杉木纯林及其混交林土壤团聚体有机磷组分分布特征

崔宇鸿,张钱春,燕 羽,蒋晨阳,樊容源,叶绍明

(广西大学 林学院,南宁 530004)

磷素是植物生长不可缺少的营养元素,是蛋白质、ATP、DNA、RNA等生物大分子的关键构成元素,参与植物不同生长阶段的生理生化过程[1]。植物生长过程中主要从土壤获取磷素,土壤中的磷素依据化学形态特征可分为有机磷和无机磷两种形态[2]。然而,土壤中绝大部分磷素具有难溶解和难移动等特点,有研究表明,只有少部分溶于土壤溶液的无机磷和少部分能溶于水的有机磷能直接被植物同化利用,因此磷素被认为是限制植物生产力的重要因素之一[3-4]。土壤磷素很大一部分以有机磷的形式存在,土壤有机磷占土壤总磷的20%～80%,其活性大小与土壤供磷能力密切相关,有机磷可被磷酸酶、有机酸和土壤微生物矿化成无机磷供植物获取利用,因此有机磷可视为土壤中的潜在有效磷库[5]。根据Bowman和Cole提出的土壤有机磷连续浸提分级法,可以将土壤有机磷分为活性有机磷、中度活性有机磷、中稳性有机磷和高稳性有机磷,其中活性有机磷较易发生矿化,最容易被植物吸收利用;中度活性有机磷需要在一定的激发条件引导下才能发生矿化;中稳性有机磷在酸性条件下会溶解,很难发生矿化;高稳性有机磷最难发生矿化[6]。由于亚热带地区以酸性红壤为主,土壤中富含的Fe、Al、Ca等矿物质对磷素具有较高的固定和吸附能力,进一步加深了亚热带森林生态系统的有效磷短缺[1]。因此,对亚热带地区红壤中的有机磷组分分布特征进行研究,有助于实现土壤磷的可持续循环。

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,是土壤养分稳定和保护的重要载体,影响着土壤的物理、化学和生物学特性[7]。根据形成和稳定机制的不同,将土壤团聚体划分为大团聚体(>0.25 mm)和小团聚体(≤0.25 mm)[8],不同粒径大小的土壤团聚体对磷素的吸附、保持和供应能力存在明显差异,因此,其组成比例会影响cv土壤磷素水平的高低[9]。比如细小颗粒物质含有更多的活性有机磷和易矿化有机磷[10];在砂姜黑土之中有机磷主要存在于<0.005 m粒径中,不同有机磷组分含量随粒径的减小而增大[11];在>2 mm粒径的团聚体中稳性有机磷和高稳性的含量高于小团聚体,而活性有机磷和中度活性有机磷的含量在>2 mm和<0.5 mm粒径中均较高[12]。同时团聚体的形成和稳定过程十分复杂,除了受自然条件影响外,还受人为活动的严重影响,导致不同地区的土壤团聚体组成比例有明显不同[13]。有研究表明,桉树或马尾松人工纯林与固氮树种混交种植后土壤团聚体有机磷的含量显著增加[14]。因此,评估亚热带地区杉木纯林和混交林不同粒径土壤团聚体中有机磷组分的含量和其组成比例的差异,对于系统了解杉木人工林经营过程中有机磷在土壤团聚体中的滞留-释放机制具有重要的现实意义。

杉木(Cunninghumialanceolata)是中国特有的亚热带速生丰产树种,具有生长周期短、材质优良、产量高、繁殖易等特点[15],在中国亚热带地区有悠久广泛的种植历史。数据统计结果显示,杉木在中国的栽植面积已超1 000万hm2,约占中国人工林总栽植面积的26.5%和世界人工林总面积的5%,在中国林业生产和生态建设中具有举足轻重的地位[16]。

然而,为了追求生产力杉木人工林长期以纯林形式经营并多代连栽,导致林分结构单一、地力衰退、养分循环失调和生产力下降等一系列生态问题,严重影响了杉木人工林的可持续经营[17]。对此,许多学者对如何提高杉木人工林生产力开展了诸多研究并取得了一系列研究成果,研究发现营造混交林在提高人工林土壤肥力、改善养分循环、丰富林分结构、增加物种多样性和提高生产力等方面均有明显优势[18]。但目前对于杉木混交林土壤养分的研究多集中于传统的生态化学计量分析或简单的元素测定,并未对土壤团聚体中不同有机磷组分分布特征进行深入探讨,是否能通过各形态有机磷在不同杉木林分类型土壤团聚体中的分布及循环特征反映林分的生长状态仍不明确。因此,本研究以广西壮族自治区凭祥市中国林业科学院热带林业实验中心大青山实验场的杉木-米老排(Mytilarialaosensis)混交林、杉木-火力楠(Micheliamacclurei)混交林以及杉木纯林为研究对象,开展不同混交林分杉木林分类型土壤团聚体的有机磷组分分布及变化特征的研究,从土壤团聚体的角度揭示有机磷组分对不同林分类型的响应特征。

