不同林龄人促天然更新林土壤磷素形态及有效性分析

林开淼，郭剑芬，杨智杰，纪淑蓉，杨玉盛

（福建师范大学 a.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地;b.地理科学学院,福建 福州350007）

不同林龄人促天然更新林土壤磷素形态及有效性分析

林开淼a,b，郭剑芬a,b，杨智杰a,b，纪淑蓉a,b，杨玉盛a,b

（福建师范大学 a.湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地;b.地理科学学院,福建 福州350007）

采用Hedley磷素分级改进方法对福建省顺昌县不同林龄(21年生、31年生、49年生)米槠人促更新林Castanopsis carlesii表层土壤（0～10 cm）磷素有效性和磷素形态变化特征进行研究，结果表明：21年生、31年生、49年生米槠人促更新林土壤总无机磷含量分别为237.53、238.75和251.89 mg/kg；各形态无机磷中，树脂-P、氢氧化钠无机P最大值均出现在49年生米槠林土壤，而碳酸氢钠无机磷、稀盐酸无机磷、浓盐酸无机磷、残留磷变化不大；表层土壤有机磷形态中NaCHO3-Po和NaOH-Po及总有机磷的含量均随着林龄增加而增大，但C.HCl-Po没有变化；土壤有效磷含量亦随着林龄增加而增加，且土壤有效磷与树脂-P、NaCHO3-Po、NaOH-Po呈显著正相关。可见树脂-P可以作为红壤磷素缺乏的一个预测指标，而森林土壤有机磷矿化对土壤磷素有效性具有明显影响。

米槠；人促天然更新林；有机磷；无机磷；土壤磷素分级

以米槠Castanopsis carlesii为建群种的常绿阔叶林是我国东部湿润亚热带山地海拔＜500 m以下常绿阔叶林的重要群系之一，以米槠为主营造人工促进天然更新林在闽西北被广泛推广应用，已成为亚热带一种经营地带性植被的十分有效模式。目前对这种更新方式的研究主要集中在林分结构及生产力[1]、物种多样性[2]与一些生态因子的简单相关性[3-4]，而对森林土壤养分循环等的研究仍不深入。P是植物生长必需的大量元素之一，由于磷在土壤很难溶解和难移动性等特点，很难被植物吸收，成为限制植物生长的主要因子。特别是亚热带地区，红壤具高度风化和酸性特征，红壤自身严重缺磷，且固磷能力强，红壤中磷素大多被活性铁和活性铝所固定，形成Fe-P和Al-P，使得红壤地区磷素对森林生态系统生产力和重要生态过程的限制性更为明显[5-9]。

适宜的磷素形态分级方法研究土壤磷素对揭示土壤磷素状况具有重要意义。磷在土壤中以各种形态存在，但是直接鉴定含各种形态磷矿化物较为困难，适宜的磷素分级方法构建可以有效评价土壤有效磷库的多少和供应状况。磷素分级方法经历了从无机磷分级到有机磷分级，再到二者结合分级的发展过程，以Hedley等提出的磷素连续浸提方法，兼顾有机磷和无机磷土壤磷素分级方法，且较好地提取了土壤中活性较高的磷素组分[10]，被国内外公认为较为合理、全面的磷素分级方法。由于红壤的特性和磷有效性研究方法的不成熟，磷有效性体系还不完善。以Hedley为基础的改进土壤磷分级方法为森林土壤P转化及其有效性研究提供新思路。

Hedley磷素分级方法在酸性红壤地区的土壤磷素的形态和转化研究取得一定的进展，张教林等[11]利用Hedley方法研究热带胶定值年限对红壤中磷素各形态的转化及其对有效磷供应状况的影响。杨芳等[12]用Hedley方法研究不同施肥管理下旱地红壤不同形态磷对有效磷供应的影响。詹书侠等[13]用Hedley分级法测定5种形态的有效P含量，研究中亚热带丘陵红壤区森林演替典型阶段土壤磷素形态的变化。目前对不同林龄米槠人促更新林的土壤磷库及其有效性变化的研究还未见报道。本研究以人工促进天然更新方式的21年生、31年生、49年生米槠人促更新林0～10 cm土壤为研究对象，利用Hedley磷素分级方法，研究不同林龄米槠人促更新林土壤的磷素形态和有效性变化，探讨米槠人促更新林维持自身生长需求的磷素利用机制，这对深入了解亚热带森林生态系统养分循环过程和森林重建等具有重要意义。

