郭宇豐，曹旭東，朱美娜，楊艷波，王慧梅，王文杰,

(1.東北林業(yè)大學(xué) 化學(xué)化工與資源利用學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中國科學(xué)院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,吉林 長春 130102)

0 引 言

土壤磷以多種途徑參與植物體內(nèi)各種代謝過程，是植物生長發(fā)育的重要限制因子[1-2]，而土壤磷素化學(xué)分級是評價土壤磷庫特征及磷素供應(yīng)狀況及有效性的關(guān)鍵[3]。磷素分級已由早期張守敬和Jackson[4]提出的Al-P、Fe-P、Ga-P和O-P四種形態(tài)發(fā)展到Hedley[5]磷分級體系—按照土壤磷素活性的高低，提取出不同形態(tài)的磷(7種)，其兼顧了無機(jī)磷和有機(jī)磷的土壤磷素分級方法。綜合Tiessen和Sui修正的Hedley磷素分級法[6-7]能較準(zhǔn)確地將土壤磷素分為無機(jī)態(tài)和有機(jī)態(tài)兩大類，按有效性進(jìn)行連續(xù)浸提，將土壤磷素分為9種形態(tài)(NaOH-Po、H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、HCl-Pi、conc.HCl-Pi、conc.HCl-Po和Re-P)，是目前web of science數(shù)據(jù)庫引用最為廣泛的磷組分分級方法。

東北地區(qū)是我國最大的商品糧生產(chǎn)基地，為改善農(nóng)田生態(tài)環(huán)境狀況，國家大力建設(shè)了農(nóng)田防護(hù)林系統(tǒng)。關(guān)于農(nóng)田防護(hù)林土壤改良效益及風(fēng)險評價，在土壤方面更多的集中在土壤養(yǎng)分、碳氮平衡、土壤理化性質(zhì)影響等方面[8-9]。對松嫩平原農(nóng)田防護(hù)林的初步探究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田防護(hù)林建設(shè)后，土壤碳、氮含儲量并未發(fā)生顯著變化，但土壤全磷含量和磷儲量顯著降低[10]。有學(xué)者[11]發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田防護(hù)林能有效增加磷的解吸程度，提高土壤磷素的生物有效性及利用率且土壤磷的解吸量隨林齡增加先降低后增大[12]。整體來看，跨越多個緯度，在較大的東北平原區(qū)尚缺乏楊樹防護(hù)林土壤全磷及其組分的研究，可能影響土壤養(yǎng)分的有效管理。

基于此，本研究擬回答以下問題：(1)東北地區(qū)楊樹防護(hù)林相比農(nóng)田土壤全磷及土壤磷組分發(fā)生了何種變化?P含量及其在不同組分的分配如何？(2)不同地點與土地利用類型間哪個差異更大？(3)對未來農(nóng)田防護(hù)林的土壤養(yǎng)分管理與評價有何建議？對這些科學(xué)問題的回答，將為農(nóng)田防護(hù)林工程的養(yǎng)分管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于我國東北平原的14個地點，分別為富裕、蘭陵、明水、肇州、宋站、杜蒙、赤峰、通遼、奈曼、四平、長嶺、白城、德惠和泰來。氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季短暫、濕熱、降水集中，冬季寒冷干燥而漫長。年均溫3.8～7.6 ℃，年降雨量347～614 mm，農(nóng)田種植作物均為玉米(ZeamaysL.)。防護(hù)林樹種多以小黑楊(Poplussimonii×Poplusnigra)為主[13]，但是不同地區(qū)存在差異；楊樹具體種類鑒定較為困難，本研究并未進(jìn)行細(xì)致劃分。林齡在17～36年之間，主要通過采訪當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門或農(nóng)戶獲得。胸徑在18.2～40.0 cm。土壤pH在6.7～8.9，電導(dǎo)率(EC)介于14.1～103.5 μS·cm-1。土壤類型以黑土、黑鈣土為主，各地土壤分類在野外實測的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步在中國土壤數(shù)據(jù)庫官網(wǎng)查詢驗證(http://vdb3.soil.csdb.cn/)(表1)。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information about the sampling location

