粵北低山坡地營造梯田對土壤磷組分及有效性的影響

張 波，王 超，田海山，李 博，盧 瑛

（1.華南農業大學林學與風景園林學院，廣東 廣州 510642；2.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；3.湖北省巴東縣茶店子鎮農業服務中心，湖北 巴東 444315）

【研究意義】磷作為植物生長所必需的營養元素之一，是影響陸地生態系統結構組成和穩定性的重要養分因子。我國土壤中磷素主要以無機磷形式存在［1］，約占土壤全磷含量的60%～80%，其存在多種形態，但大部分磷被土壤黏粒、鐵鋁氧化物等土壤組分吸附和化學固定［2-4］，轉化為低活化性磷，使得土壤磷的有效性降低，從而限制了植物的生長［5］。通常，植物主要吸收利用的是含量極低的水溶性磷，其來源主要是有機磷的礦化和無機磷的溶解［6］。然而，磷形態之間的轉化關系復雜，生態系統磷循環和磷有效性深受土壤磷賦存形態的制約。因此，研究土壤磷素的賦存形態及分布狀況對揭示土壤磷變化特征、評價磷流失風險具有重要意義。【前人研究進展】土地利用方式的轉變因耕作方式、農業管理、地表覆蓋物差異，使得土壤物理、化學及生物特性發生潛移默化的改變［7］，能夠影響土壤磷素的特征。有研究表明［8］，自然林地土壤開墾為農田后有效磷含量及磷活化系數較高，但隨著種植的延續，土壤磷活化性下降，非有效磷占比顯著增加。利用方式影響土壤磷形態特征、含量變化和生物活性，且由于磷的向下遷移也影響土壤磷的垂直分布。谷思玉等［6］研究發現，隨著土壤深度的增加，有機磷含量呈遞減趨勢，而無機磷、有效磷、磷活化性呈遞增趨勢。土地利用的轉變調節土壤磷素水平，磷形態轉化影響磷的有效性。【本研究切入點】已有研究主要集中在丘陵等平坦地區農田的變化［9-10］、林地樹種變更［11-12］等，而關于低山坡地開墾為梯田過程中土壤磷的賦存形態及有效性的研究鮮見報道。粵北地區多山且地勢起伏較大，不利于農業生產的開展，因此，在低山坡地營造梯田是當地重要的農業利用方式。然而該區域土壤的風化淋溶作用較強，鐵鋁氧化物含量豐富，土壤固磷能力強及磷的生物利用率低下［12-13］，加上這種利用方式的轉變打破了原有土壤系統中磷素的循環，需要深入了解其對土壤磷組分及有效性的影響。【擬解決的關鍵問題】本研究以粵北低山自然林地和開墾為梯田的土壤為研究對象，通過對土壤有機磷含量、無機磷的賦存狀況及與環境因子之間關系進行研究，探究低山坡地梯田化過程中土壤磷組分之間轉化及影響因子，為合理利用磷養分資源、實現綠色施肥、節能增效和維持生態系統的可持續發展提供科學依據和理論基礎。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣東省清遠市低山梯田區（23°50′～24°40′N，112°12′～113°29′E），屬亞熱帶海洋性季風氣候，年均氣溫18～20 ℃，年均降雨量1 600 mm、多集中在6—9月（占年降雨量70%）。研究樣地地貌類型為低山坡地，平均海拔306～320 m，土壤類型主要為紅壤和水稻土，成土母質為花崗巖風化物。該區域地勢起伏較大，林地為次生林，主要樹種為松樹（Pinus）和黃牛木（Cratoxylum cochinchinense（Lour.）Bl.）等；坡地梯田為當地重要的農田利用形式，多分布于緩坡底部，主要種植單季水稻、玉米和生菜等作物。

1.2 試驗材料

2017 年12 月在研究區內進行土壤調查，分別選取人為干擾較少的自然林地（Forest Land，FL），坡向、部位及其種植時間大致相同（20 年以上）的長期種植蔬菜和水稻的旱地梯田（Dry land terrace,DLT），水稻梯田（Paddy terrace,PT）作為典型土壤剖面。按照0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 自下而上分別采集不同層次土樣，將土壤樣品帶回實驗室自然風干，進行理化性質測定。

