全 文 ：第 34 卷第 22 期
2014年 11月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.22
Nov.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家林业公益性行业科研专项(201404316);湖南省自然科学基金创新群体项目(湘基金委字[2013]7号);城市森林生态湖南省重点
实验室运行项目资助;湖南省优势重点学科项目资助;湖南省 “百人计划冶项目 ( 0842);中南林业科技大学研究生科技创新基金项目
(CX2014A04)
收稿日期:2014鄄04鄄06; 摇 摇 修订日期:2014鄄11鄄03
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: xchen@ govst.edu
DOI: 10.5846 / stxb201404060655
曹娟,闫文德,项文化,谌小勇,雷丕锋,向建林.湖南会同不同年龄杉木人工林土壤磷素特征.生态学报,2014,34(22):6519鄄6527.
Cao J,Yan W D, Xiang W H, Chen X Y, Lei P F, Xiang J L.Characteristics of soil phosphorus in different aged stands of Chinese fir plantations in
Huitong, Hunan Province.Acta Ecologica Sinica,2014,34(22):6519鄄6527.
湖南会同不同年龄杉木人工林土壤磷素特征
曹摇 娟1,闫文德1,2,项文化1,2,谌小勇1,2,3,*,雷丕锋1,2,向建林4
(1. 中南林业科技大学, 长沙摇 410004; 2. 南方林业生态应用技术国家工程实验室,长沙摇 410004;
3. 州长州立大学,美国伊利诺伊州摇 60484; 4. 湖南会同县林业局,会同摇 418300)
摘要:对湖南会同不同年龄(7年生、17年生、25年生)杉木人工林土壤全磷、有效磷、无机磷组分和有机磷进行了研究,结果表
明:3种不同林龄杉木林土壤全磷和有效磷的含量分别在 317.06—398.56 mg / kg和 0.82—1.38 mg / kg 之间,土壤全磷和速效磷
含量均属低水平;杉木林土壤全磷含量从 7年生幼龄林到 25a近熟林出现先升高后降低的规律,并且 17 年生和 25年生林分比
7 年生林分分别增加了 19.68%、15.75%,土壤有效磷含量 17 年生和 25 年生林分比 7 年生林分提高了 45.55%左右;土壤磷素活
化系数均小于 2.0%,这表明本研究区土壤全磷向速效磷转化较难,土壤中磷素的有效性较低,但该值随着林分年龄的增加而出
现增大的现象;无机磷含量分别为:7年生 169.50 mg / kg、17年生 182.03 mg / kg、25年生 175.94 mg / kg,从幼龄林到中龄林增高,
中龄林以后降低;土壤中无机磷组分以 O鄄P 含量最高,其次是 Fe鄄P,Ca鄄P,Al鄄P 最少;杉木不同生长发育阶段对无机磷形态的吸
收是有选择性的,幼龄林到中龄林阶段林木以吸收 Al鄄P 为主,近熟林阶段林木以吸收 Fe鄄P 和 Ca鄄P 为主;有机磷含量在全磷所
占比例随林龄的变化来看,杉木生长过程中有部分的有机磷矿化为无机磷。 土壤不同形态磷的相关性分析结果显示,土壤有效
磷与有机磷相关系数为 0.667,呈极显著相关性,是研究区杉木人工林土壤有效磷的主要来源。
关键词:杉木人工林; 土壤全磷; 有效磷; 无机磷
Characteristics of soil phosphorus in different aged stands of Chinese fir
plantations in Huitong, Hunan Province
CAO Juan1,YAN Wende1,2, XIANG Wenhua1,2, CHEN Xiaoyong1,2,3,*, LEI Pifeng1,2, XIANG Jianlin4
1 Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China
2 National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry&Ecology in South China, Changsha 410004,China
3 Governors State University, Illinois 60484, USA
4 Huitong Forestry Administration in Hunan Province, Huitong 418300,China
Abstract: Phosphorus ( P) is an essential element for growth and development of plants. At cellular and sub鄄cellular
