不同林分土壤磷形态与磷酸酶特征_李黄维.pdf

第 卷第 期 年 月生态学报 ，：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；中南林业科技大学研究生科技创新基金项目（，）收稿日期：；网络出版日期：通讯作者 ：李黄维，吴小红，刘婷，何金松，王钧，闫文德不同林分土壤磷形态与磷酸酶特征生态学报，（）：，（）：不同林分土壤磷形态与磷酸酶特征李黄维，吴小红，刘 婷，何金松，王 钧，闫文德，中南林业科技大学生命科学与技术学院，长沙 南方林业生态应用技术国家工程实验室，长沙 摘要：以湖南省平江县国有芦头林场的次生林以及经人工翻垦种植的油茶（）、黄桃（）、杨梅（）和杉木（）四种人工林为研究对象，比较了不同林分土壤理化性质、磷酸酶活性与磷形态特征，分析了三者之间的相关性，探讨了次生林转变为人工林后，土壤磷形态和磷酸酶的变化特征以及驱动土壤磷素形态变化的关键因子。结果表明：（）次生林土壤有机碳（），全氮（）、铵态氮（）含量与磷酸酶活性显著高于其他四种林分。（）五种林分中土壤残余磷（）含量最高，是林地土壤主要的磷素存在形态。林分转变后，黄桃林与杉木林树脂提取态无机磷（）显著增加，黄桃林与油茶林 提取态磷（、）含量显著增加，而四种人工林的 提取态有机磷（）含量均显著降低。可利用磷、中等可利用磷与稳定态磷含量及其占全磷的比例在五种林分中差异显著，其中黄桃林与油茶林可利用磷占全磷比例较高；杨梅林和杉木林中等可利用磷占总磷比例较高；油茶林与次生林中稳定态磷所占全磷比例较高。（）相关分析表明土壤中可利用磷与全钾（）呈显著正相关，中等可利用磷与硝态氮（）呈显著正相关，稳定态磷与、均呈显著正相关，磷酸酶活性与、显著正相关。综上所述，次生林转变为人工林不仅改变了土壤中总磷的含量，而且影响了不同磷形态之间的转化，导致土壤中磷的赋存状况发生改变。关键词：磷分级；土壤理化性质；磷形态；磷酸酶活性 ，：，（），（，），：（）（），（），（）（），（：）（，），（），（）（），（），：；磷（，）在土壤中以多种形态存在，是植物生长所必须的大量元素之一，也是影响植物生长的主要限制因子。我国亚热带地区红壤富含铁铝，土壤中的磷容易被铁、铝等离子固定形成难溶性磷，导致土壤中有效磷含量较低，磷素已成为该地区林木生长的重要限制性养分之一。土壤磷有效性主要取决于其在土壤中的存在形态，不同形态的磷素可以相互转化，且他们之间的转化与植被类型、凋落物输入和土地利用方式等关系密切。因此，有必要研究亚热带地区不同森林生态系统土壤磷素形态特征，以便更好地了解亚热带地区不同林分生长对土壤磷素形态转化和磷有效性的影响。土壤磷酸酶与土壤磷素循环关系密切，是土壤中广泛存在的一类水解酶。在磷酸酶的催化作用下，微生物可以将土壤中的有机磷矿化为无机磷，从而提高土壤磷的有效性。研究发现，土壤磷酸酶活性受土壤有机质、全氮以及有机磷的含量等环境因子的影响。除此之外，化肥农药的施用、地被物管理和覆膜等管理措施也会影响土壤磷酸酶活性。不同类型森林土壤由于其土壤养分、土壤微生物以及管理措施上存在差异，可能会对磷形态与磷酸酶活性产生影响，进而影响土壤磷的有效性，但目前关于不同林分土壤磷形态与磷酸酶活性等研究较少，需进一步深入研究。我国有大量的次生林，约占全国森林总面积的，因此，次生林对森林生态系统服务功能的维持至关重要。随着我国人口的快速增长，人们对经济林产品和木材需求量的增加，大量次生林转变为人工林。次生林转变为人工林导致生物多样性丧失、土壤养分流失和生态系统退化等生态环境问题的出现。近年来，有关林分变化对土壤结构、碳氮养分和土壤微生物群落等的影响已有较多研究，但对次生林转变为人工林后土壤磷形态以及磷酸酶活性特征变化了解有限。因此，本文以次生林以及由次生林转变而来的油茶林、黄桃林、杨梅林和杉木林为研究对象，对比不同林分土壤理化性质、磷形态和磷酸酶活性差异，分析三者之间的相关性，探讨次生林转变为人工林后，土壤磷形态和磷酸酶活性的变化特征以及驱动土壤磷素形态变化的关键因子，以期为亚热带森林生态系统可持续性管理提供科学依据。