1 研究地区与研究方法

1.1 研究区概况

试验地位于广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心青山实验场(106°41′-106°59′E,21°57′-22°16′N),属南亚热带季风气候,年平均气温为20～22 ℃,最高气温为40.3 ℃,最低气温为-1.3 ℃,每年10 ℃以上的积温为6 000～7 600 ℃,全年日照时间1 218～1 620 h。降水充沛,年平均降水量1 200～1 500 m,平均相对湿度在80%以上,降水主要集中在4—10月。地形地貌以低山丘陵为主,土壤类型主要为红壤,成土母岩主要为砂岩,研究区域的森林植被主要包括杉木、火力楠和米老排等。

1.2 样地设置与样品采集

2019年6月,对中国林业科学研究院热带林业中心大青山实验场的杉木纯林及混交林进行全面综合考察,在野外实地调查的基础上,根据不同杉木林分的地质、地貌、地形和施肥情况等条件进行综合考虑,选择成土母质相同、坡向坡度相似、海拔基本一致、地块位置比较集中、施肥管理水平基本一致的杉木纯林(Ⅰ)、杉木-火力楠混交林(Ⅱ)和杉木-米老排混交林(Ⅲ)为采样对象(表1)。选为采样对象的林分林龄均为27年,于1992年营造,种植行间距均为2 m×3 m,郁闭度为0.85,杉木-火力楠混交林和杉木-米老排混交林的混交比例均为3∶1,在3个林分类型种植过程中,均按照近自然林经营原则管理,未受到重大病虫害和自然灾害的影响。

表1 不同林分类型样地基本情况

在每个杉木林分类型按随机原则设置5个30 m×30 m的标准样方,相邻样方间距离300 m,共15个标准样方。每个样方每按“S”形设置5个采样点,取土样前在每个采样点的土壤表面收集1 m2的凋落物样品,之后从表层向下在0-20 cm和20-40 cm土层采集原状土样,将各个采样点采集的土壤按土层混合,每个林分类型得到10份混合土样,共30份土样(5个样方×2个土层×3个林分类型)。同时,另用环刀在0-20 cm和20-40 cm土层采集原状土样。

为避免土样团聚体结构破坏,将采集好的原状土样装入铝盒带回实验室。在实验室内将每一份混合土样沿其自然结构轻轻分开,过10 mm筛除去小石块和动植物残体等,置于室内阴凉通风处风干。风干后的土样一部分用于测定全土基本理化性质(表2);另一部分依据沙维洛夫干筛法[19]分离成>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm和<0.25 mm粒径团聚体用于测定各形态有机磷含量。

表2 不同杉木林分类型土壤理化性质

1.3 测定项目与方法

土壤容重采用环刀法,pH值采用电位法(水土比1∶2.5),全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法[20],有机磷组分采用Bowman等[6]提出的有机磷分级方法进行测定。

1.4 数据处理

土壤团聚体平均重量直径(MWD,mm)和几何平均直径(GMD,mm)的计算公式分别[21]为:

(1)

(2)

式中:DMWD为土壤团聚体平均重量直径(mm);DGMD为几何平均直径(mm);di为第i粒径团聚体直径的平均值(mm);wi为第i粒径团聚体的重量百分含量(%)。

土壤有机磷储量(SSP,g/m2)的计算公式[22]为:

SSP=∑(Wi×Pi)×ρ×H×10

(3)

式中:Wi为第i粒径团聚体的重量百分含量(%);Pi为第i粒级团聚体有机磷含量(g/kg);ρ为土壤容重(g/cm3);H为土壤厚度(cm)。

各粒级团聚体对土壤有机磷的贡献率(R,%)计算公式[23]为:

(4)

式中:SSP,i为第i粒级团聚体有机磷储量(g/m2);SSP为全土有机磷储量(g/m2)。

所有数据均采用SPSS 27.0和Excel 365进行统计分析,采用单因素方差分析和多重比较法对数据进行差异显著性比较(P<0.05),图表均采用Origin 2021进行制作。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 土壤团聚体组成及稳定性特征

