东北平原14个地点杨树防护林和农田土壤全磷及其组分差异研究

郭宇丰，曹旭东，朱美娜，杨艳波，王慧梅，王文杰,

(1.东北林业大学 化学化工与资源利用学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.中国科学院 东北地理与农业生态研究所,吉林 长春 130102)

0 引 言

土壤磷以多种途径参与植物体内各种代谢过程，是植物生长发育的重要限制因子[1-2]，而土壤磷素化学分级是评价土壤磷库特征及磷素供应状况及有效性的关键[3]。磷素分级已由早期张守敬和Jackson[4]提出的Al-P、Fe-P、Ga-P和O-P四种形态发展到Hedley[5]磷分级体系—按照土壤磷素活性的高低，提取出不同形态的磷(7种)，其兼顾了无机磷和有机磷的土壤磷素分级方法。综合Tiessen和Sui修正的Hedley磷素分级法[6-7]能较准确地将土壤磷素分为无机态和有机态两大类，按有效性进行连续浸提，将土壤磷素分为9种形态(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数据库引用最为广泛的磷组分分级方法。

东北地区是我国最大的商品粮生产基地，为改善农田生态环境状况，国家大力建设了农田防护林系统。关于农田防护林土壤改良效益及风险评价，在土壤方面更多的集中在土壤养分、碳氮平衡、土壤理化性质影响等方面[8-9]。对松嫩平原农田防护林的初步探究发现，农田防护林建设后，土壤碳、氮含储量并未发生显著变化，但土壤全磷含量和磷储量显著降低[10]。有学者[11]发现，农田防护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随林龄增加先降低后增大[12]。整体来看，跨越多个纬度，在较大的东北平原区尚缺乏杨树防护林土壤全磷及其组分的研究，可能影响土壤养分的有效管理。

基于此，本研究拟回答以下问题：(1)东北地区杨树防护林相比农田土壤全磷及土壤磷组分发生了何种变化?P含量及其在不同组分的分配如何？(2)不同地点与土地利用类型间哪个差异更大？(3)对未来农田防护林的土壤养分管理与评价有何建议？对这些科学问题的回答，将为农田防护林工程的养分管理提供依据。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

研究区位于我国东北平原的14个地点，分别为富裕、兰陵、明水、肇州、宋站、杜蒙、赤峰、通辽、奈曼、四平、长岭、白城、德惠和泰来。气候类型属于温带大陆性季风气候，四季分明，夏季短暂、湿热、降水集中，冬季寒冷干燥而漫长。年均温3.8～7.6 ℃，年降雨量347～614 mm，农田种植作物均为玉米(ZeamaysL.)。防护林树种多以小黑杨(Poplussimonii×Poplusnigra)为主[13]，但是不同地区存在差异；杨树具体种类鉴定较为困难，本研究并未进行细致划分。林龄在17～36年之间，主要通过采访当地林业部门或农户获得。胸径在18.2～40.0 cm。土壤pH在6.7～8.9，电导率(EC)介于14.1～103.5 μS·cm-1。土壤类型以黑土、黑钙土为主，各地土壤分类在野外实测的基础上，进一步在中国土壤数据库官网查询验证(http://vdb3.soil.csdb.cn/)(表1)。

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

1.2 样品采集

在每个地点选择3组毗邻的农田、杨树防护林配对样地，用200 cm3环刀在0～40 cm土壤剖面5点法取样，取样农田、杨树防护林各3份，合计共采集84个土壤样品。用土壤袋带回实验室自然风干至恒重，风干土研磨过2 mm和0.25 mm土壤筛待用。室内为了方便进行土壤磷组分分级，把每个地点采集的3个土壤混合为一个土样。同时野外调查时用GPS记录采样点经度、纬度、海拔等信息(表1)。

