全 文 ： 收稿日期: 20011119
基金项目: 2000 2002年国家自然科学基金资助项目 南方森林土壤磷的吸附与生化激活机制 ( 39970605)
作者简介: 陈金林(1962 ) ,男,江苏昆山人,副教授,博士后.
文章编号: 10011498( 2002) 05058805
杉林红壤的供 P缓冲性与 P肥需要量研究
陈金林1, 吴春林1, 黄全能2
( 1.南京林业大学资源与环境学院,江苏南京 210037; 2.福建省厦门市园林局,福建 厦门 361000)
摘要: 采用等温吸附试验方法对福建杉木林下红壤的供 P 缓冲性与 P 肥需要量进行研究。结果表
明:杉林红壤对 P的吸附作用强、吸附量大, 当土壤加 P 量为 600 mg!kg- 1时, P 的吸附量为 451. 2
550. 8 mg!kg- 1 ,吸附率高达 75. 2% 91. 8%。土壤 P的吸附反应自由能( ∀ G)和最大缓冲容量 ( Mb)
是评价土壤供磷缓冲性状的重要参数,它们与土壤理化性质关系较为密切,一般与 pH、吸湿水及粘粒
含量呈正相关,而与有机质、有效 P及全 P含量呈负相关。根据土壤 P的吸附和供 P缓冲性预测土壤
需P 量,对合理施用 P肥更具意义。
关键词: 杉木; 红壤; P肥; 土壤吸附; 供 P缓冲性
中图分类号: S753 S79127 文献标识码: A
杉木( Cuninghamia lanceolata ( Lamb. ) Hook. )是我国南方最主要的造林树种之一, 已有研
究表明,土壤P 的供应状况对杉木生长影响很大[ 1, 2]。P 作为植物重要的营养元素, 有其独特
的生物地球化学特性。P 是土壤中迁移速度慢、移动距离短的一种元素,一般情况下, 它不同
K那样较易淋失,也不象N那样会以气态形式不断损失,土壤中的全 P 量虽然和 N相近, 但绝
大部分以难溶性或固定性形态存在。通常条件下,可溶性P 肥进入土壤后,易被土壤吸附固定
而呈无效状态, 而且随着土壤理化性质的变化,不同土壤对 P的吸附与供P 缓冲性能也有较大
差异[ 3 4] ,因此, 多年来,国内外学者对土壤P 的吸附及供应特性的研究较为重视[ 5 10]。迄今
为止, 有关这一方面的研究大多侧重于农业土壤[ 11 13] ,而对丘陵山区森林土壤的研究则相对
较少, 为此,在杉木中心产区选择不同肥力状况的红壤,进行 P 的吸附特性研究,了解土壤供 P
缓冲性,探索应用 P的吸附状况来预测土壤需 P量,为定量指导施用 P肥进一步提供依据。
1 土样采集及研究方法
调查区选在福建省南部华安县境内, 该县位于 117#16∃ 117#45∃ E, 24#38∃ 25#13∃ N之
间。在调查区选择不同生长状况的人工杉木林样地(见表 1)进行土壤调查,样地海拔 200
350 m,土壤均为石英岩风化母质上发育的红壤, 属重壤及轻粘土, 有效土层 60 90 cm,土壤
密度小于 1. 35 g!cm- 3。在每块样地的上、中、下坡挖掘土壤剖面, 将颜色较深的 0 20 cm样
品作为上层土样, 20 60 cm则为下层土样。土样风干处理后, 吸湿水含量用烘干法测定,粘
粒含量用甲种比重计法, pH值用电位法,有机质用K2Cr2O7氧化- 外加热法,全 P 用钼锑抗比
色法, 有效 P 用0. 03 mol!L- 1NH4F- 0. 025 mol!L- 1HCl浸提后钼锑抗比色法[ 14]。各样地土壤
林业科学研究 2002, 15( 5) : 588 592
Forest Research
基本性质(上、中、下 3个剖面的平均值)见表 1。
表 1 各样地土壤基本理化性质
土样
代号
杉木年
龄/ a
平均树
高/ m
平均胸
径/ cm
土样深
度/ cm
吸湿
水/%
有机质/
( g!kg- 1)
有效 P/
( mg!kg- 1)
全P/
(g!kg- 1)
粘粒/
%
pH
H2O KCl
1- 1 38 21. 0 26. 0 0 20 3. 41 52. 40 1. 23 0. 21 13. 5 4. 43 3. 90
1- 2 20 60 4. 55 32. 11 0. 62 0. 17 18. 8 4. 50 4. 00
2- 1 14 12. 0 16. 0 0 20 3. 52 43. 13 1. 02 0. 16 14. 7 4. 78 4. 21
2- 2 20 60 4. 66 21. 35 0. 50 0. 12 19. 3 4. 98 4. 46
3- 1 34 11. 5 14. 5 0 20 3. 91 23. 04 0. 59 0. 11 16. 2 4. 84 4. 23
3- 2 20 60 4. 93 12. 37 0. 28 0. 13 21. 0 5. 04 4. 60
