崔宇鴻,張錢(qián)春,燕 羽,蔣晨陽(yáng),樊容源,葉紹明

(廣西大學(xué) 林學(xué)院,南寧 530004)

磷素是植物生長(zhǎng)不可缺少的營(yíng)養(yǎng)元素,是蛋白質(zhì)、ATP、DNA、RNA等生物大分子的關(guān)鍵構(gòu)成元素,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)過(guò)程中主要從土壤獲取磷素,土壤中的磷素依據(jù)化學(xué)形態(tài)特征可分為有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷兩種形態(tài)[2]。然而,土壤中絕大部分磷素具有難溶解和難移動(dòng)等特點(diǎn),有研究表明,只有少部分溶于土壤溶液的無(wú)機(jī)磷和少部分能溶于水的有機(jī)磷能直接被植物同化利用,因此磷素被認(rèn)為是限制植物生產(chǎn)力的重要因素之一[3-4]。土壤磷素很大一部分以有機(jī)磷的形式存在,土壤有機(jī)磷占土壤總磷的20%～80%,其活性大小與土壤供磷能力密切相關(guān),有機(jī)磷可被磷酸酶、有機(jī)酸和土壤微生物礦化成無(wú)機(jī)磷供植物獲取利用,因此有機(jī)磷可視為土壤中的潛在有效磷庫(kù)[5]。根據(jù)Bowman和Cole提出的土壤有機(jī)磷連續(xù)浸提分級(jí)法,可以將土壤有機(jī)磷分為活性有機(jī)磷、中度活性有機(jī)磷、中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷,其中活性有機(jī)磷較易發(fā)生礦化,最容易被植物吸收利用;中度活性有機(jī)磷需要在一定的激發(fā)條件引導(dǎo)下才能發(fā)生礦化;中穩(wěn)性有機(jī)磷在酸性條件下會(huì)溶解,很難發(fā)生礦化;高穩(wěn)性有機(jī)磷最難發(fā)生礦化[6]。由于亞熱帶地區(qū)以酸性紅壤為主,土壤中富含的Fe、Al、Ca等礦物質(zhì)對(duì)磷素具有較高的固定和吸附能力,進(jìn)一步加深了亞熱帶森林生態(tài)系統(tǒng)的有效磷短缺[1]。因此,對(duì)亞熱帶地區(qū)紅壤中的有機(jī)磷組分分布特征進(jìn)行研究,有助于實(shí)現(xiàn)土壤磷的可持續(xù)循環(huán)。

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,是土壤養(yǎng)分穩(wěn)定和保護(hù)的重要載體,影響著土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性[7]。根據(jù)形成和穩(wěn)定機(jī)制的不同,將土壤團(tuán)聚體劃分為大團(tuán)聚體(>0.25 mm)和小團(tuán)聚體(≤0.25 mm)[8],不同粒徑大小的土壤團(tuán)聚體對(duì)磷素的吸附、保持和供應(yīng)能力存在明顯差異,因此,其組成比例會(huì)影響cv土壤磷素水平的高低[9]。比如細(xì)小顆粒物質(zhì)含有更多的活性有機(jī)磷和易礦化有機(jī)磷[10];在砂姜黑土之中有機(jī)磷主要存在于<0.005 m粒徑中,不同有機(jī)磷組分含量隨粒徑的減小而增大[11];在>2 mm粒徑的團(tuán)聚體中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性的含量高于小團(tuán)聚體,而活性有機(jī)磷和中度活性有機(jī)磷的含量在>2 mm和<0.5 mm粒徑中均較高[12]。同時(shí)團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定過(guò)程十分復(fù)雜,除了受自然條件影響外,還受人為活動(dòng)的嚴(yán)重影響,導(dǎo)致不同地區(qū)的土壤團(tuán)聚體組成比例有明顯不同[13]。有研究表明,桉樹(shù)或馬尾松人工純林與固氮樹(shù)種混交種植后土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷的含量顯著增加[14]。因此,評(píng)估亞熱帶地區(qū)杉木純林和混交林不同粒徑土壤團(tuán)聚體中有機(jī)磷組分的含量和其組成比例的差異,對(duì)于系統(tǒng)了解杉木人工林經(jīng)營(yíng)過(guò)程中有機(jī)磷在土壤團(tuán)聚體中的滯留-釋放機(jī)制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