1.3 測定指標及方法

土壤常規理化性質的測定參照《土壤調查實驗室分析方法》［14］：土壤pH 采用電位法（水土比2.5∶1）；有機質含量測定采用重鉻酸鉀-外加熱法；全氮含量測定采用凱氏定氮法；全磷含量測定采用氫氧化鈉熔融法；土壤顆粒組成采用吸管法；全鐵含量測定采用三酸消煮-鄰菲羅啉比色法；游離氧化鐵含量測定采用連二亞硫酸鈉-檸檬酸鈉浸提，鄰菲羅啉比色法；活性鐵含量測定采用草酸-草酸銨緩沖液浸提，鄰菲羅啉比色法。有機磷含量測定采用550 ℃灼燒-鉬銻抗比色法；無機磷含量測定采用張守敬［15］分組方法。

土壤磷活化系數（%）=有效磷（mg/kg）/〔全磷（g/kg）×1000〕×100

試驗數據采用Excel 2016 進行整理和統計分析，采用SPSS24.0 進行Person 相關性分析，采用Canoco5進行冗余分析，采用Origin 2018繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 不同類型土壤理化性質

由表1可知，3種類型土壤均為酸性或微酸性，pH 值隨著土壤深度增加，呈上升趨勢；0～40 cm土壤有機質含量均以水稻梯田（PT）最高，而其他層次土壤以自然林地（FL）含量最高；0～40 cm層次土壤全氮含量表現為PT ＞DLT ＞FL，其余層次規律性不明顯；3 種類型土壤剖面黏粒含量相差不大，均屬于黏壤土類，說明低山坡地營造梯田未改變其土壤質地。

2.2 不同類型土壤磷含量及有效性特征

由圖1 可知，3 種類型土壤TP 和AP 含量表現出相同的變化趨勢，均隨著土層深度的增加，呈現“C”字型變化趨勢，但是PT 自表層以下波動趨勢較FL 和DLT 更加劇烈，其中土壤剖面AP 總量表現為PT（31.79 mg/kg）＞DLT（26.51 mg/kg）＞FL（8.39 mg/kg）；土壤磷活化系數（Phosphorus activation coefficient,PAC）表征土壤磷素的活化能力，反映土壤磷的有效程度［16］，即土壤中TP向AP 轉化的難易程度，PAC 值越高，表示土壤中TP 向AP 轉化的量越多，磷的有效性就越高，當PAC 數值低于2%時表明土壤TP 不易轉化為AP。3 種土壤剖面PAC 均呈“C”字型變化趨勢，而且表層土壤PAC 明顯高于下層土壤，其中FL和DLT 下層土壤PAC 較穩定，而PT 變化較劇烈；FL 表層土壤PAC ＜2%，而DLT 和PT 土壤PAC＞2%，說明梯田表層土壤TP 易向AP 轉化，FL表層土壤TP 則難以轉化為AP。由此可見，低山坡地營造梯田能夠提高土壤AP 含量，降低TP 向AP 轉化的難度。

圖1 不同類型梯田土壤磷含量及有效性Fig.1 Soil P content and availability in different types of terraces

2.3 不同類型土壤磷組分特征

2.3.1 無機磷組分含量 由圖2 可知，3 種土壤無機磷組分以Fe-P 和難以被作物吸收利用的O-P含量較高，遠高于Al-P 和Ca-P。各無機磷組分在FL 土壤剖面中無明顯變化，（除PT 的Fe-P在剖面中呈波動性變化外）在DLT 和PT 土壤剖面中均呈“C”字型變化趨勢，其中在PT 剖面變化程度較為劇烈。兩種梯田各無機磷組分均在剖面表層土壤含量豐富，下層土壤均有不同程度的降低，整體表現為PT ＞DLT。與FL 相比，營造梯田各無機磷組分均在0～20 cm 和20～40 cm 土層有明顯增加，以Fe-P 和O-P 表現最為明顯。

圖2 不同類型梯田土壤無機磷組分的含量Fig.2 Contents of inorganic P components in different types of terraces

