土地利用方式對隴中黃土高原土壤磷組分的影響

滕澤琴，李旭東，韓會閣，張春平，傅華

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730020）

磷是植物生長必需的大量元素，它以多種途徑參與植物體內(nèi)的各種代謝過程，影響著植物的生長發(fā)育，是限制植物生長的主要因子之一 ，同時在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡中起著重要作用［1，2］。土壤中存在多種化學(xué)形態(tài)的磷，不同形態(tài)磷的生物有效性不同，其循環(huán)過程也存在差異，并在系統(tǒng)有效磷的供應(yīng)中起著各自不同的作用［3］。利用Hedley分級法可將土壤磷按照其對植物有效性的大小和轉(zhuǎn)化特征的不同而進(jìn)行分級，同時考慮了無機(jī)磷和有機(jī)磷，因而被國內(nèi)外學(xué)者廣泛用于農(nóng)田、草地、森林和濕地土壤磷形態(tài)的研究中［4－13］。比較不同磷組分在土壤中的變化，對于理解土壤發(fā)育、耕作措施、植被類型等對土壤磷形態(tài)的影響和土壤微生物在磷轉(zhuǎn)化中的作用具有重要意義。

黃土高原為我國暖溫帶落葉闊葉林向干旱草原和荒漠化草原過渡的地帶，由于氣候變化等自然因素和亂砍濫伐、過度放牧等不合理的土地利用方式的影響，該區(qū)成為我國水土流失最為嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境問題最為嚴(yán)峻的地區(qū)之一［14－16］。生態(tài)系統(tǒng)和土地利用方式的多樣化是人類干擾下黃土高原最為典型的特點(diǎn)，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對黃土高原不同區(qū)域的植被恢復(fù)、耕作方式、種植制度等對土壤磷素的影響進(jìn)行了研究［16－19］。本研究通過對甘肅隴中黃土高原區(qū)至少已有50年傳統(tǒng)耕作歷史的農(nóng)田和退耕24年的草地2種生態(tài)系統(tǒng)土壤磷組分進(jìn)行比較研究，探討土地利用方式對土壤磷素的形態(tài)及其分布的影響，為該區(qū)土壤養(yǎng)分管理和保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省榆中縣的蘭州大學(xué)國際地面氣候與環(huán)境監(jiān)測站及周圍區(qū)域，地理坐標(biāo)為北緯35.946°，東經(jīng)104.137°，海拔1 965.8m。年平均氣溫6.7℃，年降水量382mm，蒸發(fā)量1 343mm，無霜期90～140d，年日照時數(shù)約2 600h，屬大陸性半干旱氣候［21］。植被類型為典型草原，塬面草地植物主要有長芒草（Stipa bungeana）、賴草（Leymus secalinus）、鐵桿蒿（Tripolium vulgare）、冷蒿（Artemisia frigida）、阿爾泰狗娃花（Heteropappus altaicus）等。地貌為黃土高原殘塬梁峁溝壑，塬面土壤為灰鈣土。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為雨養(yǎng)型，主要作物為谷子（Setaria italica）、豌豆（Pisum sativum）與馬鈴薯（Solanum tuberosum）等，間歇式耕作，一年一熟制。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇 選擇坡向和地勢平緩一致緊鄰的面積各為2hm2的樣地4塊，分別為自由放牧地（grazing grassland，GG），圍封草地（fenced grassland，F(xiàn)G），谷子樣地（S.italic，SI），休閑耕地（fallow cropland，F(xiàn)C）（農(nóng)田樣地根據(jù)2008年種植狀況命名）。草地原為農(nóng)田，1986年撂荒，現(xiàn)已恢復(fù)到天然草地，主要優(yōu)勢種為本氏針茅。圍封草地2005年10月設(shè)置圍欄。農(nóng)田以輪作方式種植馬鈴薯、豌豆和谷子，每2～3年休閑。2005－2008年農(nóng)田的種植狀況見表1。

表1 農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)2005－2008年種植狀況Table 1 Crop rotation in the cropland ecosystem in 2005－2008

農(nóng)田在種植年施入有機(jī)肥3 000kg／hm2，尿素30kg／hm2，過磷酸鈣60kg／hm2。農(nóng)田收獲時將作物連根拔起，留在土壤中的植物殘余物非常少。

1.2.2 樣品采集 于2008年9月采集土樣，在每一個樣地內(nèi)設(shè)置3個50m×50m樣區(qū)，每個樣區(qū)內(nèi)采用樣線法隨機(jī)設(shè)置2條樣線，各樣線設(shè)置5個采樣點(diǎn)，采用土鉆法按0～10，10～20，20～30，30～40和40～60cm土層采集土壤樣品，同一土層5個樣點(diǎn)混合為1個樣本。將土樣去除植物根系和石塊后，充分混勻并用四分法取約1 kg的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。