1.3 土壤磷组分及pH值和电导率测定

综合Tiessen和Sui等修正的Hedley土壤磷素分级法[6-7]进行土壤磷组分测定。具体操作如下：称取0.5 g过0.25 mm筛的风干土样置于50 ml离心管中，依次加入30 ml的去离子水、0.5 mol·L-1NaHCO3(pH=8.5)、0.1 mol·L-1NaOH、1 mol·L-1HCl，conc.HCl提取出土壤中各无机态土壤磷，之后将NaHCO3，NaOH，conc.HCl提取的无机磷进行H2SO4-H2O2消解，得到对应的该形态全磷，再计算有机形态，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)、稀盐酸无机磷(HCl-Pi)、浓盐酸无机磷(conc.HCl-Pi)、浓盐酸有机磷(conc.HCl-Po)和残余态磷(Re-P)共9种，各形态磷组分含量单位为mg·kg-1。

土壤pH采用Sartorius PB 10型精密酸度计测定；土壤电导率采用DDS-307电导率测定仪测定(土∶水=1∶5)。

1.4 数据处理

除不同磷组分的绝对含量外，对不同组分的含量配比进行分析；配比计算为各组分含量除以全磷含量。

14地点数据平均值差异也进行了统计。具体标准为：当农田、杨树防护林的磷组分含量差为±5.0%时，定为农田和杨树防护林相当(农=杨计数)；当磷组分含量在农田高于杨树5.0%时，定为农>杨，并计数；当磷组分含量在农田低于杨树防护林5.0%时，定为农<杨计数。对14个地点的统计，可以显示农田和杨树防护林间的差异趋势。

使用SPSS 26.0软件中的配对样本T检验，分析杨树防护林和农田土壤全磷、磷组分含量的统计学差异。

2 结果与分析

2.1 农田、杨树防护林土壤全P及其组分含量

如表2所示，研究区14个地点土壤全磷平均含量为266 mg·kg-1。所有组分中HCl-Pi含量最高，为101 mg·kg-1；其次为NaOH-Po和conc.HCl-Po，含量分别为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种磷组分中最低，介于1.4～7.1 mg·kg-1。9种磷组分含量由高到低为HCl-Pi >NaOH-Po>conc.HCl-Po>NaOH-Pi>Re-P>conc.HCl-Pi>NaHCO3-Po>NaHCO3-Po>H2O-Pi。

全磷含量最高的地点是赤峰(594 mg·kg-1)，最低地点是泰来(122 mg·kg-1)，最高值约为最低值的4.9倍。HCl-Pi含量最高的是赤峰(272 mg·kg-1)，最低点是四平(39.6mg·kg-1)，最高值约为最低值的6.9倍；NaOH-Po和conc.HCl-Po，的最高值分别为奈曼(9.45 mg·kg-1)和明水(78.1 mg·kg-1)，最低值分别是泰来(4.7 mg·kg-1)和明水(35.9 mg·kg-1)，最高值分别约为最低值的8.3和7.6倍。全磷和9种磷组分地点间差异远大于土地利用间的差异，多数情况下农田、杨树防护林间的差异小于2倍，而地点间差异可达到10倍甚至更高(表2)。

对于全磷及除Re-P以外的8种磷组分，农田含量高于杨树防护林的地点较多。NaOH-Pi含量表现为农田高于杨树防护林的有11个地点；全磷和NaHCO3-Pi表现出农田含量高于杨树防护林的有10个地点；NaHCO3-Po、NaOH-Po、HCl-Pi农田含量高于杨树的分别有8个、8个、和9个地点；H2O-Pi、NaOH-Po、conc.HCl-Pi和conc.HCl-Po农田含量高于杨树的地点分别有6个、8个、6个、6个(表2)。

表2 14个地点农田和杨树防护林土壤P及其组分绝对含量差异Table 2 The absolute contents of soil P and their components between farmland and adjacent poplar shelterbelt at 14 sites

2.2 农田、杨树防护林土壤P组分配比

如表3所示，HCl-Pi在全磷中的配比最高，占全磷含量的52.7%；其次为NaOH-Po和conc.HCl-Po，在全磷含量中分别占比14.8%和11.2%；NaOH-Pi、conc.HCl-Pi和Re-P在全磷中的占比分别为6.1%、4.8%和5.1%；H2O-Pi、NaHCO3-Pi、NaHCO3-Po 3种组分在全磷中的占比最小，分别为0.5%、2.1%和2.7%。各磷组分对全磷含量的贡献由大到小依次为：HCl-Pi>NaOH-Po>conc.HCl-Po>NaOH-Pi>Re-P>conc.HCl-Pi>NaHCO3-Po>NaHCO3-Pi>H2O-Pi。

