桉树人工林土壤团聚体无机磷组分对林龄的响应

彭良富，潘明华，陈 林，蒙龙传，秦安明，张 喆

(1.广西壮族自治区国有大桂山林场，广西 贺州 542899；2.广西大学 林学院，广西 南宁 530004)

1 引言

磷素是植物生长不可或缺的营养元素，参与植物不同生长阶段的生理生化过程[1]。植物生长所需磷素主要由土壤供应，依据化学形态特征土壤磷素可分为无机磷和有机磷2种形态[2]。一些研究表明，只有部分溶于土壤溶液的无机磷能被植物直接吸收[3]。但也有研究发现，部分能溶于水的有机磷也能直接被植物同化利用[4]。在一些以酸性红壤为主的亚热带地区，土壤中富含的铁铝氧化物会强烈固定吸附土壤磷素，从而进一步加重亚热带红壤生态系统的有效磷亏缺[5]。目前，关于磷素在植物-土壤系统中循环的研究主要集中在全磷和有效磷方面，而不同磷组分(尤其是无机磷组分)却鲜见报道。因此，研究亚热带地区红壤中不同无机磷组分的分布和转化规律，有助于提高土壤磷素的高效利用，从而实现土壤磷素的可持续循环。

土壤团聚体作为土壤结构的基本单元，其稳定性能够反映土壤结构变化、土壤养分循环和土壤固碳及抗蚀能力[6]。土壤团聚体稳定性越高，土壤抵抗地表侵蚀的能力越强，从而有利于减少水土流失、提升土壤质量[7]。根据形成机制与胶结物质的不同，土壤团聚体可以划分为大团聚体(>0.25 mm)和微团聚体(<0.25 mm)[8]。各粒径团聚体在磷素吸附、保持和供应能力等方面存在明显差异，同时团聚体组成比例也会影响土壤磷素水平的高低[9]。因此，研究土壤无机磷组分在团聚体尺度下的微观表征，对促进土壤生态系统磷素循环和提升其有效性具有重要意义。

桉树(Eucalyptus)作为我国特有的亚热带速生丰产树种，具有易繁殖、高产高质、生长周期短等特点[10]。作为广西三大主要造林树种之一，桉树人工林在区域生态及经济效益方面起着重要作用。截至2020年底，广西桉树人工林面积约为200万hm2，居全国首位。20世纪50年代起，大桂山林场凭借地理优势逐渐开展了桉树人工林培育。然而，以追求生产力为目标的多年纯林连栽，造成了诸如林分结构单一、地力衰退和土壤养分循环失调等严重的生态问题，从而导致了桉树人工林生产力下降。鉴于此，本研究以不同林龄桉树人工林表层土壤(0～20 cm)为研究对象，立足于土壤团聚体角度，探讨不同形态土壤无机磷组分随林龄的演变规律，以期为提升桉树人工林土壤磷素利用效率及其生产力提供理论依据。

2 材料与方法

2.1 研究区域

研究区域位于广西国有大桂山林场，地理位置东经111°20′5″～111°54′39″，北纬23°58′33″～24°14′25″。属亚热带季风气候，干湿季节分明，年均气温19.3 ℃，年均日照1700 h，年均降水量2056 mm，降雨集中在4～10月份。地貌类型以低山丘陵为主，土壤类型主要为红壤，成土母岩以寒武系的砂岩为主。研究区域森林植被主要包括桉树、米老排、火力楠等。

2.2 试验设计

在野外详细调查的基础上，选择由撂荒地(撂荒时间约为5年，主要地被物种包括芒萁、芒和山菅兰等)造林而来的桉树(巨尾桉，Eucalyptusgrandis×urophylla)人工林土壤为研究对象。造林密度约1667株/hm2，株行距2 m×3 m。人工整地挖坎种植，坎规格30 cm×30 cm×30 cm。种植前每穴施0.5 kg复合肥(N∶P∶K = 15∶8∶7)作为基肥，造林后每年追肥1次，每次施0.5 kg复合肥(N∶P∶K = 16∶6∶8)作为追肥。