1 试验地概况

1.1 自然概况

研究试验点位于福建省南平市顺昌县境内，地理坐标为东经 117°30′～ 118°14′，北纬 26°39′～27°12′。该地区属于山地丘陵，地貌类型以低山、高丘为主，最高海拔达到1 383.7 m。气候属于中亚热带海洋性季风气候，年平均气温18.5 ℃，1月平均气温7.9 ℃，7月平均气温28.1 ℃，年积温 5 388～5 659 ℃，年平均降水量1 756 mm，降雨主要集中在5～8月份，年平均相对湿度在80%～83%之间。土壤类型主要以花岗岩发育的红壤和黄壤为主，植被属中亚热带常绿阔叶林地带。

1.2 试验地概况

试验地位于顺昌县郑坊乡榜山村和武坊河垅村，两者直线距离不超过30 km。试验地不同林龄米槠人促更新林都是在米槠阔叶原始林经过高度择伐后，采用人促更新方式，清理采伐剩余物，保留目的树种，封山育林形成的天然人促更新林。主要乔木优势树种为米槠Castanopsis carlesii、薯豆Elacocarpus japonicus、少叶黄杞Engelhardia fenzelii；灌木优势树种为绒毛杜鹃Rhododendron pachytrichum、鼠刺Itea chinensis、梨茶Camellia octopetala；草本优势树种为狗脊蕨Woodwardia japonica、苔草Carex chinensis。在不同林龄米槠人促更新林中各建立3个20 m×20 m的标准地。不同林分特征见表1。

表1 试验地林分特征Table 1 Stand characteristics in plots

2 试验方法

2.1 土壤取样方法

在每个林分的每个样地内按上、中、下坡随机取9点，取表层0～10 cm土壤，然后将各点土样混合均匀后得到供试土壤。土壤自然风干后过0.149 mm筛待进一步分析。

2.2 实验方法

Hedley磷素分级方法[10]：采用Hedley分级改进法对不同年龄人促更新林土壤磷素特征分级，将土壤磷分为5个不同的组，分别为树脂交换态磷（Resin-P）、NaHCO3提 取 态 磷（NaHCO3-Pi和NaHCO3-Po）、NaOH提取态磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）、HCl提取态磷（HCl-P）、残留磷（Residual-P），不同浸提剂见表2。分级方法中无机磷用钼锑抗比色法测定；各级全磷量采用过硫酸铵、硫酸氧化后，采用钼锑抗比色法测定；有机磷含量为全磷量减去无机磷求得。

有效磷测定采用Bray-I法提取[12]，钼锑抗比色法测定。

2.3 统计方法

采用SPSS 17.0软件进行数据的平均值、标准误、方差分析 (ANOVA)，用 Fisher’s LSD(α=0.05)比较不同林龄人促天然更新林土壤各磷素形态及有效性差异。

表2 土壤磷素形态分级浸提方法Table 2 Hierarchical extraction methods of soil phosphorus fractions

3 结果与分析

3.1 不同林龄人促林磷素形态含量和比例

3.1.1 无机磷形态与含量

21年生、31年生、49年生米槠人促更新林土壤总无机磷含量分别为237.53、238.75和251.89 mg·kg-1。21年生和31年生米槠林表层土壤树脂-P没有显著差异（P＞0.05），但从31年生到49年生增加了68.4%。氢氧化钠无机磷含量随林龄增加而增加，且不同林分间差异显著（P＜0.05），但不同林龄土壤NaCHO3-Pi、稀盐酸无机磷、浓盐酸无机磷和残留磷含量均无明显差异（见表3）。

表3 不同林龄人促林土壤无机磷含量(mean±SE)†Table 3 Concentrations of soil inorganic P in a age sequence of C. carlesii stands (mean±SE)

