桉樹人工林土壤團聚體無機磷組分對林齡的響應

彭良富，潘明華，陳 林，蒙龍傳，秦安明，張 喆

(1.廣西壯族自治區國有大桂山林場，廣西 賀州 542899；2.廣西大學 林學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

磷素是植物生長不可或缺的營養元素，參與植物不同生長階段的生理生化過程[1]。植物生長所需磷素主要由土壤供應，依據化學形態特征土壤磷素可分為無機磷和有機磷2種形態[2]。一些研究表明，只有部分溶于土壤溶液的無機磷能被植物直接吸收[3]。但也有研究發現，部分能溶于水的有機磷也能直接被植物同化利用[4]。在一些以酸性紅壤為主的亞熱帶地區，土壤中富含的鐵鋁氧化物會強烈固定吸附土壤磷素，從而進一步加重亞熱帶紅壤生態系統的有效磷虧缺[5]。目前，關于磷素在植物-土壤系統中循環的研究主要集中在全磷和有效磷方面，而不同磷組分(尤其是無機磷組分)卻鮮見報道。因此，研究亞熱帶地區紅壤中不同無機磷組分的分布和轉化規律，有助于提高土壤磷素的高效利用，從而實現土壤磷素的可持續循環。

土壤團聚體作為土壤結構的基本單元，其穩定性能夠反映土壤結構變化、土壤養分循環和土壤固碳及抗蝕能力[6]。土壤團聚體穩定性越高，土壤抵抗地表侵蝕的能力越強，從而有利于減少水土流失、提升土壤質量[7]。根據形成機制與膠結物質的不同，土壤團聚體可以劃分為大團聚體(>0.25 mm)和微團聚體(<0.25 mm)[8]。各粒徑團聚體在磷素吸附、保持和供應能力等方面存在明顯差異，同時團聚體組成比例也會影響土壤磷素水平的高低[9]。因此，研究土壤無機磷組分在團聚體尺度下的微觀表征，對促進土壤生態系統磷素循環和提升其有效性具有重要意義。

桉樹(Eucalyptus)作為我國特有的亞熱帶速生豐產樹種，具有易繁殖、高產高質、生長周期短等特點[10]。作為廣西三大主要造林樹種之一，桉樹人工林在區域生態及經濟效益方面起著重要作用。截至2020年底，廣西桉樹人工林面積約為200萬hm2，居全國首位。20世紀50年代起，大桂山林場憑借地理優勢逐漸開展了桉樹人工林培育。然而，以追求生產力為目標的多年純林連栽，造成了諸如林分結構單一、地力衰退和土壤養分循環失調等嚴重的生態問題，從而導致了桉樹人工林生產力下降。鑒于此，本研究以不同林齡桉樹人工林表層土壤(0～20 cm)為研究對象，立足于土壤團聚體角度，探討不同形態土壤無機磷組分隨林齡的演變規律，以期為提升桉樹人工林土壤磷素利用效率及其生產力提供理論依據。

2 材料與方法

2.1 研究區域

研究區域位于廣西國有大桂山林場，地理位置東經111°20′5″～111°54′39″，北緯23°58′33″～24°14′25″。屬亞熱帶季風氣候，干濕季節分明，年均氣溫19.3 ℃，年均日照1700 h，年均降水量2056 mm，降雨集中在4～10月份。地貌類型以低山丘陵為主，土壤類型主要為紅壤，成土母巖以寒武系的砂巖為主。研究區域森林植被主要包括桉樹、米老排、火力楠等。

2.2 試驗設計

在野外詳細調查的基礎上，選擇由撂荒地(撂荒時間約為5年，主要地被物種包括芒萁、芒和山菅蘭等)造林而來的桉樹(巨尾桉，Eucalyptusgrandis×urophylla)人工林土壤為研究對象。造林密度約1667株/hm2，株行距2 m×3 m。人工整地挖坎種植，坎規格30 cm×30 cm×30 cm。種植前每穴施0.5 kg復合肥(N∶P∶K = 15∶8∶7)作為基肥，造林后每年追肥1次，每次施0.5 kg復合肥(N∶P∶K = 16∶6∶8)作為追肥。

