红松人工更新对表层土壤磷有效性及时效性的影响1)

张鑫　马铭鸿　谷会岩　陈祥伟

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

植物生长发育所需的磷素主要依赖于土壤的供给，土壤中的磷在整个生态系统磷库中所占的比例非常大，可达到95%以上[1-3]。由于土壤磷易于被Fe、Al、Mn等金属离子吸附而难以迁移，因此成为了植物生长过程中的主要限制因素之一[4]。土壤中各形态磷素间主要通过矿化-固持、吸附-解吸、沉淀-溶解方式相互转化，而这些转化过程直接影响着土壤有效磷含量的丰缺，所以对土壤各形态磷素质量分数及其有效性的研究一直是相关领域的热点[5]。

阔叶红松林是我国温带针阔混交林区的典型原始地带性植被，在生物多样性保护、维系区域生态安全等方面发挥着巨大的作用。受历史上长期自然和人为干扰的影响，红松原始林资源消耗殆尽，现存阔叶红松林面积和蓄积不足中华人民共和国成立前的5%[6]。在诸多干扰因素中，采伐干扰的影响最大[7-8]。小兴安岭阔叶红松林皆伐迹地植被恢复，除自然恢复外，主要以人工更新方式为主。以恢复地带性顶级群落为目标的红松人工林，土壤物理结构、化学性质以及生物特征的研究一直备受关注。迄今，相关研究多是以土壤全磷和有效磷质量分数的变化来表征红松人工更新对土壤磷所产生的影响[9-10]，而有关红松人工更新对土壤磷库特征、磷素形态及其生物有效性方面的报道较少[11]。因此，本研究采用Sui et al.[12]修正后的Hedley土壤磷素分级法，对21、32、41、56年生的红松人工林表层土壤中不同形态磷素质量分数的测定，旨在揭示不同林龄阶段红松人工林土壤各形态磷素质量分数及有效性的变化，探明红松人工更新对表层土壤磷有效性及时效性的影响，可为深入开展阔叶红松林皆伐迹地人工植被恢复对土壤磷的影响提供参考。

1　研究地自然概况

研究地点位于黑龙江凉水国家级自然保护区(47°10′50″N，128°53′20″E)，气候属典型温带大陆性季风气候，年均气温-0.3 ℃，年均降水量676 mm，年均蒸发量805.4 mm，空气相对湿度78%，有效积温2 200～2 600 ℃，无霜期100～120 d。植被类型以阔叶红松原始林为主，逆行演替和进展演替共同作用的结果，形成了以山杨(Populusdavidiana)、白桦(Betulaplatyphylla)为主的软阔叶天然林，以水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、黄波椤(Phellodendronamurense)、紫椴(Tiliaamurensis)、五角槭(Acermono)为主的硬阔叶天然林，以红松(Pinuskoraiensis)、落叶松(Larixgmelinii)、红皮云杉(Piceakoraiensis)为建群种的人工林，镶嵌分布。地带性土壤类型为暗棕壤，隐域分布有草甸土、沼泽土等土壤类型。

2　研究方法

土壤样品采集：于2017年6月，在保护区内选择相似立地条件人工更新形成的不同林龄(21、32、41、56 a)红松人工林设置样地，每个样地内5点法采集0～10 cm土层的土壤样品，自然风干后过2 mm土壤筛，用四分法制备混合样，用于土壤基本化学性质及各形态磷素质量分数的测定。样地林分特征及土壤化学性质见表1。

表1　取样样地林分特征及土壤化学性质

注：KPP21为21年生红松人工林、KPP32为32年生红松人工林、KPP41为41年生红松人工林、KPP56为56年生红松人工林、CK为阔叶红松原始林(对照)。pH(1∶2.5H2O)，是指pH值采用水浸提(1∶2.5H2O)电位法测定。“红”为红松、“白”为白桦、“色”为色木槭、“水”为水曲柳、“枫”为枫桦、“榆”为春榆、“杨”为山杨。

