外源磷在2种母质发育米槠林土壤中的分配及影响因素

夏允，肖华翠，王全成，杨柳明*

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

磷是植物生长发育所必需的大量营养元素之一，以多种形式参与植物有机体的生命代谢过程，在植物生产力的维持和生态系统平衡中起着重要作用[1]。土壤作为植物获取磷的关键来源，其丰缺及供给状况直接影响着植物的生产力水平，据统计全球1/3的土壤受磷素养分限制[2]。施磷肥是提高土壤速效磷，以满足磷养分需求的重要途径。然而，长期施用磷肥可能导致土壤磷积累大于植物最佳生长所需，增加了磷流失到地表水源的风险，导致水体富营养化[3]。因此，关注磷肥在土壤中的转化过程，对于合理施肥和促进农业可持续发展具有重要作用。

磷在土壤中的迁移和转化受生物地球化学过程所调控[4]。由于土壤对磷的吸附-解吸和沉淀-溶解等物理化学作用，使磷肥进入土壤后大多被铁铝氧化物和有机质吸附和固定，限制磷肥效率[5]。土壤对磷的吸附和固定强度主要受土壤铁铝氧化物形态、pH、有机质含量以及土壤黏粒的影响[6]。土壤对磷的化学固定能力与铁铝氧化物和黏粒含量呈正相关关系，与pH呈负相关关系，而土壤有机质对磷吸附解析影响则存在不确定性[7-8]。微生物在土壤磷转化中亦扮演重要角色，微生物在周转过程中会吸收或者释放磷，并且能够分泌有机酸和磷酸酶促进无机磷溶解和有机磷矿化[9]。微生物对磷的固定和释放取决于土壤C/P，当C/P大于300表现为净固定，当C/P小于200时，表现为净矿化[10]。可见，外源磷在土壤中转化是生物因素和化学因素共同作用的结果，探究影响磷在土壤中转换的主要环境因素，是指导合理施肥的理论依据。

近20年来，由Hedley等[11]人建立的基于不同化学强度提取剂的磷素分级方法已经被广泛用于定性和定量量化磷肥施加后土壤中不同生物有效性磷变化情况。磷肥施加对土壤不同磷组分的影响已有大量的研究，大部分研究认为施磷肥增加土壤活性无机磷和有机磷[12-14]，与此同时亦导致中等稳定态磷和残余态磷的大量富集，并且与磷肥施加速率相关，但也有研究表明施磷肥对土壤有机磷的影响不显著[15-16]。可见磷肥在土壤中的转化存在不确定性，是多种因素综合作用的结果，并且施肥作业主要集中于农业土壤。关于磷肥在山地、森林土壤的转化特征的研究则鲜见报道，且大量施肥已经改变了农业土壤的理化性质，在农业土壤中研究土壤磷转化特征，无法准确刻画影响磷在土壤中转化的本质。因此，选择未施肥森林土壤有助于更好地厘清影响外源磷在不同土壤磷组分中转化的环境因素。

表 1 不同母质森林土壤的理化特征

以中亚热带典型砂岩和花岗岩发育的米槠林土壤为研究对象，采用添加磷酸盐进行室内培养实验，通过Hedley分级方法[11]提取不同形态的磷，旨在分析外源磷肥在不同母质土壤中转化特征及其影响因素，以期为亚热带山地土壤合理施肥提供理论依据。

1 实验材料与方法

1.1 供试土壤采集

采自福建三明市陈大镇国有采育场(117°36′E、26°19′N)和格氏栲自然保护区(117°28′E、26°11′N)的两种土壤，分别为砂岩发育的米槠林黄红壤和花岗岩发育的米槠林黄红壤。在20 m×20 m的标准样方内进行土壤样品采集，每个样方内按“S”型随机采集土样，用土钻(直径为2 cm)钻取15～20个点深度为0～10 cm土层土壤，然后将每个样方土混匀后放入装有保鲜冰袋的保温箱内迅速带回实验室。过2 mm筛剔除土壤中的根系、碎石和其他杂质，将土样分为两部分，一部分置于4℃冰箱低温储存，用于磷转化培养实验；另一部分自然风干，用于测定和分析土壤其他基本理化性质。

