丹霞山不同土地利用方式土壤磷組分特征及其有效性

王超，楊倩楠，張池，劉同旭，張曉龍，陳靜，劉科學*

1.廣州新華學院資源與城鄉規劃學院，廣東 廣州 510520；2.廣東省華南城鄉經濟社會發展研究院，廣東 廣州 510642；3.華南農業大學資源環境學院，廣東 廣州 510642；4.廣東省科學院生態環境與土壤研究所/農業環境污染綜合控制與治理重點實驗室，廣東 廣州 510650

磷（P）是植物生長發育必需的營養元素之一，是影響陸地生態系統結構功能和穩定性的重要養分因素（Fan et al.，2018）。與碳氮來源不同，土壤磷主要來源于成土母質、礦質巖石的礦化釋放（Weihrauch et al.，2018），因此土壤磷與該地區的風化淋溶程度以及環境特征具有密切聯系。亞熱帶地區淋溶風化作用強烈，土壤礦物中磷釋放速率較快，但常因頻繁的降雨，雨水的沖擊和剪切力作用導致嚴重水土流失和土壤退化（Li et al.，2013），引起土壤磷不足。而且亞熱帶地區土壤普遍呈酸性，土壤磷通常會被土壤黏土礦物和鐵鋁氧化物以專性吸附固定（Chen et al.，2014；Chen et al.，2020），若土壤顆粒表面電荷豐富，磷還會與土壤溶液中的游離態金屬氧化物（鐵、鋁、鈣等）發生沉淀反應形成高穩定性磷酸鹽。Fan et al.（2018）認為土壤磷是亞熱帶地區土壤凈初級生產力的主要限制性養分元素。

土壤磷大多與土壤組成物質結合形成不同形態的磷，這些不同結合形態磷之間的轉化直接影響著土壤磷的有效性（Fu et al.，2020）。根據土壤磷的溶解度和生物利用率的差異，分為速效磷、易分解磷、中等易分解磷和難利用磷（Hou et al.，2016）。眾多研究表明，土壤磷組分及有效性隨生態環境的變化表現出差異性，如受土壤pH（Fujita et al.，2017）、有機碳（Maranguit et al.，2017）和金屬氧化物（Chen et al.，2014；Chen et al.，2020）等因素的影響。此外，土壤微生物在磷組分轉化、維持磷高有效性中發揮著至關重要的作用（Turner et al.，2013）。土壤微生物可以吸收部分有效磷以維持自身生命活動，在微生物死亡后，其固持的磷會再次歸還土壤，成為可被植物體吸收利用的重要磷源（Turner et al.，2013）。錢前等（2022）研究表明，喀斯特地貌生態恢復可有效提高土壤有效磷含量，而微生物生物量磷（MBP）則是驅動土壤磷組分轉化的重要影響因子。磷酸酶能夠將有機磷礦化分解為無機磷酸鹽，增加土壤磷有效性（陳蘇等，2021）。植物體根系分泌物可通過刺激磷酸酶活性（Herbert et al.，2015），加快土壤磷的礦化釋放速率。

“中國丹霞”是中國陸地生態系統的重要組成部分，據統計，中國共有1 057 處丹霞地貌，面積達2×105km2，占國土總面積的2.08%（齊德利等，2016）。丹霞地貌形似喀斯特地貌，具有溝槽、石洞、陡崖等結構，土-石-稀疏植被的組成特征使得土壤結構松散、土壤養分難以固持，而且強烈的淋溶風化作用導致土壤鐵鋁氧化物豐富，致使土壤營養元素的遷移性弱（Wang et al.，2010）。與喀斯特地貌不同的是，丹霞地貌發育于紅色砂礫巖，鈣鎂元素未見富集，pH 偏低，而且土壤水分低，更易受風蝕、水蝕影響（何祖霞等，2012；Yan et al.，2019）。土地利用轉變已被證明是改變一系列生態系統服務和功能來扭轉土地生產力下降的有效做法。土地利用是通過植被類型和其他相關屬性的變化影響土壤物理、化學和微生物特性的最重要因素之一。最重要的是，土地利用轉變改變了土壤磷的狀態和分布，而土壤磷對植物和微生物至關重要。目前，關于南方脆弱生態系統方面的研究多見于喀斯特地貌，其有關不同利用方式和植被恢復對土壤養分循環的研究已有較多報道（Tian et al.，2020；錢前等，2022）。但我們對丹霞地貌土壤養分分布特征知之甚少，尤其亞熱帶區域土壤限制性養分P 的研究就更為重要。

