濱海灘涂濕地不同植被土壤磷的生物有效性及其影響因子分析

黃翊蘭 ，崔麗娟 *，李春義 ，李偉 ，雷茵茹

1.中國林業(yè)科學(xué)研究院濕地研究所，北京 100091；2. 濕地生態(tài)功能與恢復(fù)北京市重點實驗室，北京 100091

磷素作為主要生源元素是植物生長及水體富營養(yǎng)化的限制營養(yǎng)元素，水體和土壤中磷素的含量通常決定了濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和營養(yǎng)狀況，其生物有效性對濕地的結(jié)構(gòu)功能有著決定性的作用（白軍紅等，2002；Grunwald et al.，2006）。濱海濕地是海陸間相互作用的過渡區(qū)域，對維持生物多樣性和海陸動態(tài)平衡具有重要作用，濱海濕地的變化關(guān)系著沿海經(jīng)濟發(fā)展與社會進步，影響著全球環(huán)境變化，在維護區(qū)域和全球生態(tài)系統(tǒng)平衡方面意義重大（陸健健等，2006；Cui et al.，2016）。濱海濕地是全球磷的主要源、匯和轉(zhuǎn)換器之一，在水體富營養(yǎng)狀況的控制以及磷循環(huán)過程中扮演著十分重要的角色（邵學(xué)新等，2014）。

為研究土壤磷素的有效性，研究人員利用不同的化學(xué)提取液對土壤中的磷素進行分級。早期研究主要在無機磷（Chang et al.，1957）和有機磷（Brown et al.，1978）兩大類中分別進行，Hedley et al.（1982）提出將土壤磷分為包括無機磷和有機磷兩部分的分類方法，后來又有很多研究人員在此基礎(chǔ)上進行了改進（Tiessen et al.，1984；Guppy et al.，2000）。傳統(tǒng)的土壤磷分級方法少有考慮到植物的根系作用和微生物解磷的過程，Deluca et al.（2015）提出一種基于生物有效性的磷素分級方法（biologically based P，BBP法）。該方法模擬植物根區(qū)發(fā)生的磷素活化過程，考慮到根際與微生物分泌有機酸、磷酸酶等活化的磷表征磷形態(tài)，將土壤磷分為CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P、HCl-P 4個組分。CaCl2-P模擬能直接被根際截留或擴散的磷酸根離子，Citrate-P模擬能被有機酸活化的有機磷，Enzyme-P模擬易被微生物和植物分泌的磷酸酶和植酸酶礦化的那部分有機磷，HCl-P模擬氫質(zhì)子能活化的最大潛力磷庫（蔡觀等，2017）。在進行不同植物群落土壤磷組分研究時，應(yīng)更多地考慮植物及微生物對土壤磷素利用的影響，BBP法比傳統(tǒng)的化學(xué)提取法（Chang et al.，1957）更適用。由于提出時間較短，目前 BBP法僅在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究中被應(yīng)用得較多，且大多集中在溫度、土壤酸化、鹽漬化、干濕交替、外源磷添加等環(huán)境條件對土壤磷生物有效性的影響（劉玉槐等，2018；黃敏等，2018；Erinle et al.，2018；Yuan et al.，2018）以及不同土壤類型的磷素組分特征及其影響因素分析等研究（蔡觀等，2017；Deluca et al.，2015）。Deluca提出上述方法時，曾在英國的沼澤展開過研究，但是僅對比了沼澤濕地與森林、農(nóng)田的差異，沒有在濕地內(nèi)部不同植被下進行對比。

本研究以大豐麋鹿自然保護區(qū)濕地土壤為研究對象，采用模擬生物活化過程的磷素分級方法（BBP法）對濱海灘涂濕地不同植物下的土壤磷素進行分級，并分析環(huán)境因子對磷素組分的影響，以期為濱海濕地土壤磷素轉(zhuǎn)化機理的研究及鹽城濱海灘涂濕地的保護及利用提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于鹽城濱海濕地-江蘇大豐麋鹿國家級 自 然 保 護 區(qū) （ 32°56′— 33°36′N ， 120°42′—120°51′E），屬于亞熱帶和暖溫帶的交錯區(qū)域，氣候為典型季風(fēng)氣候，濕度高，年降水量為1068 mm，日光輻射總量為487—508 kJ·cm-2，年平均氣溫為13.8 ℃。土壤類型主要是草甸濱海鹽土和潮灘濱海鹽土，土質(zhì)較為松軟，土壤偏堿性，成土母質(zhì)為黃河口沉積物。受高程、淹沒時間和鹽度等環(huán)境因子的影響，濕地植物自然條件下呈帶狀分布，典型濕地植物由海到陸依次為互花米草（Spartina alterniflora）、海三棱藨草（Scirpus mariqueter）、白茅（Imperata cylindrica）和蘆葦（Phragmites australis）等。