levels, P plays a vital role in various important metabolic processes, such as protein synthesis, cell division, newborn
tissues development and energy transformations. In terrestrial ecosystems, P is often the most limiting nutrient. This is
particularly the case for some regions where nitrogen (N) in the soils is likely saturated due to high N deposition, extensive
N fertilizer application and fossil fuel combustion. In this study, changes in P formations (total P, available P, inorganic P
and organic P) in soils were investigated in three aged stands of Chinese fir plantations (7鄄, 17鄄 and 25鄄year鄄old stands) in
Huitong County, Hunan Province, China. The fractions of inorganic P in soils were also determined in the studied
plantations. The purpose of this project is to examine the alterations of soil P in different aged Chinese fir forests. The results
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showed that the total P content ranged from 317.06 to 398.56 mg / kg and available P content from 0.82 to 1.38 mg / kg, in
the three examined aged stands. The total P and available P contents were in a relative low level when compared with the
corresponding values derived from the national soil survey. But the total P and available P contents in soils significantly
increased with the aged stands. The average total P content in soils was about 19.68% and 15.75% higher in 17鄄year鄄old
stands and 25鄄year鄄old stands than in 7鄄year鄄old stands. Available P content was about 45.55% higher in the 17鄄 and 25鄄
year鄄old stands than in the 7鄄year鄄old stands. P activation coefficient in the soils was low (< 2.0%) in the three aged stands
of Chinese fir forests, which suggested that the transformation of organic P to available P was restricted, even certain
mineralization indeed occurred in the studied site. The concentration of inorganic phosphorus was 169. 50, 182. 03 and
175郾 94 mg / kg in the 7鄄, 17鄄 and 25鄄year鄄old stands, respectively. On average, the amount of inorganic P fractions in the
studied soils was in an order: occluded bound P (O鄄P) > iron bound P (Fe鄄P) > calcium bound P (Ca鄄P) > aluminum