2.3.2 無機磷和有機磷總量 由表2 可知，3 種類型梯田土壤的IP 和OP 含量（除FL 的IP）在土壤剖面中隨土層深度增加，呈“C”字型變化趨勢，最大含量均出現在表層，IP 整體表現 為PT ＞DLT ＞FL，OP 表現為DLT ＞PT＞FL。其中FL 以OP 含量略多，占（IP+OP）的49.03%～56.17%；而營造梯田后，DLT 和PT 則以IP 含量為主，分別占（IP+OP）的66.82%～72.25% 和71.47%～79.22%。C/OP 可 作為評價土壤磷素的礦化能力的指標，其數值低于200 說明有機磷的礦化度增加。C/OP 在FL 和DLT 剖面中呈波動性變化，而在PT 剖面中隨土層深度增加呈下降趨勢，整體表現為PT（589.14）＞DLT（562.57）＞FL（465.19），這是由于低山坡地營造梯田改變了土壤IP 和OP 的分配格局，增加了IP 含量，促進了OP 的礦化。

表2 不同類型梯田有機磷和無機磷的含量Table 2 Organic P and inorganic P contents in different types of terraces

2.4 土壤鐵氧化物特征

3 種類型梯田土壤的鐵氧化物均以Fed為主（表3），占Fet的51.6%～89.9%，其中FL 的Fed和晶質鐵隨土層深度增加呈上升趨勢，而DLT 和PT 則呈先升高后下降的趨勢，在土壤剖面中始終以DLT 的含量最高；FL 和PT 的Feo隨深度增加呈下降-上升-下降的波動變化，而DLT 則呈降低趨勢，土壤剖面中0～40 cm 以PT 的Feo含量最高，而40 cm 以下則以DLT 的Feo含量最高。低山坡地營造梯田明顯增加了鐵活化度，而PT 0～40 cm 和DLT 40 cm 以下土壤的鐵晶膠率明顯降低，對兩種梯田的鐵游離度沒有明顯影響。

表3 不同類型梯田土壤中鐵氧化物特征Table 3 Characteristics of Fe oxides in different types of terraces

2.5 土壤性質與磷組分的關系

土壤不同磷組分與土壤理化性質相關性（表4）表明，土壤不同磷組分均與有機碳、全氮呈顯著或極顯著正相關，而與pH 和黏粒均無顯著相關性；PAC、AP、TP 與Feo、活化度呈顯著正相關，與Fed、晶質鐵和晶膠率呈極顯著負相關；OP 與Feo呈顯著正相關，與晶膠率呈顯著負相關；IP、Al-P 和Ca-P 均與各鐵氧化物呈顯著相關關系；Fe-P 與Fed、晶質鐵、游離度和晶膠率呈顯著負相關，與活化度呈極顯著正相關；O-P 與Feo呈顯著正相關，與游離度和晶膠率呈顯著負相關。

表4 土壤磷組分與土壤理化性質的相關性Table 4 Correlation between soil P components and physicochemical properties

土壤不同組分磷之間的相關分析表明（表4），PAC、AP 與所有組分磷之間均呈極顯著正相關；O-P 與除Ca-P 外的各組分磷均呈極顯著正相關；IP 與各組分磷均呈極顯著正相關；Al-P與Fe-P、Ca-P 呈極顯著正相關，與O-P 呈顯著正相關；Fe-P 與O-P、Ca-P 呈極顯著正相關，O-P與Ca-P 呈顯著正相關。

土壤不同磷組分均與有效磷、PAC 呈極顯著正相關，說明簡單的相關性分析已無法解釋不同磷組分對磷有效性的貢獻狀況。因此采用逐步回歸分析和通徑分析研究不同磷組分對磷有效性的貢獻，以PAC 作為衡量土壤磷有效性的指標，將PAC 和土壤磷組分進行逐步回歸分析，可知土壤磷活化系數（PAC）=0.008×OP+0.005×Fe-P-0.424（R2=0.910,F=15.43**），得出PAC 主要受OP 和Fe-P 的影響。不同磷組分對土壤磷有效性的通徑分析結果（表5）表明，各組分磷對PAC 的直接貢獻表現為OP（0.551）＞Fe-P（0.481）。OP 對PAC 的直接效應最大，Fe-P 通過OP 對PAC 的間接效應最大，由此表明PAC 主要受OP 的影響，OP 是該區土壤磷素有效性的主要貢獻者。

表5 土壤磷組分與土壤磷活化系數的通徑分析Table 5 Path analysis of soil P components and P activation coefficient