1.2 樣品采集與分析

2018年5月，根據(jù)資料收集和現(xiàn)場勘查，在研究區(qū)內(nèi)植被有明顯差異的一個區(qū)域中，布設(shè)5處樣地，分別為蘆葦（LW）、互花米草（MC）、白茅（BM）、海三棱藨草（BC）4種典型植被群落覆蓋的濕地及沒有植物覆蓋的裸地（LD）。每塊樣地隨機布設(shè)3個樣方（10 m×10 m），且樣方間間隔不小于20 m。每個樣點位于樣方中心，利用潔凈的鐵锨按照0—20 cm（表層土）、20—40 cm（中層土）分層采集土壤樣品，采集后迅速放入聚乙烯袋中，密封，防止樣品污染。于室溫下風(fēng)干，研磨，挑除沙礫、植物根系殘體和可見動物后，過2 mm篩后密封保存。

土壤 pH值在水土比 5:1（V:m）條件下，用HI98121酸度計測定；有機質(zhì)含量用重鉻酸鉀氧化-比色法測定；全磷用HNO3微波消煮法測定；全氮用凱氏定氮法測定；速效磷用NaHCO3浸提，鉬藍比色法測定；含水量采用烘干法測定（鮑士旦，2000）。采取Deluca et al.（2015）提出的基于生物有效性的BBP分級土壤磷分級法：稱取4份0.5 g過篩完畢的土樣分別加入10 mL對應(yīng)提取液，裝入15 mL離心管中于 25 ℃下恒溫振蕩 3 h（180 r·min-1），離心10 min（3220 g），取上清液。其中 CaCl2-P 由 10 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液提取，Citrate-P由10 mL 10 mmol·L-1檸檬酸溶液提取，HCl-P 由 10 mL 1 mol·L-1HCl溶液提取，Enzyme-P由 10 mL EU·mL-1植酸酶（Sigma P1259；Enzyme Commission Number 3.1.3.26）和 0.02 EU·mL-1酸性磷酸酶（Sigma P3627；Enzyme Commission Number 232-630-9）與 0.02 EU·mL-1堿性磷酸酶（Sigma P5931；Enzyme Commission Number 3.1.3.1）混合溶液提取，鑒于植酸酶本身含磷，為避免對試驗結(jié)果造成影響，使用前用乙酸鈉為緩沖液對植酸酶在4 ℃下透析5 d，除去其中的磷，在提取液中加入MgCl2作為酶前催活劑。采用孔雀石綠比色法測定磷濃度。

1.3 數(shù)據(jù)處理與研究方法

運用SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)單因素方差分析（One-way ANOVA）結(jié)合LSD法（P＜0.05）進行差異顯著性分析，采用Spearman相關(guān)系數(shù)確定各指標間的相關(guān)性；運用Origin 2017軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濱海濕地土壤磷素的變異性

在研究區(qū)的表層土中，土壤全磷（TP）質(zhì)量分數(shù)為39.5—57.8 mg·kg-1，變異幅度很小（變異系數(shù)為12%；n=30）（表1）；土壤中速效磷（Olsen-P）質(zhì)量分數(shù)為1.08—24.3 mg·kg-1，變異幅度較大（變異系數(shù)77%；n=30）；根據(jù)BBP法劃分的4種磷組分含量差異顯著，表現(xiàn)為CaCl2-P＜Citrate-P＜Enzyme-P＜HCl-P。其中 Enzyme-P質(zhì)量分數(shù)為 0.106—6.75 mg·kg-1，變異幅度最大（變異系數(shù)為87%；n=30），CaCl2-P質(zhì)量分數(shù)為 0.089—0.884 mg·kg-1，變異系數(shù)為71%（n=30），Citrate-P質(zhì)量分數(shù)為0.569—3.80 mg·kg-1，變異系數(shù)為 7 1%（n=30），變異幅度最小的是 HCl-P，質(zhì)量分數(shù)為 29.7—32.9 mg·kg-1，變異系數(shù)為 3 %（n=30）。