bound P (Al鄄P). Significant changes in the patterns of absorption of inorganic phosphorus fraction occurred in different
growth and developmental stages of Chinese fir forests. Typically, the Al鄄P fraction was the major component of the
inorganic P absorbed by the tree in the 7鄄 and 17鄄year鄄old plantations. But the Fe鄄P and Ca鄄P fractions became the most
assimilated inorganic P in 25鄄year鄄old Chinese fir stands. It was found that there was a close relationship between the
available P and organic P in soils with a correlation coefficient of 0. 667 in the studied stands, which implied that the
organic P was the main source of soil available P in Chinese fir plantations in the study region. The results suggested that it
was likely an important management practice to increase the transform rate of inorganic P to available P in the younger
stands in order to improve soil fertility and promote forest productivity. Our study provided a scientific basis and reference
for better understanding of P storage and cycling in Chinese fir forests.
Key Words: Chinese fir plantation; soil total phosphorus; available phosphorus; inorganic phosphorus fraction
摇 摇 磷是植物生长发育所必需的营养元素,虽然在
植物体内磷的含量很低(平均约占干重的 0.2%) [1],
但其重要性不亚于碳、氮,很容易成为植物生长的限
制性因子[2鄄5],尤其在参与蛋白质合成、细胞分裂、新
生组织发育和能量转化方面有着特殊的功能,直接
影响植物的生长发育、初级生产力的形成和其它生
物学过程的进行[6鄄8]。 植物所利用的磷素主要来源
于土壤,而能够被植物直接吸收利用的磷仅占土壤
全磷的很小部分,绝大部分(95%—99%)的磷以难
以利用的迟效状态存在[3,9],成为地质时代尺度上生
物生产力的限制性养分元素[9鄄10],作为不可再生资
源的磷在控制陆地生态系统生态过程方面越来越受
到关注[11鄄12]。 因此,研究土壤中磷素的含量和分布
特征及其动态过程对于更好地认识、调控和管理磷
的生物地球化学循环十分必要[13]。
国内外对磷的研究多集中于农田、湿地、水域生
态系统,主要内容侧重于土壤磷分级、存在规律、形
态及其转化、吸附解吸、有效性、生物地球化学循环
以及碳氮磷元素互补作用和化学计量等方面[14鄄22]。
目前我国南方林区进行了一些施肥的对比试验,结
果表明,对于松、杉、桉等树种的生长表现为不同程
度的肥效,在许多情况下,磷似乎是比氮、钾更重要
的养分要素,这表明土壤磷可能是制约南方人工林
速生丰产、影响地力、维持生态系统平衡和稳定的一
个重要因素[23]。 因此,近年来对森林生态系统中磷
形态及其转化和植物对磷吸收利用的研究愈发
关注。
我国亚热带的红壤地区,由于高温多雨,土壤进
行着强烈的富铝化作用, 大多数呈酸性或强酸性,
土壤磷素大多被铁、铝等固定,形成林木难以利用的
磷酸铁、铝和闭蓄态磷,使得土壤磷对红壤区的植物
生长影响明显[24鄄27]。 由于土壤磷形态和磷化学行为
的复杂性,有效磷含量与土壤全磷量不一定具有相
关性[3,28鄄30]。 在森林生态系统中,土壤有效磷的供应
能力取决于磷素的矿化、解吸和释放作用,不同土壤
类型、不同的植被类型中磷各形态的含量、比例及其
有效性差异很大[30]。
杉木是我国南方重要的速生用材树种之一,随
着栽培面积的扩大、林木经营集约度的提高以及轮
伐期的缩短, 杉木人工林地力衰退、初级生产力下
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降的问题受到广泛关注[31]。 自 20 世纪 70 年代开