不同杉木林分类型土壤团聚体分布规律如图1所示,从图1中可知,同一林分同一土层内>2 mm粒径团聚体占比显著高于其余粒径团聚体,并且团聚体占比随着粒径减小呈减小趋势。

不同大写字母表示数据在同一土层不同林分类型差异显著(P<0.05)。不同小写字母表示数据在同一土层不同粒径团聚体间差异显著(P<0.05)。下同。

而不同的杉木林分类型对土壤团聚体组成也有显著影响,在0-20 cm和20-40 cm土层,不同林分类型的>2 mm和<0.25 mm粒径团聚体占比均表现为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,除了20-40 cm土层的2～1 mm粒径,其余2～1 mm粒径和1～0.25 mm粒径团聚体占比均表现为Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ。

不同杉木林分类型土壤团聚体稳定性指标如表3所示,在0-20 cm土层和20-40 cm土层中,各林分类型土壤MWD、GWD均表现为Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ。

表3 不同杉木林分类型土壤团聚体稳定性

2.2 土壤团聚体有机磷组分含量

不同杉木林分类型土壤团聚体有机磷组分含量分布如图2所示,在各土层中,各林分类型土壤团聚体有机磷组分含量均表现为0-20 cm土层高于20-40 cm土层,且除20-40 cm土层的活性有机磷和2个土层的高稳性有机磷外均随着粒径减小呈增加趋势。不同林分类型活性有机磷含量均表现为林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ;中度活性有机磷含量在0-20 cm土层中的>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm粒径表现为林分Ⅱ显著高于Ⅰ和Ⅲ,在20-40 cm土层中的>2 mm、1～0.25 mm粒径表现为林分Ⅱ显著高于Ⅰ和Ⅲ;中稳性有机磷含量在0-20 cm土层中表现为林分Ⅱ和Ⅲ显著高于Ⅰ,在20-40 cm土层中表现为林分Ⅱ显著高于Ⅰ和Ⅲ;高稳性有机磷含量在0-20 cm土层中除2～1 mm和<0.25 mm粒径外林分Ⅰ均显著低于林分Ⅱ和Ⅲ,在20-40 cm土层中除<0.25 mm粒径外林分Ⅱ均显著高于林分Ⅰ和Ⅲ,且高稳性有机磷主要分布于大粒径团聚体中。

2.3 土壤团聚体有机磷组分储量及贡献率

不同杉木林分类型土壤团聚体有机磷组分储量及贡献率分布如图3所示,在各土层中,不同林分类型土壤有机磷组分储量除0-20 cm土层的高稳性有机磷外,均表现为林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,且同一林分有机磷组分储量表现为0-20 cm土层高于20-40 cm。在0-20 cm土层,同一林分内>2 mm粒径团聚体的各组分有机磷储量和贡献率均高于其他粒径,而在20-40 cm土层,只有林分Ⅱ内>2 mm粒径团聚体的各组分有机磷储量和贡献率均高于其他粒径,林分Ⅰ、Ⅲ内各组分有机磷主要分布在>2 mm、2～1 mm和1～0.25 mm粒径。同时在0-20 cm和20-40 cm土层中,各林分<0.25 mm粒径团聚体的各组分有机磷储量和贡献率均小于其他粒径。

2.4 土壤团聚体特征与有机磷组分储量的关系

不同杉木林分类型土壤团聚体特征与有机磷组分储量的相关性分析结果如图4所示,在0-20 cm土层中,活性有机磷和中稳定性有机磷储量与>2 mm粒径团聚体、<0.25 mm粒径团聚体、MWD和GMD呈极显著正相关,其余呈极显著负相关;中度活性有机磷和高稳性有机磷储量与>2 mm粒径团聚体、<0.25 mm粒径团聚体、MWD和GMD呈显著正相关,其中中度活性有机磷与1～0.25 mm粒径团聚体呈显著负相关,高稳性有机磷与2～1 mm粒径团聚体呈显著负相关。20-40 cm土层整体相关性趋势与0-20 cm土层一致,但整体显著性更明显,除了高稳性有机磷与<0.25 mm粒径团聚体呈显著正相关外,其余皆为极显著相关。

>2 mm表示>2 mm粒径团聚体占比;2～1 mm表示2～1 mm粒径团聚体占比;1～0.25 mm表示1～0.25 mm粒径团聚体占比;<0.25 mm表示<0.25 mm粒径团聚体占比;MWD.土壤团聚体平均重量直径;GMD.土壤团聚体平均几何直径;LO-P.活性有机磷储量;MLO-P.中度活性有机磷储量;MSO-P.中稳性有机磷储量;HSO-P.高稳性有机磷储量。下同。