1.2.3 樣品分析 土壤樣品在室內(nèi)風(fēng)干，去除殘留的根系后用玻璃管壓碎，過2mm篩測定速效磷和pH；四分法分出部分樣品過0.5mm篩，測定有機(jī)碳、全氮、全磷和磷組分。速效磷采用Olsen法、全磷采用微波消解－鉬銻抗比色法、全氮采用凱氏定氮法、有機(jī)碳采用重鉻酸鉀容量法、pH采用電極法測定。

磷組分采用Sui等［22］1999年修正后的Hedley磷素分級方法，即采用連續(xù)浸提的方法，逐級加入：去離子水、0.5mol／L NaHCO3、0.1mol／L NaOH、1.0mol／L稀鹽酸和濃鹽酸提取出土壤中穩(wěn)定性由弱到強(qiáng)的各級土壤磷素形態(tài)（依次為 H2O－Pi、NaHCO3－P、NaOH－P、DHCl－P和 HHCl－P，以下同）。其中，0.5mol／L NaHCO3、0.1 mol／L NaOH和濃鹽酸浸提的形態(tài)又分為有機(jī)態(tài)（Po）和無機(jī)態(tài)（Pi）兩部分，土壤浸提液消化后測定該組分的全磷和無機(jī)磷含量，而土壤的有機(jī)磷含量由全磷減去無機(jī)磷得出。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003和SPSS 16.0進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及作圖，采用相關(guān)性分析（Correlate－Pearson）確定土壤理化性質(zhì)、各形態(tài)磷組分之間的關(guān)系；采用單因素方差分析（One－way ANOVA）中的LSD法對不同樣地之間各磷組分進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土地利用方式對土壤不同形態(tài)無機(jī)磷的影響

土地利用方式對土壤各組分無機(jī)磷的含量有影響（圖1）。土壤活性磷組分中H2O－Pi含量最低，各樣地變化范圍在0.20～3.27mg／kg，0～10cm土層農(nóng)田樣地顯著高于圍封草地，放牧草地和其他樣地間無顯著差異；10～20cm土層，谷子地顯著高于休閑地和草地，休閑地和草地之間無顯著差異；在20～30和40～60cm土層各樣地間無顯著差異，而30～40cm土層表現(xiàn)為休閑地＞谷子地＞草地（P＜0.05）?；钚詿o機(jī)磷（NaHCO3－Pi）含量在0～40cm的4個土層具有相同的變化規(guī)律，均表現(xiàn)為谷子地＞休閑地＞草地（P＜0.05）；40～60cm土層為農(nóng)田樣地顯著高于草地。潛在活性無機(jī)磷（NaOH－Pi）含量在各土層都表現(xiàn)為農(nóng)田樣地顯著大于草地，谷子地與休閑地、圍封與放牧地之間都沒顯著差異。各樣地土壤3種活性磷組分含量都隨土層深度的增加呈下降趨勢。

圖1 不同土地利用方式下土壤各組分無機(jī)磷的含量Fig.1 Content of different soil inorganic phosphorus fractions under different land use patterns

研究區(qū)無機(jī)磷組分中，中穩(wěn)性無機(jī)磷（DHCl－Pi）含量最高，變幅為351.95～473.36mg／kg，0～10cm土層為谷子地＞休閑地＞放牧地＞圍封地（P＜0.05）；10～20cm土層，谷子地顯著高于休閑地和2個草地，而休閑地和2個草地之間差異不顯著；在20～30cm土層，放牧地顯著高于其他3個樣地；30～60cm土層各樣地之間無顯著差異。各樣地DHCl－Pi含量隨土層深度的增加呈先降低后增加的趨勢。

高穩(wěn)性無機(jī)磷（HHCl－Pi）含量次高，變化范圍為66.49～86.58mg／kg。在0～10cm土層，谷子地顯著高于其他各樣地，其他3個樣地之間差異不顯著；在10～20cm土層，4個樣地之間無顯著差異；20～30cm土層，谷子地顯著高于其他2個草地，而休閑地與其余3個樣地差異不顯著；在30～60cm土層處農(nóng)田都顯著高于草地。

2.2 土地利用方式對土壤不同形態(tài)有機(jī)磷的影響

有機(jī)磷的3個組分中NaHCO3－Po活性有機(jī)磷＜NaOH－Po潛在活性有機(jī)磷＜HHCl－Po穩(wěn)定性有機(jī)磷，變化范圍分別為1.81～10.06，2.58～31.57和21.52～97.46mg／kg（圖2）。

