探討表層土壤磷有效性與植被自然恢復的關係

摘要：在黑龍江涼水國家級自然保護區（47°10′50″N，128°53′20″E）內，按照小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地植被自然恢復過程中森林進展演替的次序，分別選擇立地條件相近的毛榛子灌叢、軟闊葉林、軟硬闊混交林、硬闊葉林、紅松原始林（為對照）為試驗地；在每種植被型別內佈設3塊20m×30m的樣地，在每個樣地內用5點法採集0～10cm土層的土壤樣品，採用改進的Hedley磷分級方法測定土壤樣品中各組分磷的質量分數，分析小興安嶺地區闊葉紅松林皆伐跡地上自然恢復的主要次生植被型別之間及與對照之間表層土壤磷素有效性的差異。結果表明：除酸溶性有機磷（HCl-Po）外，其餘組分磷質量分數均與土壤全磷總質量分數呈顯著正相關關係（P<0。05），是決定闊葉紅松林土壤磷庫儲量的重要磷源。高活性的水溶性磷（H2O-Pi）、碳酸氫鈉無機磷（NaHCO3-Pi）、中活性的氫氧化鈉磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）質量分數的大小對土壤有效磷質量分數的高低有顯著影響。小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地植被自然恢復，主要透過NaHCO3-Pi的直接作用、NaOH-Pi和NaOH-Po的間接影響，顯著提升表層土壤磷素有效性。

關鍵詞： 森林土壤 森林更新 植被恢復 自然地理學 闊葉紅松林

土壤磷是植物生長髮育必需的礦質營養元素，大部分的磷易被吸附固定而形成各種穩定的無機、有機態組分；由於這些組分的磷，必須經過長時間的分解釋放才能滿足植被的生長需求，所以導致了有效磷佔磷素總量的比例很低［1］。因此，對不同形態土壤磷含量的測定，分析、瞭解土壤磷有效性的變化規律，已成為當前退化森林生態系統生態修復領域研究的熱點［2］。

闊葉紅松林是我國小興安嶺林區地帶性的原始植被，由於歷史上過度的人為干擾導致原始的闊葉紅松林消耗殆盡。火燒和皆伐跡地經過植被自然恢復，形成了不同演替階段的各種次生植被型別。已有研究發現，森林自然恢復過程中，植被型別的更替會對土壤物理結構、化學性質、生物特徵等方面產生顯著影響，從而導致磷在土壤中的迴圈過程產生較為明顯的差異變化［3，4，5，6］。迄今，以往有關土壤磷有效性動態變化的研究，多集中在人工更新方面，而對於土壤各組分磷含量在植被自然恢復過程中的變化規律尚不明確。因此，本研究以小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地上經植被自然恢復形成的毛榛子灌叢、軟闊葉林、軟硬闊混交林、硬闊葉林以及紅松原始林為物件，採用空間代替時間的方法，研究不同形態磷質量分數的變化規律以及對磷庫儲量和有效性的影響，旨在為深入系統研究闊葉紅松林區植被自然恢復過程中林地土壤磷有效性及動態變化提供參考。

1、研究區自然概況

研究地點位於黑龍江涼水國家級自然保護區（47°10′50″N，128°53′20″E），屬典型溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫-0。3℃，有效積溫2200～2600℃，無霜期100～120d；年均降水量676mm，年均蒸發量805。4mm，空氣相對溼度78%。植被型別以紅松原始林為主，逆行演替和進展演替共同作用的結果，形成了以山楊、白樺為主的軟闊葉天然林，以水曲柳、胡桃楸、黃檗、紫椴、色木槭為主的硬闊葉天然林，以紅松、落葉松、紅皮雲杉為建群種的人工林。地帶性土壤型別為暗棕壤，隱域分佈有草甸土、沼澤土等。

2、研究方法

2。1樣地設定與土樣採集

在研究區內，按照小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地植被自然恢復過程中森林進展演替的次序，分別選擇立地條件相近的毛榛子灌叢、軟闊葉林、軟硬闊混交林、硬闊葉林以及紅松原始林（對照）作為試驗地（見表1），每種植被型別佈設3塊20m×30m的樣地；在每個樣地內用5點法採集0～10cm土層的土壤樣品，自然風乾後過2mm土壤篩，用四分法制備混合樣，用於土壤基本化學性質和不同形態磷質量分數的測定。

表1試驗地林分特徵及土壤化學性質

注：“紅”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；“黃”為黃檗；pH值為1∶2。5H2O水浸提測定結果。