P 的吸附测定:称取过 2 mm筛的风干土样5. 00 g 5份,置于 5个100 mL 塑料离心管中,分
别加入用KH2PO4配制的 P 质量浓度为 10、20、30、40、60 mg!kg- 1的 0. 02 mol!L- 1KCl溶液 50
mL( pH= 7. 0) ,使土样加 P量分别为 100、200、300、400、600 mg!kg- 1, 重复 2次, 各加两滴氯仿
以抑制微生物活动,加盖,在 25 % 恒温条件下间歇振荡,吸附平衡后, 测定离心液中 P的浓度,
以加入P 量与滤液中的 P 量之差计算土壤P 的吸附量( mg!kg- 1)。
2 结果与分析
2. 1 杉木林红壤 P的吸附性状
水溶性P 化合物在酸性土壤中的吸附固定作用极为普遍,从而使 P 肥有效性降低。由杉
木林下红壤 P的吸附状况(见表 2)可以看出, 土壤对 P 的吸附量大, P 吸附率高达 75. 2%
98. 0%。随着 P加入量的增加,土壤对 P 的吸附量也不断增加,而吸附率则有所下降。这是由
于加 P量较小时, 土壤吸附表面的饱和度低,与 P 的结合力大,吸附率高;而加 P 量增加后,使
土壤吸附表面的饱和度提高, 吸P 力减弱, 导致吸附率下降。因此, 当施 P量较少时, P 大多被
表 2 不同红壤 P 的吸附状况
土层/
cm
加 P量/
( mg!kg- 1)
1号土样
吸附量/
( mg!kg- 1)
吸附率/
%
2号土样
吸附量/
(mg!kg- 1)
吸附率/
%
3号土样
吸附量/
(mg!kg- 1)
吸附率/
%
0 20
20 60
100
200
300
400
600
100
200
300
400
600
94. 3
182. 2
262. 5
331. 2
451. 2
96. 0
188. 6
279. 3
361. 2
521. 4
94. 3
91. 1
87. 5
82. 8
75. 2
96. 0
94. 3
93. 1
90. 3
86. 9
94. 0
184. 0
266. 1
333. 2
456. 0
96. 5
190. 6
280. 5
366. 0
523. 8
94. 0
92. 0
88. 7
83. 3
76. 0
96. 5
95. 3
93. 5
91. 5
87. 3
95. 0
185. 8
273. 0
356. 4
507. 0
98. 0
193. 2
286. 8
373. 2
550. 8
95. 0
92. 9
91. 0
89. 1
84. 5
98. 0
96. 6
95. 6
93. 3
91. 8
589第 5 期 陈金林等:杉林红壤的供 P缓冲性与 P 肥需要量研究
土壤吸附, P 肥效果较差, 随着施P 量的增加,土壤溶液中 P的浓度提高,有利于林木生长。此
外,不同深度土壤对 P的吸附状况也有差异,下层土壤的 P吸附量及吸附率均高于表层土壤,
说明下层土壤的 P吸附作用强于表层, 这可能与其土壤有机质和粘粒含量等性质的差异有关。
2. 2 杉林红壤的供磷缓冲性能及其与土壤性质的关系
由于 Langmuir方程能较好地描述土壤中 P的等温吸附状况[ 15] ,该方程的直线形式为: C /
X= 1/ KXm+ 1/ Xm!C,其中 C 为平衡溶液中 P 浓度, X 为单位质量土壤对 P 的吸附量, Xm 是
土壤对 P 的最大吸附量, K 为土壤对 P 的吸附能。C/ X 和 C 呈直线关系, 其斜率的倒数即为
最大吸附量 X m ,从截距可算得吸附能 K ,再由 Xm、K 求得最大缓冲容量Mb= Xm!K 和 P 吸附
反应自由能 ∀G= RT lnK (式中 R 为气体常数、T 为绝对温度) [ 16]。一般情况下, Mb 值越大则
土壤 P的缓冲性能越强, ∀G 值越负, 则吸附能力越差,即缓冲能力越差。由 Mb、∀G(表3)可
以看出,杉木林红壤的最大缓冲容量 Mb 变化在 152. 92 406. 11 mg!kg- 1之间,平均为 234. 97
mg!kg- 1; ∀G 分布在- 1. 353 - 3. 307 kJ!mol- 1; 下层土壤的缓冲能力较表层强。Mb 和∀G
间呈高度正相关, r= 0. 975* * , 这表明 Mb 和 ∀G 在预测杉木林土壤供磷缓冲能力方面具有
良好的一致性。与土壤性质间的直线回归分析说明(表 4) , 最大缓冲容量 Mb 与土壤吸湿水和
粘粒含量呈显著正相关( r 分别为0. 870和 0. 911) , 与有机质、有效 P呈显著负相关( r 分别为
- 0. 816和- 0. 839) ; ∀G 与Mb 相似, 与吸湿水、粘粒含量呈显著正相关, 与有机质、有效 P、全
P 呈负相关,与 pH呈中等正相关。可见, Mb 和∀G 都受土壤特性的影响, 目前,它们对于杉木