不同杉木林分类型土壤团聚体特征与有机磷组分储量的冗余分析结果如图5所示,其结果与相关性分析(图4)相似。在0-20 cm土层和20-40 cm土层中,第一主轴和第二主轴分别解释变量的62.22%和94.78%、18.53%和0.8%,土壤环境因子分别解释了80.75%和95.59%的总特征值,说明其对土壤团聚体稳定性及粒径分布有显著影响。其中>2 mm和<0.25 mm粒径团聚体与有机磷各组分储量呈显著正相关性,而2～1 mm和1～0.25 mm与有机磷各组分储量呈显著负相关性。在0-20 cm和20-40 cm土层中,2～1 mm和1～0.25 mm粒径团聚体都是影响土壤团聚体特征的主要因子,其分别解释了土壤团聚体特征变化的56.5%、17%和2.6%、91%。

图5 不同杉木林分类型土壤团聚体特征与有机磷组分储量的冗余分析

3 讨 论

3.1 土壤团聚体组成与稳定性特征

土壤团聚体是土壤结构的基本单元,其组成比例与稳定性是评价土壤结构的重要指标,稳定的土壤结构能提高土壤肥力和抗侵蚀能力[24],其中土壤团聚体平均重量直径(MWD)、土壤团聚体平均几何直径(GMD)是评价土壤团聚体稳定性的常用指标,MWD、GMD越高,土壤团聚体稳定性就越高[25],而土壤颗粒在持久性有机胶结物质的作用下能形成<0.25 mm的微团聚体,其具有良好的抗机械破坏性和调节土壤水热调节能力,之后在暂时性有机胶结物质的作用下逐步形成>0.25 mm的大团聚体,因此团聚体的比例同样能反映不同林分类型土壤结构的稳定性[26]。在本研究中,3种杉木林分类型土壤均以粒径>0.25 mm的大团聚体为主,<0.25 mm的微团聚体分布较少,说明3种林分类型的土壤团聚性较强、分散性较弱,但这种现象随着土层加深呈现出相反趋势。0-20 cm土层和20-40 cm土层的>2 mm粒径团聚体和<0.25 mm粒径团聚体占比表现为林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,同时MWD、GMD也表现为林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,说明营造杉木-火力楠和杉木-米老排混交林会对土壤团聚体的分布格局和稳定性产生明显影响,混交林的土壤团聚体结构相比纯林更为稳定。这是因为杉木混交林的凋落物数量显著高于杉木纯林,大量凋落物的分解增加了土壤活性有机质的积累,有机质的胶结作用能够促进大团聚体的形成,提高团聚体稳定性,同时大量凋落物能够减少表层土壤大团聚体受到雨水和地表径流的冲刷,保护大团聚体的稳定[27]。

3.2 土壤团聚体中有机磷组分分布特征

土壤磷与团聚体的形成及稳定紧密相关[25],而有机磷是土壤磷库的重要组成部分,有研究表明有机磷能够代表表层土壤中超过50%的全磷,尤其是在森林生态系统当中[28]。在本研究中,各土层中林分Ⅰ土壤容重皆显著高于林分Ⅱ、Ⅲ,这是由于速生树种在生长过程中会导致林下土壤更为紧实,而混交林土壤中交错的根系能很好的疏松土壤,这导致土壤容重更小,混交林疏松多孔的土壤更利于养分的储存[29]。有机磷在土壤中主要分布在较小粒径的团聚体中,除高稳性有机磷外,其余有机磷组分含量与粒径大小成反比,<2 mm粒径团聚体的含量显著高于>2 mm粒径团聚体中的含量。这是由于相较大粒径团聚体,小粒径团聚体拥有更多与有机磷结合的位点,在质量相同的情况下,粒径越小的土壤团聚体对有机磷的吸附能力越强[30]。同时土壤中的黏粒矿物多包含在小粒径团聚体中,增强了小粒径团聚体对有机磷的吸附能力[31]。文倩等[32]的研究结果表明活性有机磷随粒径的减小其相对含量增加,与本研究结果相似,同时活性有机磷和中度活性有机磷与土壤速效磷和有效磷的关系密切[10],因此,<2 mm粒径团聚体中吸附与保持的磷有效性更高,更利于植物利用吸收。

