丹霞山不同土地利用方式土壤磷组分特征及其有效性

王超，杨倩楠，张池，刘同旭，张晓龙，陈静，刘科学*

1.广州新华学院资源与城乡规划学院，广东 广州 510520；2.广东省华南城乡经济社会发展研究院，广东 广州 510642；3.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；4.广东省科学院生态环境与土壤研究所/农业环境污染综合控制与治理重点实验室，广东 广州 510650

磷（P）是植物生长发育必需的营养元素之一，是影响陆地生态系统结构功能和稳定性的重要养分因素（Fan et al.，2018）。与碳氮来源不同，土壤磷主要来源于成土母质、矿质岩石的矿化释放（Weihrauch et al.，2018），因此土壤磷与该地区的风化淋溶程度以及环境特征具有密切联系。亚热带地区淋溶风化作用强烈，土壤矿物中磷释放速率较快，但常因频繁的降雨，雨水的冲击和剪切力作用导致严重水土流失和土壤退化（Li et al.，2013），引起土壤磷不足。而且亚热带地区土壤普遍呈酸性，土壤磷通常会被土壤黏土矿物和铁铝氧化物以专性吸附固定（Chen et al.，2014；Chen et al.，2020），若土壤颗粒表面电荷丰富，磷还会与土壤溶液中的游离态金属氧化物（铁、铝、钙等）发生沉淀反应形成高稳定性磷酸盐。Fan et al.（2018）认为土壤磷是亚热带地区土壤净初级生产力的主要限制性养分元素。

土壤磷大多与土壤组成物质结合形成不同形态的磷，这些不同结合形态磷之间的转化直接影响着土壤磷的有效性（Fu et al.，2020）。根据土壤磷的溶解度和生物利用率的差异，分为速效磷、易分解磷、中等易分解磷和难利用磷（Hou et al.，2016）。众多研究表明，土壤磷组分及有效性随生态环境的变化表现出差异性，如受土壤pH（Fujita et al.，2017）、有机碳（Maranguit et al.，2017）和金属氧化物（Chen et al.，2014；Chen et al.，2020）等因素的影响。此外，土壤微生物在磷组分转化、维持磷高有效性中发挥着至关重要的作用（Turner et al.，2013）。土壤微生物可以吸收部分有效磷以维持自身生命活动，在微生物死亡后，其固持的磷会再次归还土壤，成为可被植物体吸收利用的重要磷源（Turner et al.，2013）。钱前等（2022）研究表明，喀斯特地貌生态恢复可有效提高土壤有效磷含量，而微生物生物量磷（MBP）则是驱动土壤磷组分转化的重要影响因子。磷酸酶能够将有机磷矿化分解为无机磷酸盐，增加土壤磷有效性（陈苏等，2021）。植物体根系分泌物可通过刺激磷酸酶活性（Herbert et al.，2015），加快土壤磷的矿化释放速率。

“中国丹霞”是中国陆地生态系统的重要组成部分，据统计，中国共有1 057 处丹霞地貌，面积达2×105km2，占国土总面积的2.08%（齐德利等，2016）。丹霞地貌形似喀斯特地貌，具有沟槽、石洞、陡崖等结构，土-石-稀疏植被的组成特征使得土壤结构松散、土壤养分难以固持，而且强烈的淋溶风化作用导致土壤铁铝氧化物丰富，致使土壤营养元素的迁移性弱（Wang et al.，2010）。与喀斯特地貌不同的是，丹霞地貌发育于红色砂砾岩，钙镁元素未见富集，pH 偏低，而且土壤水分低，更易受风蚀、水蚀影响（何祖霞等，2012；Yan et al.，2019）。土地利用转变已被证明是改变一系列生态系统服务和功能来扭转土地生产力下降的有效做法。土地利用是通过植被类型和其他相关属性的变化影响土壤物理、化学和微生物特性的最重要因素之一。最重要的是，土地利用转变改变了土壤磷的状态和分布，而土壤磷对植物和微生物至关重要。目前，关于南方脆弱生态系统方面的研究多见于喀斯特地貌，其有关不同利用方式和植被恢复对土壤养分循环的研究已有较多报道（Tian et al.，2020；钱前等，2022）。但我们对丹霞地貌土壤养分分布特征知之甚少，尤其亚热带区域土壤限制性养分P 的研究就更为重要。