杉木(Cunninghumialanceolata)是中國(guó)特有的亞熱帶速生豐產(chǎn)樹(shù)種,具有生長(zhǎng)周期短、材質(zhì)優(yōu)良、產(chǎn)量高、繁殖易等特點(diǎn)[15],在中國(guó)亞熱帶地區(qū)有悠久廣泛的種植歷史。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示,杉木在中國(guó)的栽植面積已超1 000萬(wàn)hm2,約占中國(guó)人工林總栽植面積的26.5%和世界人工林總面積的5%,在中國(guó)林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)建設(shè)中具有舉足輕重的地位[16]。

然而,為了追求生產(chǎn)力杉木人工林長(zhǎng)期以純林形式經(jīng)營(yíng)并多代連栽,導(dǎo)致林分結(jié)構(gòu)單一、地力衰退、養(yǎng)分循環(huán)失調(diào)和生產(chǎn)力下降等一系列生態(tài)問(wèn)題,嚴(yán)重影響了杉木人工林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)[17]。對(duì)此,許多學(xué)者對(duì)如何提高杉木人工林生產(chǎn)力開(kāi)展了諸多研究并取得了一系列研究成果,研究發(fā)現(xiàn)營(yíng)造混交林在提高人工林土壤肥力、改善養(yǎng)分循環(huán)、豐富林分結(jié)構(gòu)、增加物種多樣性和提高生產(chǎn)力等方面均有明顯優(yōu)勢(shì)[18]。但目前對(duì)于杉木混交林土壤養(yǎng)分的研究多集中于傳統(tǒng)的生態(tài)化學(xué)計(jì)量分析或簡(jiǎn)單的元素測(cè)定,并未對(duì)土壤團(tuán)聚體中不同有機(jī)磷組分分布特征進(jìn)行深入探討,是否能通過(guò)各形態(tài)有機(jī)磷在不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體中的分布及循環(huán)特征反映林分的生長(zhǎng)狀態(tài)仍不明確。因此,本研究以廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心大青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的杉木-米老排(Mytilarialaosensis)混交林、杉木-火力楠(Micheliamacclurei)混交林以及杉木純林為研究對(duì)象,開(kāi)展不同混交林分杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體的有機(jī)磷組分分布及變化特征的研究,從土壤團(tuán)聚體的角度揭示有機(jī)磷組分對(duì)不同林分類(lèi)型的響應(yīng)特征。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)(106°41′-106°59′E,21°57′-22°16′N(xiāo)),屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫為20～22 ℃,最高氣溫為40.3 ℃,最低氣溫為-1.3 ℃,每年10 ℃以上的積溫為6 000～7 600 ℃,全年日照時(shí)間1 218～1 620 h。降水充沛,年平均降水量1 200～1 500 m,平均相對(duì)濕度在80%以上,降水主要集中在4—10月。地形地貌以低山丘陵為主,土壤類(lèi)型主要為紅壤,成土母巖主要為砂巖,研究區(qū)域的森林植被主要包括杉木、火力楠和米老排等。

1.2 樣地設(shè)置與樣品采集

2019年6月,對(duì)中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院熱帶林業(yè)中心大青山實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的杉木純林及混交林進(jìn)行全面綜合考察,在野外實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同杉木林分的地質(zhì)、地貌、地形和施肥情況等條件進(jìn)行綜合考慮,選擇成土母質(zhì)相同、坡向坡度相似、海拔基本一致、地塊位置比較集中、施肥管理水平基本一致的杉木純林(Ⅰ)、杉木-火力楠混交林(Ⅱ)和杉木-米老排混交林(Ⅲ)為采樣對(duì)象(表1)。選為采樣對(duì)象的林分林齡均為27年,于1992年?duì)I造,種植行間距均為2 m×3 m,郁閉度為0.85,杉木-火力楠混交林和杉木-米老排混交林的混交比例均為3∶1,在3個(gè)林分類(lèi)型種植過(guò)程中,均按照近自然林經(jīng)營(yíng)原則管理,未受到重大病蟲(chóng)害和自然災(zāi)害的影響。