始,许多学者展开了杉木人工林生产力和养分循环
的研究,对包括磷素在内的大量元素的含量、分布和
循环特征作了较系统地报道,取得了一批重大研究
成果。 然而,对该系统中磷元素的系统研究不多,对
有机磷与无机磷形态以及它们对杉木生长发育以及
生产力形成和物质循环的作用仍不十分清楚。 过去
的几十年里,由于人类活动的加强,导致氮沉降量不
断增加,使得林地土壤中碳氮磷比例失调,进而影响
磷素在林木生长发育、生理功能以及在生态系统中
的循环特征。 作为杉木人工林磷素动态特征研究项
目的一部分,本文重点描述土壤磷形态以及磷各组
分的比例特征,揭示这些特征参数在不同林龄中的
变化状况,探讨土壤中磷各形态之间的相互关系,可
为南方杉木人工林持续经营管理提供科学依据和实
践指导。
1摇 材料与方法
1.1摇 试验地概况
试验地设于湖南会同杉木林生态系统国家野外
科学观测研究站(109毅45忆E,26毅50忆N),气候属典型
的亚热带湿润性气候,年平均气温 16. 8 益,年降水
量为 1100—1400 mm,年相对湿度为 80% 以上。 地
貌为低山丘陵,海拔 300—500 m。 土壤为变色页岩
和砂岩发育成的山地黄壤,pH 值在 4.9—5.1,气候、
土壤等都有利于杉木的生长。 本实验选取 7 年生、
17年生和 25 年生 3 个年龄的杉木林分建立标准样
地,每个样地面积为 20 m伊20 m,设置 3个重复,共 9
块样地。 3个年龄杉木林均是炼山后用实生苗进行
的全垦造林,造林后的 3a内每年进行 2次(6、11月)
林地人工抚育,抚育期后任其自然生长。 3种杉木林
分样地土壤类型、立地条件一致,林分的基本状况见
表 1,林下灌木主要是杜茎山、菝葜和冬青,草本有狗
脊蕨、铁芒萁和华南毛蕨等。
表 1摇 3种不同林龄样地林分特征
Table 1摇 Characteristics of the studied three aged stands of Chinese fir plantations
林龄
Age / a
林分密度
Stand density /
(株 / hm2)
坡向
Slope aspect
坡度
Slope gradient /
(毅)
郁闭度
Canopy
density
平均胸径
Average
DBH / cm
平均树高
Average
height / m
pH
土壤容重
Soil bulk
density /
(g / cm3)
7 2440 N 28 0.7 6.8 5.6 5.08 1.31依0.09
17 1825 N 25 0.9 13.8 14.2 4.96 1.21依0.11
25 1417 N 30 0.8 17.1 16.0 5.02 1.28依0.05
1.2摇 土样采集和测定方法
1.2.1摇 土壤样品的采集
野外采样于 2013 年 8 月进行。 分别在各试验
林分内按照“随机冶、“等量冶和“多点混合冶的原则,
采用品字布点取样。 采样深度为 0—20 cm、20—40
cm、40—60 cm 3层,取土深度及采样量均匀一致,各
样地内共取 3个样点,将土样按层次分别混合,去掉
杂质,采用四分法各取 1 kg 左右土样。 将带回的土
样置于室内通风处自然风干,采用对角线法取土样
100—200 g,用木棍碾压并过 2 mm 孔径筛的土样,
可供有效磷的测定,然后从 2 mm 的土壤样品中取
200 g左右磨细全部过 0.149 mm 筛备用,进行全磷、
无机磷 Al鄄P、Fe鄄P 、O鄄P、Ca鄄P 的测定。
1.2.2摇 土壤样品的测定
土壤全磷用碱熔—碱熔鄄钼锑抗比色法测定[32];
有效磷采用氟化铵鄄盐酸浸提法测定[32];土壤无机磷
用张敬守和 Jackson 提出的分级方法测定[33],土壤
有机磷含量是根据土壤全磷和土壤无机磷的差值
估算。
1.2.3摇 数据分析
数据分析采用 SPSS18. 0 统计软件, 对 3 种林
龄杉木林土壤的全磷、有效磷、无机磷进行方差
分析。
2摇 结果分析
2.1摇 不同林龄杉木林土壤磷含量及其空间分布特征
土壤磷素含量高低在一定程度上反映了土壤中
磷素的储量和潜在的供应能力[7, 34]。 由表 2 可以看
出,3种林龄杉木人工林土壤全磷含量在 317.06—
398.56 mg / kg之间,依据《中国土壤》中全磷含量的
1256摇 22期 摇 摇 摇 曹娟摇 等:湖南会同不同年龄杉木人工林土壤磷素特征 摇
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分级统计标准[35],全磷含量均处于低级水平(0.2—
0.4 g / kg)。 3种林龄杉木人工林土壤全磷含量平均
分别为 328.62 mg / kg、393.31 mg / kg、380.36 mg / kg,7
年生与 17年生、25年生差异性显著(P<0.05),而 17
年生、25 年生之间没有差异性显著(P>0.05),形成
这种现象的原因可能是 3个林龄杉木林的林下凋落
物层厚度不同造成的,17 年生、25 年生林下凋落物
层较厚,通过枯枝落叶归还土壤和淋洗作用使得全