在營林措施、管理方法、海拔、坡向、坡度、土壤母質等立地條件基本一致或相近的不同林齡(1年生、2年生和4年生)桉樹人工林中，各隨機設置3個面積約為30 m×30 m的樣方。同時，在鄰近的撂荒地中，也隨機設置3個面積約為30 m×30 m的樣方作為對照(CK)。試驗共計12個樣方(4個處理×3個重復)，相鄰樣方間距離大于300 m，樣方與林分邊緣距離大于100 m，林分與林分間距離大于1000 m。

2.3 樣品采集

在每個樣方內隨機布設3個采樣點，在每個采樣點的土壤表層收集1 m×1 m的凋落物樣品，然后混合均勻，共計12個混合凋落物樣品。在每個采樣點的0～20 cm土層采集原狀土樣，然后混合均勻，共計12個混合土壤樣品。將凋落物樣品和土壤樣品帶回實驗室，凋落物樣品在105 ℃條件下烘干至恒重，測定其生物量(表1)；土壤樣品沿自然紋理輕輕掰開，過5 mm篩去除小石塊和動植物殘體，置于室內陰涼通風處風干。土壤樣品一部分用于測定全土理化性質(表1)，另一部分用于土壤團聚體分級。

表1 不同林齡桉樹人工林凋落物及土壤理化性質

2.4 團聚體分級

通過濕篩法[11]采用孔徑依次為2 mm、1 mm和0.25 mm的篩網對500 g風干土樣進行了篩分。設置震動頻率、振幅、時間恒定，通過自動篩分儀將土樣分為>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm共4個粒徑團聚體(表2)，然后用于測定不同粒徑土壤團聚體中無機磷組分含量。

表2 不同林齡桉樹人工林土壤團聚體組成特征 %

2.5 指標測定

土壤pH值采用電位法測定，土壤容重采用環刀法測定，土壤有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定。土壤無機磷分級采用Zhang等[12]的方法：

(1)磷酸鋁鹽(Al-P)采用0.5 mol/L，pH=8.2的氟化銨浸提。

(2)磷酸鐵鹽(Fe-P)采用0.1 mol/L氫氧化鈉溶液浸提。

(3)閉蓄態磷(O-P)采用0.3 mol/L檸檬酸鈉和連二亞硫酸鈉溶液浸提。

(4)磷酸鈣鹽(Ca-P)采用0 .25 mol/L硫酸溶液浸提。

2.6 數據處理

土壤磷儲量(SPS，gm)的計算公式[13]如下：

SPS=∑(Wi×Pi)×ρ×H×10

(1)

式(1)中：Pi為第i粒徑團聚體磷含量(g/kg)，ρ為土壤容重(g/cm3)，H為土層厚度(cm)。

各粒徑團聚體對土壤磷儲量的貢獻率(CR，%)計算公式[13]如下：

(2)

式(2)中：SPSi為第i粒徑團聚體磷儲量(g/m2)，SPS為全土磷儲量(g/m2)。

統計分析利用SPSS 21.0軟件進行，不同處理之間多重比較及其顯著性水平(P<0.05)通過最小顯著性差異法進行檢驗，圖表采用Microsoft Office 4.3軟件制作。圖表中數據為平均值±標準差。

3 結果與分析

3.1 土壤團聚體無機磷含量分布特征

3.1.1 總無機磷含量

不同林齡桉樹人工林土壤總無機磷含量在各粒徑團聚體中差異不顯著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體中分別為105.15、106.91、106.11和100.67 mg/kg(表3)。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土和各粒徑團聚體中總無機磷含量均較高，且達顯著水平。隨著林齡的增長，土壤磷含量先增后減，在2 a時最高。

表3 不同林齡桉樹人工林土壤團聚體總無機磷含量分布特征 mg/kg

3.1.2 無機磷組分含量

不同林齡桉樹人工林土壤Al-P含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體中分別為13.47、11.25、13.89和12.95 mg/kg(表4)。其中0.25～1 mm粒徑團聚體中土壤Al-P含量最高。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土和各粒徑團聚體中Al-P含量均較高，且達顯著水平。隨著林齡的增長，土壤Al-P含量先增后減再增，在1 a時最高。