2。2評價指標測定方法

採用Suietal。［7］改進的Hedley土壤磷分級法，稱取0。5g過2mm篩的風乾土樣置於離心管中，逐級加入30mL的去離子水、0。5mol·L-1NaHCO3、0。1mol·L-1NaOH、1mol·L-1HCl，依次分別提取出土壤中穩定性由弱到強的各組分磷，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）；最後的殘留土壤樣品，採用硫酸-高氯酸高溫消解測定殘留磷（Residual-P，簡寫為R-P）。各形態無機磷採用鉬藍比色法直接對浸提液進行測定；有機磷總質量分數，則需先採用硫酸-高氯酸消解鉬藍比色法測定各級浸提液的磷總質量分數，再減去相對應的無機磷總質量分數後求得。此外，土壤全磷採用硫酸-高氯酸消解鉬藍比色法測定；有效磷採用氟化銨-鹽酸浸提法測定；土壤有機碳採用碳氮分析儀（TOC）測定；pH值採用水浸提（1∶2。5H2O）電位法測定。每個指標重複4次。

無機磷總質量分數、有機磷總質量分數、磷活化係數，分別採用如下公式計算［8］：無機磷（Pi）總質量分數w（Pi）=w（H2O-Pi）+w（NaHCO3-Pi）+w（NaOH-Pi）+w（HCl-Pi）；有機磷（Po）總質量分數w（Po）=w（NaHCO3-Po）+w（NaOH-Po）+w（HCl-Po）；磷活化係數=（土壤有效磷質量分數/全磷總質量分數）×100%。

2。3資料處理

採用Excel2003和SPSS19。0軟體對資料進行統計分析；採用單因素進行方差分析和多重比較（α=0。05）；對土壤各組分磷、全磷、有效磷等指標進行Pearson相關分析和通徑分析。

3、結果與分析

3。1土壤全磷及有效磷質量分數的變化

測定結果表明，5種植被型別土壤，全磷總質量分數的變化範圍為0。73～1。67g·kg-1、有效磷質量分數的變化範圍為3。14～36。56mg·kg-1，但隨植被自然恢復程序各次生植被型別之間及與對照之間的差異有所不同（見表2）。土壤全磷總質量分數，不同次生植被型別雖然均維持相對較高水平，但均顯著低於地帶性原始植被的引數值（P<0。05），且在植被恢復初期的軟闊葉林階段出現土壤全磷總質量分數顯著降低的現象。雖然不同次生植被型別的土壤有效磷質量分數，低於原始植被的相應指標（P<0。05），但整體上呈現出隨植被自然恢復程序而不斷增加的趨勢；毛榛子灌叢土壤有效磷質量分數與軟闊葉林土壤有效磷質量分數間差異未達顯著水平，說明在植被自然恢復初期土壤磷的有效性變化並不明顯。

當土壤磷活化係數小於2%時，說明土壤全磷轉化為有效性磷的能力較差［9］。由表2可見，各植被型別的土壤磷活化係數變化範圍為0。36%～2。19%，僅紅松原始林土壤磷活化係數高於2%，說明小興安嶺地區闊葉紅松林皆伐跡地植被自然恢復各階段，主要次生植被土壤有效磷的轉化能力，遠遠沒有達到原始林的水平。

表2不同植被型別的土壤全磷及有效磷質量分數測定結果

注：表中資料為“平均值±標準差”；資料後，同列不同小寫字母表示差異顯著（P<0。05）。

3。2土壤各組分磷質量分數的變化

水溶性磷是土壤各組分磷中活性最高的磷源［10］。測定結果表明，各植被型別土壤水溶性磷質量分數為7。25～31。68mg·kg-1，僅佔磷素總質量分數的0。82%～2。17%；其中，毛榛子灌叢和軟闊葉林的土壤水溶性磷質量分數間無顯著差異，其餘植被型別土壤水溶性磷質量分數的變化呈現出隨植被自然恢復的程序而逐漸增加的趨勢（見表3）。碳酸氫鈉無機磷的活性僅次於水溶性磷的活性，各植被型別土壤碳酸氫鈉無機磷的質量分數為31。81～107。17mg·kg-1，以紅松原始林的質量分數最大、軟闊葉林的質量分數最小，且隨植被自然恢復程序呈現出先減少後增加的趨勢。與碳酸氫鈉無機磷相比，碳酸氫鈉有機磷的質量分數較高，佔碳酸氫鈉磷總質量分數的60。93%～75。70%，在植被自然恢復各階段該組分磷質量分數變化不明顯，除與紅松原始林對照間的該組分磷質量分數差異顯著（P<0。05）外，不同次生植被型別間該組分磷質量分數的差異均未達顯著水平。氫氧化鈉磷的總質量分數佔磷素總質量分數的40。64%～53。81%，是各植被型別土壤磷的主要磷源。其中，氫氧化鈉無機磷的、氫氧化鈉有機磷的質量分數，分別為50。24～189。39、239。81～613。09mg·kg-1；有機磷部分佔該組分的比例較大，其質量分數隨植被自然恢復程序的變化趨勢與碳酸氫鈉無機磷的變化相似。