表1 不同林分類(lèi)型樣地基本情況

在每個(gè)杉木林分類(lèi)型按隨機(jī)原則設(shè)置5個(gè)30 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣方,相鄰樣方間距離300 m,共15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣方。每個(gè)樣方每按“S”形設(shè)置5個(gè)采樣點(diǎn),取土樣前在每個(gè)采樣點(diǎn)的土壤表面收集1 m2的凋落物樣品,之后從表層向下在0-20 cm和20-40 cm土層采集原狀土樣,將各個(gè)采樣點(diǎn)采集的土壤按土層混合,每個(gè)林分類(lèi)型得到10份混合土樣,共30份土樣(5個(gè)樣方×2個(gè)土層×3個(gè)林分類(lèi)型)。同時(shí),另用環(huán)刀在0-20 cm和20-40 cm土層采集原狀土樣。

為避免土樣團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)破壞,將采集好的原狀土樣裝入鋁盒帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將每一份混合土樣沿其自然結(jié)構(gòu)輕輕分開(kāi),過(guò)10 mm篩除去小石塊和動(dòng)植物殘?bào)w等,置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處風(fēng)干。風(fēng)干后的土樣一部分用于測(cè)定全土基本理化性質(zhì)(表2);另一部分依據(jù)沙維洛夫干篩法[19]分離成>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體用于測(cè)定各形態(tài)有機(jī)磷含量。

表2 不同杉木林分類(lèi)型土壤理化性質(zhì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

土壤容重采用環(huán)刀法,pH值采用電位法(水土比1∶2.5),全磷采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法[20],有機(jī)磷組分采用Bowman等[6]提出的有機(jī)磷分級(jí)方法進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD,mm)和幾何平均直徑(GMD,mm)的計(jì)算公式分別[21]為:

(1)

(2)

式中:DMWD為土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(mm);DGMD為幾何平均直徑(mm);di為第i粒徑團(tuán)聚體直徑的平均值(mm);wi為第i粒徑團(tuán)聚體的重量百分含量(%)。

土壤有機(jī)磷儲(chǔ)量(SSP,g/m2)的計(jì)算公式[22]為:

SSP=∑(Wi×Pi)×ρ×H×10

(3)

式中:Wi為第i粒徑團(tuán)聚體的重量百分含量(%);Pi為第i粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)磷含量(g/kg);ρ為土壤容重(g/cm3);H為土壤厚度(cm)。

各粒級(jí)團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)磷的貢獻(xiàn)率(R,%)計(jì)算公式[23]為:

(4)

式中:SSP,i為第i粒級(jí)團(tuán)聚體有機(jī)磷儲(chǔ)量(g/m2);SSP為全土有機(jī)磷儲(chǔ)量(g/m2)。

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 27.0和Excel 365進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用單因素方差分析和多重比較法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性比較(P<0.05),圖表均采用Origin 2021進(jìn)行制作。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤團(tuán)聚體組成及穩(wěn)定性特征

不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體分布規(guī)律如圖1所示,從圖1中可知,同一林分同一土層內(nèi)>2 mm粒徑團(tuán)聚體占比顯著高于其余粒徑團(tuán)聚體,并且團(tuán)聚體占比隨著粒徑減小呈減小趨勢(shì)。

不同大寫(xiě)字母表示數(shù)據(jù)在同一土層不同林分類(lèi)型差異顯著(P<0.05)。不同小寫(xiě)字母表示數(shù)據(jù)在同一土層不同粒徑團(tuán)聚體間差異顯著(P<0.05)。下同。

而不同的杉木林分類(lèi)型對(duì)土壤團(tuán)聚體組成也有顯著影響,在0-20 cm和20-40 cm土層,不同林分類(lèi)型的>2 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占比均表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,除了20-40 cm土層的2～1 mm粒徑,其余2～1 mm粒徑和1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占比均表現(xiàn)為Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ。