材料与方法 试验地概况试验区位于湖南省平江县国有芦头林场，海拔，属于亚热带季风气候。该地区年平均气温，年均降水量，全年无霜期为。试验区原有次生林主要为常绿阔叶林，主要树种有甜槠（）、青冈栎（）、苦槠（）和木荷（生 态 学 报 卷：）等。年，该地区大面积的次生林经人工开垦改造为油茶、黄桃、杨梅和杉木四种人工林地。人工林种植以后，油茶林每年 月份施用 硫酸钾复合肥（）；黄桃林与杨梅林每年 月份施用 有机肥，其中黄桃林在每年 月增施硫酸钾复合肥，施肥量为 ；杉木林无人工管理措施，次生林无人为干扰。样地设置与样品采集 年，在立地条件基本一致的次生林、黄桃林、油茶林、杨梅林和杉木林内各设置 个 样地。在每个样地中，去除地表凋落物后随机选择 个样点采集 表层土壤，混合均匀后去除石砾和根系等杂物，迅速带回实验室。然后将土壤样品分为两部分，一部分放置于阴凉干燥处风干用于土壤理化性质与磷形态的测定；另一部分样品保存于 冰箱中，用于测定酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性。土壤样品分析方法土壤 采用玻璃电极 计测定（，美国），水土比为；土壤有机碳（，）采用重铬酸钾加热法测定，土壤全氮（，）采用凯式定氮法进行测定；土壤全磷（，）采用钼锑抗比色法进行测定；土壤全钾（，）采用电感耦合等离子体发射光谱仪（，美国）进行测定；土壤硝态氮（）、铵态氮（）含量采用 浸提后，通过流动分析仪（，荷兰）进行测定。土壤中磷形态含量采用 提出的改良 磷素分级方法，分别提取出树脂提取态无机磷（）、碳酸氢钠提取态磷（、）、氢氧化钠提取态磷（、）、提取态无机磷（）以及残余磷（），提取后采用钼锑抗比色法进行测定。将逐级提取的不同形态磷的有效性分为三类：（）可利用磷（，），即 与 提取态磷，其中 与 是可以直接被植物所吸收利用的磷形态，是容易被转化为植物可直接吸收利用的磷形态；（）中等可利用磷（，），即 与，被土壤中的铝、铁之间的共价键所吸附，参与了长期的磷转化；（）稳定态磷（，），即 与，相对不溶，与土壤中的钙有关，难以被植物所利用。采用对硝基苯磷酸二钠法（）在 下测定不同林分土壤酸性磷酸酶活性（），在 下测定土壤碱性磷酸酶活性（）。数据处理与分析采用单因素方差分析（）比较不同林分土壤理化性质、磷酸酶活性、磷形态和磷有效性的差异显著性，并利用 软件制图。采用 对土壤理化性质、磷酸酶活性、磷形态和磷有效性进行相关性分析，本研究中显著性水平设为。结果与分析 不同林分土壤理化性质特征如图 所示，五种林分中次生林 最低，黄桃林 最高，次生林转变为人工林后 升高，但差异未达显著性水平。次生林 含量显著高于其他四种林分（）。土壤 含量表现为次生林最高（），油茶林仅为次生林的。含量在黄桃林最高（），显著高于其他四种林分（），次生林最低（）。含量次生林最高为 ，显著高于其他四种林分（），杨梅林最低（），仅为次生林的。土壤中 含量表现为杨梅林次生林黄桃林杉木林油茶林。不同林分土壤磷酸酶活性特征不同林分土壤磷酸酶活性特征如图 所示，次生林土壤 活性最高（），分别比杉木林、油茶林、杨梅林和黄桃林高，和，且次生林和人工林土壤 活性差异显著（）。四种人工林土壤 活性均显著低于次生林（），油茶林、杉木林、杨梅林和黄桃林 期 李黄维 等：不同林分土壤磷形态与磷酸酶特征：土壤 活性分别比次生林低，和，黄桃林、杨梅林和杉木林土壤 活性差异不显著（）。图 不同林分土壤理化性质 不同小写字母表示不同林分间差异显著（），图中数据为平均值标准差（）图 不同林分土壤酸性磷酸酶与碱性磷酸酶活性 不同小写字母表示不同林分间差异显著（），图中数据为平均值标准差（）；：对硝基苯磷酸二钠法 不同林分土壤磷形态特征 不同林分土壤磷形态含量不同林分土壤磷形态含量如图 所示，土壤中 含量表现为杉木林黄桃林油茶林次生林杨生 态 学 报 卷：梅林，且杉木林显著高于其他四种林分（）；黄桃林土壤中 含量最高，为 ，显著高于其他四种林分（），但次生林、杨梅林和杉木林 含量差异不显著；油茶林土壤中 含量最高为 ，且与其他林分差异显著（）。