滨海滩涂湿地不同植被土壤磷的生物有效性及其影响因子分析

黄翊兰 ，崔丽娟 *，李春义 ，李伟 ，雷茵茹

1.中国林业科学研究院湿地研究所，北京 100091；2. 湿地生态功能与恢复北京市重点实验室，北京 100091

磷素作为主要生源元素是植物生长及水体富营养化的限制营养元素，水体和土壤中磷素的含量通常决定了湿地生态系统的生产力和营养状况，其生物有效性对湿地的结构功能有着决定性的作用（白军红等，2002；Grunwald et al.，2006）。滨海湿地是海陆间相互作用的过渡区域，对维持生物多样性和海陆动态平衡具有重要作用，滨海湿地的变化关系着沿海经济发展与社会进步，影响着全球环境变化，在维护区域和全球生态系统平衡方面意义重大（陆健健等，2006；Cui et al.，2016）。滨海湿地是全球磷的主要源、汇和转换器之一，在水体富营养状况的控制以及磷循环过程中扮演着十分重要的角色（邵学新等，2014）。

为研究土壤磷素的有效性，研究人员利用不同的化学提取液对土壤中的磷素进行分级。早期研究主要在无机磷（Chang et al.，1957）和有机磷（Brown et al.，1978）两大类中分别进行，Hedley et al.（1982）提出将土壤磷分为包括无机磷和有机磷两部分的分类方法，后来又有很多研究人员在此基础上进行了改进（Tiessen et al.，1984；Guppy et al.，2000）。传统的土壤磷分级方法少有考虑到植物的根系作用和微生物解磷的过程，Deluca et al.（2015）提出一种基于生物有效性的磷素分级方法（biologically based P，BBP法）。该方法模拟植物根区发生的磷素活化过程，考虑到根际与微生物分泌有机酸、磷酸酶等活化的磷表征磷形态，将土壤磷分为CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P、HCl-P 4个组分。CaCl2-P模拟能直接被根际截留或扩散的磷酸根离子，Citrate-P模拟能被有机酸活化的有机磷，Enzyme-P模拟易被微生物和植物分泌的磷酸酶和植酸酶矿化的那部分有机磷，HCl-P模拟氢质子能活化的最大潜力磷库（蔡观等，2017）。在进行不同植物群落土壤磷组分研究时，应更多地考虑植物及微生物对土壤磷素利用的影响，BBP法比传统的化学提取法（Chang et al.，1957）更适用。由于提出时间较短，目前 BBP法仅在农田生态系统研究中被应用得较多，且大多集中在温度、土壤酸化、盐渍化、干湿交替、外源磷添加等环境条件对土壤磷生物有效性的影响（刘玉槐等，2018；黄敏等，2018；Erinle et al.，2018；Yuan et al.，2018）以及不同土壤类型的磷素组分特征及其影响因素分析等研究（蔡观等，2017；Deluca et al.，2015）。Deluca提出上述方法时，曾在英国的沼泽展开过研究，但是仅对比了沼泽湿地与森林、农田的差异，没有在湿地内部不同植被下进行对比。

本研究以大丰麋鹿自然保护区湿地土壤为研究对象，采用模拟生物活化过程的磷素分级方法（BBP法）对滨海滩涂湿地不同植物下的土壤磷素进行分级，并分析环境因子对磷素组分的影响，以期为滨海湿地土壤磷素转化机理的研究及盐城滨海滩涂湿地的保护及利用提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于盐城滨海湿地-江苏大丰麋鹿国家级 自 然 保 护 区 （ 32°56′— 33°36′N ， 120°42′—120°51′E），属于亚热带和暖温带的交错区域，气候为典型季风气候，湿度高，年降水量为1068 mm，日光辐射总量为487—508 kJ·cm-2，年平均气温为13.8 ℃。土壤类型主要是草甸滨海盐土和潮滩滨海盐土，土质较为松软，土壤偏碱性，成土母质为黄河口沉积物。受高程、淹没时间和盐度等环境因子的影响，湿地植物自然条件下呈带状分布，典型湿地植物由海到陆依次为互花米草（Spartina alterniflora）、海三棱藨草（Scirpus mariqueter）、白茅（Imperata cylindrica）和芦苇（Phragmites australis）等。

1.2 样品采集与分析

2018年5月，根据资料收集和现场勘查，在研究区内植被有明显差异的一个区域中，布设5处样地，分别为芦苇（LW）、互花米草（MC）、白茅（BM）、海三棱藨草（BC）4种典型植被群落覆盖的湿地及没有植物覆盖的裸地（LD）。每块样地随机布设3个样方（10 m×10 m），且样方间间隔不小于20 m。每个样点位于样方中心，利用洁净的铁锨按照0—20 cm（表层土）、20—40 cm（中层土）分层采集土壤样品，采集后迅速放入聚乙烯袋中，密封，防止样品污染。于室温下风干，研磨，挑除沙砾、植物根系残体和可见动物后，过2 mm筛后密封保存。