不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性指標(biāo)如表3所示,在0-20 cm土層和20-40 cm土層中,各林分類(lèi)型土壤MWD、GWD均表現(xiàn)為Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。

表3 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性

2.2 土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷組分含量

不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷組分含量分布如圖2所示,在各土層中,各林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷組分含量均表現(xiàn)為0-20 cm土層高于20-40 cm土層,且除20-40 cm土層的活性有機(jī)磷和2個(gè)土層的高穩(wěn)性有機(jī)磷外均隨著粒徑減小呈增加趨勢(shì)。不同林分類(lèi)型活性有機(jī)磷含量均表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ;中度活性有機(jī)磷含量在0-20 cm土層中的>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm粒徑表現(xiàn)為林分Ⅱ顯著高于Ⅰ和Ⅲ,在20-40 cm土層中的>2 mm、1～0.25 mm粒徑表現(xiàn)為林分Ⅱ顯著高于Ⅰ和Ⅲ;中穩(wěn)性有機(jī)磷含量在0-20 cm土層中表現(xiàn)為林分Ⅱ和Ⅲ顯著高于Ⅰ,在20-40 cm土層中表現(xiàn)為林分Ⅱ顯著高于Ⅰ和Ⅲ;高穩(wěn)性有機(jī)磷含量在0-20 cm土層中除2～1 mm和<0.25 mm粒徑外林分Ⅰ均顯著低于林分Ⅱ和Ⅲ,在20-40 cm土層中除<0.25 mm粒徑外林分Ⅱ均顯著高于林分Ⅰ和Ⅲ,且高穩(wěn)性有機(jī)磷主要分布于大粒徑團(tuán)聚體中。

2.3 土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷組分儲(chǔ)量及貢獻(xiàn)率

不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷組分儲(chǔ)量及貢獻(xiàn)率分布如圖3所示,在各土層中,不同林分類(lèi)型土壤有機(jī)磷組分儲(chǔ)量除0-20 cm土層的高穩(wěn)性有機(jī)磷外,均表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,且同一林分有機(jī)磷組分儲(chǔ)量表現(xiàn)為0-20 cm土層高于20-40 cm。在0-20 cm土層,同一林分內(nèi)>2 mm粒徑團(tuán)聚體的各組分有機(jī)磷儲(chǔ)量和貢獻(xiàn)率均高于其他粒徑,而在20-40 cm土層,只有林分Ⅱ內(nèi)>2 mm粒徑團(tuán)聚體的各組分有機(jī)磷儲(chǔ)量和貢獻(xiàn)率均高于其他粒徑,林分Ⅰ、Ⅲ內(nèi)各組分有機(jī)磷主要分布在>2 mm、2～1 mm和1～0.25 mm粒徑。同時(shí)在0-20 cm和20-40 cm土層中,各林分<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的各組分有機(jī)磷儲(chǔ)量和貢獻(xiàn)率均小于其他粒徑。

2.4 土壤團(tuán)聚體特征與有機(jī)磷組分儲(chǔ)量的關(guān)系

不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體特征與有機(jī)磷組分儲(chǔ)量的相關(guān)性分析結(jié)果如圖4所示,在0-20 cm土層中,活性有機(jī)磷和中穩(wěn)定性有機(jī)磷儲(chǔ)量與>2 mm粒徑團(tuán)聚體、<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體、MWD和GMD呈極顯著正相關(guān),其余呈極顯著負(fù)相關(guān);中度活性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷儲(chǔ)量與>2 mm粒徑團(tuán)聚體、<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體、MWD和GMD呈顯著正相關(guān),其中中度活性有機(jī)磷與1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān),高穩(wěn)性有機(jī)磷與2～1 mm粒徑團(tuán)聚體呈顯著負(fù)相關(guān)。20-40 cm土層整體相關(guān)性趨勢(shì)與0-20 cm土層一致,但整體顯著性更明顯,除了高穩(wěn)性有機(jī)磷與<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)外,其余皆為極顯著相關(guān)。