1.2 樣品采集

在每個地點選擇3組毗鄰的農(nóng)田、楊樹防護(hù)林配對樣地，用200 cm3環(huán)刀在0～40 cm土壤剖面5點法取樣，取樣農(nóng)田、楊樹防護(hù)林各3份，合計共采集84個土壤樣品。用土壤袋帶回實驗室自然風(fēng)干至恒重，風(fēng)干土研磨過2 mm和0.25 mm土壤篩待用。室內(nèi)為了方便進(jìn)行土壤磷組分分級，把每個地點采集的3個土壤混合為一個土樣。同時野外調(diào)查時用GPS記錄采樣點經(jīng)度、緯度、海拔等信息(表1)。

1.3 土壤磷組分及pH值和電導(dǎo)率測定

綜合Tiessen和Sui等修正的Hedley土壤磷素分級法[6-7]進(jìn)行土壤磷組分測定。具體操作如下：稱取0.5 g過0.25 mm篩的風(fēng)干土樣置于50 ml離心管中，依次加入30 ml的去離子水、0.5 mol·L-1NaHCO3(pH=8.5)、0.1 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1HCl，conc.HCl提取出土壤中各無機(jī)態(tài)土壤磷，之后將NaHCO3，NaOH，conc.HCl提取的無機(jī)磷進(jìn)行H2SO4-H2O2消解，得到對應(yīng)的該形態(tài)全磷，再計算有機(jī)形態(tài)，即水溶性磷(H2O-Pi)、碳酸氫鈉無機(jī)磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氫鈉有機(jī)磷(NaHCO3-Po)、氫氧化鈉無機(jī)磷(NaOH-Pi)、氫氧化鈉有機(jī)磷(NaOH-Po)、稀鹽酸無機(jī)磷(HCl-Pi)、濃鹽酸無機(jī)磷(conc.HCl-Pi)、濃鹽酸有機(jī)磷(conc.HCl-Po)和殘余態(tài)磷(Re-P)共9種，各形態(tài)磷組分含量單位為mg·kg-1。

土壤pH采用Sartorius PB 10型精密酸度計測定；土壤電導(dǎo)率采用DDS-307電導(dǎo)率測定儀測定(土∶水=1∶5)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

除不同磷組分的絕對含量外，對不同組分的含量配比進(jìn)行分析；配比計算為各組分含量除以全磷含量。

14地點數(shù)據(jù)平均值差異也進(jìn)行了統(tǒng)計。具體標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)農(nóng)田、楊樹防護(hù)林的磷組分含量差為±5.0%時，定為農(nóng)田和楊樹防護(hù)林相當(dāng)(農(nóng)=楊計數(shù))；當(dāng)磷組分含量在農(nóng)田高于楊樹5.0%時，定為農(nóng)>楊，并計數(shù)；當(dāng)磷組分含量在農(nóng)田低于楊樹防護(hù)林5.0%時，定為農(nóng)<楊計數(shù)。對14個地點的統(tǒng)計，可以顯示農(nóng)田和楊樹防護(hù)林間的差異趨勢。

使用SPSS 26.0軟件中的配對樣本T檢驗，分析楊樹防護(hù)林和農(nóng)田土壤全磷、磷組分含量的統(tǒng)計學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田、楊樹防護(hù)林土壤全P及其組分含量

如表2所示，研究區(qū)14個地點土壤全磷平均含量為266 mg·kg-1。所有組分中HCl-Pi含量最高，為101 mg·kg-1；其次為NaOH-Po和conc.HCl-Po，含量分別為26.8 mg·kg-1和20.3 mg·kg-1；NaOH-Pi、conc.HCl-Pi、Re-P含量介于8.4～14.9 mg·kg-1；H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po含量在9種磷組分中最低，介于1.4～7.1 mg·kg-1。9種磷組分含量由高到低為HCl-Pi >NaOH-Po>conc.HCl-Po>NaOH-Pi>Re-P>conc.HCl-Pi>NaHCO3-Po>NaHCO3-Po>H2O-Pi。

全磷含量最高的地點是赤峰(594 mg·kg-1)，最低地點是泰來(122 mg·kg-1)，最高值約為最低值的4.9倍。HCl-Pi含量最高的是赤峰(272 mg·kg-1)，最低點是四平(39.6mg·kg-1)，最高值約為最低值的6.9倍；NaOH-Po和conc.HCl-Po，的最高值分別為奈曼(9.45 mg·kg-1)和明水(78.1 mg·kg-1)，最低值分別是泰來(4.7 mg·kg-1)和明水(35.9 mg·kg-1)，最高值分別約為最低值的8.3和7.6倍。全磷和9種磷組分地點間差異遠(yuǎn)大于土地利用間的差異，多數(shù)情況下農(nóng)田、楊樹防護(hù)林間的差異小于2倍，而地點間差異可達(dá)到10倍甚至更高(表2)。