不同林齡桉樹人工林土壤Fe-P含量在各粒徑團聚體中差異不顯著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體中分別為44.30、47.19、49.22和42.53 mg/kg(表4)。除1 a桉樹人工林土壤<0.25 mm粒徑團聚體Fe-P含量低于CK，其余不同林齡桉樹人工林土壤各粒徑團聚體內Fe-P含量均高于CK。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土Fe-P含量均較高，隨著林齡的增長先增后減，在2a時最高。

不同林齡桉樹人工林土壤O-P含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體中分別為41.55、42.26、33.27和38.59 mg/kg(表4)。其中>1 mm粒徑團聚體中土壤O-P含量最高。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土和各粒徑團聚體中O-P含量均較高，且達顯著水平。隨著林齡的增長，土壤O-P含量先增后減，在1 a時最高。

不同林齡桉樹人工林土壤Ca-P含量在各粒徑團聚體中差異不顯著，其含量平均值在>2 mm、1～2 mm、0.25～1 mm和<0.25 mm粒徑團聚體中分別為8.06、8.41、9.00和7.61 mg/kg(表4)。除2 a桉樹人工林土壤>2 mm和<0.25 mm粒徑團聚體Ca-P含量低于CK，其余不同林齡桉樹人工林土壤各粒徑團聚體內Ca-P含量均高于CK。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土Ca-P含量均較高，隨著林齡的增長先增后減再增，在4 a時最高。

表4 不同林齡桉樹人工林土壤團聚體無機磷組分含量分布特征 mg/kg

3.2 土壤團聚體無機磷儲量分布特征

3.2.1 總無機磷儲量

在不同林齡桉樹人工林中，土壤總無機磷儲量在各粒徑團聚體中分布順序均表現為：>2 mm最大，<0.25 mm次之，1～2 mm較小，0.25～1 mm最小(表5)，這與不同粒徑團聚體含量的分布規律一致。>2 mm粒徑團聚體對土壤總無機磷儲量貢獻率最高，為41.3%～55.0%；其次是<0.25 mm粒徑團聚體，貢獻率為23.8%～38.0%；而1～2 mm和0.25～1 mm粒徑團聚體對土壤總無機磷儲量貢獻率較低，分別為14.4%～17.9%和4.7%～7.9%。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土總無機磷儲量均較高，且達顯著水平。隨著林齡的增長，土壤總無機磷儲量先增后減，在2 a時最高。

表5 不同林齡桉樹人工林土壤團聚體總無機磷儲量分布特征 g/m2

3.2.2 無機磷組分儲量

在不同林齡桉樹人工林中，土壤無機磷組分儲量在各粒徑團聚體中分布順序均表現為：>2 mm最大，<0.25 mm次之，1～2 mm較小，0.25～1 mm最小。(表6)，這與不同粒徑團聚體含量的分布規律一致>2 mm粒徑團聚體對土壤無機磷組分儲量的貢獻率最高，為31.4%～62.5%；其次是<0.25 mm粒徑團聚體，貢獻率為8.9%～40.5%；而1～2 mm和0.25～1 mm粒徑團聚體對土壤無機磷組分儲量的貢獻率較低，分別為10.2%～20.9%和3.7%～8.8%。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林全土無機磷組分儲量均較高，且達顯著水平。隨著林齡的增長，土壤各無機磷組分儲量的變化規律與其相應無機磷組分含量的變化規律一致。

表6 不同林齡桉樹人工林土壤團聚體無機磷組分儲量分布特征 g/m2

4 討論

在本研究中，不同林齡桉樹人工林土壤總無機磷含量在各粒徑團聚體中分布較均勻，這可能與土壤團聚體中鐵鋁氧化物含量分布有關[14]。鐵鋁氧化物在酸性土壤中可通過以下過程將磷固定在土壤磷庫中[15]：一是游離態鐵鋁氧化物表面形成的離子與氫基發生配位體交換，從而產生吸附作用；二是通過形成難溶性的磷酸鐵與磷酸鋁將磷固定下來。有研究表明:大團聚體具有更強的物理保護能力，其攜帶的磷素相對于小團聚體中的磷素更不易流失，這也意味著小團聚體中的磷素活性更高[16]。因此，在土壤磷素水平總體較低的情況下，迅速生長的桉樹人工林消耗了小團聚體中大量的無機磷，使得大團聚體及小團聚體中無機磷含量分布較均勻。這與Cui等[17]和Teng等[18]關于濕地土壤團聚體中磷素分布的研究結果一致。