2.6 土壤磷組分的影響因素

以土壤磷組分作為響應變量，土壤理化性質和鐵氧化物作為解釋變量，進行冗余分析，其中Fed 和SOM 是影響土壤磷組分轉變的主要因子，結果發現第1 軸和第2 軸分別解釋變量的70.21%和9.50%（圖3）；Fed解釋變量最多，解釋了土壤磷組分變化的57.8%，并與Al-P 等無機磷組分呈顯著負相關；SOM 與OP 呈顯著正相關。

圖3 土壤理化性質與磷組分的 RDA 分析二維排序結果Fig.3 Two-dimensional sequence results of RDA analysis for soil physicochemical properties and P components

3 討論

3.1 土壤理化性質及磷有效性

不同類型土壤種植制度、施肥、耕作方式有所差異，植物根系類型、疏密程度、根系分泌物和所屬的根際土壤生態環境也不同，進而影響土壤的理化性質。本研究表層和亞表層土壤以PT有機質最高，主要原因是：（1）PT 植物殘體歸還量大，溶解性有機碳通量增加，促進了黏土礦物中Fe2+、Fe3+的釋放，該羥基氧化物會與有機碳發生共沉淀，降低微生物接觸，減少有機碳的分解；（2）缺氧條件下，植物殘體分解及根系分泌有機酸的脫羧基作用較慢，有機酸的保蓄時間變長，這有助于與黏土礦物、鐵氧化物的相互作用，增加了碳的積累［17］。碳氮之間較好的耦合性使得全氮與有機質表現出相似規律。土壤AP可直接被植物吸收利用，是表征土壤供磷狀況的重要指標，本研究中PT 的AP 含量最高，其原因可能是：（1）水稻生物量大且根系茂盛，可釋放大量的有機陰離子，與磷酸根離子競爭鐵氧化物上的吸附位點［18］；（2）稻田耕作措施可以刺激作物產生有益微生物，調節土壤磷組分的轉化形式來提高土壤有效磷含量［19］；（3）有機質豐富的官能團在鐵鋁化學鍵的協作下與土壤礦物螯合形成有機絡合物［20-21］，提高了土壤中磷素的截留，降低了滲漏和徑流造成的磷流失。

3.2 土壤磷組分特征

土壤OP 作為土壤磷庫的重要存在形式，是植物生長的重要磷源。在IP 含量低、固磷能力較強的土壤中，土壤OP 可通過微生物的礦化作用轉化成植物可直接吸收利用的有效態磷［22］。有研究表明［12-13］，由于亞熱帶土壤高風化、高淋溶的特點，OP 的周轉成為維持其土壤磷素高活性的基礎。土壤OP 的來源主要是動植物殘體轉化和有機肥的施用［4］，因此DLT 和PT 土壤OP 含量高于FL。微生物在土壤OP 的礦化過程中發揮重要作用，土壤C∶P 高時微生物表現出高生物活性［23-24］，而且微生物對碳的要求高于磷，因此足量的有機碳能夠提高OP 的礦化速率［25-26］，這是PT 的OP 含量較DLT 的少的原因。本研究發現，低山林地土壤以OP 略微占優，而營造梯田土壤，OP 占比從50%下降到20.78%～33.18%，這說明坡地營造梯田后，通過促進OP 的礦化來提升土壤AP 的含量。

本研究中，土壤IP 占土壤全磷的43.83%～79.22%，而無機磷主要以Fe-P 和O-P為主，與沈乒松等［27］研究結果一致，這可能與亞熱帶區域土壤脫硅富鐵鋁化有關。3 種土壤的無機磷組分在剖面分布呈“C”字型或者下降-上升-下降的波動變化，且以表層土壤含量最高，其原因可能是：（1）磷肥和有機肥的表施；（2）植物根系隨下表層磷素的吸收，最終會以有機殘茬的形式聚集在表層；（3）剖面上層存在大量的腐殖酸膠體，增強了對磷的吸附；（4）磷素的移動能力較弱，不易從剖面上層淋溶下移。其中，梯田土壤各磷組分含量在0～40 cm 之間降低趨勢明顯，這可能與作物根系分布的深度有關；含量最低出現在60～80 cm 土層，這可能與土壤地下水的深度有關，磷會隨地下徑流而損失。低山坡地營造梯田對土壤IP 有顯著影響，梯田土壤各無機磷組分均有不同程度的增加，其中以PT 土壤的Al-P、Fe-P 和Ca-P 含量最高，Al-P 和Fe-P可在淹水條件下轉化成溶解性磷進入到土壤溶液中，而且植物根系受水淹脅迫，會分泌有機酸截留一部分Ca-P，這是導致PT 土壤IP 富集的重要原因［28］；而DLT 周期性的耕作措施能夠提高土壤孔隙度，增加空氣的流通量，好氧型微生物富集，促進土壤OP 向IP 轉化。本研究還發現，坡地營造梯田過程中，O-P 的比例從7.69%～13.58%上升到22.97%～41.96%，說明營造梯田雖然能夠提升各有效態無機磷組分含量，但是無效態磷的含量也顯著增加，這是目前坡地土壤資源開發利用亟待解決的問題。