在营林措施、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母质等立地条件基本一致或相近的不同林龄(1年生、2年生和4年生)桉树人工林中，各随机设置3个面积约为30 m×30 m的样方。同时，在邻近的撂荒地中，也随机设置3个面积约为30 m×30 m的样方作为对照(CK)。试验共计12个样方(4个处理×3个重复)，相邻样方间距离大于300 m，样方与林分边缘距离大于100 m，林分与林分间距离大于1000 m。

2.3 样品采集

在每个样方内随机布设3个采样点，在每个采样点的土壤表层收集1 m×1 m的凋落物样品，然后混合均匀，共计12个混合凋落物样品。在每个采样点的0～20 cm土层采集原状土样，然后混合均匀，共计12个混合土壤样品。将凋落物样品和土壤样品带回实验室，凋落物样品在105 ℃条件下烘干至恒重，测定其生物量(表1)；土壤样品沿自然纹理轻轻掰开，过5 mm筛去除小石块和动植物残体，置于室内阴凉通风处风干。土壤样品一部分用于测定全土理化性质(表1)，另一部分用于土壤团聚体分级。

表1 不同林龄桉树人工林凋落物及土壤理化性质

2.4 团聚体分级

通过湿筛法[11]采用孔径依次为2 mm、1 mm和0.25 mm的筛网对500 g风干土样进行了筛分。设置震动频率、振幅、时间恒定，通过自动筛分仪将土样分为>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm共4个粒径团聚体(表2)，然后用于测定不同粒径土壤团聚体中无机磷组分含量。

表2 不同林龄桉树人工林土壤团聚体组成特征 %

2.5 指标测定

土壤pH值采用电位法测定，土壤容重采用环刀法测定，土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定。土壤无机磷分级采用Zhang等[12]的方法：

(1)磷酸铝盐(Al-P)采用0.5 mol/L，pH=8.2的氟化铵浸提。

(2)磷酸铁盐(Fe-P)采用0.1 mol/L氢氧化钠溶液浸提。

(3)闭蓄态磷(O-P)采用0.3 mol/L柠檬酸钠和连二亚硫酸钠溶液浸提。

(4)磷酸钙盐(Ca-P)采用0 .25 mol/L硫酸溶液浸提。

2.6 数据处理

土壤磷储量(SPS，gm)的计算公式[13]如下：

SPS=∑(Wi×Pi)×ρ×H×10

(1)

式(1)中：Pi为第i粒径团聚体磷含量(g/kg)，ρ为土壤容重(g/cm3)，H为土层厚度(cm)。

各粒径团聚体对土壤磷储量的贡献率(CR，%)计算公式[13]如下：

(2)

式(2)中：SPSi为第i粒径团聚体磷储量(g/m2)，SPS为全土磷储量(g/m2)。

统计分析利用SPSS 21.0软件进行，不同处理之间多重比较及其显著性水平(P<0.05)通过最小显著性差异法进行检验，图表采用Microsoft Office 4.3软件制作。图表中数据为平均值±标准差。

3 结果与分析

3.1 土壤团聚体无机磷含量分布特征

3.1.1 总无机磷含量

不同林龄桉树人工林土壤总无机磷含量在各粒径团聚体中差异不显著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒径团聚体中分别为105.15、106.91、106.11和100.67 mg/kg(表3)。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土和各粒径团聚体中总无机磷含量均较高，且达显著水平。随着林龄的增长，土壤磷含量先增后减，在2 a时最高。

表3 不同林龄桉树人工林土壤团聚体总无机磷含量分布特征 mg/kg

3.1.2 无机磷组分含量

不同林龄桉树人工林土壤Al-P含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒径团聚体中分别为13.47、11.25、13.89和12.95 mg/kg(表4)。其中0.25～1 mm粒径团聚体中土壤Al-P含量最高。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土和各粒径团聚体中Al-P含量均较高，且达显著水平。随着林龄的增长，土壤Al-P含量先增后减再增，在1 a时最高。