指标的测定与计算：采用Sui等修正Hedley的土壤磷素分级法，称取0.5 g过2 mm筛的风干土样置于50 mL的离心管中，逐级加入30 mL的去离子水、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH、1.0 mol·L-1HCl，提取出土壤中稳定性由弱到强的各级土壤磷素形态，即水溶性磷(H2O-Pi)、碳酸氢钠无机磷(NaHCO3-Pi)、碳酸氢钠有机磷(NaHCO3-Po)、氢氧化钠无机磷(NaOH-Pi)、氢氧化钠有机磷(NaOH-Po)、酸溶性无机磷(HCl-Pi)、酸溶性有机磷(HCl-Po)，最后的残留土壤样品采用硫酸-高氯酸高温消解测定残留磷(R-P)。分级方法中的无机磷(Pi)采用钼蓝比色法直接对浸提液进行测定，而有机磷(Po)则需先采用硫酸-高氯酸消解钼蓝比色法测定各级浸提液的磷素质量分数，再减去相对应的无机磷质量分数后求得；有机磷总量，指NaHCO3-Po、NaOH-Po、HCl-Po的量之和；无机磷总量，是指H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、HCl-Pi的量之和。此外，土壤全磷采用硫酸-高氯酸消解钼蓝比色法测定；有效磷采用氟化铵-盐酸浸提法测定；土壤有机碳采用TOC测定；pH值采用水浸提(1∶2.5H2O)电位法测定。每个指标重复4次[13]。

数据处理：采用Excel 2003和SPSS 19.0软件对数据进行统计分析；采用单因素进行方差分析和多重比较(α=0.05)；利用Excel 2003软件作表。对土壤各形态磷素、全磷、有效磷等指标进行Pearson相关分析。

3　结果与分析

3.1　土壤全磷、有效磷质量分数的变化

土壤全磷和有效磷的质量分数，表征着土壤的磷库储量与其向植物供给有效性磷素的能力[13]。由表2可见：21、32、41、56年生的红松人工林土壤，全磷和有效磷质量分数均显著低于阔叶红松原始林(P<0.05)。不同林龄红松人工林土壤，全磷和有效磷质量分数的变化范围为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，其质量分数变化表现出随恢复年限的延长而显著增加的一致性规律(P<0.05)。

磷素活化系数(PAC)是有效磷与全磷质量分数的比值，常用来综合评价土壤磷素的有效性[14]。不同林龄红松人工林土壤磷素活化系数的变化范围0.94%～2.39%，除41、56年生林地外，各林地间均达到显著性差异，变化规律同样表现为随恢复年限的延长而增大的趋势。与阔叶红松原始林相比，仅表现为56年生的红松人工林无显著差异，其余林地均低于原始林水平。

表2　各样地土壤全磷、有效磷质量分数

注：KPP21为21年生红松人工林、KPP32为32年生红松人工林、KPP41为41年生红松人工林、KPP56为56年生红松人工林、CK为阔叶红松原始林(对照)。表中数据为“平均值±标准差”；数据后，同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

3.2　土壤不同形态磷素质量分数的变化

水溶性磷(H2O-Pi)和碳酸氢钠磷(NaHCO3-P)属于活性磷[15]。由表3可见：不同林龄红松人工林土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi的质量分数相对较低，仅占磷素总量的1.24%～1.87%和3.44%～5.41%；其质量分数变化，均表现出随恢复年限的延长而逐渐显著增加的相同规律(P<0.05)，且增幅比例分别达到14.69%、27.29%以上。与NaHCO3-Pi相比，NaHCO3-Po的质量分数相对较高，占磷素总量的8.58%～10.97%，除41年生的林地外，其余林地之间均达到显著性差异(P<0.05)，且以56年生林地的质量分数最大。

表3　各样地土壤不同形态磷素的质量分数

注：KPP21为21年生红松人工林、KPP32为32年生红松人工林、KPP41为41年生红松人工林、KPP56为56年生红松人工林、CK为阔叶红松原始林(对照)。表中数据为“平均值±标准差”；数据后，同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

氢氧化钠磷(NaOH-P)属于中活性磷[16-17]。由表3可见：不同林龄红松人工林土壤NaOH-P的质量分数在各磷素组分中所占比例很大，占据了磷素总量的42.18%～64.51%，是各林地土壤磷库组成的主要磷源。其中，NaOH-Pi、NaOH-Po的质量分数分别占NaOH-P质量分数的17.90%～23.54%和76.46%～82.10%，其质量分数的变化规律与H2O-Pi、NaHCO3-Pi一致，均随恢复年限的延长而显著增加(P<0.05)。56年生林地土壤NaOH-Pi、NaOH-Po的质量分数，均显著高于阔叶红松原始林(P<0.05)；此外，红松人工林恢复至41 a时，土壤NaOH-Po的质量分数已达到原始林水平。