對于全磷及除Re-P以外的8種磷組分，農(nóng)田含量高于楊樹防護(hù)林的地點較多。NaOH-Pi含量表現(xiàn)為農(nóng)田高于楊樹防護(hù)林的有11個地點；全磷和NaHCO3-Pi表現(xiàn)出農(nóng)田含量高于楊樹防護(hù)林的有10個地點；NaHCO3-Po、NaOH-Po、HCl-Pi農(nóng)田含量高于楊樹的分別有8個、8個、和9個地點；H2O-Pi、NaOH-Po、conc.HCl-Pi和conc.HCl-Po農(nóng)田含量高于楊樹的地點分別有6個、8個、6個、6個(表2)。

表2 14個地點農(nóng)田和楊樹防護(hù)林土壤P及其組分絕對含量差異Table 2 The absolute contents of soil P and their components between farmland and adjacent poplar shelterbelt at 14 sites

2.2 農(nóng)田、楊樹防護(hù)林土壤P組分配比

如表3所示，HCl-Pi在全磷中的配比最高，占全磷含量的52.7%；其次為NaOH-Po和conc.HCl-Po，在全磷含量中分別占比14.8%和11.2%；NaOH-Pi、conc.HCl-Pi和Re-P在全磷中的占比分別為6.1%、4.8%和5.1%；H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po 3種組分在全磷中的占比最小，分別為0.5%、2.1%和2.7%。各磷組分對全磷含量的貢獻(xiàn)由大到小依次為：HCl-Pi>NaOH-Po>conc.HCl-Po>NaOH-Pi>Re-P>conc.HCl-Pi>NaHCO3-Po>NaHCO3-Pi>H2O-Pi。

表3 14個地點農(nóng)田和楊樹防護(hù)林土壤P及其組分相對含量差異Table 3 The relative contents of soil P and their components between farmland and adjacent poplar shelterbelt at 14 sites

HCl-Pi在全磷中配比最高的地點是奈曼(79%)，最低的地點是明水(19.2%)，最高值為最低值的4.1倍。NaOH-Po在全磷中配比最高的地點是明水(35.2%)，最低的地點是赤峰(3.51%)，最高值為最低值的10倍。conc.HCl-Pi在全磷中配比最高的地點是四平(9.25%)，最低的地點是赤峰(1.86%)，最高值為最低值的5倍。conc.HCl-Po在全磷中配比最高的地點是宋站(21.6%)，最低的是赤峰(3%)，最高值為最低值的7.1倍。Re-P在全磷中配比最高的地點是明水(32.7%)，最低的地點是泰來(0.34%)，最高點是最低點的96.2倍(表3)。

農(nóng)田和防護(hù)林組分相對配比差異明顯分為兩類，有些組分楊樹防護(hù)林高于農(nóng)田的情況比較普遍，如NaOH-Po，conc.HCl-Po：14個地點中9和8個地點防護(hù)林高于農(nóng)田。其他組分，如NaOH-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和H2O-Pi則相反，表現(xiàn)為農(nóng)田高于楊樹防護(hù)林出現(xiàn)的地點比較多：14個地點中7-10個地點表現(xiàn)為這一趨勢(表3)。

2.3 農(nóng)田和楊樹防護(hù)林土壤磷及其組分配比配對T檢驗分析

如表4所示，農(nóng)田土壤全磷含量為297 mg·kg-1，楊樹防護(hù)林土壤全磷含量為235 mg·kg-1，楊樹防護(hù)林土壤全磷含量相比農(nóng)田顯著降低20.9%(P<0.05)。9種土壤磷組分中，除Re-P外，其余8種土壤磷組分含量均表現(xiàn)為楊樹防護(hù)林低于農(nóng)田的趨勢。其中楊樹防護(hù)林NaHCO3-Pi含量為3.78 mg·kg-1，農(nóng)田含量為5.47 mg·kg-1，楊樹防護(hù)林顯著低于農(nóng)田30.9%(P<0.05)。