本研究选取广东丹霞山世界地质公园4 种土地利用方式土壤（乔木林AF、灌木林SL、撂荒草地AG 和农田CL）作为对象，分析了土壤MBP、磷酸酶活性与土壤基本理化性质之间的关系，旨在探明不同土地利用方式对丹霞生态脆弱区土壤磷组分转化和有效性的影响及其驱动因子，以期为丹霞生态脆弱区选择高效土地利用方式和为生态恢复、生态环境的可持续性发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省韶关市仁化县境内丹霞山世界地质公园（24°51′48″－25°04′12″N，113°36′25″－113°47′53″E），属南亚热带季风气候区，年平均气温19.9 ℃，年平均日照时间1 469 h，年平均降雨量1 512.3 mm，3－8月降雨量占全年降雨量的75%。研究区平均海拔220 m，地质是由红色砂砾岩层构成的丹霞地貌，土壤类型以红壤为主。

1.2 土壤样品采集

广东丹霞山是丹霞地貌的命名地，在地层、构造、地貌表现、发育过程、营力作用以及自然环境、生态演化等方面的研究在全国丹霞地貌区最为详细和深入，已经成为全国乃至世界丹霞地貌的研究基地（图1）。上个世纪50 年代林地大面积的开垦和耕地化造成了该区域森林的锐减和生态系统的退化，后来受退耕还林政策的影响，人工促进生态修复形成该区域4 种主要的植被类型：乔木林（Arbor Forest，AF）、灌木林（Shrubland，SL）、撂荒草地（Abandoned grassland，AG）和农田（Cropland，CL）。在过去40 年中，农田主要以种植玉米、菜心等旱作农业为主。撂荒草地为这些农田撂荒，在无人为干扰情况下进行被动恢复所形成的。灌木林和乔木林则是在农田撂荒的基础上，主动种植树木形成（表1）。本研究以4 种利用方式土壤为研究对象，在丹霞山不同土地利用方式区域，间隔200－300 m，随机设置3 个10 m×10 m 的采样小区，共计12 块采样小区，按S 型5 点采样法，采集不同深度土样（0－20 cm 和20－40 cm），将同一土层深度的5 点样品充分混合。采集的土样去除大块石砾和根系等植物残体，分成两份，一份用采样袋收集带回实验室，经自然风干研磨过10 目和100 目筛用于测定土壤基本理化性质，另一份用自封袋密闭收集后置于冰箱中4 ℃保存，后续进行微生物量磷和磷酸酶活性的测定。

表1 样地基本信息Table 1 Condition of different sample plots

图1 丹霞山采样点位置图Figure 1 Location of soil sampling in Danxia Mountain

1.3 测定方法

土壤基本理化性质测定方法参考《土壤调查实验室分析方法》（张甘霖等，2012）。pH 采用电位计法测定（水土比2.5꞉1）；容重（BD）采用环刀法测定；有机碳（SOC）采用浓硫酸-重铬酸钾外加热法；溶解性有机碳（DOC）采用去离子水浸提（水土比5꞉1）-元素分析仪测定（CE-440，美国加联有限公司）；无定型铁（Feo）采用草酸-草酸铵溶液浸提法测定；NH4+-N 和NO3−-N 采用氯化钾浸提-分光光度计比色法测定。土壤基本理化性质测定结果见表2。

表2 土壤基本理化性质Table 2 Basic physicochemical properties of soil samples

土壤磷组分测定采用Tiessen et al.（1993）改进的分级方法，主要包括树脂膜浸提态磷（Resin-P）、碳酸氢钠溶液浸提态有机磷（NaHCO3-Po）和无机磷（NaHCO3-Pi）、氢氧化钠浸提态有机磷（NaOHPo）和无机磷（NaOH-Pi）、氢氧化钠浸提-超声波处理提取态有机磷（NaOHu.s-Po）和无机磷（NaOHu.s-Pi）、HCl 浸提态磷（HCl-P）和浓酸消解的残留态磷（Residual-P），磷组分均采用连续流动分仪（F9700，青岛壹壹仪器有限公司）测定。参考Hou et al.（2016）研究结果，将植物对不同磷组分的吸收和利用难易程度分为：（1）速效磷包括Resin-P，为植物可直接吸收利用的无机磷组分；（2）易分解磷包括NaHCO3-Po和NaHCO3-Pi；（3）中等易分解磷包括NaOH-Po和NaOH-Pi；（4）难利用磷包括NaOHu.s-Po、NaOHu.s-Pi、HCl-P 和Residual-P。根据磷组分生物有效性分为有机磷（NaHCO3-Po、NaOH-Po和 NaOHu.s-Po）、无机磷（Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、NaOHu.s-Pi、HCl-P 和Residual-P）。