磷含量增加。
由表 2还可以看出,7年生杉木人工林土壤全磷
含量表现为:随着土层深度的增加而增加。 杉木人
工林造林前,被砍伐的成熟林枯落物、采伐剩余物经
过炼山归还土壤,丰富的营养元素为后期幼苗生长
提供了条件,随着林龄的推移,由于元素的迁移、淋
溶和幼苗、杂草消耗,可能使得土壤表层全磷含量较
少,当 7年生杉木人工林开始进入林冠郁闭期后,林
内光照条件仍较好,林间杂草生长依然茂密,杂草与
杉木共同吸收利用了表层土壤中的磷以合成各种营
养物质导致随着土层深度的增加而增加;而 17 年
生、25年生杉木人工林土壤全磷含量表现为:随着土
层深度的增加,全磷含量先下降再升高,这是可能是
因为杉木处于速生生长阶段吸收了大量可利用磷,
加之 0—40 cm是杉木根系主要集中的土层,因此表
层土全磷减幅较大。
表 2摇 3种不同林龄杉木林土壤全磷含量(mg / kg)
Table 2 摇 Total phosphorus concentrations in soils in the studied
three aged stands of Chinese fir plantations
土层
Layer
林龄 Age / a
7 17 25
0—20 cm 317.06依42.21 398.56依13.37 387.62依10.54
20—40 cm 330.99依29.58 385.94依24.80 359.56依27.85
40—60 cm 337.81依25.87 395.43依34.83 393.91依36.07
平均值 Means 328.62A 393.31B 380.36B
摇 摇 同行相同大写字母表示差异不显著(P>0.05)
全磷含量并不反映土壤磷素的丰缺程度,土壤
有效磷是植物根系吸收的直接来源,是土壤 P 素的
现实供应指标。 3 种林龄杉木人工林土壤有效磷的
含量在 0.82—1.38 mg / kg之间(表 3),依据《中国土
壤》中速效磷含量的分级统计标准[35],3 种林龄杉木
人工林土壤速效磷含量处于低水平( <3 mg / kg),这
表明杉木人工林土壤严重供磷不足。 3 种林龄杉木
人工林土壤速效磷平均分别为 0.90、1.31、1.31 mg /
kg,含量均很小,不同系统间差异不大,土壤有效磷
浓度的变化与全磷一致。 从年龄方面来看,17 年生
和 25年生林分土壤有效磷含量比 7 年生林分提高
了 45.55%左右,差异性显著(P<0郾 05)。
从表 3 可以看出,3 种林龄杉木人工林,土壤有
效磷含量表现出从 7 年生幼龄林到 17 年生中龄林
土壤有效磷含量增加的规律,这首先可能是 7 年生
幼龄林后凋落物开始增加,凋落物的分解为土壤提
供了营养,其次随着树龄的增加对养分需要量增大,
微生物和根系分泌酶促进了有机磷的水解,释放出
大量的生物有效磷;17年生中龄林到 25年生近熟林
有效磷含量变化不明显。
表 3摇 不同林龄杉木林土壤有效磷含量(mg / kg)
Table 3 摇 Concentrations of available phosphorus in soils in the
studied three aged stands of Chinese fir plantations
土层 / cm
Layer
林龄 Age / a
7 17 25
0—20 0.82依0.07 1.38依0.09 1.37依0.18
20—40 0.84依0.09 1.28依0.20 1.19依0.40
40—60 1.04依0.05 1.27依0.03 1.37依0.33
平均值 Means 0.90A 1.31B 1.31B
摇 摇 同行相同大写字母表示差异不显著(P>0.05)
图 1摇 不同林龄杉木林各土层土壤磷的有效性
Fig.1摇 Effectiveness of phosphorus in different layers of soils in
the studied three aged stands of Chinese fir plantations
用速效磷与全磷之比作为土壤磷素活化系数
(Phosphorus activation coefficient,简称 PAC) 来表征
土壤磷素有效性,土壤磷素活化系数越高,则土壤磷
素有效性越高。 PAC小于 2.0%,说明全磷各形态很
难转化为速效磷,有效性不高[31, 36鄄37]。 由图 1 可以
看出, 3 种林龄杉木林土壤磷素活化系数均在
0郾 25%—0.35%,远远小于 2.0%,这表明本研究区土
壤全磷向速效磷转化较难,土壤中磷素的有效性较
低;但从 3种杉木林的 PAC 指标来看 25 年生 > 17
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年生> 7年生,表明随着年龄的增长,速效磷容量和
供应强度增加,且全磷较容易转化为速效磷,土壤中
磷素的有效性增加;从同一林龄不同土层的 PAC 指
标变化来看,PAC没有表现出明显的变化规律,说明
该参数变异不大。