不同林龄桉树人工林土壤Fe-P含量在各粒径团聚体中差异不显著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒径团聚体中分别为44.30、47.19、49.22和42.53 mg/kg(表4)。除1 a桉树人工林土壤<0.25 mm粒径团聚体Fe-P含量低于CK，其余不同林龄桉树人工林土壤各粒径团聚体内Fe-P含量均高于CK。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土Fe-P含量均较高，随着林龄的增长先增后减，在2a时最高。

不同林龄桉树人工林土壤O-P含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒径团聚体中分别为41.55、42.26、33.27和38.59 mg/kg(表4)。其中>1 mm粒径团聚体中土壤O-P含量最高。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土和各粒径团聚体中O-P含量均较高，且达显著水平。随着林龄的增长，土壤O-P含量先增后减，在1 a时最高。

不同林龄桉树人工林土壤Ca-P含量在各粒径团聚体中差异不显著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒径团聚体中分别为8.06、8.41、9.00和7.61 mg/kg(表4)。除2 a桉树人工林土壤>2 mm和<0.25 mm粒径团聚体Ca-P含量低于CK，其余不同林龄桉树人工林土壤各粒径团聚体内Ca-P含量均高于CK。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土Ca-P含量均较高，随着林龄的增长先增后减再增，在4 a时最高。

表4 不同林龄桉树人工林土壤团聚体无机磷组分含量分布特征 mg/kg

3.2 土壤团聚体无机磷储量分布特征

3.2.1 总无机磷储量

在不同林龄桉树人工林中，土壤总无机磷储量在各粒径团聚体中分布顺序均表现为：>2 mm最大，<0.25 mm次之，1～2 mm较小，0.25～1 mm最小(表5)，这与不同粒径团聚体含量的分布规律一致。>2 mm粒径团聚体对土壤总无机磷储量贡献率最高，为41.3%～55.0%；其次是<0.25 mm粒径团聚体，贡献率为23.8%～38.0%；而1～2 mm和0.25～1 mm粒径团聚体对土壤总无机磷储量贡献率较低，分别为14.4%～17.9%和4.7%～7.9%。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土总无机磷储量均较高，且达显著水平。随着林龄的增长，土壤总无机磷储量先增后减，在2 a时最高。

表5 不同林龄桉树人工林土壤团聚体总无机磷储量分布特征 g/m2

3.2.2 无机磷组分储量

在不同林龄桉树人工林中，土壤无机磷组分储量在各粒径团聚体中分布顺序均表现为：>2 mm最大，<0.25 mm次之，1～2 mm较小，0.25～1 mm最小。(表6)，这与不同粒径团聚体含量的分布规律一致>2 mm粒径团聚体对土壤无机磷组分储量的贡献率最高，为31.4%～62.5%；其次是<0.25 mm粒径团聚体，贡献率为8.9%～40.5%；而1～2 mm和0.25～1 mm粒径团聚体对土壤无机磷组分储量的贡献率较低，分别为10.2%～20.9%和3.7%～8.8%。与CK相比较，不同林龄桉树人工林全土无机磷组分储量均较高，且达显著水平。随着林龄的增长，土壤各无机磷组分储量的变化规律与其相应无机磷组分含量的变化规律一致。

表6 不同林龄桉树人工林土壤团聚体无机磷组分储量分布特征 g/m2

4 讨论

在本研究中，不同林龄桉树人工林土壤总无机磷含量在各粒径团聚体中分布较均匀，这可能与土壤团聚体中铁铝氧化物含量分布有关[14]。铁铝氧化物在酸性土壤中可通过以下过程将磷固定在土壤磷库中[15]：一是游离态铁铝氧化物表面形成的离子与氢基发生配位体交换，从而产生吸附作用；二是通过形成难溶性的磷酸铁与磷酸铝将磷固定下来。有研究表明:大团聚体具有更强的物理保护能力，其携带的磷素相对于小团聚体中的磷素更不易流失，这也意味着小团聚体中的磷素活性更高[16]。因此，在土壤磷素水平总体较低的情况下，迅速生长的桉树人工林消耗了小团聚体中大量的无机磷，使得大团聚体及小团聚体中无机磷含量分布较均匀。这与Cui等[17]和Teng等[18]关于湿地土壤团聚体中磷素分布的研究结果一致。