酸溶性磷(HCl-P)，常被认为是低活性磷[15]。研究发现，不同林龄红松人工林土壤HCl-P的质量分数在各磷素组分中所占的比例很小，仅高于H2O-Pi，占磷素总量的2.48%～5.28%。不同林龄红松人工林土壤HCl-Pi的质量分数变化，仅表现为56年生林地显著高于其他林地，而HCl-Po的质量分数以21年生林地最高。测定结果还发现，各林地土壤HCl-Pi、HCl-Po质量分数占磷素总量的比例，均表现为随恢复年限的增加而减少的相同趋势。

土壤残留磷(R-P)，多指较稳定的闭蓄态磷[15]，一般很难转化为有效态磷素。由表3可见：不同林龄红松人工林土壤R-P质量分数为202.48～302.18 mg·kg-1，占磷素总量的15.03%～36.83%，仅次于NaOH-P，是各林地土壤第二大的磷组分；其质量分数变化，表现为随恢复年限的延长而显著降低的趋势；除56年生林地外，各林地土壤R-P质量分数均显著高于阔叶红松原始林。

3.3　土壤无机磷和有机磷的总量变化

由见表4可见：不同林龄红松人工林土壤无机磷和有机磷的总量变化，均表现为随恢复年限的延长而逐渐显著增加的一致性规律，且增幅比例分别达到19.31%、15.06%以上。此外，各人工林地土壤无机磷总量均显著低于阔叶红松原始林，而56年生的红松人工林土壤有机磷总量已达到原始林水平。

试验结果表明：小兴安岭红松人工林的土壤磷库组成以有机磷为主，占据有机磷和无机磷总量的73.74%～78.84%；无机磷始终维持在相对较低的水平，仅占21.16%～27.00%。除32、41年生林地间无显著差异外，其他林地土壤无机磷总量所占磷素总量的比例变化，表现出随恢复年限的延长而显著增加；有机磷总量所占比例则显著减少。与阔叶红松原始林相比，都仍然具有显著差异。

此外，土壤碳磷比(w(C)/w(P))能够反映有机质在矿化过程中释放磷的潜力大小，w(C)/w(P)的值越小说明土壤磷素的矿化水平越高[18]。试验结果表明：不同林龄红松人工林土壤w(C)/w(P)的变化范围为48.65%～57.34%，除32、41年生林地间无显著差异外，其他林地之间的土壤w(C)/w(P)的差异均达到显著水平，其变化规律表现为随恢复时间的延长而逐渐降低的趋势。

表4　各样地土壤无机磷和有机磷总量

注：KPP21为21年生红松人工林、KPP32为32年生红松人工林、KPP41为41年生红松人工林、KPP56为56年生红松人工林、CK为阔叶红松原始林(对照)。表中数据为“平均值±标准差”；数据后，同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

4　结论与讨论

4.1　人工更新对土壤磷库储量的影响

土壤全磷是各形态磷素量的总和，它表征着土壤磷库的储量。试验结果表明，不同林龄红松人工林土壤，全磷质量分数、有效磷质量分数、磷素活化系数，分别为0.93～1.39 g·kg-1、8.70～33.21 mg·kg-1、0.94%～2.39%。与湖南杉木人工林[19]、福建米槠人工林[20]比较发现，小兴安岭红松人工林土壤全磷量充足，且转化为有效磷的能力处于较高水平。通过相关分析发现(见表5)，除HCl-Po外，其余形态磷素均与土壤全磷之间表现出极显著的相关关系(P<0.01)，说明这些磷素组分质量分数的变化都会对土壤磷库储量产生明显的影响。由表5可见：H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi与土壤全磷的相关系数相对较高，并且以无机磷为主，说明高活性的无机磷组分是影响土壤磷库大小的敏感磷源。而随着恢复年限的延长，这些组分质量分数的显著增加是小兴安岭红松人工林土壤磷库储量增大的原因之一。此外，NaOH-Po占不同林龄红松人工林土壤磷素总量的34.32%～50.08%，是土壤主要的有机磷源，这与杨小燕等[21]研究相吻合，随着恢复年限的延长，NaOH-Po的质量分数显著增加也是导致土壤磷库储量增大的主要原因。