在桉樹人工林中，土壤無機磷組分含量表現為Fe-P>O-P>Al-P>Ca-P。該研究結果與Li等[19]和Wu等[20]的研究結果一致。酸性紅壤含有大量的次生礦物(如高嶺石和鐵礦石等)，這些次生礦物可以強烈固定土壤磷素，造成土壤中Fe-P含量較高。不同林齡桉樹人工林土壤各無機磷組分含量在各粒徑團聚體土中的分布情況也存在差異。Al-P含量在1～2 mm粒徑團聚體中較高，O-P含量在>1 mm粒徑團聚體中較高，Fe-P和Ca-P含量在各粒徑團聚體中無顯著差異。吳雯等[3]的研究表明，Al-P的含量與土壤活性鋁含量有關，而小團聚體由于其較大的比表面積對Al離子有更強的吸附作用，通常會使得小團聚體中Al-P含量更高。這與我們的研究結果并不一致，造成研究結果差異的原因可能與活性鋁離子在不同粒徑團聚體中的分布狀況有關。一般來說，土壤有效磷的來源主要是無機磷中較為活躍的Al-P和Fe-P。魯如坤[21]對酸性紅壤水稻土的研究也表明Fe-P是土壤有效磷的主要供應來源，這與本研究的結果一致。小團聚體中活性較高的Fe-P作為有效磷的主要來源在桉樹生長過程中為其提供所需的土壤磷素，使得小團聚體中的Fe-P含量下降，從而造成各粒徑團聚體間Fe-P含量分布較均勻。作為一種難溶性磷，小粒徑團聚體中的O-P活性更高，被先礦化分解出來，導致>1 mm粒徑中O-P的含量更高，這一過程與Fe-P的變化過程類似。Ca-P作為一種穩定的沉積態磷，其含量主要與土壤成土母質及風化程度有關[22]。

與CK相比較，不同林齡桉樹人工林各粒徑團聚體及全土中無機磷及相關磷組分含量均較高，且達顯著水平，說明林齡會顯著影響土壤無機磷及其磷組分含量。林齡2 a之前，土壤總無機磷和Al-P、Fe-P和O-P含量均在1 a或2 a時達到最高，這可能與土壤凋落物的分解及養分的輸入有關[23]。值得注意的是，林齡2 a以后，土壤Al-P和Ca-P含量再次增長。在本研究中，Al-P和Ca-P均為有效性較低的土壤磷素形態，說明林齡2 a以后土壤磷素的確存在有效磷轉化程度困難的情況。林齡2 a以后O-P含量顯著降低，這可能與土壤pH值的下降有關[24]。土壤酸化導致O-P外包被的鐵鋁膠膜逐漸溶解，O-P礦化釋放出磷酸根離子并向其他形態磷素轉化。

根據各形態土壤無機磷儲量貢獻率的變化情況，不同林齡桉樹人工林各形態土壤無機磷儲量的主要來源均為>2 mm粒徑團聚體，其次是<0.25 mm粒徑團聚體。這與土壤團聚體組成比例分布情況高度一致。與CK相比較，不同林齡桉樹人工林土壤無機磷儲量均較高，表明桉樹的種植能夠提升土壤磷素的積累。

5 結論

在本研究中，桉樹人工林土壤Al-P含量在0.25～1 mm粒徑團聚體中較高，O-P含量在>2 mm和1～2 mm粒徑團聚體中較高，Fe-P和Ca-P含量在各粒徑團聚體中無顯著差異。不同林齡桉樹人工林土壤無機磷組分含量均顯著高于CK，土壤Al-P和O-P含量在1 a時最高，Fe-P含量在2 a時最高，Ca-P含量在4 a時最高。不同粒徑土壤團聚體無機磷儲量與土壤團聚體組成比例顯著相關，CK和不同林齡桉樹人工林土壤無機磷組分的儲量均在>2 mm粒徑團聚體中最高。因此，在桉樹人工林培育過程中，應重視土壤>2 mm粒徑團聚體的保護，以維持土壤團聚體的穩定和土壤無機磷的儲存。