草地，從而影響了草地立枯物和凋落物的數(shù)量［34］，所以放牧草地NaOH－Po含量在上層土壤中低于圍封草地。

3.2 土壤各磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化

土壤無機(jī)磷和有機(jī)磷都是植物吸收利用的重要磷源［35］，它們之間可相互轉(zhuǎn)化，無機(jī)磷被生物固定后形成有機(jī)磷，有機(jī)磷通過土壤磷酸酶的作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷［36］。土壤各磷組分之間存在一定的相互影響與制約，植物有效磷源的多少取決于土壤各磷組分之間的分布狀況和轉(zhuǎn)化方向［37］，無機(jī)磷和有機(jī)磷之間的轉(zhuǎn)化實(shí)質(zhì)上就是各磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化。本研究相關(guān)分析結(jié)果表明，磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在中穩(wěn)性無機(jī)磷（DHCl－Pi）與其他磷組分之間，DHCl－Pi是與鈣結(jié)合的難溶無機(jī)磷形態(tài)，是黃土高原土壤類型中存在的最主要的磷形態(tài)。DHCl－Pi和高穩(wěn)性有機(jī)磷（HHCl－Po）、潛在活性有機(jī)磷（NaOH－Po）之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)，說明有機(jī)磷組分HHCl－Po和NaOH－Po礦化后先與土壤中的鈣結(jié)合再進(jìn)一步釋放出植物容易利用的活性無機(jī)磷，這與慕韓鋒［38］的研究結(jié)果Ca8－P幾乎是所有磷素轉(zhuǎn)化為有效磷的最主要的中間形態(tài)有相似之處。草地20～40cm土層中，DHCl－Pi與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi均呈極顯著負(fù)相關(guān)，在農(nóng)田中也存在類似的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明 DHCl－Pi與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi之間存在相互轉(zhuǎn)化過程，可能是因?yàn)?DHCl－Pi是潛在的有效磷源［39］，植物對(duì)磷素的利用刺激穩(wěn)定性無機(jī)磷緩慢向活性無機(jī)磷轉(zhuǎn)化。

3.3 土壤磷素與各理化性狀之間的關(guān)系及對(duì)植物的有效性

植物所需磷素的唯一來源是通過根系由土壤吸收，因此土壤的理化性質(zhì)對(duì)土壤各磷組分的轉(zhuǎn)化及磷的有效性都有影響。一般認(rèn)為，土壤有效磷與某形態(tài)磷組分的相關(guān)性愈顯著，則該形態(tài)磷組分的有效性愈大，其相對(duì)有效性也愈高［40］。本研究結(jié)果顯示H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi和速效磷之間均呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，說明活性無機(jī)磷組分和潛在活性無機(jī)磷組分的有效性較高。土壤全氮與NaOH－Pi、NaOH－Po呈極顯著（P＜0.01）關(guān)系；pH 與 NaHCO3－Po呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi呈極顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)碳與NaOH－Po的相關(guān)關(guān)系最顯著和穆曉慧等［27］的研究結(jié)果相似。另外，土壤溶液中的游離Fe、活性CaCO3、粘土含量、土壤的風(fēng)化程度以及環(huán)境因子等都是影響土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化和有效性的重要因子，需要進(jìn)一步研究。

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