韓 馥, 王百群,2,3, 張尚鵬, 喻佳洛

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊陵 712100;3.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊陵 712100; 4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京100049)

磷素是植物生長(zhǎng)所需的重要營(yíng)養(yǎng)元素之一，土壤磷素的供給能力與植物生長(zhǎng)狀況有著密切的關(guān)系，同時(shí)植物也會(huì)對(duì)土壤磷素的變化產(chǎn)生明顯的影響作用。土壤磷素一直是土壤—植物系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)與平衡研究的重要領(lǐng)域之一[1-3]。在自然林草生態(tài)系統(tǒng)中，未施肥磷素化肥條件下，長(zhǎng)期生長(zhǎng)的植被對(duì)土壤磷素的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程起著積極的推動(dòng)作用[4]，因此，有必要對(duì)自然植被條件下土壤磷素的變化進(jìn)行研究。有些研究者對(duì)不同區(qū)域農(nóng)田土壤肥力的基礎(chǔ)及磷素的變化及其有效性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[5-10]。為了揭示土壤養(yǎng)分在土壤中的貯存形式，一些研究對(duì)土壤養(yǎng)分在不同土壤顆粒中的分布特點(diǎn)進(jìn)行了研究[11-17]。一些學(xué)者對(duì)不同植被生態(tài)系統(tǒng)中土壤—植被生態(tài)系統(tǒng)中磷素循環(huán)進(jìn)行了研究，這些研究為認(rèn)識(shí)和調(diào)控區(qū)域農(nóng)田及林草地土壤中磷素的循環(huán)過(guò)程具有重要的意義[18-19]。在黃土高原丘陵區(qū)的一些地區(qū)，分布有不同的植被類型，為研究植被與土壤磷素的關(guān)系提供了研究條件，因此，有必要對(duì)該區(qū)不同類型植被條件下土壤磷素的變化與分布進(jìn)行研究。

本項(xiàng)研究以黃土丘陵區(qū)的子午嶺林區(qū)坡耕地、草地及林地3種不同類型植被生態(tài)系統(tǒng)為對(duì)象，研究不同植被下土壤全磷的剖面分布、土壤團(tuán)聚體的構(gòu)成特點(diǎn)及磷素在不同粒級(jí)團(tuán)聚體中的分布，以此來(lái)闡明植被對(duì)土壤團(tuán)聚體和磷素變化的驅(qū)動(dòng)作用，揭示植被對(duì)土壤地球化學(xué)的影響，明確土壤—植被系統(tǒng)中磷素行為。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)基本概況

本文所選的研究區(qū)位于甘肅省隴東子午嶺林區(qū)的慶陽(yáng)市合水縣連家砭生態(tài)林場(chǎng)。研究區(qū)海拔高度為1 100～1 500 m，黃土覆蓋深厚，其厚度為50～100 m，地貌類型屬于典型的黃土丘陵。該區(qū)年平均降水量為587.6 mm，其中7月和8月的降雨量約占全年總降水量的40%，干燥度約為0.97，年均溫為7.40℃，屬于典型的暖溫帶半干旱冷涼氣候[20]。土壤類型主要以石灰性褐土為主，其次為粗骨褐色土，再次為潛育化草甸土，主要分布于溝底兩側(cè)低位階地及溝道。本區(qū)的地帶性植被類型屬于森林草原[20]。

1.2 研究樣地概況

(1) 坡耕地。坡耕地種植的主要作物為谷子(Setariaitalica)、土豆(SolanumtuberosumL.)、玉米(ZeamaysL.)或黃豆(Glycinemax(L.) Merr.)輪作。坡耕地的坡度為10°～15°。

(2) 白羊草地。白羊草地的坡度為8°～12°。白羊草草地植物以白羊草(Bothriochloaischaemum)為主，占到植物總量的85%，草地中還分布有其他植物種類，包括短花針茅(StipabrevifloraGriseb)、茭蒿(ArtemisiagiraldiiPamp.)、豬毛蒿(ArtemisiascopariaWaldst. et Kit. )、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)、白頭翁(Pulsatillachinensis(Bunge)Regel)、蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz)、糙葉黃耆(Astragalusscaberrimus)、香青(AnaphalissinicaHance)、菊葉委陵(Potentillatanacetifolia)菜等植物[20]。白羊草地的地上生物量總計(jì)為750 g/m2。

(3) 遼東棟林地。遼東棟林地坡度為6°～10°。在遼東櫟林地中，喬木層主要是遼東櫟(QuercuswutaishanseaMary)，林下的主要植物包括茜草(RubiacordifoliaL.)、異穗苔草(CarexheterostachyaBge.)、紅瑞木(SwidaalbaOpiz)、糙葉五加(Acanthopanaxhenryi(Oliv.)Harms)、鵝耳櫪(CarpinusturczaninowiiHance)、金銀忍冬(Loniceramaackii(Rupr.) Maxim.)、蔥皮忍冬(LoniceraferdinandiiFranch.)、鞘柄菝葜(SmilaxstansMaxim. )、水栒子(CotoneastermultiflorusBge.)等[20]。地表枯枝落葉層厚度為3～5 cm，主要由處于腐解及半腐解狀態(tài)的植物葉片和枯枝殘?bào)w構(gòu)成。