土壤 pH值在水土比 5:1（V:m）条件下，用HI98121酸度计测定；有机质含量用重铬酸钾氧化-比色法测定；全磷用HNO3微波消煮法测定；全氮用凯氏定氮法测定；速效磷用NaHCO3浸提，钼蓝比色法测定；含水量采用烘干法测定（鲍士旦，2000）。采取Deluca et al.（2015）提出的基于生物有效性的BBP分级土壤磷分级法：称取4份0.5 g过筛完毕的土样分别加入10 mL对应提取液，装入15 mL离心管中于 25 ℃下恒温振荡 3 h（180 r·min-1），离心10 min（3220 g），取上清液。其中 CaCl2-P 由 10 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液提取，Citrate-P由10 mL 10 mmol·L-1柠檬酸溶液提取，HCl-P 由 10 mL 1 mol·L-1HCl溶液提取，Enzyme-P由 10 mL EU·mL-1植酸酶（Sigma P1259；Enzyme Commission Number 3.1.3.26）和 0.02 EU·mL-1酸性磷酸酶（Sigma P3627；Enzyme Commission Number 232-630-9）与 0.02 EU·mL-1碱性磷酸酶（Sigma P5931；Enzyme Commission Number 3.1.3.1）混合溶液提取，鉴于植酸酶本身含磷，为避免对试验结果造成影响，使用前用乙酸钠为缓冲液对植酸酶在4 ℃下透析5 d，除去其中的磷，在提取液中加入MgCl2作为酶前催活剂。采用孔雀石绿比色法测定磷浓度。

1.3 数据处理与研究方法

运用SPSS 23.0软件进行数据单因素方差分析（One-way ANOVA）结合LSD法（P＜0.05）进行差异显著性分析，采用Spearman相关系数确定各指标间的相关性；运用Origin 2017软件绘图。

2 结果与分析

2.1 滨海湿地土壤磷素的变异性

在研究区的表层土中，土壤全磷（TP）质量分数为39.5—57.8 mg·kg-1，变异幅度很小（变异系数为12%；n=30）（表1）；土壤中速效磷（Olsen-P）质量分数为1.08—24.3 mg·kg-1，变异幅度较大（变异系数77%；n=30）；根据BBP法划分的4种磷组分含量差异显著，表现为CaCl2-P＜Citrate-P＜Enzyme-P＜HCl-P。其中 Enzyme-P质量分数为 0.106—6.75 mg·kg-1，变异幅度最大（变异系数为87%；n=30），CaCl2-P质量分数为 0.089—0.884 mg·kg-1，变异系数为71%（n=30），Citrate-P质量分数为0.569—3.80 mg·kg-1，变异系数为 7 1%（n=30），变异幅度最小的是 HCl-P，质量分数为 29.7—32.9 mg·kg-1，变异系数为 3 %（n=30）。

2.2 滨海湿地不同植被下基于生物有效性土壤磷组分的差异

由图1可知，在0—20 cm表层土，裸地的土壤 CaCl2-P含量都显著高于植被覆盖下的（P＜0.05），而芦苇显著低于另外 3 种植被（P＜0.05）。裸地的土壤Citrate-P含量也显著高于芦苇、白茅、互花米草和海三棱藨草下土壤 Citrate-P含量（P＜0.05），但在 4 种植被间差异并不显著（P＞0.05）。裸地的土壤Enzyme-P含量显著高于芦苇、互花米草和海三棱藨草（P＜0.05），而海三棱藨草显著低于另外4种类型（P＜0.05）。5种类型的土壤HCl-P含量都不显著。

由图2可知，在20－40 cm的中层土，裸地土壤中的 CaCl2-P含量显著高于植被覆盖下的土壤CaCl2-P含量（P＜0.05），芦苇的含量显著高于另外3种植被（P＜0.05）。裸地下土壤Citrate-P含量也显著高于植被覆盖下土壤 Citrate-P的含量（P＜0.05），且白茅覆盖下的 Citrate-P含量显著高于另外3种植被（P＜0.05），而芦苇下土壤Citrate-P含量也显著低于其他类型（P＜0.05）。5种类型下的土壤 Enzyme-P和 HCl-P含量都没有显著差异（P＞0.05）。

2.3 滨海湿地不同植被下土壤性质差异

由表2可知，在0—20 cm土层互花米草的土壤pH值显著高于其他3种植被，而裸地显著低于有植被覆盖的土壤（P＜0.05）。在20—40 cm层，不同植被下均无显著差异（P＞0.05）。