2.2 濱海濕地不同植被下基于生物有效性土壤磷組分的差異

由圖1可知，在0—20 cm表層土，裸地的土壤 CaCl2-P含量都顯著高于植被覆蓋下的（P＜0.05），而蘆葦顯著低于另外 3 種植被（P＜0.05）。裸地的土壤Citrate-P含量也顯著高于蘆葦、白茅、互花米草和海三棱藨草下土壤 Citrate-P含量（P＜0.05），但在 4 種植被間差異并不顯著（P＞0.05）。裸地的土壤Enzyme-P含量顯著高于蘆葦、互花米草和海三棱藨草（P＜0.05），而海三棱藨草顯著低于另外4種類型（P＜0.05）。5種類型的土壤HCl-P含量都不顯著。

由圖2可知，在20－40 cm的中層土，裸地土壤中的 CaCl2-P含量顯著高于植被覆蓋下的土壤CaCl2-P含量（P＜0.05），蘆葦?shù)暮匡@著高于另外3種植被（P＜0.05）。裸地下土壤Citrate-P含量也顯著高于植被覆蓋下土壤 Citrate-P的含量（P＜0.05），且白茅覆蓋下的 Citrate-P含量顯著高于另外3種植被（P＜0.05），而蘆葦下土壤Citrate-P含量也顯著低于其他類型（P＜0.05）。5種類型下的土壤 Enzyme-P和 HCl-P含量都沒有顯著差異（P＞0.05）。

2.3 濱海濕地不同植被下土壤性質(zhì)差異

由表2可知，在0—20 cm土層互花米草的土壤pH值顯著高于其他3種植被，而裸地顯著低于有植被覆蓋的土壤（P＜0.05）。在20—40 cm層，不同植被下均無顯著差異（P＞0.05）。

裸地土壤的含水率顯著低于有植被覆蓋的土壤（P＜0.05），在0—20 cm土層，互花米草顯著高于其他植被，其次是海三棱藨草（P＜0.05），而蘆葦和白茅間沒有顯著差異（P＞0.05）。在20—40 cm土層中互花米草和蘆葦下的土壤含水率都高于白茅和海三棱藨草（P＜0.05）。

在0—20 cm與20—40 cm兩個土層都表現(xiàn)為互花米草和蘆葦?shù)耐寥烙袡C質(zhì)含量顯著高于其他組（P＜0.05），4種植被中除海三棱藨草外，土壤有機質(zhì)含量都表現(xiàn)為表層土高于中層土。

土壤TP質(zhì)量分數(shù)為39.5—57.9 mg·kg-1，同一植物0—20 cm和20－40 cm深度土層的TP含量沒有顯著的差別（P＞0.05），而不同植被間全磷含量存在顯著差異（P＜0.05）。在0—20 cm土層中，白茅與裸地的土壤TP含量顯著高于另外3種植被（P＜0.05），互花米草的顯著低于另外 4種植被（P＜0.05）。在20—40 cm土層中，白茅的土壤TP顯著高于裸地和其他3種植被（P＜0.05）。

表1 不同植被下表層土壤磷的變異性Table 1 Variability of phosphorus in surface soil

圖1 表層土中基于生物有效性的土壤磷組分含量特征Fig. 1 Composition characteristics of soil phosphorus based on biological availability in surface soil

圖2 中層土中基于生物有效性的土壤磷組分含量特征Fig. 2 Composition characteristics of soil phosphorus based on biological availability in medium soil

表2 不同植物群落下土壤性質(zhì)Table 2 Selected properties of soil in different vegetations

同一植物0—20 cm和20—40 cm深度土層的TN含量沒有顯著的差異（P＞0.05），而在不同植被下卻有著顯著的差異，0—20 cm土層互花米草下土壤的TN含量顯著高于其他植被（P＜0.05），其次是蘆葦（P＜0.05），其余3種植被間沒有顯著性差異（P＞0.05）。20—40 cm深度土層互花米草和蘆葦顯著高于其他3種植被（P＜0.05）。