1.2 室内培养实验设置

称50 g过2 mm筛的新鲜土样于500 mL培养瓶中，设置对照(0 g·kg-1)和施磷(0.1 g·kg-1)两种处理，将NaH2PO4溶液加入施磷处理培养瓶中，对照加入等量去离子水，每个处理3个重复，并将土壤水分调至田间持水量的60%，且在培养瓶盖上开几个小孔以保持有氧条件，置于25℃恒温培养箱内培养，定期补充土壤损失的水分(3～5天)，保证土壤水分流失率小于2%，在培养120天后采集样品。

1.3 土壤基本理化性质测定

土壤pH通过PHS-3B型pH酸度计(STARTER 300，OHAUS，美国)进行测定，水土比为2.5∶1；SOC和TN采用碳氮元素分析仪测定(Elementar Vario EL III，Elementar，德国)；土壤中铁铝氧化物的测定参考鲁如坤的研究方法[17]60-71提取，分别采用草酸铵溶液浸提无定型铁铝，焦磷酸钠溶液(pH=10)浸提络合态铁铝，柠檬酸钠、碳酸氢钠和连二亚硫酸钠浸提游离态铁铝，使用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP-OES，Perkins Elmer，Waltham，MA，美国)测定3种浸提液中的铁铝浓度；土壤质地采用激光粒度仪(MasterSizer 2000，Malvern，英国)测定；阳离子交换量采用醋酸铵交换法[17]22-24测定；土壤酶活性参照Saiya-Cork和Sinsabaugh[18]的方法，用4-甲基伞形酮磷酸脂(4-MUB-phosphate)作为标示底物来测定土壤酸性磷酸酶活性，使用多功能酶标仪(Spectra Max M5，美国)测定；微生物生物量磷采用氯仿熏蒸法提取[19]，称取3份5 g过2 mm筛的鲜土，分别用于熏蒸、未熏蒸和加标液处理，按照水土比4∶1，用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提，采用连续流动分析仪测定(San++，Skalar，Breda，Netherlands)。

1.4 土壤磷素分级

土壤磷组分采用Carter等[20]改进后的Hedley磷分级方法[11]，具体方法如下：即称取1 g冷冻干燥后的土壤于离心管中，依次逐步加入3 cm×2 cm阴离子交换树脂膜、0.5 mol·L-1NaHCO3、0.1 mol·L-1NaOH逐级提取出稳定性由弱到强的有机及无机磷组分。

1.5 数据处理

利用单因素方差分析(ANOVA)对不同处理下各形态磷的含量进行差异显著性检验(Tukey，α= 0.05)，分析磷添加前后土壤不同磷组分的变化量与土壤理化性质的相关性，并进行冗余分析(RDA)。数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

2.2 磷酸盐添加后土壤无机磷组分变化特征

磷添加显著增加土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi的含量，并且砂岩发育土壤Resin-Pi和NaOH-Pi增加量大于花岗岩发育土壤(图1)。其中，施磷后砂岩发育米槠林土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi分别增加26.85、11.25、33.45 mg·kg-1，而施磷后花岗岩发育米槠林土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi分别增加了24.08、14.10、28.35 mg·kg-1。

注：Resin-Pi：树脂磷；NaHCO3-Pi：碳酸氢钠-无机磷；NaOH-Pi：氢氧化钠无机磷。不同大写字母表示施磷和对照之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示不同母质类型间差异显著(P<0.05)。下同。

图 2 施磷后不同母质森林土壤有机磷组分的含量

2.3 磷酸盐添加后有机磷组分的变化特征

磷添加显著影响土壤有机磷组分，且因母质类型的不同，磷添加对有机磷的影响也不同(图2)。磷添加后砂岩发育米槠林土壤NaOH-Po含量增加，增幅为12.08%；而磷添加后花岗岩发育米槠林土壤NaHCO3-Po、NaOH-Po含量分别降低，降幅分别为20.18%和15.88%。

