張鑫　馬銘鴻　谷會巖　陳祥偉

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

植物生長發(fā)育所需的磷素主要依賴于土壤的供給，土壤中的磷在整個生態(tài)系統(tǒng)磷庫中所占的比例非常大，可達到95%以上[1-3]。由于土壤磷易于被Fe、Al、Mn等金屬離子吸附而難以遷移，因此成為了植物生長過程中的主要限制因素之一[4]。土壤中各形態(tài)磷素間主要通過礦化-固持、吸附-解吸、沉淀-溶解方式相互轉(zhuǎn)化，而這些轉(zhuǎn)化過程直接影響著土壤有效磷含量的豐缺，所以對土壤各形態(tài)磷素質(zhì)量分數(shù)及其有效性的研究一直是相關(guān)領(lǐng)域的熱點[5]。

闊葉紅松林是我國溫帶針闊混交林區(qū)的典型原始地帶性植被，在生物多樣性保護、維系區(qū)域生態(tài)安全等方面發(fā)揮著巨大的作用。受歷史上長期自然和人為干擾的影響，紅松原始林資源消耗殆盡，現(xiàn)存闊葉紅松林面積和蓄積不足中華人民共和國成立前的5%[6]。在諸多干擾因素中，采伐干擾的影響最大[7-8]。小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地植被恢復，除自然恢復外，主要以人工更新方式為主。以恢復地帶性頂級群落為目標的紅松人工林，土壤物理結(jié)構(gòu)、化學性質(zhì)以及生物特征的研究一直備受關(guān)注。迄今，相關(guān)研究多是以土壤全磷和有效磷質(zhì)量分數(shù)的變化來表征紅松人工更新對土壤磷所產(chǎn)生的影響[9-10]，而有關(guān)紅松人工更新對土壤磷庫特征、磷素形態(tài)及其生物有效性方面的報道較少[11]。因此，本研究采用Sui et al.[12]修正后的Hedley土壤磷素分級法，對21、32、41、56年生的紅松人工林表層土壤中不同形態(tài)磷素質(zhì)量分數(shù)的測定，旨在揭示不同林齡階段紅松人工林土壤各形態(tài)磷素質(zhì)量分數(shù)及有效性的變化，探明紅松人工更新對表層土壤磷有效性及時效性的影響，可為深入開展闊葉紅松林皆伐跡地人工植被恢復對土壤磷的影響提供參考。

1　研究地自然概況

研究地點位于黑龍江涼水國家級自然保護區(qū)(47°10′50″N，128°53′20″E)，氣候?qū)俚湫蜏貛Т箨懶约撅L氣候，年均氣溫-0.3 ℃，年均降水量676 mm，年均蒸發(fā)量805.4 mm，空氣相對濕度78%，有效積溫2 200～2 600 ℃，無霜期100～120 d。植被類型以闊葉紅松原始林為主，逆行演替和進展演替共同作用的結(jié)果，形成了以山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)為主的軟闊葉天然林，以水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、黃波欏(Phellodendronamurense)、紫椴(Tiliaamurensis)、五角槭(Acermono)為主的硬闊葉天然林，以紅松(Pinuskoraiensis)、落葉松(Larixgmelinii)、紅皮云杉(Piceakoraiensis)為建群種的人工林，鑲嵌分布。地帶性土壤類型為暗棕壤，隱域分布有草甸土、沼澤土等土壤類型。

2　研究方法

土壤樣品采集：于2017年6月，在保護區(qū)內(nèi)選擇相似立地條件人工更新形成的不同林齡(21、32、41、56 a)紅松人工林設置樣地，每個樣地內(nèi)5點法采集0～10 cm土層的土壤樣品，自然風干后過2 mm土壤篩，用四分法制備混合樣，用于土壤基本化學性質(zhì)及各形態(tài)磷素質(zhì)量分數(shù)的測定。樣地林分特征及土壤化學性質(zhì)見表1。

表1　取樣樣地林分特征及土壤化學性質(zhì)