0～10cm土層NaHCO3－Po含量在各樣地之間無顯著差異；10～20cm土層，放牧地和谷子地顯著高于休閑地，圍封樣地與各樣地差異不顯著；20～30cm土層，放牧地和谷子地顯著高于休閑地和圍封地，休閑地和圍封地之間差異不顯著；30～40cm土層農(nóng)田樣地顯著高于圍封地，放牧地與各樣地差異不顯著；40～60cm土層農(nóng)田顯著高于草地。NaOH－Po含量在0～10cm土層圍封草地顯著高于農(nóng)田，放牧地與各樣地差異不顯著；10～20cm土層各樣地之間無顯著差異；20～60cm各土層農(nóng)田顯著高于草地。HHCl－Po含量，在0～10cm土層草地顯著高于休閑地，谷子地與各樣地差異不顯著；在10～20cm土層圍封地顯著高于休閑地和放牧地，與谷子地差異不顯著；在20～30和30～40cm土層與NaOH－Po含量表現(xiàn)一致，均為農(nóng)田顯著高于草地；40～60cm土層草地顯著高于休閑地，谷子地與各個樣地差異不顯著。

隨土層深度的增加，農(nóng)田土壤有機(jī)磷的3個組分都表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢；放牧草地中活性有機(jī)磷的剖面變化與農(nóng)田一致，草地潛在活性有機(jī)磷沿土壤剖面呈下降趨勢，穩(wěn)定性有機(jī)磷在40～60cm土層顯著升高。

圖2 不同土地利用方式下土壤各組分有機(jī)磷的含量Fig.2 Content of different soil organic phosphorus fractions under different land use patterns

2.3 土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系

以不同土層各形態(tài)磷占全磷百分比做相關(guān)分析，結(jié)果表明，部分磷組分之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明這2個組分之間可以 相 互 轉(zhuǎn) 化［23］。草 地 0～20cm 土 壤 中，DHCl－Pi與 HHCl－Pi、HHCl－Po，NaHCO3－Pi與 HHCl－Pi、HHCl－Po呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表2）；20～40cm 土壤中，DHCl－Pi與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi、NaOH－Po、HHCl－Po，HHCl－Pi與 H2O－Pi、NaOH－Pi呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）（表3）。農(nóng)田0～20cm土壤中，DHCl－Pi與 HHCl－Pi、NaOH－Po、HHCl－Po、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)（表4）；在20～40 cm土壤中，HHCl－Po與 H2O－Pi、NaOH－Pi呈顯著（P＜0.05）負(fù)相關(guān)（表5）。

可看出土壤磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在中穩(wěn)性無機(jī)磷DHCl－Pi與其他磷組分之間，且農(nóng)田主要發(fā)生在0～20cm土層。

2.4 土壤理化性質(zhì)對不同磷組分含量的影響

土壤理化性質(zhì)影響土壤磷的形態(tài)、有效性及供應(yīng)潛力。H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi與土壤全磷和速效磷呈極顯著（P＜0.01）相關(guān)，其余磷組分與全磷和速效磷無顯著相關(guān)性。土壤全氮和有機(jī)碳與NaOH－Pi、NaOH－Po和HHCl－Pi含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與其余各磷組分無顯著相關(guān)。土壤pH與NaHCO3－Po呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi、NaOH－Po和 HHCl－Pi呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）（表6）。

表2 草地0～20cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 2 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 0－20cm soil layer in the grasslands

表3 草地20～40cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 3 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 20－40cm soil layer in the grasslands

表4 農(nóng)田0～20cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 4 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 0－20cm soil layer in the croplands

表5 農(nóng)田20～40cm土層土壤磷組分之間的相關(guān)關(guān)系Table 5 Correlation coefficients among soil phosphorus fractions in 20－40cm soil layer in the croplands

表6 土壤磷組分與土壤基本理化性狀的相關(guān)關(guān)系Table 6 Correlations between soil physical and chemical properties and soil phosphorus fractions