图 3 施磷后不同母质土壤酸性磷酸酶和微生物量磷含量

2.4 磷酸盐添加对土壤微生物生物量磷和酸性磷酸酶活性的影响

磷添加显著影响不同母质米槠林土壤酸性磷酸酶活性和土壤微生物生物量(图3)。施磷显著降低砂岩和花岗岩酸性磷酸酶活性，降幅为45.80%、39.87%；而磷添加显著增加两种母质土壤微生物生物量磷含量，增幅为328.40%、279.45%。其中，砂岩发育的土壤酸性磷酸酶活性低于花岗岩发育的土壤，而砂岩发育的土壤的微生物生物量磷较高。

注：○表示砂岩样地；△表示花岗岩样地。δResin-Pi：树脂磷变化量；δNaHCO3-Pi：碳酸氢钠-无机磷变化量；δNaHCO3-Po：碳酸氢钠-有机磷变化量；δNaOH-Pi：氢氧化钠无机磷变化量；δNaOH-Po：氢氧化钠有机磷变化量；C/N：土壤碳氮比；Fed/Ald：游离态铁铝；Feo/Alo：无定型态铁铝；Fep/Alp：络合态铁铝；CEC：阳离子交换量；Sand：砂粒；Silt：粉粒；Clay：黏粒。

2.5 土壤磷组分变化量与环境因子的相关性

以土壤不同磷组分变化量为响应变量，以土壤理化性质作为解释变量进行冗余分析(RDA)，结果如图4所示，环境因子解释了土壤磷组分变化的95.97%。第一轴解释了磷组分变异的88.14%，第二轴解释了磷组分变异的7.83%。土壤不同形态铁铝氧化物、土壤质地、阳离子交换量等指标的变化可以明显区分砂岩和花岗岩发育土壤磷组分变化，其中游离态铁、阳离子交换量以及黏粒含量分别解释磷组分变化量的86.2%、7.5%和5.1%。此外，土壤碳氮比、土壤有机碳、铁铝氧化物、黏粒、阳离子交换量与NaHCO3-Pi变化量呈负相关关系，而与Resin-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、NaOH-Pi组分变化量呈正相关关系；并且游离态和络合态铁铝与Resin-Pi、NaHCO3-Po、NaOH-Po、NaOH-Pi组分变化量呈显著正相关关系。

3 讨论

3.1 外源磷在土壤无机磷组分中的分配特征及影响因素

外源磷在土壤不同无机磷组分中的分配特征决定了磷肥的效益。经过120天的室内培养，发现母质显著影响外源磷在不同无机磷组分中的分配，其中砂岩发育土壤树脂和NaOH可提取的无机磷的增加量大于花岗岩发育土壤，这与肖华翠等[21]研究结果相似，他们发现砂岩发育土壤活性无机磷组分和中等活性无机磷组分均显著高于花岗岩。这说明大部分的外源输入土壤后可能被铁铝氧化物吸附固定，且外源磷酸盐大部分转化成土壤中等稳定磷和难利用磷。此外，本研究还发现大约60%～70%的外源磷分配至树脂、NaHCO3以及NaOH浸提无机磷，并且其中树脂和NaHCO3浸提无机磷占磷添加量的比例分别约为24.52%和12.68%。这与当前一些外源磷添加实验的研究结果既有相似之处[22]，也有不同之处。例如，Kaila[23]发现添加难溶性过磷酸钙后，约48%磷分配至铁铝结合态磷，而分配至水溶性磷比例不到4%，而另一项研究[24]也证实添加可溶性磷酸盐后，约80%被铁铝结合态磷所固定。这也证明外源磷添加后可能被土壤中铁铝氧化物吸附固定导致无机磷含量较低。可见，外源磷在土壤无机磷库中的转化特征不仅与土壤物理化学性质相关，还受磷肥种类的影响。