>2 mm表示>2 mm粒徑團(tuán)聚體占比;2～1 mm表示2～1 mm粒徑團(tuán)聚體占比;1～0.25 mm表示1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占比;<0.25 mm表示<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占比;MWD.土壤團(tuán)聚體平均重量直徑;GMD.土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑;LO-P.活性有機(jī)磷儲(chǔ)量;MLO-P.中度活性有機(jī)磷儲(chǔ)量;MSO-P.中穩(wěn)性有機(jī)磷儲(chǔ)量;HSO-P.高穩(wěn)性有機(jī)磷儲(chǔ)量。下同。

不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體特征與有機(jī)磷組分儲(chǔ)量的冗余分析結(jié)果如圖5所示,其結(jié)果與相關(guān)性分析(圖4)相似。在0-20 cm土層和20-40 cm土層中,第一主軸和第二主軸分別解釋變量的62.22%和94.78%、18.53%和0.8%,土壤環(huán)境因子分別解釋了80.75%和95.59%的總特征值,說(shuō)明其對(duì)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性及粒徑分布有顯著影響。其中>2 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體與有機(jī)磷各組分儲(chǔ)量呈顯著正相關(guān)性,而2～1 mm和1～0.25 mm與有機(jī)磷各組分儲(chǔ)量呈顯著負(fù)相關(guān)性。在0-20 cm和20-40 cm土層中,2～1 mm和1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體都是影響土壤團(tuán)聚體特征的主要因子,其分別解釋了土壤團(tuán)聚體特征變化的56.5%、17%和2.6%、91%。

圖5 不同杉木林分類(lèi)型土壤團(tuán)聚體特征與有機(jī)磷組分儲(chǔ)量的冗余分析

3 討 論

3.1 土壤團(tuán)聚體組成與穩(wěn)定性特征

土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的基本單元,其組成比例與穩(wěn)定性是評(píng)價(jià)土壤結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo),穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)能提高土壤肥力和抗侵蝕能力[24],其中土壤團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、土壤團(tuán)聚體平均幾何直徑(GMD)是評(píng)價(jià)土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的常用指標(biāo),MWD、GMD越高,土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性就越高[25],而土壤顆粒在持久性有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的作用下能形成<0.25 mm的微團(tuán)聚體,其具有良好的抗機(jī)械破壞性和調(diào)節(jié)土壤水熱調(diào)節(jié)能力,之后在暫時(shí)性有機(jī)膠結(jié)物質(zhì)的作用下逐步形成>0.25 mm的大團(tuán)聚體,因此團(tuán)聚體的比例同樣能反映不同林分類(lèi)型土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[26]。在本研究中,3種杉木林分類(lèi)型土壤均以粒徑>0.25 mm的大團(tuán)聚體為主,<0.25 mm的微團(tuán)聚體分布較少,說(shuō)明3種林分類(lèi)型的土壤團(tuán)聚性較強(qiáng)、分散性較弱,但這種現(xiàn)象隨著土層加深呈現(xiàn)出相反趨勢(shì)。0-20 cm土層和20-40 cm土層的>2 mm粒徑團(tuán)聚體和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占比表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,同時(shí)MWD、GMD也表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,說(shuō)明營(yíng)造杉木-火力楠和杉木-米老排混交林會(huì)對(duì)土壤團(tuán)聚體的分布格局和穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯影響,混交林的土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)相比純林更為穩(wěn)定。這是因?yàn)樯寄净旖涣值牡蚵湮飻?shù)量顯著高于杉木純林,大量凋落物的分解增加了土壤活性有機(jī)質(zhì)的積累,有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用能夠促進(jìn)大團(tuán)聚體的形成,提高團(tuán)聚體穩(wěn)定性,同時(shí)大量凋落物能夠減少表層土壤大團(tuán)聚體受到雨水和地表徑流的沖刷,保護(hù)大團(tuán)聚體的穩(wěn)定[27]。