微生物磷（MBP）采用氯仿熏蒸-碳酸氢钠浸提法，流动分析仪（F9700，青岛壹壹仪器有限公司）测定，浸提系数为0.40。土壤碱性磷酸酶（ALP）和酸性磷酸酶（ACP）活性以伞形酮为指示底物取1.00 g 新鲜土样于pH 为11 的醋酸盐缓冲溶液的广口瓶中，磁力搅拌器均匀搅拌5 min。随后移取200 mL 悬浊液于微孔板中，用多功能酶标仪（Spectra Max M5，上海美谷分子仪器有限公司）测定。

1.4 数据分析

Excel 2019 软件处理数据和SPSS 24.0 软件进行统计分析。数据为均值±标准差（SD）。采用双因素方差和成对样本T检验对土壤磷组分、微生物磷和磷酸酶活性进行显著性检验（P<0.05）。采用Pearson 相关性分析土壤变量与微生物磷、磷酸酶之间的关系。采用软件Canoco 5.0 进行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）。PCA 结果通过置换多元方差分析（PERMANOVA）进行显著性检验。采用Origin 2020 软件对图形进行绘制。

2 结果与分析

2.1 土壤碳氮养分

土地利用方式、土层深度及其交互作用显著影响土壤有机碳、全氮和C꞉N（图2）。不同土层土壤有机碳、全氮和C꞉N 均表现显著差异（P<0.05），除SL 和CL 土壤C꞉N 外不同利用方式的有机碳、全氮和C꞉N 均表现为0－20 cm 大于20－40 cm（图2）。土壤有机碳含量为4.37－24.32 g·kg−1，以AF 土壤最高，较其他土地利用方式提高了66.4%－310.9%。而全氮含量以SL 土壤最高，显著高于其他土地利用方式，AG 土壤含量最低，为0.73 g·kg−1。AF 和AG 土壤C꞉N 之间无明显差异（P>0.05），但显著高于SL 和CL 土壤（P<0.05），其中CL 土壤C꞉N 最低，为3.54。

图2 土壤有机碳（a）、全氮（b）及碳氮比（c）变化Figure 2 Changes of soil organic carbon (a), total nitrogen (b) and their ratios (c)

2.2 土壤磷组分

土地利用方式、土层深度及其交互作用显著影响土壤总磷、无机磷和有机磷含量（图3）。与CL相比，AF 和SL 土壤总磷、无机磷和有机磷显著增加，分别提高了70.8%－332.2%、71.0%－319.9%和70.5%－346.6%（图3），其中AF 土壤表现出最高的含量。而AG 和CL 土壤之间总磷、无机磷和有机磷均无显著差异（P>0.05）。

图3 土壤总磷（a）、无机磷（b）和有机磷（c）含量变化Figure 3 Changes of soil total phosphorus (a), inorganic phosphorus (b) and organic phosphorus (c) contents

根据图4 和表3 得知，土壤难利用磷含量和占比最高，中等易分解磷次之，速效磷最低。不同利用方式各磷组分含量均表现为0－20 cm 大于20－40 cm（除SL 土壤易分解磷、中等易分解磷和CL 土壤易分解磷）。AF 土壤各磷组分含量均显著高于其他土地利用方式（P<0.05），其中SL 和AG 土壤速效磷、易分解磷和中等易分解磷含量之间均无明显差异（P>0.05）。难利用磷含量在不同利用方式之间呈两两显著（P<0.05），表现为AF>SL>AG>CL。此外，土壤无机磷占比为49.5%－61.2%，略大于有机磷占比。

表3 土壤磷组分占总磷的比例Table 3 Changes of the percent of soil phosphorus fractions %

图4 土壤磷组分含量变化Figure 4 Changes of soil phosphorus fractions contents

2.3 土壤微生物量磷和磷酸酶活性

土地利用方式和土层深度对土壤MBP、ALP 和ACP 均有显著影响（图5）。不同土地利用方式表层土壤MBP 含量和ALP 活性显著高于亚表层土壤（除SL 两土层MBP 含量无明显变化）（P<0.05）。与CL 相比，AF、SL 和AG 土壤MBP 显著增加（P<0.05），且以AF 土壤（33.9 mg·kg−1）最高。土壤ALP 活性在不同利用方式之间两两差异显著，AF 土壤显著高于其他利用方式（P<0.05），分别提高了22.6%、36.0%和73.0%，CL 土壤表现为最低。相较于CL 和AG，AF 和SL 土壤ACP 活性显著增加（P<0.05），其中CL 表现出最低的ACP 活性。