3.3 影響磷有效性的環境因子

土壤不同磷組分之間會相互轉化、制約，因此土壤磷組分處于一個動態平衡過程，其對磷素有效性的貢獻狀況受到pH、干濕狀況、有機碳、鐵鋁氧化物和生物活性等系列環境因素的影響。本研究中，OP、IP 和各無機磷組分均與PAC 呈顯著或極顯著正相關，說明這些磷組分都是影響土壤磷有效性的重要磷源。通過通徑分析，可知OP 對PAC 的直接通徑系數為0.551，OP 是土壤有效磷的敏感磷源，印證了亞熱帶土壤OP 是土壤磷高活性的基礎［12-13］；OP 通過Al-P 影響PAC 的間接通徑系數為0.340，說明OP 可轉化為作物易吸收利用的Al-P 來間接影響土壤磷活性。

本研究發現，Fed和SOM 是影響粵北梯田區土壤磷組分關鍵因子。鐵氧化物具有巨大的活性表面，能夠增強對土壤磷素的吸附固持，抑制OP的礦化，降低土壤磷的有效性［29-31］。本研究中，鐵氧化物以Fed為主，這與王濤等［11］研究結果一致。Fed除了具備這種吸持特性外，由于其結晶度差，還會使Fed 吸持的磷解吸，釋放再次進入土壤［3,32］。因此，Fed可作為土壤磷素的臨時貯存倉，一方面可以降低土壤剖面中土壤磷素的流失；另一方面必要時可以釋放磷供給作物吸收利用。PT 土壤由于周期性的干濕交替，會嚴重破壞Fed的結晶度，加上水稻秸稈還田，導致匯入土壤的有機質通量增加，有機質的分解會使Fed分解為水溶性鐵，之后進一步轉化為Feo，從而降低土壤剖面中Fed 的含量，增加了土壤磷的有效性［3,33］。土壤碳與磷的元素循環具有耦合性，有機物分解釋放碳，也是土壤磷的供應過程，可有效地改變土壤磷組分［26］。土壤SOM 含量的增加能為土壤生物的生命活動提供更多的能量，促進微生物群落的繁殖。微生物一方面可吸收利用土壤中的無機磷，避免被土壤鐵鋁氧化物和黏粒固持；另一方面分泌磷酸酶能夠激發土壤磷的有效性［34］。有研究報道［12］，土壤酸性磷酸單酯酶和磷酸雙酯酶是影響亞熱帶地區土壤驅動磷組分變化的主要因子，由于這些磷酸酶主要來源于微生物，其活性與微生物群落的豐度緊密相關。SOM具有豐富的官能團，對鐵鋁有較高的親和性，與土壤中磷酸根離子競爭吸附位點，從而削弱對土壤磷素的吸附［35］；有機物的分解過程還會產生K、Ca 等金屬陽離子，結合磷酸根離子，提高土壤磷的有效性［36］。

4 結論

本研究結果表明，林地土壤AP 和PAC 含量較低，說明該區域林地磷供應能力較弱；營造梯田明顯增加了AP 和PAC 含量，而且改變了土壤磷組分在剖面中的分配格局，與林地相比，梯田土壤磷均以無機磷為主，其中Fe-P 和O-P 所占比例較高。有機磷和各無機磷組分均對磷的有效性產生影響，其中有機磷對磷活化系數的影響最大，有機磷是該區域土壤磷有效性的敏感磷源，而游離鐵和有機質是驅動土壤磷組分轉化的關鍵影響因子。粵北低山坡地營造梯田能促進有機磷的礦化，提高土壤磷的有效性，其中以水稻梯田為該區域最佳利用方式。