杨梅林土壤中 含量显著高于其他林分，含量为 。次生林土壤 含量显著高于其他林分（），但 含量在油茶林、杨梅林和杉木林中无显著差异。土壤 含量在五种林分之间没有显著差异。次生林和黄桃林中土壤 含量显著高于油茶林、杨梅林和杉木林（）。图 不同林分土壤磷形态特征 不同小写字母表示不同林分间差异显著（），图中数据为平均值标准差（）不同林分土壤磷有效性特征由图 可知，从不同有效性磷含量来看，五种林分均以 含量最高。土壤 含量在五种林分中差 期 李黄维 等：不同林分土壤磷形态与磷酸酶特征：异显著（），呈现黄桃林油茶林杉木林杨梅林次生林的变化趋势；土壤 含量在杨梅林最高，油茶林最低，且次生林、杉木林和黄桃林中土壤 含量差异不显著。土壤 含量在次生林最高，显著高于油茶林、杨梅林和杉木林（），但与黄桃林差异不显著。图 不同林分中可利用磷、中等可利用磷与稳定态磷含量 ，不同小写字母表示不同林分间差异显著（），图中数据为平均值标准差（）五种林分中，土壤 含量为黄桃林次生林杨梅林杉木林油茶林，其中黄桃林与次生林 含量显著高于杨梅、杉木和油茶三种林分（）。不同有效性磷占 的比例因林分类型而异，土壤 占比表现为黄桃林（）油茶林（）杉木林（）杨梅林（）次生林（）；土壤 占比在杨梅林最高，为，而油茶林中最低，仅为；不同林分土壤 占比在次生林（）和油茶林（）较高，而杨梅林最低（图）。图 不同林分可利用磷、中等可利用磷和稳定态磷在全磷中的占比 ，不同小写字母表示不同林分间差异显著（），图中数据为平均值标准差（）生 态 学 报 卷：磷形态和磷酸酶活性与土壤理化性质的相关性分析相关分析表明（表），与土壤理化性质的相关性未达到显著性水平；与全磷和全钾呈显著正相关（）；与全氮呈显著负相关（）；和 均与硝态氮呈显著正相关（）；、和 均与有机碳、全氮、全磷和铵态氮呈显著正相关（）；与全钾呈显著负相关（）；与全钾呈显著正相关（），与硝态氮呈显著负相关；和 与有机碳、全氮、铵态氮均显著正相关（）。表 土壤理化性质、磷酸酶与土壤磷形态的相关分析 ，土壤磷形态与磷酸酶 土壤理化性质 土壤有机碳 全氮全磷全钾硝态氮铵态氮树脂提取态无机磷 提取态无机磷 提取态有机磷 提取态无机磷 提取态有机磷 提取态无机磷 残余磷 可利用磷 中等可利用磷 稳定态磷 酸性磷酸酶 碱性磷酸酶 表示相关系数 ；表示相关系数 讨论林分转变对土壤理化性质的影响人工林土壤 与次生林相比有所升高，这是由于在林分转变过程中人为砍伐、翻垦和人工林施肥等措施导致土壤中可交换阳离子增加。是反映土壤肥力丰缺状况的重要指标。次生林转变为人工林后，土壤 含量下降了。导致土壤 下降的因素有两方面：一方面是凋落物的影响，相比于人工林，次生林表层土壤凋落物量更大，通过地表凋落物输入土壤的有机物更多，次生林转变为人工林的过程中，由于去除了林下植被和凋落物，从而导致次生林中通过凋落物输入到土壤的 减少；另一方面是由于次生林土壤中细根生物量较大，周转较快，土壤微生物代谢相对旺盛，归还至土壤中的 含量相对较高。土壤氮素来源于凋落物的分解、生物量的积累，具有明显的表聚性。人工林中的除草、翻垦、凋落物去除等管理措施会加剧水土流失，造成氮素的流失，因此林分转变后土壤中的 含量迅速下降，最大降幅达。人工林土壤 与 含量低于次生林，这与向升华研究一致，表明土壤表层的速效氮含量 期 李黄维 等：不同林分土壤磷形态与磷酸酶特征：与林分类型和林龄密切相关。在四种人工林中，黄桃林除了施用有机肥外，还会额外增施复合肥，有机肥和无机肥的联合使用使得黄桃林土壤中、的含量高于油茶林、杨梅林和杉木林。在次生林转变为人工林过程中引起的植物多样性减少，会造成土壤养分流失，因此为了使人工林土壤养分保持良性循环，建议在人工林地合理补充肥料。林分转变对土壤磷酸酶活性的影响酸性磷酸酶和碱性磷酸酶均可促进土壤有机磷的水解，使其转化为能被植物和微生物直接吸收利用的磷素形态。杨文娜等的研究表明，分泌磷酸酶是植