本研究選取廣東丹霞山世界地質公園4 種土地利用方式土壤（喬木林AF、灌木林SL、撂荒草地AG 和農田CL）作為對象，分析了土壤MBP、磷酸酶活性與土壤基本理化性質之間的關系，旨在探明不同土地利用方式對丹霞生態脆弱區土壤磷組分轉化和有效性的影響及其驅動因子，以期為丹霞生態脆弱區選擇高效土地利用方式和為生態恢復、生態環境的可持續性發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于廣東省韶關市仁化縣境內丹霞山世界地質公園（24°51′48″－25°04′12″N，113°36′25″－113°47′53″E），屬南亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫19.9 ℃，年平均日照時間1 469 h，年平均降雨量1 512.3 mm，3－8月降雨量占全年降雨量的75%。研究區平均海拔220 m，地質是由紅色砂礫巖層構成的丹霞地貌，土壤類型以紅壤為主。

1.2 土壤樣品采集

廣東丹霞山是丹霞地貌的命名地，在地層、構造、地貌表現、發育過程、營力作用以及自然環境、生態演化等方面的研究在全國丹霞地貌區最為詳細和深入，已經成為全國乃至世界丹霞地貌的研究基地（圖1）。上個世紀50 年代林地大面積的開墾和耕地化造成了該區域森林的銳減和生態系統的退化，后來受退耕還林政策的影響，人工促進生態修復形成該區域4 種主要的植被類型：喬木林（Arbor Forest，AF）、灌木林（Shrubland，SL）、撂荒草地（Abandoned grassland，AG）和農田（Cropland，CL）。在過去40 年中，農田主要以種植玉米、菜心等旱作農業為主。撂荒草地為這些農田撂荒，在無人為干擾情況下進行被動恢復所形成的。灌木林和喬木林則是在農田撂荒的基礎上，主動種植樹木形成（表1）。本研究以4 種利用方式土壤為研究對象，在丹霞山不同土地利用方式區域，間隔200－300 m，隨機設置3 個10 m×10 m 的采樣小區，共計12 塊采樣小區，按S 型5 點采樣法，采集不同深度土樣（0－20 cm 和20－40 cm），將同一土層深度的5 點樣品充分混合。采集的土樣去除大塊石礫和根系等植物殘體，分成兩份，一份用采樣袋收集帶回實驗室，經自然風干研磨過10 目和100 目篩用于測定土壤基本理化性質，另一份用自封袋密閉收集后置于冰箱中4 ℃保存，后續進行微生物量磷和磷酸酶活性的測定。

表1 樣地基本信息Table 1 Condition of different sample plots

圖1 丹霞山采樣點位置圖Figure 1 Location of soil sampling in Danxia Mountain

1.3 測定方法

土壤基本理化性質測定方法參考《土壤調查實驗室分析方法》（張甘霖等，2012）。pH 采用電位計法測定（水土比2.5?1）；容重（BD）采用環刀法測定；有機碳（SOC）采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法；溶解性有機碳（DOC）采用去離子水浸提（水土比5?1）-元素分析儀測定（CE-440，美國加聯有限公司）；無定型鐵（Feo）采用草酸-草酸銨溶液浸提法測定；NH4+-N 和NO3?-N 采用氯化鉀浸提-分光光度計比色法測定。土壤基本理化性質測定結果見表2。