注：KPP21為21年生紅松人工林、KPP32為32年生紅松人工林、KPP41為41年生紅松人工林、KPP56為56年生紅松人工林、CK為闊葉紅松原始林(對照)。pH(1∶2.5H2O)，是指pH值采用水浸提(1∶2.5H2O)電位法測定?！凹t”為紅松、“白”為白樺、“色”為色木槭、“水”為水曲柳、“楓”為楓樺、“榆”為春榆、“楊”為山楊。

指標的測定與計算：采用Sui等修正Hedley的土壤磷素分級法，稱取0.5 g過2 mm篩的風干土樣置于50 mL的離心管中，逐級加入30 mL的去離子水、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH、1.0 mol·L-1HCl，提取出土壤中穩(wěn)定性由弱到強的各級土壤磷素形態(tài)，即水溶性磷(H2O-Pi)、碳酸氫鈉無機磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氫鈉有機磷(NaHCO3-Po)、氫氧化鈉無機磷(NaOH-Pi)、氫氧化鈉有機磷(NaOH-Po)、酸溶性無機磷(HCl-Pi)、酸溶性有機磷(HCl-Po)，最后的殘留土壤樣品采用硫酸-高氯酸高溫消解測定殘留磷(R-P)。分級方法中的無機磷(Pi)采用鉬藍比色法直接對浸提液進行測定，而有機磷(Po)則需先采用硫酸-高氯酸消解鉬藍比色法測定各級浸提液的磷素質(zhì)量分數(shù)，再減去相對應的無機磷質(zhì)量分數(shù)后求得；有機磷總量，指NaHCO3-Po、NaOH-Po、HCl-Po的量之和；無機磷總量，是指H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi的量之和。此外，土壤全磷采用硫酸-高氯酸消解鉬藍比色法測定；有效磷采用氟化銨-鹽酸浸提法測定；土壤有機碳采用TOC測定；pH值采用水浸提(1∶2.5H2O)電位法測定。每個指標重復4次[13]。

數(shù)據(jù)處理：采用Excel 2003和SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；采用單因素進行方差分析和多重比較(α=0.05)；利用Excel 2003軟件作表。對土壤各形態(tài)磷素、全磷、有效磷等指標進行Pearson相關(guān)分析。

3　結(jié)果與分析

3.1　土壤全磷、有效磷質(zhì)量分數(shù)的變化

土壤全磷和有效磷的質(zhì)量分數(shù)，表征著土壤的磷庫儲量與其向植物供給有效性磷素的能力[13]。由表2可見：21、32、41、56年生的紅松人工林土壤，全磷和有效磷質(zhì)量分數(shù)均顯著低于闊葉紅松原始林(P<0.05)。不同林齡紅松人工林土壤，全磷和有效磷質(zhì)量分數(shù)的變化范圍為0.93～1.39 g·kg-1和8.70～33.21 mg·kg-1，均以56年生林地最大、21年生林地最小，其質(zhì)量分數(shù)變化表現(xiàn)出隨恢復年限的延長而顯著增加的一致性規(guī)律(P<0.05)。

磷素活化系數(shù)(PAC)是有效磷與全磷質(zhì)量分數(shù)的比值，常用來綜合評價土壤磷素的有效性[14]。不同林齡紅松人工林土壤磷素活化系數(shù)的變化范圍0.94%～2.39%，除41、56年生林地外，各林地間均達到顯著性差異，變化規(guī)律同樣表現(xiàn)為隨恢復年限的延長而增大的趨勢。與闊葉紅松原始林相比，僅表現(xiàn)為56年生的紅松人工林無顯著差異，其余林地均低于原始林水平。

表2　各樣地土壤全磷、有效磷質(zhì)量分數(shù)

注：KPP21為21年生紅松人工林、KPP32為32年生紅松人工林、KPP41為41年生紅松人工林、KPP56為56年生紅松人工林、CK為闊葉紅松原始林(對照)。表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；數(shù)據(jù)后，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