2.2摇 不同林龄杉木林土壤无机磷组成的变化
依据张守敬无机磷的分级,将土壤中的无机磷
分为铝结合态磷(Al鄄P)、高铁结合态磷(Fe鄄P)、被铁
铝氧化物包裹的闭蓄态磷(O鄄P)以及与钙结合在一
起的钙磷(Ca鄄P) [38]。 土壤中无机磷的存在形态、数
量与土壤磷的有效性密切相关[38]。 3 种不同林龄杉
木林土层土壤无机磷含量为 165.71—195.14 mg / kg,
约占全磷总量的 43.78%—53.03%,平均为 48.06%。
无机磷分组测定结果表明(见表 4),土壤中无机磷
组分以 O鄄P 含量最高,约占无机磷总量的 48.30%—
59.80%;其次是 Fe鄄P,约占 21.61%—28.98%;Ca鄄P
约占 12. 57%—23. 53%;Al鄄P 最少,约占 2. 16%—
3郾 32%;3 种不同林龄杉木林无机磷组分的排序及比
例情况与杉木、马尾松纯林及其混交林中根际、非根
际土壤的研究结果大体一致[39]。 由表 4 还可以看
出,3个林龄杉木林土壤不同剖面中,无机磷 4 个组
分的分布没有呈现明显的规律。
表 4摇 不同林龄杉木林土壤无机磷含量(mg / kg)
Table 4摇 Concentrations of inorganic phosphorus in soils in the three aged stands of Chinese fir plantations
林龄
Age / a
土层 / cm
Layer
Al鄄P
Aluminum bound P
Fe鄄P
Iron bound P
O鄄P
Occluded bound P
Ca鄄P
Calcium bound P
7 0—20 5.24依0.87 48.03依12.12 84.62依7.11 27.81依3.22
20—40 5.83依0.72 38.64依3.10 102.78依8.74 28.26依5.22
40—60 4.62依1.05 36.15依6.63 98.24依4.40 28.27依2.21
17 0—20 5.18依0.64 57.58依11.87 100.26依3.30 32.12依4.09
20—40 3.83依0.49 42.73依3.57 95.72依2.52 35.52依1.33
40—60 3.56依0.30 45.22依4.96 83.62依7.32 40.74依6.58
25 0—20 4.20依0.34 51.08依0.77 100.76依8.87 22.44依1.32
20—40 4.82依0.36 47.54依 3.86 95.72依1.01 25.99依2.18
40—60 4.62依0.69 42.50依3.70 104.80依11.13 23.35依1.16
摇 摇 由表 5可以看出,不同林分无机磷含量分别为:
7年生 169.50 mg / kg、17年生 182.03 mg / kg、25 年生
175.94 mg / kg,表现出从幼龄林、中龄林到近熟林先
上升后下降的趋势,17 年生中龄林时无机磷含量超
过了 7年生幼龄林的 7.39%,无机磷在全磷中所占
比例下降了 5.30%,这可能是由于 17 年生杉木林下
枯枝落叶较厚,在微生物作用下分解归还土壤而使
土壤中全磷含量和无机磷含量增加,杉木处于速生
生长阶段,吸收利用了土壤中可溶性的磷而使无机
磷所占比例下降,而无机磷的增加量大于无机磷在
全磷中所占比例的下降量,这表明根系分泌物和微
生物作用下,有机磷被矿化为无机磷,从而使杉木生
长可利用的磷酸盐含量增加。 17 年生中龄林以后,
土壤全磷和无机磷含量有所减少。
表 5摇 不同林龄杉木林土壤无机磷和有机磷含量
Table 5摇 Concentrations of inorganic and organic phosphorus in soils in the studied three aged stands of Chinese fir plantations
林龄
Age / a
无机磷总量
Total inorganic
phosphorus
/ (mg / kg)
占全磷百分比 / %
Percent in total
phosphorus
有机磷 Organic phosphorus(mg / kg)
0—20 cm 20—40 cm 40—60 cm 平均值 Means
占全磷百分比
Percent in total
phosphorus
7 169.50依6.53A 51.58 151.36依24.63 155.47依24.57 170.54依22.53 159.12依12.31A 48.42
17 182.03依6.45A 46.28 203.42依21.27 208.14依22.18 222.29依32.64 211.28依13.25B 53.72
25 175.94依5.61A 46.26 209.13依10.58 185.48依19.11 218.65依24.96 204.42依10.77B 53.74
摇 摇 同列不同大写字母表示差异显著(P<0.05)
摇 摇 从图 2杉木林无机磷各组分所占比例随林龄的