3.1.2 有机磷形态及含量

表层土壤NaCHO3-Po、NaOH-Po和总有机磷含量均随林龄增加而增大，但各林分间土壤C.HCl-Po含量差异不显著（见表4）。

表4 不同林龄人促林土壤有机磷含量(mean±SE)Table 4 Concentrations of soil organic P in a age sequenceof C. carlesii stands (mean±SE)

3.1.3 各种形态磷素的相对含量

表5为土壤各级磷素形态中无机磷和有机磷含量占全磷的比值。不同林龄人促更新林无机磷的含量均高于有机磷的含量，无机磷占全磷的70.8%～83.2%，大部分是稳定性高的矿物态磷（HCl-Pi）和难被植物吸收的残余磷（Residual-Pi）组成，容易被植物吸收利用的树脂-P和NaCHO3-P含量较少。有机磷占全磷比例顺序为NaOH-Po＞浓HCl-Po＞ NaCHO3-Po。NaCHO3-Po、NaOH-Pi和NaOH-Po占全磷的比例随林龄增加而增大，而浓HCl-Pi和浓HCl-P占全磷比例逐渐下降。

表5 各级磷素含量占全磷量的比例Table 5 Proportion of every-level phosphorus content accounted for total P

3.2 不同林龄人促林对土壤有效磷的影响

3.2.1 不同林龄人促林对土壤有效磷含量的影响

由表6可见，随着林龄的增长，土壤有效磷含量先减小后增加，49年生人促林土壤有效磷含量（2.48 mg/kg）显著高于21年生（1.07 mg/kg）和31年生（0.83 mg/kg）（P＜0.05）。

3.2.2 不同林龄人促林土壤中Hedley各形态磷组分与有效磷的相关分析

对不同土壤Hedley分级各形态磷素与土壤有效磷含量进行相关分析，结果（见表7）表明，土壤有效磷与树脂-P相关性达到极显著水平（P＜0.01），树脂-P可以很好地反映土壤有效性指标。同时土壤有效磷与NaCHO3-Po和NaOH-Po显著正相关（P＜0.05），相关系数分别为0.748和0.708。

表6 不同林龄人促林土壤有效磷含量†Table 6 Concentrations of soil availability P in a age sequence of C. carlesii stands (mean±SE)

表7 不同土壤Hedley分级各形态磷素与土壤有效磷含量的相关分析†Table 7 Pearson significant correlation between Hedley classification P fractions and availability P

4 讨 论

4.1 不同林龄人促林土壤有机磷分析

森林更新对土壤磷素形态影响可以通过无机磷和有机磷形态的转变来表示。在原有的米槠采伐迹地上，通过保留采伐剩余物和主要目的树种（米槠）的方式营造人促天然更新林。一般情况土壤有机磷被认为是比较稳定的土壤磷库组成[14-15]， 然而，本研究认为经过49年的米槠人促更新，土壤易分解态有机磷（NaCHO3-Po）和中稳定态有机磷（NaOH-Po）显著提高，而难分解态有机磷（C.HCl-Po）却没有变化。Baker[16]认为森林更新前50年是有机磷快速积累过程，50年以后有机磷的积累速度开始下降，并且达到一个稳定值。Turner等[17]认为在130年的森林演替过程中，有机磷从5 g/kg 增加到220 g/kg，达到整个演替阶段最高值。随着森林的演替，有机磷通过凋落物等形式向土壤转移，提高土壤有机磷溶度。Frizano等[18]调查滑坡地上森林更新后土壤有机磷有上升，认为凋落物的归还是提高土壤有机磷的主要原因。Brandtberg等[19]在新西兰研究发现大面积风倒木后更新的山地山毛榉森林土壤有机磷提高，认为可能是由于枯枝落叶层的有机磷向土壤转移提高土壤有机磷的浓度。但是这种转移机制并不是很清楚。可溶性有机磷可能通过采伐剩余物释放到土壤[20-21]，而亚热带红壤具有较高的Fe、Al离子，大量输入的可溶性有机磷能快速形成溶解度较低的NaOH-Po，从而引起土壤有机磷固定。另一个土壤有机磷增加的原因可能是由于根系和真菌活动，促进无机磷向有机磷转变，提高土壤易分解态有机磷。在森林的长期演替中，如果没有受到干扰，土壤有机磷的含量与森林生产力具有很高的相关性。在较短的时间内，易溶解态有机磷和稳定态有机磷容易受到土地利用方式的变化和物种的改变影响[18]。土壤有机磷成分和转化对改善森林植物磷素营养具有重要作用，本研究结果也说明了森林土壤磷素有效性的变化与土壤有机磷矿化具有很大的相关性。Anna Slazak等[22]认为随着橡树林分年龄的增长，土壤有机磷和易溶性有机磷（NaCHO3-Po）显著增加，能提高土壤有效磷的含量。本研究的结果表明土壤有效磷的含量与NaCHO3-Po 和NaOH-Po具有显著的相关性，是影响土壤有效磷的重要磷素形态。