3.2　土壤不同形態(tài)磷素質(zhì)量分數(shù)的變化

水溶性磷(H2O-Pi)和碳酸氫鈉磷(NaHCO3-P)屬于活性磷[15]。由表3可見：不同林齡紅松人工林土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi的質(zhì)量分數(shù)相對較低，僅占磷素總量的1.24%～1.87%和3.44%～5.41%；其質(zhì)量分數(shù)變化，均表現(xiàn)出隨恢復年限的延長而逐漸顯著增加的相同規(guī)律(P<0.05)，且增幅比例分別達到14.69%、27.29%以上。與NaHCO3-Pi相比，NaHCO3-Po的質(zhì)量分數(shù)相對較高，占磷素總量的8.58%～10.97%，除41年生的林地外，其余林地之間均達到顯著性差異(P<0.05)，且以56年生林地的質(zhì)量分數(shù)最大。

表3　各樣地土壤不同形態(tài)磷素的質(zhì)量分數(shù)

注：KPP21為21年生紅松人工林、KPP32為32年生紅松人工林、KPP41為41年生紅松人工林、KPP56為56年生紅松人工林、CK為闊葉紅松原始林(對照)。表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；數(shù)據(jù)后，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

氫氧化鈉磷(NaOH-P)屬于中活性磷[16-17]。由表3可見：不同林齡紅松人工林土壤NaOH-P的質(zhì)量分數(shù)在各磷素組分中所占比例很大，占據(jù)了磷素總量的42.18%～64.51%，是各林地土壤磷庫組成的主要磷源。其中，NaOH-Pi、NaOH-Po的質(zhì)量分數(shù)分別占NaOH-P質(zhì)量分數(shù)的17.90%～23.54%和76.46%～82.10%，其質(zhì)量分數(shù)的變化規(guī)律與H2O-Pi、NaHCO3-Pi一致，均隨恢復年限的延長而顯著增加(P<0.05)。56年生林地土壤NaOH-Pi、NaOH-Po的質(zhì)量分數(shù)，均顯著高于闊葉紅松原始林(P<0.05)；此外，紅松人工林恢復至41 a時，土壤NaOH-Po的質(zhì)量分數(shù)已達到原始林水平。

酸溶性磷(HCl-P)，常被認為是低活性磷[15]。研究發(fā)現(xiàn)，不同林齡紅松人工林土壤HCl-P的質(zhì)量分數(shù)在各磷素組分中所占的比例很小，僅高于H2O-Pi，占磷素總量的2.48%～5.28%。不同林齡紅松人工林土壤HCl-Pi的質(zhì)量分數(shù)變化，僅表現(xiàn)為56年生林地顯著高于其他林地，而HCl-Po的質(zhì)量分數(shù)以21年生林地最高。測定結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，各林地土壤HCl-Pi、HCl-Po質(zhì)量分數(shù)占磷素總量的比例，均表現(xiàn)為隨恢復年限的增加而減少的相同趨勢。

土壤殘留磷(R-P)，多指較穩(wěn)定的閉蓄態(tài)磷[15]，一般很難轉(zhuǎn)化為有效態(tài)磷素。由表3可見：不同林齡紅松人工林土壤R-P質(zhì)量分數(shù)為202.48～302.18 mg·kg-1，占磷素總量的15.03%～36.83%，僅次于NaOH-P，是各林地土壤第二大的磷組分；其質(zhì)量分數(shù)變化，表現(xiàn)為隨恢復年限的延長而顯著降低的趨勢；除56年生林地外，各林地土壤R-P質(zhì)量分數(shù)均顯著高于闊葉紅松原始林。

3.3　土壤無機磷和有機磷的總量變化

由見表4可見：不同林齡紅松人工林土壤無機磷和有機磷的總量變化，均表現(xiàn)為隨恢復年限的延長而逐漸顯著增加的一致性規(guī)律，且增幅比例分別達到19.31%、15.06%以上。此外，各人工林地土壤無機磷總量均顯著低于闊葉紅松原始林，而56年生的紅松人工林土壤有機磷總量已達到原始林水平。

試驗結(jié)果表明：小興安嶺紅松人工林的土壤磷庫組成以有機磷為主，占據(jù)有機磷和無機磷總量的73.74%～78.84%；無機磷始終維持在相對較低的水平，僅占21.16%～27.00%。除32、41年生林地間無顯著差異外，其他林地土壤無機磷總量所占磷素總量的比例變化，表現(xiàn)出隨恢復年限的延長而顯著增加；有機磷總量所占比例則顯著減少。與闊葉紅松原始林相比，都仍然具有顯著差異。