已有研究表明，外源磷在土壤无机磷组分中的转化受土壤pH、铁铝氧化物形态、SOC以及土壤质地等因素的影响[25]。本研究通过冗余分析发现土壤游离态铁可以解释土壤磷组分变化的86.2%，并且土壤无机磷组分(Resin-Pi和NaOH-Pi)的变化量与各形态的铁铝氧化物均呈显著的正相关关系，说明铁铝氧化物的含量和组成是调控外源磷在土壤不同活性无机磷组分中分配的关键因素，可能是导致外源磷在砂岩和花岗岩土壤无机磷组分中分配差异的重要原因之一。铁铝氧化物是酸性红壤中最常见和含量较高的活性矿物，也是土壤结构的重要胶结物，影响土壤磷的吸附-解吸与沉淀等过程，进而调控土壤磷的供应。根据文献报道，铁铝氧化物通常通过以下两种途径调控磷酸盐在土壤无机磷组分中的分配。其一,磷酸盐进入土壤后，与土壤溶液中铝、铁、钙等高价阳离子反应，形成难溶性的磷酸盐[26]。其二,磷酸盐通过配位键结合到铁铝氧化物，形成中等稳定性无机磷组分(NaOH-Pi)[27]。其三,磷酸盐通过静电作用和阳离子桥等非键合的方式结合到土壤铁铝氧化物表面，形成树脂可提取态的无机磷[28]。因此，外源磷在不同母质土壤不同无机磷组分的分配比例变化可能取决于土壤铁铝氧化物形态、吸附位点和作用方式。

3.2 外源磷在土壤有机磷组分中的分配特征及影响因素

有机磷是土壤磷的重要组成部分，其矿化所释放的磷酸盐是维持土壤磷有效供应的重要途径，是土壤潜在的有效磷源。磷添加后土壤有机磷变化主要由于磷酸盐添加改变了有机磷输入和分解的净平衡。从土壤有机磷来源分析，磷酸盐添加可能将增加微生物源有机磷的含量。通常土壤有机磷输入主要来自微生物和凋落物，在无凋落物输入的情况下，微生物来源的有机磷是土壤有机磷主要来源，而本研究发现磷添加后土壤微生物量磷增加，说明了外源磷添加将增加微生物来源的有机磷的量。与此同时，从有机磷分解角度分析，本研究发现磷添加后土壤磷酸酶活性显著降低，表明磷酸盐添加可能抑制有机磷分解，增加土壤有机磷的累积。可见，有机磷输入增加和分解降低可能是磷添加后砂岩土壤有机磷含量(NaHCO3-Po和NaOH-Po)增加的主要原因。与尹金来等研究结果相一致[29]，他们发现磷肥施入后，土壤中等活性和中稳性的有机磷显著增加。

然而，与砂岩发育土壤的结果不同，本研究发现，磷添加后花岗岩发育土壤不同活性有机磷组分的含量则显著降低，与磷添加后土壤有机磷输入增加和分解降低的推断似乎存在矛盾之处，但是有机磷的分解除了与磷酸酶活性有关，还与土壤有机质水平、催化底物的可接触性以及微生物碳限制程度有关[9]。因此，推测导致砂岩和花岗岩土壤有机磷组分对磷添加响应不一致的原因，可能与花岗岩发育土壤铁铝氧化物含量和有机碳含量低有关。一方面，磷添加可能加剧花岗岩发育土壤微生物碳限制，促进有机磷分解，在碳限制加剧情况下，微生物可能通过利用有机磷为碳源，以缓解碳限制。另外一方面，相比砂岩发育土壤，低铁铝氧化物的花岗岩发育土壤对有机磷吸附较弱，导致微生物死亡释放的有机磷底物有效性高，溶液被磷酸酶催化水解，进而降低土壤活性有机磷的含量。

4 结论

关注磷酸盐在不同母质发育森林土壤中的转化特征对于指导合理施肥具有重要作用。本研究发现磷添加后土壤砂岩和花岗岩发育土壤Resin-Pi、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi等不同活性无机磷组分显著增加，其中转化为活性磷(Resin-Pi、NaHCO3-Pi)的组分约为37.20%；而磷添加后土壤不同活性有机磷含量变化则因母质不同而不同，其中砂岩发育土壤不同活性有机磷显著增加，花岗岩发育土壤不同活性有机磷显著降低；冗余分析和相关分析结果表明土壤铁铝氧化物、阳离子交换量以及土壤质地是影响外源磷在不同磷组分转化和分配的关键因素；以上结果说明对森林土壤施磷肥时，需综合考虑土壤母质、阳离子含量以及土壤质地等因素，以确定最佳的施磷量，实现磷肥的最大效益。