表3不同植被型別的土壤不同形態磷質量分數測定結果

注：表中資料為“平均值±標準差”；資料後，同列不同小寫字母表示差異顯著（P<0。05）。

由表3可見，各植被型別土壤酸溶性無機磷的、酸溶性有機磷的質量分數，分別為3。80～13。90、31。52～45。90mg·kg-1，佔土壤磷素總質量分數的比例較低，僅分別為0。43%～1。17%、2。47%～4。70%；其質量分數隨植被自然恢復程序的變化無明顯規律，說明植被自然恢復對該組分磷質量分數的影響不大。與酸溶性磷相比，殘留磷的離子鍵結合能更高，通常被認為是無效的磷；但亦有研究表明，殘留磷在長期礦化與分解的作用下，對土壤有效磷質量分數也同樣具有貢獻［11］。本研究發現，各植被型別土壤殘留磷的質量分數為189。74～365。75mg·kg-1，佔土壤磷總質量分數的21。44%～34。64%，是僅次於氫氧化鈉有機磷的另一主要磷源。此外，氫氧化鈉有機磷質量分數佔土壤磷總質量分數的比例，隨植被自然恢復程序的變化呈現先增加後減少的趨勢，說明植被自然恢復對該組分磷的轉化具有積極影響。

3。3土壤有機磷和無機磷總質量分數的變化

磷在土壤中以無機態、有機態的形式存在，兩者的相互轉化導致了各植被型別土壤磷有效性的差異［12］。研究發現，各植被型別土壤無機磷、有機磷總質量分數，分別為96。05～334。85、370。42～849。46mg·kg-1，均以紅松原始林的質量分數最高、軟闊葉林的質量分數最低，且隨植被自然恢復的程序呈現出先減少後增加的一致性規律（見表4）。各植被型別土壤無機磷總質量分數在磷庫中所佔的比例，紅松原始林、硬闊葉林的顯著高於其餘植被型別所佔的比例（P<0。05），而毛榛子灌叢、軟闊葉林、軟硬闊混交林的所佔比例間無顯著差異。

表4不同植被型別的土壤無機磷和有機磷質量分數

注：表中資料為“平均值±標準差”；資料後，同列不同小寫字母表示差異顯著（P<0。05）；w（C）為碳總質量分數、w（P）為磷總質量分數。

由表4可見，不同植被型別土壤磷組成均以有機態的組分為主，佔土壤磷素總質量分數的71。74%以上。與土壤中無機磷總質量分數隨植被恢復程序的變化不同，有機磷總質量分數所佔磷素總質量分數的比例隨自然恢復程序呈現逐漸降低的趨勢，說明植被自然恢復促進了土壤有機磷的轉化。此外，土壤碳與土壤磷比值（w（C）∶w（P））越低，說明土壤磷的礦化能力越強，各植被型別土壤w（C）∶w（P）為55。68～79。28，礦化能力隨自然恢復程序呈現先降低後升高的趨勢。硬闊葉林和紅松原始林間土壤碳磷比無顯著差異，表明在植被自然恢復後期土壤磷的礦化水平已達到較高水平。

4、結論與討論

4。1磷素形態對土壤磷有效性的影響

土壤全磷由不同形態的磷組成，其含量的多少並不能直接反映出土壤磷的有效性，僅可表徵土壤的供磷潛力的大小［13］。透過對各植被型別土壤全磷、有效磷以及各組分磷質量分數的相關分析發現（見表5），除酸溶性有機磷外，其餘各組分的磷均與土壤全磷之間呈顯著的正相關（P<0。05），說明其質量分數的變化均會對土壤磷庫儲量產生明顯改變。與全磷相比，土壤有效磷的豐缺是表徵磷素有效性的重要指標。本研究表明，除酸溶性磷外，各組分磷均與有效磷呈極顯著的相關關係（P<0。01），其中，水溶性磷、碳酸氫鈉無機磷、氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷與有效磷的相關係數較高，分別達到0。879、0。972、0。910、0。877（見表5），說明高活性和中活性組分的磷對土壤有效磷質量分數的變化起到了重要作用。

雖然相關分析結果可表徵各組分磷對土壤有效磷質量分數的影響，但仍不能準確判斷其貢獻大小，僅能說明某一組分磷質量分數的變化都會引起有效磷質量分數的波動。通徑分析結果表明（見表6），碳酸氫鈉無機磷、氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷是影響土壤有效磷質量分數變化的敏感組分。尤其以碳酸氫鈉無機磷的直接係數最高（1。852），表明其對土壤有效磷的貢獻最大。氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷的直接通徑係數均較低，僅為-0。600、-0。315，表明其對土壤有效磷質量分數變化的直接貢獻較小。從間接通徑係數看，氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷向碳酸氫鈉無機磷轉化的間接通徑係數，分別高達1。800、1。742，說明這種轉化趨勢是導致土壤有效磷質量分數提高的主要原因。