表3 14个地点农田和杨树防护林土壤P及其组分相对含量差异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点是奈曼(79%)，最低的地点是明水(19.2%)，最高值为最低值的4.1倍。NaOH-Po在全磷中配比最高的地点是明水(35.2%)，最低的地点是赤峰(3.51%)，最高值为最低值的10倍。conc.HCl-Pi在全磷中配比最高的地点是四平(9.25%)，最低的地点是赤峰(1.86%)，最高值为最低值的5倍。conc.HCl-Po在全磷中配比最高的地点是宋站(21.6%)，最低的是赤峰(3%)，最高值为最低值的7.1倍。Re-P在全磷中配比最高的地点是明水(32.7%)，最低的地点是泰来(0.34%)，最高点是最低点的96.2倍(表3)。

农田和防护林组分相对配比差异明显分为两类，有些组分杨树防护林高于农田的情况比较普遍，如NaOH-Po，conc.HCl-Po：14个地点中9和8个地点防护林高于农田。其他组分，如NaOH-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi和H2O-Pi则相反，表现为农田高于杨树防护林出现的地点比较多：14个地点中7-10个地点表现为这一趋势(表3)。

2.3 农田和杨树防护林土壤磷及其组分配比配对T检验分析

如表4所示，农田土壤全磷含量为297 mg·kg-1，杨树防护林土壤全磷含量为235 mg·kg-1，杨树防护林土壤全磷含量相比农田显著降低20.9%(P<0.05)。9种土壤磷组分中，除Re-P外，其余8种土壤磷组分含量均表现为杨树防护林低于农田的趋势。其中杨树防护林NaHCO3-Pi含量为3.78 mg·kg-1，农田含量为5.47 mg·kg-1，杨树防护林显著低于农田30.9%(P<0.05)。

表4 农田与杨树防护林间土壤磷及其组分差异的配对T检验分析Table 4 Paired T test on the differences of soil P and its components between farmland and poplar shelterbelt forests

各磷组分在全磷中占比配对T检验结果显示：NaOH-Pi农田、杨树防护林间有显著差异，农田高于杨树防护林1.7%(P<0.05)。HCl-Pi在全磷中的占比在农田中高于杨树防护林0.7%，Re-P、NaOH-Po、conc.HCl-Pi含量在全磷中的占比农田低于杨树防护林0.9%、0.8%和0.6%，其余组分在全磷中的占比在农田与杨树防护林变化均未超过0.5%(表4)。

以杨树防护林相比农田的土壤全磷含量变化作为100%，HCl-Pi含量变化对二者土壤全磷的变化贡献最大，达到54.1%。其次为NaOH-Pi，贡献达25.8%。其余组分贡献大于5%的有NaHCO3-Pi(5.7%)、NaHCO3-Po(6.7%)，剩下的组分贡献均小于5%(表4)。

3 讨论

杨树防护林土壤全磷含量比配对农田的土壤全磷含量显著降低1/5以上，与前人本区域的研究结果一致。如Wu等[10]发现，松嫩平原农田杨树防护林带下0～40 cm土层农田、杨树防护林全磷含量分别为0.41 g·kg-1和0.37 g·kg-1，储量分别为0.12 kg·m-2和0.1 kg·m-2，杨树防护林的含量、储量均显著低于农田9.8%、16.7%。Zhang等[13]也发现，东北黑土区随小黑杨林龄增加土壤全磷呈下降趋势：从生长10年的幼林到生长31年的后成熟林土壤全磷含量从大约1.4 g·kg-1降低到0.4 g·kg-1。上述结果说明杨树防护林建设会导致土壤全磷含量降低，且随着造林时间延长会逐渐加重。也有研究认为，传统耕作会增加一定的磷素积累，如周宝库等[14]研究发现：施肥处理积累的磷素大部分以有效性较高的Ga2+、Ga8+、Al3+形态积累在土壤中。东北农田管理中往往大量施用以磷酸二铵为主的P肥；但本研究未对不同地点农田施肥情况进行长期监测。对Wu等[10]人的实验样地在2018年进行了重复采样，分析结果确认了杨树防护林表层土壤全P含量相比对照农田降低(结果未发表)。本研究对农田退耕还林选择杨树树种后土壤全磷的生态效益评价及风险评估提供了参考，在未来杨树农田防护林土壤养分管理中，应加强土壤磷等养分的动态监测。