变化可以看出,Al鄄P、O鄄P 比例从 7 年生幼龄林到 17
年生中龄林分别下降了 0.79%、4.95%,而 Fe鄄P 比例
分别上升了 2.35%,由于 O鄄P 是难溶解的非晶态的
3256摇 22期 摇 摇 摇 曹娟摇 等:湖南会同不同年龄杉木人工林土壤磷素特征 摇
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铁铝钙等胶膜包裹的磷酸盐,O鄄P 比例的下降是杉
木根系分泌物对 O鄄P 的活化,使 O鄄P 表面的铁铝氧
化物膜逐渐“溶解冶,而将 Al鄄P、Fe鄄P 放出使其比例
增加,杉木处于速生生长,对养分的需求增大,而 Fe鄄
P 上升、Al鄄P 比例反而明显下降是由于对 Al鄄P 吸收
较大且吸收速率大于 O鄄P 释放速率,对 Fe鄄P 的吸收
较少且吸收速率小于 O鄄P 释放速率导致的,同时可
能还存在部分 Al鄄P 向 Fe鄄P 的转化。 17 年生中龄林
到 25 年生近熟林 Al鄄P、 Fe鄄P、O鄄P 比例分别增加
0郾 30%、0.18%、5.91%,由于有效性高的磷向着有效
性低的 O鄄P 转化而使含量增加,说明 17 年生中龄林
时杉木对磷的需求量最大,中龄林后林木对磷的吸
收量减少,同时也存在可逆的 O鄄P 活化过程而使 Al鄄
P、Fe鄄P 含量增加,加之杉木对 Al鄄P 的吸收减少较
多,因此 Al鄄P 比例比前一阶段略微增加;虽然 Fe鄄P
比例略有增加,但 Fe鄄P 吸收速率开始大于向 O鄄P 的
转化速率,表明中龄林后杉木对 Fe鄄P 吸收增加,并
且与中龄林之前相比 Fe鄄P 的变化程度较 Al鄄P 大,因
此此阶段杉木以吸收 Fe鄄P 为主。 Ca鄄P 比例中龄林
比幼龄林高 3.40%,这是 O鄄P 活化释放、土壤矿物风
化大于杉木吸收的结果;近熟林比幼龄林低 2.98%,
是由于近熟林比幼龄林对 Ca鄄P 需求较大,林木吸收
更多 Ca鄄P 的结果,而近熟林比中龄林低 6.38%,要
高于近熟林比幼龄林的降低量,这说明除了杉木对
其吸收增加外,随着林龄、土壤风化增加形成的过量
Ca2+以氧化物的形式被吸附在土壤胶体内形成闭蓄
态 O鄄P 导致的。
图 2摇 杉木林无机磷 4种组分在无机磷中比例随林龄的变化
Fig.2 摇 Changes of four fractions in inorganic phosphorus in
soils with aged Chinese fir plantations
2.3摇 不同林龄杉木林土壤有机磷的变化
测定土壤有机磷含量及其在全磷中的比例,可
以判断土壤有机磷对树木的有效性及土壤供磷的调
节能力[40]。 由表 5 可以看出,3 种不同林龄的杉木
林有机磷含量分别为:159. 12、211. 28、204郾 42 mg /
kg,并且 17年生、25 年生与 7 年生林分差异性显著
(P<0郾 05)。 3种林龄杉木林有机磷含量随林龄增加
而增加, 而 17年生中龄林到 25 年生近熟林时有所
降低,但其含量比幼龄林分别提高了 32郾 78%、
28郾 47%,这可能是由于枯枝落叶归还土壤,通过分
解和淋溶作用使土壤全磷和有机磷含量增加;有机
磷含量在全磷中的比例分别为:48郾 42%、53郾 72%、
53郾 74%,从幼龄林到近熟林呈现增加的趋势,中龄
林、近熟林比幼龄林分别增加 5郾 30%、5郾 32%,由于
中林龄和近熟林比幼龄林全磷含量分别增加
19郾 68%、15郾 75%,有机磷在全磷中的比例大约在
45% —55%之间,其比例的实际增加分别小于理论
范围 8郾 86% —10郾 82%、7郾 09%—8郾 66%,表明杉木
生长过程中始终存在有机磷的矿化作用。
2郾 4摇 土壤不同形态磷的相关性分析
从表 6 可以看出,3 种林龄杉木林土壤中的全
磷、有效磷、有机磷与无机磷组分存在一定的相关
性。 统计结果表明:土壤全磷与有效磷、Fe鄄P、O鄄P、
有机磷存在不同程度的相关关系,相关系数分别为
0.725、0.586、0.446 和 0.940,达到显著或者极显著相
关。 土壤有效磷与有机磷的相关系数为 0.667,呈现
极显著相关性,这说明有机磷是有效磷的主要贡献
者,是土壤有效磷的主要来源,林木吸收会引起土壤
中 P 匮乏,土壤有机磷会在土壤微生物和磷酸酶作
用下,将含磷有机化合物转化为无机磷酸盐释放进
入土壤溶液中。 土壤 Al鄄P 含量与 Fe鄄P 含量之间存
在一定的相关性,相关系数为 0.454;O鄄P 与 Ca鄄P 存
在显著的负相关关系,这说明 O鄄P 的释放也是 Ca鄄P
含量的主要来源之一;其余各形态磷之间均不存在
显著相关性(P>0.05)。
3摇 结论与讨论
3种不同林龄杉木林土壤全磷和有效磷的含量
分别在 317.06—398.56 mg / kg和 0.82 —1.38 mg / kg
之间,土壤全磷和速效磷含量均属低水平,这表明研
究地土壤磷素供应不足,这将影响林木的生长和杉
木人工林的可持续经营。 3种林龄杉木人工林,土壤