3.2 土壤團(tuán)聚體中有機(jī)磷組分分布特征

土壤磷與團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定緊密相關(guān)[25],而有機(jī)磷是土壤磷庫(kù)的重要組成部分,有研究表明有機(jī)磷能夠代表表層土壤中超過(guò)50%的全磷,尤其是在森林生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中[28]。在本研究中,各土層中林分Ⅰ土壤容重皆顯著高于林分Ⅱ、Ⅲ,這是由于速生樹(shù)種在生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致林下土壤更為緊實(shí),而混交林土壤中交錯(cuò)的根系能很好的疏松土壤,這導(dǎo)致土壤容重更小,混交林疏松多孔的土壤更利于養(yǎng)分的儲(chǔ)存[29]。有機(jī)磷在土壤中主要分布在較小粒徑的團(tuán)聚體中,除高穩(wěn)性有機(jī)磷外,其余有機(jī)磷組分含量與粒徑大小成反比,<2 mm粒徑團(tuán)聚體的含量顯著高于>2 mm粒徑團(tuán)聚體中的含量。這是由于相較大粒徑團(tuán)聚體,小粒徑團(tuán)聚體擁有更多與有機(jī)磷結(jié)合的位點(diǎn),在質(zhì)量相同的情況下,粒徑越小的土壤團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)磷的吸附能力越強(qiáng)[30]。同時(shí)土壤中的黏粒礦物多包含在小粒徑團(tuán)聚體中,增強(qiáng)了小粒徑團(tuán)聚體對(duì)有機(jī)磷的吸附能力[31]。文倩等[32]的研究結(jié)果表明活性有機(jī)磷隨粒徑的減小其相對(duì)含量增加,與本研究結(jié)果相似,同時(shí)活性有機(jī)磷和中度活性有機(jī)磷與土壤速效磷和有效磷的關(guān)系密切[10],因此,<2 mm粒徑團(tuán)聚體中吸附與保持的磷有效性更高,更利于植物利用吸收。

同時(shí)在本研究中,0-20 cm土層土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷組分含量顯著高于20-40 cm土層,且絕大部分情況下林分Ⅱ、Ⅲ顯著高于Ⅰ,說(shuō)明混交能有效的提高土壤團(tuán)聚體有機(jī)磷含量。這是由于土壤養(yǎng)分一部分來(lái)源于凋落物分解,而混交林中凋落物生物量更多,且火力楠、米老排林下表層土壤細(xì)根生物量大,枯死細(xì)根的養(yǎng)分歸還量大,凋落物和細(xì)根分解向土壤歸還了大量的養(yǎng)分[33]。土壤中的磷一部分來(lái)源于成土母質(zhì),同一塊研究區(qū)域的成土母質(zhì)和水熱條件變化不大,但是混交林中更豐富的凋落物使土壤表層的有機(jī)質(zhì)及微生物活性增加,促進(jìn)了磷素的轉(zhuǎn)換,并削弱雨水和地表徑流的影響,減少磷素的流失,使土壤整體磷素含量增加[27]。

因?yàn)橥寥懒姿貎?chǔ)量的分布特征與不同粒徑土壤團(tuán)聚體的有機(jī)磷含量以及土壤團(tuán)聚體的組成比例密切相關(guān)[34],所以在本研究中,除0-20 cm土層的高穩(wěn)性有機(jī)磷外,各土層有機(jī)磷組分儲(chǔ)量皆表現(xiàn)為林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,且0-20 cm土層顯著高于20-40 cm土層。雖然>2 mm粒徑團(tuán)聚體的有機(jī)磷含量在4個(gè)粒徑中最低,但是由于其粒徑占比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他粒徑,導(dǎo)致在林分Ⅱ中,>2 mm粒徑團(tuán)聚體對(duì)土壤有機(jī)磷各組分的貢獻(xiàn)率皆最高,而在林分Ⅰ、Ⅲ中,>2 mm粒徑團(tuán)聚體只在0-20 cm土層表現(xiàn)出最高的貢獻(xiàn)率,在20-40 cm土層,各有機(jī)磷組分貢獻(xiàn)率主要在>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體中達(dá)到最高。說(shuō)明在杉木-火力楠混交林中,>2 mm粒徑團(tuán)聚體是保存有機(jī)磷組分的主要載體,在杉木純林和杉木-米老排混交林中,>0.25 mm粒徑團(tuán)聚體才是有機(jī)磷組分的主要載體。