表4 農(nóng)田與楊樹防護(hù)林間土壤磷及其組分差異的配對T檢驗分析Table 4 Paired T test on the differences of soil P and its components between farmland and poplar shelterbelt forests

各磷組分在全磷中占比配對T檢驗結(jié)果顯示：NaOH-Pi農(nóng)田、楊樹防護(hù)林間有顯著差異，農(nóng)田高于楊樹防護(hù)林1.7%(P<0.05)。HCl-Pi在全磷中的占比在農(nóng)田中高于楊樹防護(hù)林0.7%，Re-P、NaOH-Po、conc.HCl-Pi含量在全磷中的占比農(nóng)田低于楊樹防護(hù)林0.9%、0.8%和0.6%，其余組分在全磷中的占比在農(nóng)田與楊樹防護(hù)林變化均未超過0.5%(表4)。

以楊樹防護(hù)林相比農(nóng)田的土壤全磷含量變化作為100%，HCl-Pi含量變化對二者土壤全磷的變化貢獻(xiàn)最大，達(dá)到54.1%。其次為NaOH-Pi，貢獻(xiàn)達(dá)25.8%。其余組分貢獻(xiàn)大于5%的有NaHCO3-Pi(5.7%)、NaHCO3-Po(6.7%)，剩下的組分貢獻(xiàn)均小于5%(表4)。

3 討論

楊樹防護(hù)林土壤全磷含量比配對農(nóng)田的土壤全磷含量顯著降低1/5以上，與前人本區(qū)域的研究結(jié)果一致。如Wu等[10]發(fā)現(xiàn)，松嫩平原農(nóng)田楊樹防護(hù)林帶下0～40 cm土層農(nóng)田、楊樹防護(hù)林全磷含量分別為0.41 g·kg-1和0.37 g·kg-1，儲量分別為0.12 kg·m-2和0.1 kg·m-2，楊樹防護(hù)林的含量、儲量均顯著低于農(nóng)田9.8%、16.7%。Zhang等[13]也發(fā)現(xiàn)，東北黑土區(qū)隨小黑楊林齡增加土壤全磷呈下降趨勢：從生長10年的幼林到生長31年的后成熟林土壤全磷含量從大約1.4 g·kg-1降低到0.4 g·kg-1。上述結(jié)果說明楊樹防護(hù)林建設(shè)會導(dǎo)致土壤全磷含量降低，且隨著造林時間延長會逐漸加重。也有研究認(rèn)為，傳統(tǒng)耕作會增加一定的磷素積累，如周寶庫等[14]研究發(fā)現(xiàn)：施肥處理積累的磷素大部分以有效性較高的Ga2+、Ga8+、Al3+形態(tài)積累在土壤中。東北農(nóng)田管理中往往大量施用以磷酸二銨為主的P肥；但本研究未對不同地點農(nóng)田施肥情況進(jìn)行長期監(jiān)測。對Wu等[10]人的實驗樣地在2018年進(jìn)行了重復(fù)采樣，分析結(jié)果確認(rèn)了楊樹防護(hù)林表層土壤全P含量相比對照農(nóng)田降低(結(jié)果未發(fā)表)。本研究對農(nóng)田退耕還林選擇楊樹樹種后土壤全磷的生態(tài)效益評價及風(fēng)險評估提供了參考，在未來楊樹農(nóng)田防護(hù)林土壤養(yǎng)分管理中，應(yīng)加強(qiáng)土壤磷等養(yǎng)分的動態(tài)監(jiān)測。

磷分級結(jié)果明確了哪些組分主要貢獻(xiàn)于土壤全P的降低及可能存在的P養(yǎng)分失調(diào)風(fēng)險。具體來講：

第一：NaHCO3-Pi作為高活性磷組分，相比農(nóng)田，楊樹防護(hù)林降低了近1/3，差異顯著。楊樹相比于農(nóng)作物具有更長的生長周期以及更大的地上生物量，其快速生長需要吸收更多的土壤活性磷組分[12]。杜佳佳[15]發(fā)現(xiàn)，在江蘇省農(nóng)田0～20、20～40 cm土層中NaHCO3-Pi含量分別約為68 mg·kg-1和47 mg·kg-1，而林地僅為47 mg·kg-1和10 mg·kg-1；江西農(nóng)田[15]0～20、20～40 cm土層中NaHCO3-Pi含量分別約為44 mg·kg-1、59 mg·kg-1，林地分別約為28 mg·kg-1、43 mg·kg-1，本研究與上述結(jié)果一致。