图5 土壤微生物量磷（a）、碱性磷酸酶（b）和酸性磷酸酶（c）活性变化Figure 5 Changes of soil microbial biomass phosphorus (a) and alkaline phosphatase activities (b), acid phosphatase activities (c)

2.4 土壤微生物量磷和磷酸酶活性与环境因子的相关性

土壤MBP 与pH、DOC、SOC、NH4+-N 呈极显著正相关，与C꞉N 呈显著正相关，与BD 呈极显著负相关（图6a）。土壤ALP 活性与pH、DOC、SOC、C꞉N、NH4+-N 呈极显著正相关，与NO3−-N 呈显著正相关，与BD 呈极显著负相关（图6b）。土壤ACP 活性与pH、DOC、SOC、TN 和呈极显著正相关，与BD 呈极显著负相关（图6c）。

图6 土壤微生物量磷（a）、碱性磷酸酶（b）、酸性磷酸酶（c）与环境因子的相关性Figure 6 Relationship between soil microbial biomass phosphorus (a), alkaline phosphatase activities (b), acid phosphatase activities (c), and soil physicochemical properties

2.5 土壤P 组分与环境因子的相关性

PCA 和PERMANOVA 结果表明，土地利用方式显著影响该区域土壤磷组分，AF 与其他利用方式存在较大差异，而且土壤磷组分指标均指向AF，表明AF 有利于土壤各磷组分含量的增加（图7a）。冗余分析结果（图7b）显示，环境因子解释了土壤磷变异的98.4%信息，第1 轴和第2 轴分别解释了变量的96.3%和2.1%，其中Feo、NO3−-N 和NH4+-N 含量显著影响土壤磷组分的转化。Feo对土壤磷组分的解释率最高为86.3%（P<0.01），其次为NO3−-N，解释率为8.0%（P<0.01），Feo和NO3−-N 与各磷组分均呈显著性正相关。

图7 不同利用方式土壤磷组分的主成分分析（a）和冗余分析（b）Figure 7 Principal component analysis (a) and redundancy analysis (b) on changes of soil phosphorus fractions under different land uses

3 讨论

3.1 丹霞地貌土壤磷组分特征

土地利用与管理措施影响着土壤养分元素的输入和输出，进而影响土壤养分元素的生物有效性（Redel et al.，2008）。本研究中，AF 土壤各磷组分含量均显著高于其他土地利用方式，这与前人的研究结果保持一致（Zhang et al.，2021；钱前等，2022）。农田向林地的转变，土壤磷含量提高主要归功于凋落物在地表的积累。一方面，凋落物中富含的大量低分子有机酸是土壤微生物易利用的碳源（Santos et al.，2017；Ma et al.，2022），刺激微生物活性，正反馈效应加速了凋落物淋溶分解，并通过各生化机制促进了土壤磷循环系统转化速率。另一方面，释放出的低分子有机酸可作为土壤有机胶结物质，其丰富的官能团能与土壤矿物形成有机-无机复合体（Cavalcante et al.，2018），增强对土壤P 素的截留能力。而且在碳源充足的情况下，土壤微生物丰度和活性增加（图5），微生物会利用更多能量拓宽限制性磷的吸收范围（Fujita et al.，2017）；凋落物中可迅速矿化的有机物以有效磷为主，促进了有效磷的归还和积累。AF 土壤pH 显著提高（趋近于中性，表2），土壤溶液中自由羟基含量较多，改变了土壤胶结物质与土壤溶液中磷酸根离子的交换过程影响土壤磷的固定与释放（Turner et al.，2013）。采样期间我们还发现CL 土壤有明显侵蚀现象，物理结构松散，土壤固持磷养分的能力较弱。本研究中土壤磷素主要以难利用磷为主，植物体利用难度较大，必须经过解吸、矿化等复杂过程才能转化为植物吸收利用的形态（Maranguit et al.，2017）。这是由于亚热带土壤脱硅富铁化，丰富的铁氧化物与游离的磷酸根结合形成了生物利用度较低的磷酸-铁复合物。虽然难利用磷虽然短时间不能被利用，但随着土壤淋溶风化和生物化学作用的进行，未来可能成为土壤有效态磷的潜在磷源。Zhang et al.（2016）发现随着亚热带森林植被演替，潜在磷源在维持土壤高水平磷有效性中起着关键作用。