在0—20 cm土層，互花米草和蘆葦?shù)耐寥浪傩Я缀匡@著高于其他3種植被（P＜0.05）。在20—40 cm土層，主要表現(xiàn)為互花米草顯著高于另外4種植被（P＜0.05），而白茅的顯著低于另外4種類型（P＜0.05）。

2.4 濱海濕地基于生物有效性的土壤磷組分與環(huán)境因子的關(guān)系

由表3可知，CaCl2-P和Enzyme-P含量與各環(huán)境因子都沒有顯著的相關(guān)性，Citrate-P含量與TN、TP、有機質(zhì)、含水率都顯著相關(guān)，其中與TP顯著正相關(guān)其余都表現(xiàn)為負相關(guān)（P＜0.05或P＜0.01，n=30），HCl-P與 TN、有機質(zhì)、含水率都有顯著的正相關(guān)性（P＜0.05或P＜0.01，n=30）。從相關(guān)系數(shù)的大小來看，可以認為影響Citrate-P含量的主要環(huán)境因子是土壤含水率，而影響HCl-P含量的主要環(huán)境因子是有機質(zhì)。各磷組分中，只有Citrate-P與Olsen-P顯著相關(guān)。

3 討論

3.1 不同植被下濱海濕地土壤磷素的特征

鹽城大豐麋鹿保護區(qū)濱海濕地土壤TP含量變異幅度不大，同一植物0—20 cm和20—40 cm深度土層的TP含量也沒有顯著的差別（P＞0.05），這可能是由于土壤全磷含量主要受土壤類型和氣候條件的影響，該區(qū)域內(nèi)氣候和成土母質(zhì)基本一致，全磷含量與土壤發(fā)育過程有關(guān)（毛志剛等，2009；梁威等，2012）。不同植物群落間全磷含量存在顯著差異（P＜0.05），可見全磷含量也會受植被的影響，因為不同的植物對土壤磷素吸收利用能力的差異會導(dǎo)致土壤全磷含量的不同。

表3 磷的各組分含量與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性Table 3 Correlation between phosphorus content and soil environmental factors

磷分級情況表現(xiàn)為CaCl2-P＜Citrate-P＜Enzyme-P＜HCl-P，而在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)為 CaCl2-P＜Enzyme-P＜Citrate-P＜HCl-P（蔡觀等，2017），Citrate-P和Enzyme-P含量在兩種生態(tài)系統(tǒng)間表現(xiàn)的差異可能是由于土壤理化性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致土壤中磷的賦存形態(tài)不同，且植被的不同也可能會導(dǎo)致因植物利用磷素方式和能力不同而產(chǎn)生土壤磷組分含量差異。

研究區(qū)中土壤無植被覆蓋裸地的 CaCl2-P、Citrate-P、Enzyme-P含量與植被覆蓋下的存在顯著差異，這可能是由于植物根際區(qū)是土壤中物質(zhì)交換最劇烈的區(qū)域，植物根系作用影響著磷的形態(tài)和含量（滕澤棟等，2017）。

因為CaCl2-P表征的是土壤中可直接被根系截留的活性磷酸根離子，所以CaCl2-P含量的差異或許可以反映植物根系的截留能力差異（Deluca et al.，2015）。在4種不同的植被間，蘆葦0—20 cm土層的CaCl2-P含量顯著低于其他3種植被，而在20—40 cm 土層中又表現(xiàn)為顯著高于其他 3種植被，這可能是由于蘆葦0—20 cm土層中的根系對磷素的吸收能力高于另外 3種植物，而在 20—40 cm土層又相對較低。