4.2 不同林龄人促林土壤磷素有效性分析

土壤有效磷是指土壤有效磷库中部分能直接供给作物吸收利用，是评价土壤供磷能力的重要指标。不同土壤中磷的存在形态不同，不同植物对各种形态的磷利用程度也不同，土壤有效磷并不是指土壤中某一特定形态的磷，而是相对地说明土壤的供磷水平[23]。通用的有效磷测定方法包括两种，石灰性土壤一般用Oslen-P测定方法，酸性土壤采用Bray-I测定方法。在南方酸性红壤的有效磷长期以来延用Bray-I（HCl-NH4+）测定方法，作为判断土壤磷素有效性丰缺的指标。大量研究和多年的生产实践发现，南方大部分森林红壤有效磷含量非常低，南方森林植物对红壤有效磷的吸收利用能力较强，用一般方法测定有效磷含量很难反映红壤实际的供磷能力。土壤Hedley磷素各分级形态与有效磷存在一定关系，一般认为，土壤有效磷与某形态磷组分的相关性愈显著，则该形态组分磷的有效性愈大，对土壤有效磷的贡献也越大[24-25]。本研究中利用Hedley磷素分级方法分析森林土壤不同磷素形态特征对土壤有效磷的影响，为解决南方森林红壤磷素供应能力评估提供一个新思路。土壤各磷素形态对植物的有效性意义已经较为清楚，但由于各形态磷之间具有不同程度的相关性，而且各形态磷在土壤中含量差异较大，不同形态的有机磷和无机磷相互转化，其对土壤磷素有效性的贡献大小和贡献方式受到土壤性质、母岩、水分、pH值、微生物活动、Fe、Al氧化物含量等一系列生物与非生物因素控制[26]。我国南方红壤磷素特征与温带地区和热带地区存在较大的差异，红壤全磷含量不低，但是土壤有效磷含量非常低[8]。目前，针对南方红壤不同磷素形态对磷素有效性的影响的研究结果存在较多的矛盾。张教林等[11]研究认为由于微生物活动减弱，大量的NaCHO3-Po向NaOH-Po转化，微生物能矿化的有机磷库降低，最终导致土壤磷素有效性水平降低。杨芳等[12]认为红壤旱地土壤对有效磷贡献最大的磷素形态是NaCHO3-Pi、NaOH-Pi和存在于土壤团聚体内表面的有机磷。詹书侠等[13]认为在较长的时间内，NaCHO3-P较为稳定，NaOH-P是最重要的有效P来源之一。郭海超等[27]研究认为由于受磷肥施用、土壤有机质矿化、植物磷素吸收等外部因素影响，Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi 和 HCl-P 4 个 无机磷形态与土壤有效磷呈极显著相关。本研究结果显示，人促更新林土壤有效磷含量与NaCHO3-Pi和NaOH-Pi的相关性没有达到显著，直接用NaCHO3-Pi和NaOH-Pi含量来表示土壤有效磷的大小显然还不够科学。而有效磷与NaCHO3-Po和NaOH-Po具有显著关系，森林土壤有机磷对土壤磷素有效性具有明显影响。因此，森林红壤不同磷素形态特征以及对土壤磷素有效性影响的研究还有待进一步加强，特别是不同磷素形态与土壤有效性的转化机理。