3.2 丹霞地貌土壤微生物量磷和磷酸酶活性特征

土壤微生物活性对土地利用的响应往往较土壤磷组分更敏感（Sun et al.，2018），研究土壤微生物量和酶活性对于了解丹霞地貌土壤磷循环具有重要意义。本研究中AF 土壤MBP 含量显著高于其他利用方式。钱前等（2022）研究不同土地利用和生态恢复方式下土壤磷特征时，也发现相较于人为干扰强度大的耕地和果园，自然恢复林地具有更高的土壤MBP 含量。MBP 与SOC、DOC 呈显著正相关，碳、磷元素具有很好的耦合效应，即有机物质矿化分解也是土壤磷的供应过程，AF 土壤人为扰动低，枯枝落叶等凋落物长期沉积在地表，经过腐殖化作用形成腐殖类物质，为土壤磷的供应提供了足量的碳源。根据胞外酶合成的资源分配模型，当土壤磷需求量大，微生物应优先将其资源分配给获取磷的酶合成（Fujita et al.，2017）。林地生物量大，植物需要较多的磷素，使得土壤微生物量磷含量明显高于其他土地利用方式，由此土壤微生物更加倾向于合成磷酸酶。本研究还发现，磷酸酶活性（ALP 和ACP）也与SOC、DOC 呈显著正相关，这说明林地土壤能够通过积累有机碳，为土壤微生物的生命活动提供能量，从而提高土壤磷酸酶活性。大量研究（Mander et al.，2012；Magadlela et al.，2023）表明，有机磷相关细菌能够利用土壤中的核酸类、磷脂类富含磷酸基团的有机物质，刺激磷酸酶合成，从而有利于磷有效性提高。

3.3 丹霞地貌土壤磷组分转化的调控因素分析

冗余分析结果表明，驱动丹霞退化区土壤磷组分转化的主要因子为土壤Feo、NO3−-N 和NH4+-N。本研究中Feo与各磷组分均呈显著正相关，这是因为研究区域位于南亚热带季风气候区，土壤淋溶风化严重，土壤呈现脱硅富铁化现象，铁氧化物在土壤生态系统中的作用起到关键。铁氧化还原系统是亚热带土壤重要的氧化还原体系，铁氧化物是电子的受体和供体，参与土壤重要的生物化学过程（Chen et al.，2020），如二价铁氧化物参与芬顿反应产生的活性氧能裂解顽固态有机碳分子，增加土壤有机物质的生物有效性（Chen et al.，2019），从而间接影响土壤磷的有效性。Feo相较于其他铁氧化物具有更大的表面活性能（Chen et al.，2014），对土壤磷素的吸附固持能力更强，但是由于其结晶度较差，外界环境的扰动会破坏不稳定的矿质晶格，使得吸附的磷重新释放，提高土壤磷有效性，因此，Feo对土壤磷起到临时储存的作用，既可以降低水土流失造成的磷素损失，而且在必要时能释放吸附的磷素供给植物体吸收利用。本研究中，NO3−-N 和NH4+-N 均与土壤各磷组分呈正显著相关。张磊等（2022）在亚热带米储自然林的磷素有效性的影响因素研究中也发现，氮是磷组分变化的主要驱动因子之一。Houlton et al.（2008）基于全球范围的结果表明，土壤氮有效性的增加，不但溶磷菌和解磷菌活性随之增加，而且还会刺激微生物分泌更多磷相关酶促进土壤固持磷的释放。此外，氮素还能通过改变土壤养分元素的耦合关系，降低土壤C꞉N，刺激土壤沉积的腐殖类物质的矿化分解，加速土壤养分元素释放，从而增加土壤磷有效性（Fan et al.，2018）。综上所述，随着土地利用方式转变，丹霞地貌区土壤一方面通过提高无定型铁对磷素固持作用减少流失，另一方面增加土壤矿质氮，协同耦合土壤磷组分转化，从而增加土壤磷生物有效性。

4 结论

不同土地利用方式中，与农田比，乔木林和灌木林土壤各磷组分含量显著增加，说明退耕还林有利于土壤磷水平的提高，而且林地土壤微生物量磷也较高，林地土壤具有较好的磷素循环特征。

乔木林和灌木林的碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性均较高，说明退耕还林可以通过刺激土壤微生物分泌磷酸酶，进而矿化有机磷，改善土壤磷状况。

丹霞地貌不同土地利用方式下，土壤磷组分及其有效性主要由无定型铁和矿质氮来驱动，农田向林地的转化对磷素循环具有正向作用。由此可见，农田向林地的转变有效提高了该区域土壤固磷能力，同时促进土壤磷结构的改善，因此，丹霞地貌区农田可通过退耕还林以缓解土壤磷限制从而恢复土壤地力。