3.3 土壤團(tuán)聚體分布特征與有機(jī)磷組分儲(chǔ)量間的關(guān)系

研究結(jié)果(圖4)顯示,在0-20 cm土層中>2 mm、<0.25 mm粒徑土壤團(tuán)聚體與活性有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷呈極顯著正相關(guān),與中度活性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷呈顯著正相關(guān),而2～1 mm粒徑團(tuán)聚體與活性有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷呈極顯著負(fù)相關(guān),與中度活性有機(jī)磷呈顯著負(fù)相關(guān),1～0.25 mm粒徑團(tuán)聚體與活性有機(jī)磷和中穩(wěn)性有機(jī)磷呈極顯著負(fù)相關(guān),與高穩(wěn)性有機(jī)磷呈顯著負(fù)相關(guān),與Kurmi等[35]的研究結(jié)果一致。20-40 cm土層的整體相關(guān)性趨勢(shì)與0-20 cm土層相同,顯著性更明顯,除了高穩(wěn)性有機(jī)磷與<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體呈顯著正相關(guān)外,其余皆為極顯著相關(guān)。結(jié)果表明土壤中>2 mm、<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的占比越高,土壤有機(jī)磷組分的儲(chǔ)量就越高,這是由于微團(tuán)聚體的有機(jī)磷組分含量在各個(gè)粒徑中最高,提高其占比能直接提高全土儲(chǔ)量,同時(shí)微團(tuán)聚體在有機(jī)質(zhì)的膠結(jié)作用下形成大團(tuán)聚體,大團(tuán)聚體的形成過(guò)程中將有機(jī)質(zhì)與外界隔離,提供物理保護(hù),減少了有機(jī)磷的損失,間接提高全土儲(chǔ)量[24]。因此,如果土壤中較小粒徑團(tuán)聚體占比較大,本身其有機(jī)磷含量較低,土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性又較低,有機(jī)磷沒(méi)有足夠的保護(hù),全土有機(jī)磷儲(chǔ)量會(huì)大大減少。

冗余分析的結(jié)果表明,在0-20 cm土層,活性有機(jī)磷和中度活性有機(jī)磷是影響土壤穩(wěn)定性的主要因素,而在20-40 cm土層,中穩(wěn)性有機(jī)磷和高穩(wěn)性有機(jī)磷是影響土壤穩(wěn)定性的主要因素?？赡苁且?yàn)樵?-20 cm土層,凋落物的分解、動(dòng)物和人類(lèi)的活動(dòng)對(duì)土壤造成的影響更大,活性有機(jī)磷和中度活性有機(jī)磷得到較多補(bǔ)充,活性有機(jī)磷與穩(wěn)性有機(jī)磷儲(chǔ)量差距較大,而在20-40 cm土層,土壤環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,各組分有機(jī)磷儲(chǔ)量差距相對(duì)較小。

4 結(jié) 論

研究結(jié)果表明,相較于純林,杉木混交林林下的土壤全磷含量更高,土壤結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定,各有機(jī)磷組分含儲(chǔ)量也更高。此外,在團(tuán)聚體尺度上,3個(gè)林分土壤有機(jī)磷含量隨粒徑的減少而增加,同時(shí)>2 mm、<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體占比與各有機(jī)磷組分儲(chǔ)量呈正顯著相關(guān),土壤穩(wěn)定性指標(biāo)與各有機(jī)磷組分儲(chǔ)量也表現(xiàn)此規(guī)律。因此,在保持土壤穩(wěn)定的基礎(chǔ)上,可通過(guò)適當(dāng)提高>2 mm和<0.25 mm粒徑團(tuán)聚體的占比以提高土壤有機(jī)磷儲(chǔ)量。本研究結(jié)果表明,選擇合適的闊葉樹(shù)種與杉木混交,例如營(yíng)造杉木-火力楠混交林,能更好地改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性,并提高土壤有機(jī)磷的儲(chǔ)量。