表2 土壤基本理化性質Table 2 Basic physicochemical properties of soil samples

土壤磷組分測定采用Tiessen et al.（1993）改進的分級方法，主要包括樹脂膜浸提態磷（Resin-P）、碳酸氫鈉溶液浸提態有機磷（NaHCO3-Po）和無機磷（NaHCO3-Pi）、氫氧化鈉浸提態有機磷（NaOHPo）和無機磷（NaOH-Pi）、氫氧化鈉浸提-超聲波處理提取態有機磷（NaOHu.s-Po）和無機磷（NaOHu.s-Pi）、HCl 浸提態磷（HCl-P）和濃酸消解的殘留態磷（Residual-P），磷組分均采用連續流動分儀（F9700，青島壹壹儀器有限公司）測定。參考Hou et al.（2016）研究結果，將植物對不同磷組分的吸收和利用難易程度分為：（1）速效磷包括Resin-P，為植物可直接吸收利用的無機磷組分；（2）易分解磷包括NaHCO3-Po和NaHCO3-Pi；（3）中等易分解磷包括NaOH-Po和NaOH-Pi；（4）難利用磷包括NaOHu.s-Po、NaOHu.s-Pi、HCl-P 和Residual-P。根據磷組分生物有效性分為有機磷（NaHCO3-Po、NaOH-Po和 NaOHu.s-Po）、無機磷（Resin-P、NaHCO3-Pi、NaOH-Pi、NaOHu.s-Pi、HCl-P 和Residual-P）。

微生物磷（MBP）采用氯仿熏蒸-碳酸氫鈉浸提法，流動分析儀（F9700，青島壹壹儀器有限公司）測定，浸提系數為0.40。土壤堿性磷酸酶（ALP）和酸性磷酸酶（ACP）活性以傘形酮為指示底物取1.00 g 新鮮土樣于pH 為11 的醋酸鹽緩沖溶液的廣口瓶中，磁力攪拌器均勻攪拌5 min。隨后移取200 mL 懸濁液于微孔板中，用多功能酶標儀（Spectra Max M5，上海美谷分子儀器有限公司）測定。

1.4 數據分析

Excel 2019 軟件處理數據和SPSS 24.0 軟件進行統計分析。數據為均值±標準差（SD）。采用雙因素方差和成對樣本T檢驗對土壤磷組分、微生物磷和磷酸酶活性進行顯著性檢驗（P<0.05）。采用Pearson 相關性分析土壤變量與微生物磷、磷酸酶之間的關系。采用軟件Canoco 5.0 進行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）。PCA 結果通過置換多元方差分析（PERMANOVA）進行顯著性檢驗。采用Origin 2020 軟件對圖形進行繪制。

2 結果與分析

2.1 土壤碳氮養分

土地利用方式、土層深度及其交互作用顯著影響土壤有機碳、全氮和C?N（圖2）。不同土層土壤有機碳、全氮和C?N 均表現顯著差異（P<0.05），除SL 和CL 土壤C?N 外不同利用方式的有機碳、全氮和C?N 均表現為0－20 cm 大于20－40 cm（圖2）。土壤有機碳含量為4.37－24.32 g·kg?1，以AF 土壤最高，較其他土地利用方式提高了66.4%－310.9%。而全氮含量以SL 土壤最高，顯著高于其他土地利用方式，AG 土壤含量最低，為0.73 g·kg?1。AF 和AG 土壤C?N 之間無明顯差異（P>0.05），但顯著高于SL 和CL 土壤（P<0.05），其中CL 土壤C?N 最低，為3.54。

圖2 土壤有機碳（a）、全氮（b）及碳氮比（c）變化Figure 2 Changes of soil organic carbon (a), total nitrogen (b) and their ratios (c)