第二：NaOH-Pi在全磷中的配比楊樹防護(hù)林顯著低于農(nóng)田1.72%，14個地點中11個表現(xiàn)為類似趨勢。NaOH-P是林地土壤中可轉(zhuǎn)化為有效養(yǎng)分的最主要的潛在磷源，這部分P對全磷降低的總貢獻(xiàn)達(dá)27.3%，其中NaOH-Pi貢獻(xiàn)25.8%，NaOH-Po貢獻(xiàn)1.5%。Zhang等[16]發(fā)現(xiàn)，澳大利亞南洋杉原生林轉(zhuǎn)化為農(nóng)田后土壤有機(jī)磷下降55～63%，轉(zhuǎn)化為草地和人工林后有機(jī)磷減少12.23%，且有機(jī)磷的減少主要與NaOH-Po組分(相對有效磷)的減少有關(guān)。

第三：HCl-Pi含量在所有組分中最高，其含量變化貢獻(xiàn)了全磷含量變化的54.1%(表4)。HCl-Pi是指鈣結(jié)合態(tài)磷，極為穩(wěn)定，很難被植物吸收利用。武玉[17]研究發(fā)現(xiàn)，堿性土壤中磷主要以HCl-Pi形態(tài)存在。本研究結(jié)果與武玉一致，東北地區(qū)農(nóng)田防護(hù)林區(qū)域土壤以鹽堿土為主，如本研究楊樹防護(hù)林土壤鹽堿度指標(biāo)pH、EC楊樹防護(hù)林均高于農(nóng)田(表1)。Wu等[12]也發(fā)現(xiàn)楊樹防護(hù)林建設(shè)后導(dǎo)致土壤鹽堿化加重。俞琳鶯[18]研究發(fā)現(xiàn)，pH值和EC與土壤有效磷含量呈顯著負(fù)相關(guān)。楊樹防護(hù)林導(dǎo)致的土壤鹽堿化程度加重應(yīng)該與防護(hù)林土壤磷降低緊密相關(guān)。

此外，統(tǒng)計分析顯示農(nóng)田和楊樹防護(hù)林之間達(dá)到顯著差異的結(jié)果較少，其原因可能在于地點間差異遠(yuǎn)大于農(nóng)田、楊樹防護(hù)林間的差異。這些地點間的組內(nèi)差異遮蔽了不同處理間的差異，導(dǎo)致統(tǒng)計效力降低。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，多數(shù)情況下農(nóng)田和楊樹防護(hù)林間的差異小于2倍，而地點間差異可達(dá)到10倍甚至更高(表2和表3)。因此，分析大范圍農(nóng)田和楊樹防護(hù)林間全磷含量及組分差異時，需要充分有效去除地點間差異。在不同去除地點影響的分析方法中，本研究發(fā)現(xiàn)配對T檢驗?zāi)馨l(fā)現(xiàn)部分顯著差異。本研究中測試的方法還包括協(xié)方差分析(把經(jīng)緯度海拔和樹木大小的影響作為協(xié)變量，分析農(nóng)田和防護(hù)林間的差異)和簡單方差分析(直接分析農(nóng)田和防護(hù)林差異，不考慮地點影響)，但二者均未發(fā)現(xiàn)差異(數(shù)據(jù)未列出)。整體來看T檢驗具有較大的去除地點間影響的效力[10]。

4 結(jié)論

對于東北平原農(nóng)田楊樹防護(hù)林，楊樹防護(hù)林土壤全磷含量低于農(nóng)田土壤。9種磷組分中，高活性磷組分NaHCO3-Pi含量楊樹防護(hù)顯著低于農(nóng)田，而中低活性磷組分NaOH-Pi、HCl-Pi對全磷含量的降低分別貢獻(xiàn)了25.8%和54.0%。在未來的經(jīng)營管理中需精準(zhǔn)監(jiān)測P及組分的含量變化，以防楊樹防護(hù)林生長帶來的P消耗及組分失衡風(fēng)險。