另外，树脂磷是用阴离子交换树脂代换出的磷，与土壤溶液磷处于平衡状态的可交换态无机磷是充分有效的，即使在土壤溶液磷被植物吸收后也能迅速进行补充，构成土壤活性磷的最大部分。树脂磷在土壤中的含量与土壤中的有效磷库的大小相关[28]。本研究显示土壤有效磷与树脂-P具有极显著相关性，可以用树脂-P来作为亚热带地区磷素生物有效性指标。

[1] 黄清麟, 郑群瑞, 戎建涛, 等. 福建中亚热带天然阔叶用材林择伐技术Ⅰ.基于树种特征的目标树种清单[J]. 山地学报,2012, 30(2): 180-185.

[2] 宋晓英, 牛树奎, 彭 彪, 等. 福建三明不同更新方式的米槠林物种多样性研究[J]. 亚热带植物科学, 2006,35(2):31-34.

[3] 邓旺灶. 不同更新方式对中亚热带森林土壤理化性质的影响[J]. 福建地理, 2011, (3): 18-23.

[4] 戴景贤. 次生阔叶林更新方式对林分生长和演替的影响研究[J]. 福建林业科技, 2007, 34(3): 60-64.

[5] Wang X J, Gong Z T. Assessment and analysis of soil quality changes after eleven years of reclamation in subtropical China[J].Geoderma, 1998, 81(3-4): 339-355.

[6] Chaofeng Lin, Eloise I Larsen, Genevieve R Larsen,et al.Bacterially mediated iron cycling and associated biogeochemical processes in a subtropical shallow coastal aquifer: implications for groundwater quality [J] . Hydrobiologia, 2012, 696(1):63-76.

[7] 徐华勤, 章家恩, 孟 磊, 等. 模拟酸雨胁迫对赤红壤磷素形态特征的影响[J]. 农业环境科学学报,2011,30(11):2319-2324.

[8] 李 杰, 石元亮, 陈智文. 我国南方红壤磷素研究概况[J]. 土壤通报,2011, 42(3): 763-768.

[9] 王艳玲, 朱红霞, 王 琳, 等. 有机酸对红壤磷素吸附特性的影响[J]. 土壤通报, 2011, 42(3): 685-691.

[10] Hedley M J, Stewart J W B, Chauhan B S. Changes in inorganic and organic soil phosphorus fractions induced by cultivation practices and by laboratory incubations[J]. Soil Science Society of America Journal, 1982, 46: 970- 976.

[11] 张教林, 陈爱国, 刘志秋.定植3,13,34年热带胶园的土壤磷素形态变化和有效性研究[J]. 土壤, 2000, 32(6): 319-322.

[12] 杨 芳,何园球,李成亮,等. 不同施肥条件下红壤旱地磷素形态及有效性分析[J]. 土壤学报, 2006, 43(5): 793-799.

[13] 詹书侠, 陈伏生, 胡小飞, 等. 中亚热带丘陵红壤区森林演替典型阶段土壤氮磷有效性[J]. 生态学报, 2009, 29(9): 4673-4680.

[14] Selmants P C, Stephen C H. Phosphorus and soil development:Does the Walker and Syers model apply to semiarid ecosystems [J].Ecology, 2010, 91(2): 474-484.

[15] Yang X J, Post W M. Phosphorus transformations as a function of pedogenesis: a synthesis of soil phosphorus data using Hedley fractionation method[J]. Biogeosciences, 2011, 10: 2907-2916.

[16] Baker R T. Humic acid-associated organic phosphate[J]. N. Z. J.Soil Sci., 1977,20:439-441

[17] Turner B L, Condron L M, Richardson S J,et al. Soil organic phosphorus transformation during pedogenesis[J]. Ecosystems,2007, 10: 1166-1181.