2.2 土壤磷組分

土地利用方式、土層深度及其交互作用顯著影響土壤總磷、無機磷和有機磷含量（圖3）。與CL相比，AF 和SL 土壤總磷、無機磷和有機磷顯著增加，分別提高了70.8%－332.2%、71.0%－319.9%和70.5%－346.6%（圖3），其中AF 土壤表現出最高的含量。而AG 和CL 土壤之間總磷、無機磷和有機磷均無顯著差異（P>0.05）。

圖3 土壤總磷（a）、無機磷（b）和有機磷（c）含量變化Figure 3 Changes of soil total phosphorus (a), inorganic phosphorus (b) and organic phosphorus (c) contents

根據圖4 和表3 得知，土壤難利用磷含量和占比最高，中等易分解磷次之，速效磷最低。不同利用方式各磷組分含量均表現為0－20 cm 大于20－40 cm（除SL 土壤易分解磷、中等易分解磷和CL 土壤易分解磷）。AF 土壤各磷組分含量均顯著高于其他土地利用方式（P<0.05），其中SL 和AG 土壤速效磷、易分解磷和中等易分解磷含量之間均無明顯差異（P>0.05）。難利用磷含量在不同利用方式之間呈兩兩顯著（P<0.05），表現為AF>SL>AG>CL。此外，土壤無機磷占比為49.5%－61.2%，略大于有機磷占比。

表3 土壤磷組分占總磷的比例Table 3 Changes of the percent of soil phosphorus fractions %

圖4 土壤磷組分含量變化Figure 4 Changes of soil phosphorus fractions contents

2.3 土壤微生物量磷和磷酸酶活性

土地利用方式和土層深度對土壤MBP、ALP 和ACP 均有顯著影響（圖5）。不同土地利用方式表層土壤MBP 含量和ALP 活性顯著高于亞表層土壤（除SL 兩土層MBP 含量無明顯變化）（P<0.05）。與CL 相比，AF、SL 和AG 土壤MBP 顯著增加（P<0.05），且以AF 土壤（33.9 mg·kg?1）最高。土壤ALP 活性在不同利用方式之間兩兩差異顯著，AF 土壤顯著高于其他利用方式（P<0.05），分別提高了22.6%、36.0%和73.0%，CL 土壤表現為最低。相較于CL 和AG，AF 和SL 土壤ACP 活性顯著增加（P<0.05），其中CL 表現出最低的ACP 活性。

圖5 土壤微生物量磷（a）、堿性磷酸酶（b）和酸性磷酸酶（c）活性變化Figure 5 Changes of soil microbial biomass phosphorus (a) and alkaline phosphatase activities (b), acid phosphatase activities (c)

2.4 土壤微生物量磷和磷酸酶活性與環境因子的相關性

土壤MBP 與pH、DOC、SOC、NH4+-N 呈極顯著正相關，與C?N 呈顯著正相關，與BD 呈極顯著負相關（圖6a）。土壤ALP 活性與pH、DOC、SOC、C?N、NH4+-N 呈極顯著正相關，與NO3?-N 呈顯著正相關，與BD 呈極顯著負相關（圖6b）。土壤ACP 活性與pH、DOC、SOC、TN 和呈極顯著正相關，與BD 呈極顯著負相關（圖6c）。

圖6 土壤微生物量磷（a）、堿性磷酸酶（b）、酸性磷酸酶（c）與環境因子的相關性Figure 6 Relationship between soil microbial biomass phosphorus (a), alkaline phosphatase activities (b), acid phosphatase activities (c), and soil physicochemical properties

2.5 土壤P 組分與環境因子的相關性

PCA 和PERMANOVA 結果表明，土地利用方式顯著影響該區域土壤磷組分，AF 與其他利用方式存在較大差異，而且土壤磷組分指標均指向AF，表明AF 有利于土壤各磷組分含量的增加（圖7a）。冗余分析結果（圖7b）顯示，環境因子解釋了土壤磷變異的98.4%信息，第1 軸和第2 軸分別解釋了變量的96.3%和2.1%，其中Feo、NO3?-N 和NH4+-N 含量顯著影響土壤磷組分的轉化。Feo對土壤磷組分的解釋率最高為86.3%（P<0.01），其次為NO3?-N，解釋率為8.0%（P<0.01），Feo和NO3?-N 與各磷組分均呈顯著性正相關。