表5　不同形态磷素与土壤化学性质的相关系数

注：Olsen P为有效磷，Total P为全磷，SOM为有机质。*表示显著相关(P<0.05)，** 表示极显著相关(P<0.01)。

4.2　人工更新对土壤磷有效磷质量分数的影响

通过土壤有效磷与各组分磷之间的相关分析可知，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po、HCl-Pi、R-P，均与土壤有效磷之间表现出极显著的相关关系(P<0.01)，说明这些组分的磷素都在不同程度上影响着土壤有效磷质量分数。此外，通径分析能够更加准确地反映出各形态磷素的相互转化以及对磷有效性的贡献大小[22]。分析结果表明，其决定系数(R2)和剩余系数(Pe)分别为0.985、0.122，说明对土壤有效磷起贡献作用的所有重要因素均已基本考虑在内。经变量剔除后，H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Po被保留，表明它们是对土壤有效磷贡献最大的组分。因此，红松人工更新对土壤磷素有效性所产生的时效性影响，主要是通过H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Po的质量分数随恢复年限的延长而显著增加所实现的。其中，H2O-Pi对土壤有效磷的影响最大，且表现为正面效应，直接通径系数为1.104(见表6)，是各形态磷素间对土壤有效磷贡献最高的组分，这与穆晓慧等[23]研究结果相同。其原因是针叶林的凋落物中含有大量的低分子有机酸(草酸、柠檬酸、苹果酸)，并在淋溶的作用下富集在土壤表层[24]，而低分子有机酸不仅可以消除土壤对磷的吸附位点，并且还能促进难溶性磷酸盐的溶解，从而使更多的活性磷得以释放。而随着恢复年限的延长，林分内的凋落物数量不断累积，进而增加了低分子有机酸的来源，是土壤H2O-Pi增加的主要原因。

由表6可见：NaHCO3-Pi对土壤有效磷影响的直接通径系数虽然为0.310，但是它通过H2O-Pi对有效磷影响的间接通径系数却达到了0.927，说明NaHCO3-Pi对土壤中H2O-Pi的补给起到了重要作用。这是因为腐殖质在微生物分解作用下形成的各类腐殖酸，能与磷酸根离子竞争土壤的吸附位点，从而阻止土壤磷的沉淀，并有效抑制土壤对磷的吸附[25]；而NaHCO3-Pi主要吸附在土壤颗粒表面，吸附反应过程中所产生的结合能相对较低，所以很容易被腐殖酸所取代，形成游离态的磷进入到土壤溶液中[26]，进而提高土壤有效磷的供应水平；随着恢复年限的延长，林分内凋落物不断分解累积，进而使土壤腐殖酸的量增加，从而增强了对NaHCO3-Pi的释放作用。此外，NaOH-Po与土壤有效磷之间表现为极显著的正相关关系，且相关系数达到0.884，但其直接通径系数仅为-0.414，而通过H2O-Pi和NaHCO3-Pi对有效磷影响的间接通径系数分别为1.065、0.232，说明NaOH-Po不能对有效磷的供给产生直接作用，而是通过转化为其他形态的磷对有效磷起间接的贡献；由此证明，NaOH-Po是小兴安岭红松人工林土壤的潜在有效磷源，这与Hamer et al.[27]研究结果相吻合。这是因为，NaOH-Po多以土壤磷与铝离子结合形成的磷酸盐构成。已有研究表明，红松人工林随着恢复年限的延长，土壤中的交换性铝离子会显著增加[28]，这促进了与磷酸根离子的共价吸附，进而使土壤潜在的有效磷源不断增加。研究还发现，土壤残留磷的质量分数，随着恢复年限的延长而显著降低；相关分析结果表明，残留磷与NaOH-Po间表现出极显著的负相关关系，说明NaOH-Po质量分数的增加与其存在联系。这是由于针叶林的根系分泌和凋落物的分解都会营造出较酸的土壤环境，致使土壤中形态更稳定的磷活化成了相对易溶解的磷素[29-30]，从而对土壤有效磷的质量分数变化产生间接影响。

表6　不同形态磷素与土壤有效磷的通径分析

注：决定系数(R2)为0.985，剩余系数(Pe)为0.122。Olsen P为有效磷。

综上所述，小兴安岭红松人工林表层土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Pi、NaOH-Po，是影响土壤全磷量的重要磷源；这些组分的质量分数，随着恢复年限的延长而显著增加是导致土壤磷库储量增大的主要原因。土壤H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Po，是影响小兴安岭红松人工林土壤磷有效性的主要磷源，其质量分数均随着恢复年限的延长而逐渐增加，进而直接或间接地导致了小兴安岭红松人工林土壤磷素有效性的明显提高。在影响土壤磷有效性的主要磷源中，H2O-Pi对土壤有效磷影响的直接作用最大；NaHCO3-Pi和NaOH-Po的作用较小，并主要通过H2O-Pi对有效磷影响的间接作用而得以实现。可以认为，红松人工更新56 a时，其林地土壤有效磷供应能力基本接近红松原始林的水平。