磷分级结果明确了哪些组分主要贡献于土壤全P的降低及可能存在的P养分失调风险。具体来讲：

第一：NaHCO3-Pi作为高活性磷组分，相比农田，杨树防护林降低了近1/3，差异显著。杨树相比于农作物具有更长的生长周期以及更大的地上生物量，其快速生长需要吸收更多的土壤活性磷组分[12]。杜佳佳[15]发现，在江苏省农田0～20、20～40 cm土层中NaHCO3-Pi含量分别约为68 mg·kg-1和47 mg·kg-1，而林地仅为47 mg·kg-1和10 mg·kg-1；江西农田[15]0～20、20～40 cm土层中NaHCO3-Pi含量分别约为44 mg·kg-1、59 mg·kg-1，林地分别约为28 mg·kg-1、43 mg·kg-1，本研究与上述结果一致。

第二：NaOH-Pi在全磷中的配比杨树防护林显著低于农田1.72%，14个地点中11个表现为类似趋势。NaOH-P是林地土壤中可转化为有效养分的最主要的潜在磷源，这部分P对全磷降低的总贡献达27.3%，其中NaOH-Pi贡献25.8%，NaOH-Po贡献1.5%。Zhang等[16]发现，澳大利亚南洋杉原生林转化为农田后土壤有机磷下降55～63%，转化为草地和人工林后有机磷减少12.23%，且有机磷的减少主要与NaOH-Po组分(相对有效磷)的减少有关。

第三：HCl-Pi含量在所有组分中最高，其含量变化贡献了全磷含量变化的54.1%(表4)。HCl-Pi是指钙结合态磷，极为稳定，很难被植物吸收利用。武玉[17]研究发现，碱性土壤中磷主要以HCl-Pi形态存在。本研究结果与武玉一致，东北地区农田防护林区域土壤以盐碱土为主，如本研究杨树防护林土壤盐碱度指标pH、EC杨树防护林均高于农田(表1)。Wu等[12]也发现杨树防护林建设后导致土壤盐碱化加重。俞琳莺[18]研究发现，pH值和EC与土壤有效磷含量呈显著负相关。杨树防护林导致的土壤盐碱化程度加重应该与防护林土壤磷降低紧密相关。

此外，统计分析显示农田和杨树防护林之间达到显著差异的结果较少，其原因可能在于地点间差异远大于农田、杨树防护林间的差异。这些地点间的组内差异遮蔽了不同处理间的差异，导致统计效力降低。本研究结果发现，多数情况下农田和杨树防护林间的差异小于2倍，而地点间差异可达到10倍甚至更高(表2和表3)。因此，分析大范围农田和杨树防护林间全磷含量及组分差异时，需要充分有效去除地点间差异。在不同去除地点影响的分析方法中，本研究发现配对T检验能发现部分显著差异。本研究中测试的方法还包括协方差分析(把经纬度海拔和树木大小的影响作为协变量，分析农田和防护林间的差异)和简单方差分析(直接分析农田和防护林差异，不考虑地点影响)，但二者均未发现差异(数据未列出)。整体来看T检验具有较大的去除地点间影响的效力[10]。

4 结论

对于东北平原农田杨树防护林，杨树防护林土壤全磷含量低于农田土壤。9种磷组分中，高活性磷组分NaHCO3-Pi含量杨树防护显著低于农田，而中低活性磷组分NaOH-Pi、HCl-Pi对全磷含量的降低分别贡献了25.8%和54.0%。在未来的经营管理中需精准监测P及组分的含量变化，以防杨树防护林生长带来的P消耗及组分失衡风险。