圖7 不同利用方式土壤磷組分的主成分分析（a）和冗余分析（b）Figure 7 Principal component analysis (a) and redundancy analysis (b) on changes of soil phosphorus fractions under different land uses

3 討論

3.1 丹霞地貌土壤磷組分特征

土地利用與管理措施影響著土壤養分元素的輸入和輸出，進而影響土壤養分元素的生物有效性（Redel et al.，2008）。本研究中，AF 土壤各磷組分含量均顯著高于其他土地利用方式，這與前人的研究結果保持一致（Zhang et al.，2021；錢前等，2022）。農田向林地的轉變，土壤磷含量提高主要歸功于凋落物在地表的積累。一方面，凋落物中富含的大量低分子有機酸是土壤微生物易利用的碳源（Santos et al.，2017；Ma et al.，2022），刺激微生物活性，正反饋效應加速了凋落物淋溶分解，并通過各生化機制促進了土壤磷循環系統轉化速率。另一方面，釋放出的低分子有機酸可作為土壤有機膠結物質，其豐富的官能團能與土壤礦物形成有機-無機復合體（Cavalcante et al.，2018），增強對土壤P 素的截留能力。而且在碳源充足的情況下，土壤微生物豐度和活性增加（圖5），微生物會利用更多能量拓寬限制性磷的吸收范圍（Fujita et al.，2017）；凋落物中可迅速礦化的有機物以有效磷為主，促進了有效磷的歸還和積累。AF 土壤pH 顯著提高（趨近于中性，表2），土壤溶液中自由羥基含量較多，改變了土壤膠結物質與土壤溶液中磷酸根離子的交換過程影響土壤磷的固定與釋放（Turner et al.，2013）。采樣期間我們還發現CL 土壤有明顯侵蝕現象，物理結構松散，土壤固持磷養分的能力較弱。本研究中土壤磷素主要以難利用磷為主，植物體利用難度較大，必須經過解吸、礦化等復雜過程才能轉化為植物吸收利用的形態（Maranguit et al.，2017）。這是由于亞熱帶土壤脫硅富鐵化，豐富的鐵氧化物與游離的磷酸根結合形成了生物利用度較低的磷酸-鐵復合物。雖然難利用磷雖然短時間不能被利用，但隨著土壤淋溶風化和生物化學作用的進行，未來可能成為土壤有效態磷的潛在磷源。Zhang et al.（2016）發現隨著亞熱帶森林植被演替，潛在磷源在維持土壤高水平磷有效性中起著關鍵作用。

3.2 丹霞地貌土壤微生物量磷和磷酸酶活性特征

土壤微生物活性對土地利用的響應往往較土壤磷組分更敏感（Sun et al.，2018），研究土壤微生物量和酶活性對于了解丹霞地貌土壤磷循環具有重要意義。本研究中AF 土壤MBP 含量顯著高于其他利用方式。錢前等（2022）研究不同土地利用和生態恢復方式下土壤磷特征時，也發現相較于人為干擾強度大的耕地和果園，自然恢復林地具有更高的土壤MBP 含量。MBP 與SOC、DOC 呈顯著正相關，碳、磷元素具有很好的耦合效應，即有機物質礦化分解也是土壤磷的供應過程，AF 土壤人為擾動低，枯枝落葉等凋落物長期沉積在地表，經過腐殖化作用形成腐殖類物質，為土壤磷的供應提供了足量的碳源。根據胞外酶合成的資源分配模型，當土壤磷需求量大，微生物應優先將其資源分配給獲取磷的酶合成（Fujita et al.，2017）。林地生物量大，植物需要較多的磷素，使得土壤微生物量磷含量明顯高于其他土地利用方式，由此土壤微生物更加傾向于合成磷酸酶。本研究還發現，磷酸酶活性（ALP 和ACP）也與SOC、DOC 呈顯著正相關，這說明林地土壤能夠通過積累有機碳，為土壤微生物的生命活動提供能量，從而提高土壤磷酸酶活性。大量研究（Mander et al.，2012；Magadlela et al.，2023）表明，有機磷相關細菌能夠利用土壤中的核酸類、磷脂類富含磷酸基團的有機物質，刺激磷酸酶合成，從而有利于磷有效性提高。