[18] Frizano J, Johnson A H, Vann D R,et al. Soil phosphorusfractionation during forest development on landslide scars in the Luquillo Mountains, Puerto Rico[J]. Biotropica,2002, 34:17-26

[19] Brandtberg P O, Davis M R, Clinton P W,et al.Forms of soil phosphorus affected by stand development of mountain beech(Nothofagus) forests in New Zealand[J]. Geoderma, 2010, 157:228-233.

[20] Smith C K, Munson A D, Coyea M R. Nitrogen and phosphorus release from humus and mineral soil under black spruce forests in central Quebec[J]. Soil Biol. Biochemm., 1998, 30(12): 1491-1500.

[21] Kalbitz K, Solinger S, Park J H,et al. Controls on the dynamic of dissolved organic matter in soils: a review[J]. Soil Sci., 2000,165(4): 277-304.

[22] Slazak A. Soil organic phosphorus fraction in pine-oak forest stands in Northeastern Germany[J]. Geoderma, 2010, 158(3):156-162.

[23] 孙桂芳, 金继运, 石元亮. 土壤磷素形态及其生物有效性研究进展[J]. 中国土壤与肥料, 2011, (2):1-9.

[24] 杜佳佳. 土壤磷素分级及植物有效性研究[D].南京：南京林业大学,2008.

[25] 吕家珑. 农田土壤磷素淋溶及其预测[J]. 生态学报,2003,23(12):2689-2701.

[26] 文亦芾,艾有群. 南方红壤磷素化学研究进展和展望[J]. 云南农业大学学报,2005,20(4):534-538, 547.

[27] 郭海超,周 杰,罗雪华,等. 海南胶园不同母质发育砖红壤磷素形态特征研究[J]. 热带作物学报,2012,33(10):1724-1730.

[28] Generose Nziguheba, Cheryl A Palm, Roland J Buresh,et al. Soil phosphorus fractions and adsorption as affected by organic and inorganic sources [J]. Plant and Soil, 1998, 198(2): 159-168 .

Soil phosphorus forms and availability in natural regeneration by man-aided Castanopsis carlesii forests

LIN Kai-miaoa,b, GUO Jian-fena,b, YANG Zhi-jiea,b, JI Shu-ronga,b, YANG Yu-shenga,b
(a. Cultivation Base of State Key Lab. of Humid Subtropical Mountain Ecology; b. College of Geographical Science, Fujian Normal University, Fuzhou 350007, Fujian, China)

By appling a modif i ed Hedley phosphorus (P) fractionation method, the soil phosphorus availability and forms in surface soil(0～10 cm) ofCastanopsis carlesiistands at different tree-ages (21, 31, 49-year-old) in Shunchang county, Fujian province were investigated.The results show that the concentrations of inorganic P in 21, 31, 49-year-old stands were 237.53, 238.75 and 251.89 mg/kg, respectively; Of all forms of inorganic phosphorus, the maximum concentration values of resin-P and NaoH-Pi both appeared in the 49-year-old forest’s soil, but other forms of inorganic P did not depend on the stages of forest development; the concentrations of NaCHO3-Po, NaOH-Po and total organic P increased with the stages of forest development; the concentrations of available phosphorus increased with the stages of stand development and had signif i cant positive correlation with resin-P, NaCHO3-Po and NaOH-Po. The results implied that resin-P may serve as a predictive indicator of red soil P def i ciency. The mineralisation of organic P in the soil had a signif i cant impact on soil P availability.

Castanopsis carlesii; man-aided natural regeneration forest; organic phosphorus; inorganic phosphorus; phosphorus fractionation

S714

A

1673-923X(2014)09-0006-06

2014-01-30

福建省科技厅公益类重点项目（K3-295）；国家林业公益性行业科研专项（201304205）

林开淼（1985-），男，福建泉州人，博士研究生，主要从事常绿阔叶林碳氮循环研究；E-mail：303790102@qq.com

杨玉盛（1964-），男，教授，博士，主要从事常绿阔叶林碳氮循环研究； E-mail：geoyys@fjnu.edu.cn

[本文编校：谢荣秀]