全磷含量平均分别为 328.62 mg / kg、393.31 mg / kg、
380.36 mg / kg,17 年生和 25 年生林分比 7 年生林分
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分别增加了 19.68%、15.75%,并表现出从 7 年生幼
龄林到 17 年生中龄林土壤全磷含量增高, 17 年生
中龄林到 25年生近熟林全磷含量降低的规律,这与
不同发育阶段落叶松人工林土壤全磷含量的演变的
研究结果一致[41]。
表 6摇 土壤全磷、有效磷、有机磷与无机磷组分的相关性分析
Table 6摇 Correlations of total phosphorus, available phosphorus, organic phosphorus and inorganic phosphorus in soils in the study site
指标
Indexs
全磷
Total
phosphorus
有效磷
Available
phosphorus
Al鄄P
Aluminum
bound P
Fe鄄P
Iron
bound P
O鄄P
Occluded
bound P
Ca鄄P
Calcium
bound P
有机磷
Organic
phosphorus
全磷 Total phosphorus 1 0.725** -0.023 0.586** 0.446* -0.041 0.940**
有效磷 Available hosphorus 1 -0.072 0.313 0.371 0.147 0.667**
Al鄄P摇 Aluminum bound P 1 0.454* 0.168 -0.085 -0.213
Fe鄄P摇 Iron bound P 1 0.221 -0.001 0.366
O鄄P摇 Occluded bound P 1 -0.397* 0.266
Ca鄄P摇 Calcium bound P 1 -0.121
有机磷 Organic phosphorus 1
摇 摇 n= 27, r0.05 = 0.380,r0.01 = 0.482,*代表显著相关,**代表极显著相关
摇 摇 17 年生和 25 年生杉木林土壤有效磷含量比 7
年生提高了 45.55%左右;3 种杉木林土壤磷素活化
系数(PAC)在 0.25%—0.35%之间,均小于 2.0%,这
表明本研究区速效磷容量和供应强度小,土壤全磷
向速效磷转化较难,直接供植物吸收利用的磷很少,
这与赵均嵘对杉木林生态系统转换对土壤磷形态的
影响中的研究结果一致[31]。
土壤无机磷各组分中,植物最难利用的是 O鄄P,
无机磷活化过程 O鄄P 首先转变为 Fe鄄P、Al鄄P,才能再
由 Fe鄄P、 Al鄄P 转化为可供植物吸收利用的有效
磷[39]。 无机磷分组测定结果表明,土壤中无机磷组
分以 O鄄P 含量最高,其次是 Fe鄄P、Ca鄄P,Al鄄P 最少。
3种林龄杉木林无机磷含量从幼龄林到中龄林增高,
中龄林以后降低;无机磷含量随年龄的变化规律与
全磷含量的演变是一致的,这与不同发育阶段落叶
松人工林土壤无机磷含量的演变的研究结果相
反[41],两种森林类型土壤无机磷含量变化的差异可
能是由于凋落物的分解与树种生长对养分吸收利用
的情况引起的。
从无机磷各组分所占比例随林龄的变化趋势来
看,杉木不同发育阶段对无机磷形态的吸收是有选
择性的,幼龄林到中龄林阶段林木以吸收 Al鄄P 为
主,近熟林到成熟林阶段林木以吸收 Fe鄄P 和 Ca鄄P
为主,这与陈立新对落叶松人工林不同发育阶段对
无机磷形态吸收的研究结果不同[41],落叶松中龄林
和近熟林林木以吸收 Fe鄄P 为主,成熟林林木以吸收
Al鄄P 和 Ca鄄P 为主,两种人工林对无机磷形态利用的
差异可能是由于树种的生物学特性导致的。
土壤不同形态磷的相关性分析结果显示,土壤
Al鄄P 含量与 Fe鄄P 含量之间相关系数为 0.454,Al鄄P
与 Fe鄄P 含量的增加是 O鄄P 活化释放的结果,而在杉
木生长过程中,其在无机磷中所占比例的非一致性
变化是由于不同发育阶段杉木对两者选择性吸收的
结果。 土壤有效磷与有机磷的相关系数为 0.667,呈
现极显著相关性;同时,从有机磷、无机磷在全磷所
占比例随林龄的变化趋势来看,杉木生长过程中在
根系分泌物和微生物作用下,有机磷有一定的矿化
作用,或者是有机磷的矿化作用大于生物固持作用
而出现有机磷的净矿化,为杉木生长提供可吸收利
用的磷酸盐,这表明有机磷是杉木林土壤有效磷的
主要来源。 Chen 对我国南方 18 年生杉木人工林研
究结果表明,有机磷和无机磷中的 Ca鄄P 是有效磷的
主要来源[42]。 本研究中土壤有效磷与 Ca鄄P 存在不
显著的正相关关系,但从 Ca鄄P 比例在 3 种林龄杉木
林变化来看,杉木生长过程中一直对 Ca鄄P 进行吸
收,且中龄林、近熟林比幼龄林对 Ca鄄P 的吸收利用
较大,因此 Ca鄄P 也是杉木生长的有效磷源。
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