3.3 丹霞地貌土壤磷組分轉化的調控因素分析

冗余分析結果表明，驅動丹霞退化區土壤磷組分轉化的主要因子為土壤Feo、NO3?-N 和NH4+-N。本研究中Feo與各磷組分均呈顯著正相關，這是因為研究區域位于南亞熱帶季風氣候區，土壤淋溶風化嚴重，土壤呈現脫硅富鐵化現象，鐵氧化物在土壤生態系統中的作用起到關鍵。鐵氧化還原系統是亞熱帶土壤重要的氧化還原體系，鐵氧化物是電子的受體和供體，參與土壤重要的生物化學過程（Chen et al.，2020），如二價鐵氧化物參與芬頓反應產生的活性氧能裂解頑固態有機碳分子，增加土壤有機物質的生物有效性（Chen et al.，2019），從而間接影響土壤磷的有效性。Feo相較于其他鐵氧化物具有更大的表面活性能（Chen et al.，2014），對土壤磷素的吸附固持能力更強，但是由于其結晶度較差，外界環境的擾動會破壞不穩定的礦質晶格，使得吸附的磷重新釋放，提高土壤磷有效性，因此，Feo對土壤磷起到臨時儲存的作用，既可以降低水土流失造成的磷素損失，而且在必要時能釋放吸附的磷素供給植物體吸收利用。本研究中，NO3?-N 和NH4+-N 均與土壤各磷組分呈正顯著相關。張磊等（2022）在亞熱帶米儲自然林的磷素有效性的影響因素研究中也發現，氮是磷組分變化的主要驅動因子之一。Houlton et al.（2008）基于全球范圍的結果表明，土壤氮有效性的增加，不但溶磷菌和解磷菌活性隨之增加，而且還會刺激微生物分泌更多磷相關酶促進土壤固持磷的釋放。此外，氮素還能通過改變土壤養分元素的耦合關系，降低土壤C?N，刺激土壤沉積的腐殖類物質的礦化分解，加速土壤養分元素釋放，從而增加土壤磷有效性（Fan et al.，2018）。綜上所述，隨著土地利用方式轉變，丹霞地貌區土壤一方面通過提高無定型鐵對磷素固持作用減少流失，另一方面增加土壤礦質氮，協同耦合土壤磷組分轉化，從而增加土壤磷生物有效性。

4 結論

不同土地利用方式中，與農田比，喬木林和灌木林土壤各磷組分含量顯著增加，說明退耕還林有利于土壤磷水平的提高，而且林地土壤微生物量磷也較高，林地土壤具有較好的磷素循環特征。

喬木林和灌木林的堿性磷酸酶和酸性磷酸酶活性均較高，說明退耕還林可以通過刺激土壤微生物分泌磷酸酶，進而礦化有機磷，改善土壤磷狀況。

丹霞地貌不同土地利用方式下，土壤磷組分及其有效性主要由無定型鐵和礦質氮來驅動，農田向林地的轉化對磷素循環具有正向作用。由此可見，農田向林地的轉變有效提高了該區域土壤固磷能力，同時促進土壤磷結構的改善，因此，丹霞地貌區農田可通過退耕還林以緩解土壤磷限制從而恢復土壤地力。