林土壤是否具有更重要的生产指导意义,尚待进一步验证。
表 3 不同红壤的 P吸附自由能和最大缓冲量
土样号 1- 1 1- 2 2- 1 2- 2 3- 1 3- 2 平 均
最大缓冲容量 Mb / ( mg!kg- 1) 152. 92 232. 83 161. 61 272. 52 183. 84 406. 11 234. 97
自由能∀ G / (kJ!mol- 1) - 3. 144 - 2. 723 - 3. 032 - 2. 263 - 3. 307 - 1. 353 - 2. 637
Mb 和∀ G的相关关系 Mb= 571.112+ 127. 471∀ G r = 0. 975* *
注: * * : r0. 01( 4) = 0. 917
表 4 土壤性质与 P吸附特性间的关系
吸附参数 土壤理化性质吸湿水 有机质 有效 P 全 P pH(H2O) pH( KCl) 粘粒
最大缓冲容量 Mb / (mg!kg- 1) 0. 870* - 0. 816* - 0. 839* - 0. 460 0. 659 0. 799 0. 911*
自由能∀ G / (kJ!mol- 1) 0. 836* - 0. 699 - 0. 725 - 0. 339 0. 628 0. 782 0. 854*
注: * : r0. 05( 4) = 0. 811
2. 3 杉林红壤的 P肥需要量预测
作物吸P状况与土壤 P的供应特性密切相关,土壤供应 P水平的高低,不仅取决于土壤中
的有效P 含量,同时也取决于与 P相互关联的土壤性质。利用 P 的吸附状况来预测土壤需 P
量是鉴于不同土壤对 P 不同能力吸附的动力学角度出发, 通过施肥调节吸附与解吸的动力平
衡过程,使土壤达到植物吸收的最佳P 储备水平和最适宜的土壤平衡溶液 P浓度,求出达到这
一浓度时的P 的加入量,对确定 P肥施用量具有更重要的意义。当土壤溶液中 P 的质量浓度
维持在 0. 2 mg!kg- 1时, 对大多数植物将提供合适的 P 素水平[ 17] ,根据这一浓度,对杉木林土
壤P 的需要量进行预测。回归分析(表 5)表明, P加入量( Y)与平衡溶液中 P浓度( C )间存在
590 林 业 科 学 研 究 第 15卷
显著的直线相关,相关系数达 0. 97以上。要使平衡溶液 P 的质量浓度 C= 0. 2 mg!kg- 1, 则土
壤需要加 P量 132. 36 147. 35 mg!kg- 1,平均为 141. 12 mg!kg- 1,若每公顷按 2. 25 & 106 kg 土
计算,则相当于每公顷施 P 297. 81 331. 54 kg!hm- 2,平均施P 317. 52 kg!hm- 2,折合成含P 50
g!kg- 1的普通过磷酸钙 6 350 kg!hm- 2,若用含 P 40 g!kg- 1的钙镁磷肥, 则需 7 938 kg!hm- 2。
值得注意的是实验条件和实际存在一定差异,同样达到平衡溶液浓度 0. 2 mg!kg- 1时, 实验条
件下的水土比为 10∋1,而实际条件下的土壤含水量一般为 250 350 g!kg- 1, 相差至少达 30
倍,把以上 P 量缩小30倍左右, 那么,杉木林土壤约需过磷酸钙 212 kg!hm- 2, 或钙镁磷肥 265
kg!hm- 2, 由此作为定量施用 P 肥的重要依据, 应能较好地满足杉木生长需求。因此, 森林土
壤P 素供应状况分析,不能只考虑土壤有效 P 水平,也不要简单套用农业土壤有关 P 的指标,
而应充分注重具体土壤 P 的吸附特性, 以便正确了解土壤 P 的供应能力, 客观预测土壤需
P 量。
表 5 P加入量与平衡溶液 P 浓度间的回归分析
土 样 回 归方 程 相关系数 P浓度= 0. 2 mg!kg
- 1时的
Y 值/ ( mg!kg- 1) 施 P量/ ( kg!hm- 2)
1号
2号
3号
平 均
Y= 137. 08+ 32.83C
Y= 140. 62+ 33.63C
Y= 121. 49+ 54.35C
0. 977* *
0. 974* *
0. 980* *
143. 65
147. 35
132. 36
141. 12
323. 21
331. 54
297. 81
317. 52
3 结论和建议
( 1) 南方杉木林下红壤对 P的吸附作用强, P 吸附量大,吸附率高。但随着土壤加 P 量提
高, P吸附量增多,土壤吸附表面饱和度提高, P吸附力减弱, 吸附率下降。因此在杉木生长较
差且 P吸附作用较强的红壤上施用 P肥时,应适当加大用量,并集中施用(磷矿粉除外) , 以提
高土壤溶液中的有效 P 浓度,促进林木生长。
( 2) 土壤 P的吸附反应自由能∀G 和最大缓冲容量Mb 是评价土壤供 P 缓冲性状的重要