表5不同形態土壤磷指標間的相關性

注：*表示顯著相關（P<0。05），**表示極顯著相關（P<0。01）。

除軟闊葉林外，碳酸氫鈉無機磷、氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷質量分數均呈現隨植被自然恢復的程序而顯著升高的趨勢。產生這種變化的主要原因是，碳酸氫鈉無機磷主要吸附在土壤顆粒表面，很容易被土壤中的金屬離子吸附固定；但隨著植被自然恢復的程序，林內枯落物逐漸累積，土壤中腐殖酸含量不斷增加，透過促進腐殖酸與金屬離子的絡合反應，使碳酸氫鈉無機磷不斷釋放。通常，土壤中氫氧化鈉磷主要是與鐵、鋁離子結合而成的磷酸鹽所構成。隨植被的自然恢復，土壤中交換性的鐵、鋁、錳等金屬陽離子會不斷累積［14，15］，使更多的磷被其吸附固定，成為中活性的磷源，導致氫氧化鈉磷逐漸增加。另外，本研究還發現，各植被型別土壤中氫氧化鈉有機磷均佔土壤有機磷總質量分數的64。74%以上，是土壤中最主要的有機磷源。這是由於隨著森林植被的自然恢復，林分內的枯落物在降雨等淋溶作用下，使大量的可溶性有機磷富集在土壤表層，迅速被鐵、鋁離子固定，從而使氫氧化鈉有機磷質量分數逐漸增加［16，17］。

表6不同形態磷與土壤有效磷的通徑係數

注：決定係數（R2）為0。978，剩餘係數（Pe）為0。148。

4。2植被自然恢復對土壤有機磷和無機磷總質量分數的影響

本研究發現，由於軟闊葉林土壤無機磷、有機磷總質量分數明顯下降，使所研究的其他植被型別土壤無機磷、有機磷總質量分數的變化呈現為隨植被自然恢復程序先降低而後增加的趨勢。主要原因是：軟闊葉林階段，林分的建群種以先鋒樹種為主，其早期速生的特點易形成較為強烈的種內和種間競爭關係，使林內養分歸還量小於需求量，導致土壤磷素總質量分數的下降［18］。從軟硬闊混交林階段開始，土壤無機磷、有機磷總質量分數均不斷顯著增加，但有機磷佔土壤磷素總質量分數比例卻不斷減少，這與Zhouetal。［19］、Tangetal。［20］研究結果相吻合。這一方面是由於隨著植被自然恢復程序，林內凋落物數量不斷增加，累積了大量的可溶性有機磷富集在土壤表層，增加了可礦化的部分磷源；另一方面，由於水曲柳和黃檗等中庸性伴生樹種成為建群種，特別是典型K對策種紅松的出現，不僅改變了林內凋落物的種類和組成，而且枯落物與根系分泌物中含有大量的低分子有機酸，將極大地促進難溶性無機磷的分解以及有機磷的轉化，提高了土壤磷的有效性［21］。另外，土壤酶和微生物，在影響有機磷礦化方面，同樣會發揮著重要的作用。Zhangetal。［22］研究發現，森林的進展演替會使土壤微生物的生物量不斷增加，生物量的最大值出現在演替後期。土壤微生物量的增加，使其代謝產物的數量也不斷累積，酸性磷酸酶活性的提高亦可加速無機磷的釋放［23，24］，同樣有利於土壤磷有效性的提高。

綜上所述，小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地上自然恢復的主要植被型別土壤全磷、有效磷質量分數分別為0。73～1。67、3。14～36。56mg·kg-1，磷活化係數為0。36%～2。19%；表明土壤全磷總質量分數較高，但有效磷質量分數相對較低。植被自然恢復在土壤磷的修復方面雖然起到了積極作用，但尚未恢復至原始林水平。本研究發現，土壤水溶性磷、碳酸氫鈉無機磷、氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷與有效磷的相關性較高，說明高活性、中活性的磷對闊葉紅松林皆伐跡地植被自然恢復過程中土壤有效磷質量分數的變化產生了重要影響。土壤碳酸氫鈉無機磷的直接作用以及氫氧化鈉無機磷、氫氧化鈉有機磷的間接影響，顯著提高了土壤有效磷的質量分數，是小興安嶺闊葉紅松林皆伐跡地植被自然恢復過程中土壤磷有效性提高的主要原因。