在桉树人工林中，土壤无机磷组分含量表现为Fe-P>O-P>Al-P>Ca-P。该研究结果与Li等[19]和Wu等[20]的研究结果一致。酸性红壤含有大量的次生矿物(如高岭石和铁矿石等)，这些次生矿物可以强烈固定土壤磷素，造成土壤中Fe-P含量较高。不同林龄桉树人工林土壤各无机磷组分含量在各粒径团聚体土中的分布情况也存在差异。Al-P含量在1～2 mm粒径团聚体中较高，O-P含量在>1 mm粒径团聚体中较高，Fe-P和Ca-P含量在各粒径团聚体中无显著差异。吴雯等[3]的研究表明，Al-P的含量与土壤活性铝含量有关，而小团聚体由于其较大的比表面积对Al离子有更强的吸附作用，通常会使得小团聚体中Al-P含量更高。这与我们的研究结果并不一致，造成研究结果差异的原因可能与活性铝离子在不同粒径团聚体中的分布状况有关。一般来说，土壤有效磷的来源主要是无机磷中较为活跃的Al-P和Fe-P。鲁如坤[21]对酸性红壤水稻土的研究也表明Fe-P是土壤有效磷的主要供应来源，这与本研究的结果一致。小团聚体中活性较高的Fe-P作为有效磷的主要来源在桉树生长过程中为其提供所需的土壤磷素，使得小团聚体中的Fe-P含量下降，从而造成各粒径团聚体间Fe-P含量分布较均匀。作为一种难溶性磷，小粒径团聚体中的O-P活性更高，被先矿化分解出来，导致>1 mm粒径中O-P的含量更高，这一过程与Fe-P的变化过程类似。Ca-P作为一种稳定的沉积态磷，其含量主要与土壤成土母质及风化程度有关[22]。

与CK相比较，不同林龄桉树人工林各粒径团聚体及全土中无机磷及相关磷组分含量均较高，且达显著水平，说明林龄会显著影响土壤无机磷及其磷组分含量。林龄2 a之前，土壤总无机磷和Al-P、Fe-P和O-P含量均在1 a或2 a时达到最高，这可能与土壤凋落物的分解及养分的输入有关[23]。值得注意的是，林龄2 a以后，土壤Al-P和Ca-P含量再次增长。在本研究中，Al-P和Ca-P均为有效性较低的土壤磷素形态，说明林龄2 a以后土壤磷素的确存在有效磷转化程度困难的情况。林龄2 a以后O-P含量显著降低，这可能与土壤pH值的下降有关[24]。土壤酸化导致O-P外包被的铁铝胶膜逐渐溶解，O-P矿化释放出磷酸根离子并向其他形态磷素转化。

根据各形态土壤无机磷储量贡献率的变化情况，不同林龄桉树人工林各形态土壤无机磷储量的主要来源均为>2 mm粒径团聚体，其次是<0.25 mm粒径团聚体。这与土壤团聚体组成比例分布情况高度一致。与CK相比较，不同林龄桉树人工林土壤无机磷储量均较高，表明桉树的种植能够提升土壤磷素的积累。

5 结论

在本研究中，桉树人工林土壤Al-P含量在0.25～1 mm粒径团聚体中较高，O-P含量在>2 mm和1～2 mm粒径团聚体中较高，Fe-P和Ca-P含量在各粒径团聚体中无显著差异。不同林龄桉树人工林土壤无机磷组分含量均显著高于CK，土壤Al-P和O-P含量在1 a时最高，Fe-P含量在2 a时最高，Ca-P含量在4 a时最高。不同粒径土壤团聚体无机磷储量与土壤团聚体组成比例显著相关，CK和不同林龄桉树人工林土壤无机磷组分的储量均在>2 mm粒径团聚体中最高。因此，在桉树人工林培育过程中，应重视土壤>2 mm粒径团聚体的保护，以维持土壤团聚体的稳定和土壤无机磷的储存。