此外，土壤碳磷比(w(C)/w(P))能夠反映有機質(zhì)在礦化過程中釋放磷的潛力大小，w(C)/w(P)的值越小說明土壤磷素的礦化水平越高[18]。試驗結(jié)果表明：不同林齡紅松人工林土壤w(C)/w(P)的變化范圍為48.65%～57.34%，除32、41年生林地間無顯著差異外，其他林地之間的土壤w(C)/w(P)的差異均達到顯著水平，其變化規(guī)律表現(xiàn)為隨恢復時間的延長而逐漸降低的趨勢。

表4　各樣地土壤無機磷和有機磷總量

注：KPP21為21年生紅松人工林、KPP32為32年生紅松人工林、KPP41為41年生紅松人工林、KPP56為56年生紅松人工林、CK為闊葉紅松原始林(對照)。表中數(shù)據(jù)為“平均值±標準差”；數(shù)據(jù)后，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

4　結(jié)論與討論

4.1　人工更新對土壤磷庫儲量的影響

土壤全磷是各形態(tài)磷素量的總和，它表征著土壤磷庫的儲量。試驗結(jié)果表明，不同林齡紅松人工林土壤，全磷質(zhì)量分數(shù)、有效磷質(zhì)量分數(shù)、磷素活化系數(shù)，分別為0.93～1.39 g·kg-1、8.70～33.21 mg·kg-1、0.94%～2.39%。與湖南杉木人工林[19]、福建米櫧人工林[20]比較發(fā)現(xiàn)，小興安嶺紅松人工林土壤全磷量充足，且轉(zhuǎn)化為有效磷的能力處于較高水平。通過相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(見表5)，除HCl-Po外，其余形態(tài)磷素均與土壤全磷之間表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說明這些磷素組分質(zhì)量分數(shù)的變化都會對土壤磷庫儲量產(chǎn)生明顯的影響。由表5可見：H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi與土壤全磷的相關(guān)系數(shù)相對較高，并且以無機磷為主，說明高活性的無機磷組分是影響土壤磷庫大小的敏感磷源。而隨著恢復年限的延長，這些組分質(zhì)量分數(shù)的顯著增加是小興安嶺紅松人工林土壤磷庫儲量增大的原因之一。此外，NaOH-Po占不同林齡紅松人工林土壤磷素總量的34.32%～50.08%，是土壤主要的有機磷源，這與楊小燕等[21]研究相吻合，隨著恢復年限的延長，NaOH-Po的質(zhì)量分數(shù)顯著增加也是導致土壤磷庫儲量增大的主要原因。

表5　不同形態(tài)磷素與土壤化學性質(zhì)的相關(guān)系數(shù)

注：Olsen P為有效磷，Total P為全磷，SOM為有機質(zhì)。*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，** 表示極顯著相關(guān)(P<0.01)。

4.2　人工更新對土壤磷有效磷質(zhì)量分數(shù)的影響

通過土壤有效磷與各組分磷之間的相關(guān)分析可知，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi、R-P，均與土壤有效磷之間表現(xiàn)出極顯著的相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，說明這些組分的磷素都在不同程度上影響著土壤有效磷質(zhì)量分數(shù)。此外，通徑分析能夠更加準確地反映出各形態(tài)磷素的相互轉(zhuǎn)化以及對磷有效性的貢獻大小[22]。分析結(jié)果表明，其決定系數(shù)(R2)和剩余系數(shù)(Pe)分別為0.985、0.122，說明對土壤有效磷起貢獻作用的所有重要因素均已基本考慮在內(nèi)。經(jīng)變量剔除后，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Po被保留，表明它們是對土壤有效磷貢獻最大的組分。因此，紅松人工更新對土壤磷素有效性所產(chǎn)生的時效性影響，主要是通過H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Po的質(zhì)量分數(shù)隨恢復年限的延長而顯著增加所實現(xiàn)的。其中，H2O-Pi對土壤有效磷的影響最大，且表現(xiàn)為正面效應，直接通徑系數(shù)為1.104(見表6)，是各形態(tài)磷素間對土壤有效磷貢獻最高的組分，這與穆曉慧等[23]研究結(jié)果相同。其原因是針葉林的凋落物中含有大量的低分子有機酸(草酸、檸檬酸、蘋果酸)，并在淋溶的作用下富集在土壤表層[24]，而低分子有機酸不僅可以消除土壤對磷的吸附位點，并且還能促進難溶性磷酸鹽的溶解，從而使更多的活性磷得以釋放。而隨著恢復年限的延長，林分內(nèi)的凋落物數(shù)量不斷累積，進而增加了低分子有機酸的來源，是土壤H2O-Pi增加的主要原因。