3 討論

3.1 土地利用方式對土壤各磷組分含量的影響

土地的利用與管理方式影響土壤養(yǎng)分物質(zhì)的輸入和輸出，進(jìn)而影響土壤的養(yǎng)分含量。本研究結(jié)果表明，在隴中黃土高原，2種土地利用方式下農(nóng)田土壤中活性無機(jī)磷（H2O－Pi、NaHCO3－Pi）、潛在活性無機(jī)磷（NaOH－Pi）的含量顯著高于草地，這主要與農(nóng)田系統(tǒng)長期的施肥有關(guān)［24］，與周寶庫和張喜林［25］的研究結(jié)果施磷肥后土壤速效磷顯著增加相似，另外，農(nóng)田耕作破壞了土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改善了通氣狀況，促進(jìn)了有機(jī)磷的礦化［26］，進(jìn)而提高了無機(jī)磷含量。有研究表明土壤pH是影響土壤磷酸鹽形態(tài)和轉(zhuǎn)化的重要因素［27］，農(nóng)田中由于磷肥和氨態(tài)氮肥的施用降低了土壤的pH值，具有溶磷作用［28，29］，進(jìn)而增加了上層土壤活性無機(jī)磷（H2O－Pi、NaHCO3－Pi）和潛在活性無機(jī)磷（NaOH－Pi）的含量。休閑與當(dāng)年耕作地相比，谷子地由于當(dāng)年的施肥原因，耕層土壤中植物容易利用的無機(jī)磷組分和有機(jī)磷組分都有所增加。農(nóng)田土壤中NaOH－Po在耕層以下顯著增加，也可能是農(nóng)田長期施用化肥和有機(jī)肥引起的潛在活性有機(jī)磷的增加，與來璐等［30］研究結(jié)果相似。圍封草地由于較多的凋落物歸還和較高的根系生物量［21，29，31］，可能是其表層土壤潛在活性有機(jī)磷（NaOH－Po）含量高于農(nóng)田的主要原因，這和 Lajtha［32］的研究結(jié)果相似。李曉東等［33］的研究也指出本研究區(qū)在0～10cm土層草地由于大量植物殘余物的返還和根系分泌物導(dǎo)致有機(jī)碳含量顯著高于農(nóng)田，長期的施肥積累可能是20cm土層以下有機(jī)碳含量農(nóng)田高于草地的主要原因，與本研究引起有機(jī)磷變化的原因一致。放牧草地由于家畜的采食，使地上活體量低于圍封草地，從而影響了草地立枯物和凋落物的數(shù)量［34］，所以放牧草地NaOH－Po含量在上層土壤中低于圍封草地。

3.2 土壤各磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化

土壤無機(jī)磷和有機(jī)磷都是植物吸收利用的重要磷源［35］，它們之間可相互轉(zhuǎn)化，無機(jī)磷被生物固定后形成有機(jī)磷，有機(jī)磷通過土壤磷酸酶的作用轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷［36］。土壤各磷組分之間存在一定的相互影響與制約，植物有效磷源的多少取決于土壤各磷組分之間的分布狀況和轉(zhuǎn)化方向［37］，無機(jī)磷和有機(jī)磷之間的轉(zhuǎn)化實(shí)質(zhì)上就是各磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化。本研究相關(guān)分析結(jié)果表明，磷組分之間的遷移轉(zhuǎn)化主要發(fā)生在中穩(wěn)性無機(jī)磷（DHCl－Pi）與其他磷組分之間，DHCl－Pi是與鈣結(jié)合的難溶無機(jī)磷形態(tài)，是黃土高原土壤類型中存在的最主要的磷形態(tài)。DHCl－Pi和高穩(wěn)性有機(jī)磷（HHCl－Po）、潛在活性有機(jī)磷（NaOH－Po）之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)，說明有機(jī)磷組分HHCl－Po和NaOH－Po礦化后先與土壤中的鈣結(jié)合再進(jìn)一步釋放出植物容易利用的活性無機(jī)磷，這與慕韓鋒［38］的研究結(jié)果Ca8－P幾乎是所有磷素轉(zhuǎn)化為有效磷的最主要的中間形態(tài)有相似之處。草地20～40cm土層中，DHCl－Pi與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi均呈極顯著負(fù)相關(guān)，在農(nóng)田中也存在類似的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明 DHCl－Pi與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi之間存在相互轉(zhuǎn)化過程，可能是因?yàn)?DHCl－Pi是潛在的有效磷源［39］，植物對磷素的利用刺激穩(wěn)定性無機(jī)磷緩慢向活性無機(jī)磷轉(zhuǎn)化。

3.3 土壤磷素與各理化性狀之間的關(guān)系及對植物的有效性

植物所需磷素的唯一來源是通過根系由土壤吸收，因此土壤的理化性質(zhì)對土壤各磷組分的轉(zhuǎn)化及磷的有效性都有影響。一般認(rèn)為，土壤有效磷與某形態(tài)磷組分的相關(guān)性愈顯著，則該形態(tài)磷組分的有效性愈大，其相對有效性也愈高［40］。本研究結(jié)果顯示H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi和速效磷之間均呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，說明活性無機(jī)磷組分和潛在活性無機(jī)磷組分的有效性較高。土壤全氮與NaOH－Pi、NaOH－Po呈極顯著（P＜0.01）關(guān)系；pH 與 NaHCO3－Po呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），與 H2O－Pi、NaHCO3－Pi、NaOH－Pi呈極顯著負(fù)相關(guān)；有機(jī)碳與NaOH－Po的相關(guān)關(guān)系最顯著和穆曉慧等［27］的研究結(jié)果相似。另外，土壤溶液中的游離Fe、活性CaCO3、粘土含量、土壤的風(fēng)化程度以及環(huán)境因子等都是影響土壤磷素形態(tài)轉(zhuǎn)化和有效性的重要因子，需要進(jìn)一步研究。

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