裸地土壤的含水率显著低于有植被覆盖的土壤（P＜0.05），在0—20 cm土层，互花米草显著高于其他植被，其次是海三棱藨草（P＜0.05），而芦苇和白茅间没有显著差异（P＞0.05）。在20—40 cm土层中互花米草和芦苇下的土壤含水率都高于白茅和海三棱藨草（P＜0.05）。

在0—20 cm与20—40 cm两个土层都表现为互花米草和芦苇的土壤有机质含量显著高于其他组（P＜0.05），4种植被中除海三棱藨草外，土壤有机质含量都表现为表层土高于中层土。

土壤TP质量分数为39.5—57.9 mg·kg-1，同一植物0—20 cm和20－40 cm深度土层的TP含量没有显著的差别（P＞0.05），而不同植被间全磷含量存在显著差异（P＜0.05）。在0—20 cm土层中，白茅与裸地的土壤TP含量显著高于另外3种植被（P＜0.05），互花米草的显著低于另外 4种植被（P＜0.05）。在20—40 cm土层中，白茅的土壤TP显著高于裸地和其他3种植被（P＜0.05）。

表1 不同植被下表层土壤磷的变异性Table 1 Variability of phosphorus in surface soil

图1 表层土中基于生物有效性的土壤磷组分含量特征Fig. 1 Composition characteristics of soil phosphorus based on biological availability in surface soil

图2 中层土中基于生物有效性的土壤磷组分含量特征Fig. 2 Composition characteristics of soil phosphorus based on biological availability in medium soil

表2 不同植物群落下土壤性质Table 2 Selected properties of soil in different vegetations

同一植物0—20 cm和20—40 cm深度土层的TN含量没有显著的差异（P＞0.05），而在不同植被下却有着显着的差异，0—20 cm土层互花米草下土壤的TN含量显著高于其他植被（P＜0.05），其次是芦苇（P＜0.05），其余3种植被间没有显著性差异（P＞0.05）。20—40 cm深度土层互花米草和芦苇显著高于其他3种植被（P＜0.05）。

在0—20 cm土层，互花米草和芦苇的土壤速效磷含量显著高于其他3种植被（P＜0.05）。在20—40 cm土层，主要表现为互花米草显著高于另外4种植被（P＜0.05），而白茅的显著低于另外4种类型（P＜0.05）。

2.4 滨海湿地基于生物有效性的土壤磷组分与环境因子的关系

由表3可知，CaCl2-P和Enzyme-P含量与各环境因子都没有显著的相关性，Citrate-P含量与TN、TP、有机质、含水率都显著相关，其中与TP显著正相关其余都表现为负相关（P＜0.05或P＜0.01，n=30），HCl-P与 TN、有机质、含水率都有显著的正相关性（P＜0.05或P＜0.01，n=30）。从相关系数的大小来看，可以认为影响Citrate-P含量的主要环境因子是土壤含水率，而影响HCl-P含量的主要环境因子是有机质。各磷组分中，只有Citrate-P与Olsen-P显著相关。

3 讨论

3.1 不同植被下滨海湿地土壤磷素的特征

盐城大丰麋鹿保护区滨海湿地土壤TP含量变异幅度不大，同一植物0—20 cm和20—40 cm深度土层的TP含量也没有显著的差别（P＞0.05），这可能是由于土壤全磷含量主要受土壤类型和气候条件的影响，该区域内气候和成土母质基本一致，全磷含量与土壤发育过程有关（毛志刚等，2009；梁威等，2012）。不同植物群落间全磷含量存在显著差异（P＜0.05），可见全磷含量也会受植被的影响，因为不同的植物对土壤磷素吸收利用能力的差异会导致土壤全磷含量的不同。

表3 磷的各组分含量与土壤环境因子的相关性Table 3 Correlation between phosphorus content and soil environmental factors

磷分级情况表现为CaCl2-P＜Citrate-P＜Enzyme-P＜HCl-P，而在农田生态系统中表现为 CaCl2-P＜Enzyme-P＜Citrate-P＜HCl-P（蔡观等，2017），Citrate-P和Enzyme-P含量在两种生态系统间表现的差异可能是由于土壤理化性质差异较大，导致土壤中磷的赋存形态不同，且植被的不同也可能会导致因植物利用磷素方式和能力不同而产生土壤磷组分含量差异。

研究区中土壤无植被覆盖裸地的 CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P含量与植被覆盖下的存在显著差异，这可能是由于植物根际区是土壤中物质交换最剧烈的区域，植物根系作用影响着磷的形态和含量（滕泽栋等，2017）。