参数。下层土壤较表层吸 P作用强、缓冲能力大, 不同土壤的供P 缓冲性状与土壤理化性质关
系较为密切,一般与土壤 pH、吸湿水及粘粒含量成正相关,而与土壤有机质、有效 P 及全 P 含
量成负相关。
(3) 根据土壤P 的吸附和供应缓冲性, 了解土壤 P 的供应能力,预测土壤 P 肥需要量,对
定量指导合理施用 P肥具有一定意义。目前,这一方法对于杉林土壤是否具有更重要的生产
指导意义,尚待进一步验证。
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Study on the Phosphate Buffering Capacity and Fertiphos
Requirement of Red Soils under Chinese Fir Stand
CHEN Jinlin1, WU Chunlin1, HUANG Quanneng2
( 1. College of Forest Resources and Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, Jiangsu , China;
2. Xiamen Gardens Bureau of Fujian Province, Xiamen 361000,Fujian, China)
Abstract: The phosphate buffering capacity and fertiphos requirement of red soils under Chinese fir
( Cunninghamia Lanceolata) stand in Fujian province are studied. The results obtained by the experi
ments of isothermal phosphate adsorption show that the red soil can adsorb large amount of phosphorus.
Phosphorus could be adsorbed firmly by the soil, so it will decrease the availability.When the amount of
phosphorus added in the soils is 600 mg!kg- 1, the amount of phosphorus adsorbed by soils is 451. 2
550. 8 mg!kg- 1, its rate of phosphorus adsorbed is 75. 2% 91. 8% .The maximum buffering capacity
and the free energy of phosphate adsorption are regarded as important indexes to evaluate the phosphate
buffering capacity of soils. Regression analysis revealed that the maximum buffering capacity and free en
ergy of phosphate adsorption has close relat ion to chemical and physical propert ies of soils. They generlly
have posit ive relation to the pH value, the amount of clay and hygroscopic water of the soil. But they have
negative relation to the contents of organic matter, available phosphate and total phosphate of the soil.Re
sults also show that the fertiphos requirement of soil can be forecasted according to the phosphate adsorp
tion and buffering capacity. It is significant for rational application of fert iphos.
Key words: Cunninghamia lanceolata; red soil; fertiphos; soil adsorption; phosphate buffering capacity
592 林 业 科 学 研 究 第 15卷