同时在本研究中,0-20 cm土层土壤团聚体有机磷组分含量显著高于20-40 cm土层,且绝大部分情况下林分Ⅱ、Ⅲ显著高于Ⅰ,说明混交能有效的提高土壤团聚体有机磷含量。这是由于土壤养分一部分来源于凋落物分解,而混交林中凋落物生物量更多,且火力楠、米老排林下表层土壤细根生物量大,枯死细根的养分归还量大,凋落物和细根分解向土壤归还了大量的养分[33]。土壤中的磷一部分来源于成土母质,同一块研究区域的成土母质和水热条件变化不大,但是混交林中更丰富的凋落物使土壤表层的有机质及微生物活性增加,促进了磷素的转换,并削弱雨水和地表径流的影响,减少磷素的流失,使土壤整体磷素含量增加[27]。

因为土壤磷素储量的分布特征与不同粒径土壤团聚体的有机磷含量以及土壤团聚体的组成比例密切相关[34],所以在本研究中,除0-20 cm土层的高稳性有机磷外,各土层有机磷组分储量皆表现为林分Ⅱ>Ⅲ>Ⅰ,且0-20 cm土层显著高于20-40 cm土层。虽然>2 mm粒径团聚体的有机磷含量在4个粒径中最低,但是由于其粒径占比远远高于其他粒径,导致在林分Ⅱ中,>2 mm粒径团聚体对土壤有机磷各组分的贡献率皆最高,而在林分Ⅰ、Ⅲ中,>2 mm粒径团聚体只在0-20 cm土层表现出最高的贡献率,在20-40 cm土层,各有机磷组分贡献率主要在>2 mm、2～1 mm、1～0.25 mm粒径团聚体中达到最高。说明在杉木-火力楠混交林中,>2 mm粒径团聚体是保存有机磷组分的主要载体,在杉木纯林和杉木-米老排混交林中,>0.25 mm粒径团聚体才是有机磷组分的主要载体。

3.3 土壤团聚体分布特征与有机磷组分储量间的关系

研究结果(图4)显示,在0-20 cm土层中>2 mm、<0.25 mm粒径土壤团聚体与活性有机磷和中稳性有机磷呈极显著正相关,与中度活性有机磷和高稳性有机磷呈显著正相关,而2～1 mm粒径团聚体与活性有机磷和中稳性有机磷呈极显著负相关,与中度活性有机磷呈显著负相关,1～0.25 mm粒径团聚体与活性有机磷和中稳性有机磷呈极显著负相关,与高稳性有机磷呈显著负相关,与Kurmi等[35]的研究结果一致。20-40 cm土层的整体相关性趋势与0-20 cm土层相同,显著性更明显,除了高稳性有机磷与<0.25 mm粒径团聚体呈显著正相关外,其余皆为极显著相关。结果表明土壤中>2 mm、<0.25 mm粒径团聚体的占比越高,土壤有机磷组分的储量就越高,这是由于微团聚体的有机磷组分含量在各个粒径中最高,提高其占比能直接提高全土储量,同时微团聚体在有机质的胶结作用下形成大团聚体,大团聚体的形成过程中将有机质与外界隔离,提供物理保护,减少了有机磷的损失,间接提高全土储量[24]。因此,如果土壤中较小粒径团聚体占比较大,本身其有机磷含量较低,土壤结构稳定性又较低,有机磷没有足够的保护,全土有机磷储量会大大减少。

冗余分析的结果表明,在0-20 cm土层,活性有机磷和中度活性有机磷是影响土壤稳定性的主要因素,而在20-40 cm土层,中稳性有机磷和高稳性有机磷是影响土壤稳定性的主要因素。可能是因为在0-20 cm土层,凋落物的分解、动物和人类的活动对土壤造成的影响更大,活性有机磷和中度活性有机磷得到较多补充,活性有机磷与稳性有机磷储量差距较大,而在20-40 cm土层,土壤环境相对稳定,各组分有机磷储量差距相对较小。

4 结 论

研究结果表明,相较于纯林,杉木混交林林下的土壤全磷含量更高,土壤结构更为稳定,各有机磷组分含储量也更高。此外,在团聚体尺度上,3个林分土壤有机磷含量随粒径的减少而增加,同时>2 mm、<0.25 mm粒径团聚体占比与各有机磷组分储量呈正显著相关,土壤稳定性指标与各有机磷组分储量也表现此规律。因此,在保持土壤稳定的基础上,可通过适当提高>2 mm和<0.25 mm粒径团聚体的占比以提高土壤有机磷储量。本研究结果表明,选择合适的阔叶树种与杉木混交,例如营造杉木-火力楠混交林,能更好地改善土壤团聚体稳定性,并提高土壤有机磷的储量。