4種植被表層土的Citrate-P含量都沒有顯著差別，但是在中層土中就表現(xiàn)出了較大的分異。蘆葦中層土中的Citrate-P含量顯著低于另外3種植被，而白茅的土壤Citrate-P含量表現(xiàn)為顯著最高，海三棱藨草和互花米草間無顯著差異。Citrate-P含量表征的是有機酸活化的無機磷（蔡觀等，2017），檸檬酸可提取出土壤中等可溶性的礦物吸附態(tài)和沉淀態(tài)磷，這部分可以模仿植物根系和微生物通過分泌有機酸和質(zhì)子酸化土壤環(huán)境，或者通過交換和還原作用活化或轉(zhuǎn)化非活性磷的過程（Deluca et al.，2015）。所以Citrate-P含量的差異可能是由于植物根系和微生物分泌有機酸的能力的不同，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能的原因之一是蘆葦?shù)母悼傞L、表面積、體積等相比白茅和海三棱藨草都有較大的優(yōu)勢，植被通過對根際土壤中磷素的吸收，使土壤磷素含量下降（羅先香等，2011），根系更為發(fā)達的植物其根際對土壤磷素的消耗與根際的累積效應(yīng)明顯。而蘆葦與互花米草 Citrate-P含量的差異可能更多地是由于根系形態(tài)以及利用策略的不同導(dǎo)致的。白茅與海三棱藨草間 Citrate-P含量的不同可能更多由于利用策略的差異。

研究區(qū)中4種植被表層土中的Enzyme-P 含量有顯著的差異，Enzyme-P含量表征的是易被酶礦化的有機磷部分（Deluca et al.，2015），海三棱藨草的土壤Enzyme-P含量顯著低于其他3種植被，這可能是海三棱藨草根系的酶分泌量遠低于其他3種植被，也可能是由于海三棱藨草根系分泌的酶的種類與其他3種植被不同，磷的活化能力較低，還有可能海三棱藨草與其他3種植被土壤的微生物構(gòu)成有顯著的差異，從而導(dǎo)致酶活化磷能力的差異。

3.2 濱海濕地土壤磷素各組分含量的影響因子

通過對大豐麋鹿自然保護區(qū)濱海濕地土壤有機質(zhì)含量的測試，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)樣品的有機質(zhì)變化幅度大。蘆葦、互花米草、白茅覆蓋的表層土壤有機質(zhì)均高于無植物覆蓋的裸地，這與任麗娟等（2011）在鹽城的研究結(jié)果一致，其中互花米草和蘆葦?shù)耐寥烙袡C質(zhì)含量顯著高于其他組，這是因為互花米草和蘆葦?shù)拇罅康蚵湮餅橥寥捞峁┝素S富的有機質(zhì)來源，根系分泌物及大量細跟的周轉(zhuǎn)也是土壤有機質(zhì)的重要來源（劉偉成等，2014）。研究區(qū)土壤速效磷含量與土壤有機質(zhì)顯著相關(guān)（P＜0.01），這與在黃河三角洲的研究結(jié)果相一致，土壤有機質(zhì)的含量會影響土壤磷吸附-解吸的過程（Bai et al.，2017），土壤磷解吸過程是磷素有效化的主要過程之一，與土壤磷的有效性顯著相關(guān)。

此外，本研究中土壤含水率也是顯著影響土壤磷素組分的環(huán)境因子，表明淹水條件也是影響土壤磷素組分的關(guān)鍵因素。土壤含水率的變化會影響土壤中植物凋落物的分解速率以及凋落物中磷素的釋放（白秀玲等，2018），而植物的分解會改變土壤微環(huán)境。

本研究中土壤中的速效磷含量與 Citrate-P含量顯著相關(guān)（P＜0.05），可知大豐麋鹿自然保護區(qū)中的速效磷主要來自于土壤中有機酸活化釋放的無機磷。

4 結(jié)論

（1）大豐麋鹿自然保護區(qū)濱海濕地土壤磷素組分 含 量 表 現(xiàn) 為 CaCl2-P＜Citrate-P＜Enzyme-P＜HCl-P。

（2）植物的生長會顯著降低土壤中根系可截留磷素和有機酸可提取磷素的含量。

（3）與互花米草、海三棱藨草、白茅相比，蘆葦根系對0—20 cm土層的磷素的截留能力更強；海三棱藨草與其他3種植物相比，根系發(fā)生的酶活化磷素的過程較激烈。

（4）影響土壤Citrate-P含量的主要環(huán)境因子是土壤含水率，影響土壤HCl-P含量的主要環(huán)境因子是有機質(zhì)。

（5）大豐麋鹿自然保護區(qū)土壤中速效磷主要來自于土壤中有機酸活化釋放的無機磷。