因为CaCl2-P表征的是土壤中可直接被根系截留的活性磷酸根离子，所以CaCl2-P含量的差异或许可以反映植物根系的截留能力差异（Deluca et al.，2015）。在4种不同的植被间，芦苇0—20 cm土层的CaCl2-P含量显著低于其他3种植被，而在20—40 cm 土层中又表现为显著高于其他 3种植被，这可能是由于芦苇0—20 cm土层中的根系对磷素的吸收能力高于另外 3种植物，而在 20—40 cm土层又相对较低。

4种植被表层土的Citrate-P含量都没有显著差别，但是在中层土中就表现出了较大的分异。芦苇中层土中的Citrate-P含量显著低于另外3种植被，而白茅的土壤Citrate-P含量表现为显著最高，海三棱藨草和互花米草间无显著差异。Citrate-P含量表征的是有机酸活化的无机磷（蔡观等，2017），柠檬酸可提取出土壤中等可溶性的矿物吸附态和沉淀态磷，这部分可以模仿植物根系和微生物通过分泌有机酸和质子酸化土壤环境，或者通过交换和还原作用活化或转化非活性磷的过程（Deluca et al.，2015）。所以Citrate-P含量的差异可能是由于植物根系和微生物分泌有机酸的能力的不同，产生这种现象可能的原因之一是芦苇的根系总长、表面积、体积等相比白茅和海三棱藨草都有较大的优势，植被通过对根际土壤中磷素的吸收，使土壤磷素含量下降（罗先香等，2011），根系更为发达的植物其根际对土壤磷素的消耗与根际的累积效应明显。而芦苇与互花米草 Citrate-P含量的差异可能更多地是由于根系形态以及利用策略的不同导致的。白茅与海三棱藨草间 Citrate-P含量的不同可能更多由于利用策略的差异。

研究区中4种植被表层土中的Enzyme-P 含量有显著的差异，Enzyme-P含量表征的是易被酶矿化的有机磷部分（Deluca et al.，2015），海三棱藨草的土壤Enzyme-P含量显著低于其他3种植被，这可能是海三棱藨草根系的酶分泌量远低于其他3种植被，也可能是由于海三棱藨草根系分泌的酶的种类与其他3种植被不同，磷的活化能力较低，还有可能海三棱藨草与其他3种植被土壤的微生物构成有显著的差异，从而导致酶活化磷能力的差异。

3.2 滨海湿地土壤磷素各组分含量的影响因子

通过对大丰麋鹿自然保护区滨海湿地土壤有机质含量的测试，发现研究区样品的有机质变化幅度大。芦苇、互花米草、白茅覆盖的表层土壤有机质均高于无植物覆盖的裸地，这与任丽娟等（2011）在盐城的研究结果一致，其中互花米草和芦苇的土壤有机质含量显著高于其他组，这是因为互花米草和芦苇的大量凋落物为土壤提供了丰富的有机质来源，根系分泌物及大量细跟的周转也是土壤有机质的重要来源（刘伟成等，2014）。研究区土壤速效磷含量与土壤有机质显著相关（P＜0.01），这与在黄河三角洲的研究结果相一致，土壤有机质的含量会影响土壤磷吸附-解吸的过程（Bai et al.，2017），土壤磷解吸过程是磷素有效化的主要过程之一，与土壤磷的有效性显著相关。

此外，本研究中土壤含水率也是显著影响土壤磷素组分的环境因子，表明淹水条件也是影响土壤磷素组分的关键因素。土壤含水率的变化会影响土壤中植物凋落物的分解速率以及凋落物中磷素的释放（白秀玲等，2018），而植物的分解会改变土壤微环境。

本研究中土壤中的速效磷含量与 Citrate-P含量显著相关（P＜0.05），可知大丰麋鹿自然保护区中的速效磷主要来自于土壤中有机酸活化释放的无机磷。

4 结论

（1）大丰麋鹿自然保护区滨海湿地土壤磷素组分 含 量 表 现 为 CaCl2-P＜Citrate-P＜Enzyme-P＜HCl-P。

（2）植物的生长会显著降低土壤中根系可截留磷素和有机酸可提取磷素的含量。

（3）与互花米草、海三棱藨草、白茅相比，芦苇根系对0—20 cm土层的磷素的截留能力更强；海三棱藨草与其他3种植物相比，根系发生的酶活化磷素的过程较激烈。

（4）影响土壤Citrate-P含量的主要环境因子是土壤含水率，影响土壤HCl-P含量的主要环境因子是有机质。

（5）大丰麋鹿自然保护区土壤中速效磷主要来自于土壤中有机酸活化释放的无机磷。