由表6可見：NaHCO3-Pi對土壤有效磷影響的直接通徑系數(shù)雖然為0.310，但是它通過H2O-Pi對有效磷影響的間接通徑系數(shù)卻達到了0.927，說明NaHCO3-Pi對土壤中H2O-Pi的補給起到了重要作用。這是因為腐殖質(zhì)在微生物分解作用下形成的各類腐殖酸，能與磷酸根離子競爭土壤的吸附位點，從而阻止土壤磷的沉淀，并有效抑制土壤對磷的吸附[25]；而NaHCO3-Pi主要吸附在土壤顆粒表面，吸附反應過程中所產(chǎn)生的結(jié)合能相對較低，所以很容易被腐殖酸所取代，形成游離態(tài)的磷進入到土壤溶液中[26]，進而提高土壤有效磷的供應水平；隨著恢復年限的延長，林分內(nèi)凋落物不斷分解累積，進而使土壤腐殖酸的量增加，從而增強了對NaHCO3-Pi的釋放作用。此外，NaOH-Po與土壤有效磷之間表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)達到0.884，但其直接通徑系數(shù)僅為-0.414，而通過H2O-Pi和NaHCO3-Pi對有效磷影響的間接通徑系數(shù)分別為1.065、0.232，說明NaOH-Po不能對有效磷的供給產(chǎn)生直接作用，而是通過轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的磷對有效磷起間接的貢獻；由此證明，NaOH-Po是小興安嶺紅松人工林土壤的潛在有效磷源，這與Hamer et al.[27]研究結(jié)果相吻合。這是因為，NaOH-Po多以土壤磷與鋁離子結(jié)合形成的磷酸鹽構(gòu)成。已有研究表明，紅松人工林隨著恢復年限的延長，土壤中的交換性鋁離子會顯著增加[28]，這促進了與磷酸根離子的共價吸附，進而使土壤潛在的有效磷源不斷增加。研究還發(fā)現(xiàn)，土壤殘留磷的質(zhì)量分數(shù)，隨著恢復年限的延長而顯著降低；相關(guān)分析結(jié)果表明，殘留磷與NaOH-Po間表現(xiàn)出極顯著的負相關(guān)關(guān)系，說明NaOH-Po質(zhì)量分數(shù)的增加與其存在聯(lián)系。這是由于針葉林的根系分泌和凋落物的分解都會營造出較酸的土壤環(huán)境，致使土壤中形態(tài)更穩(wěn)定的磷活化成了相對易溶解的磷素[29-30]，從而對土壤有效磷的質(zhì)量分數(shù)變化產(chǎn)生間接影響。

表6　不同形態(tài)磷素與土壤有效磷的通徑分析

注：決定系數(shù)(R2)為0.985，剩余系數(shù)(Pe)為0.122。Olsen P為有效磷。

綜上所述，小興安嶺紅松人工林表層土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po，是影響土壤全磷量的重要磷源；這些組分的質(zhì)量分數(shù)，隨著恢復年限的延長而顯著增加是導致土壤磷庫儲量增大的主要原因。土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Po，是影響小興安嶺紅松人工林土壤磷有效性的主要磷源，其質(zhì)量分數(shù)均隨著恢復年限的延長而逐漸增加，進而直接或間接地導致了小興安嶺紅松人工林土壤磷素有效性的明顯提高。在影響土壤磷有效性的主要磷源中，H2O-Pi對土壤有效磷影響的直接作用最大；NaHCO3-Pi和NaOH-Po的作用較小，并主要通過H2O-Pi對有效磷影響的間接作用而得以實現(xiàn)。可以認為，紅松人工更新56 a時，其林地土壤有效磷供應能力基本接近紅松原始林的水平。