1.3 土壤樣品采集與測(cè)定方法

1.3.1 土壤樣品采集方法 分別選擇白羊草草地、遼東櫟林地和坡耕地為研究樣地，在每塊研究樣地中，隨機(jī)選擇9個(gè)土壤樣品采樣點(diǎn)，在每個(gè)采樣點(diǎn)，除去地表植物枯落物，挖掘一個(gè)土壤剖面，采集剖面不同深度土層原狀土壤樣品，采樣土層深度分別為0—5 cm、5—15 cm、15—25 cm、25—35 cm和35—50 cm，在這9個(gè)樣點(diǎn)中，隨機(jī)選擇3 個(gè)采樣點(diǎn)作為一組，將相同深度土層的原狀土壤樣品放在一起，形成一個(gè)混合原狀土壤樣品，構(gòu)成每塊樣地中各個(gè)取樣土層的3個(gè)重復(fù)原狀土壤樣品。將土樣自然風(fēng)干，用于測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成和土壤磷素。

1.3.2 土壤樣品分析方法

(1) 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體組成的測(cè)定：采用濕篩法測(cè)定土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體構(gòu)成[21]。準(zhǔn)確稱取20.00 g 的風(fēng)干原狀土樣，置于2 mm 土壤篩中，將土壤平鋪于整個(gè)篩面，向土壤中噴去離子水，使土壤達(dá)到濕潤(rùn)狀態(tài)。在2 mm 土壤篩的下面套接1 mm、0.5mm和0.25 mm的篩，放入土壤套篩固定架中，將套篩放入裝有去離子水的鐵皮桶中，使水面淹沒(méi)上最上面的土壤套篩，在3cm距離的稱動(dòng)范圍內(nèi)，上下移動(dòng)套篩，移動(dòng)頻率為每分種移動(dòng)30次，共持續(xù)移動(dòng)10 min。將殘留在篩內(nèi)的土壤團(tuán)聚體全部轉(zhuǎn)入鋁盒中，在60℃的烘箱中，烘干10 h，烘干后，立即稱重。根據(jù)測(cè)定時(shí)所取的原裝土質(zhì)量和各粒級(jí)團(tuán)聚體的質(zhì)量，計(jì)算相應(yīng)粒級(jí)團(tuán)聚體的含量。將烘干后的團(tuán)聚體樣品進(jìn)行研磨，使其全部通過(guò)0.25 mm 篩子。

(2) 土壤及團(tuán)聚體中全磷的測(cè)定：酸溶鉬銻抗比色法[22]。稱取0.2500 g過(guò)0.25 mm篩的土樣或水穩(wěn)性團(tuán)聚體樣品，采用硫酸—高氯酸消煮樣品，鉬銻抗比色法測(cè)定。采用兩種方式表示各粒級(jí)中團(tuán)聚體磷的含量，一是以團(tuán)聚體質(zhì)量為基礎(chǔ)，表示團(tuán)聚體中全磷的含量；二是以原土整體質(zhì)量為基礎(chǔ)，表示團(tuán)聚體中全磷的含量。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2003對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析及繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布

不同植被條件下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布見(jiàn)圖1。在坡耕地、白羊草地及遼東櫟林地土壤中，>2 mm、1～2 mm、0.5～1 mm和0.25～0.5 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量隨著土層深度的增加，表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，然而，在這3類植被下，隨著土層深度的增加，土壤中<0.25 mm 的微團(tuán)聚體含量卻表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，表明在這3類植被條件下，隨土層深度增加，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性下降。比較這3種植被類型下相同土層土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的構(gòu)成，可以看出，在各土層中，>0.25 mm各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量為白羊草地>遼東櫟林地>坡耕地，而<0.25 mm水性含量為白羊草地<遼東櫟林地<坡耕地，由此表明，長(zhǎng)期生長(zhǎng)白羊草最有利用于大的土壤團(tuán)聚體的形成，遼棟林地次之，而長(zhǎng)期耕種的耕地土壤中，大的團(tuán)聚體較難形成，大團(tuán)聚體的數(shù)量少，而以微團(tuán)聚體(<0.25 mm)為主。土壤中團(tuán)聚體的形成及其穩(wěn)定性取決于多種因素，其中土壤中有機(jī)質(zhì)的積累狀況及土壤的擾動(dòng)程度對(duì)不同粒級(jí)團(tuán)聚體的形成有著密切的關(guān)系。在白羊草地中，由于植物根系及地上植物殘?bào)w向土壤輸入了有機(jī)物，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的累積；在遼東櫟林地，由于林冠向土壤歸還了大量的凋落物，從而促使土壤有機(jī)質(zhì)的累積。在這兩類植被條件下，有機(jī)質(zhì)的累積，而且土壤不受擾動(dòng)，是有益于形成大團(tuán)聚體和團(tuán)聚體穩(wěn)定性高的主要原因。在坡耕地中，由于耕作作用，易于引起土壤有機(jī)質(zhì)分解，而且農(nóng)作物收獲，向土壤中輸入有機(jī)物數(shù)量有限，土壤受人類耕作活動(dòng)擾動(dòng)，這些因素導(dǎo)致了坡耕地土壤有機(jī)質(zhì)不易累積，從而引起土壤大的團(tuán)聚體難以形成和保持，土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性較弱。

圖1 子午嶺不同土地利有類型土壤團(tuán)聚體構(gòu)成

2.2 土壤全磷的剖面分布

不同植被條件下土壤全磷的分布見(jiàn)圖2。在這3類植被條件下，表層土壤(0—5 cm)全磷含量的順序?yàn)槠赂?白羊草地>遼東櫟林地。坡耕地和白羊草地土壤全磷均隨剖面深度增加而下降，白羊草地中土壤全磷隨土層深度增加而下降的幅度最大。在遼東櫟林地土壤剖面中，5—25 cm 土層中土壤全磷的含量高于其他土層中全磷的含量。由此可見(jiàn)，這3類植被下，土壤剖面中全磷的分布模式不同。在坡耕地中，土壤全磷較高主要原因是由于施用磷肥，磷肥累積在土壤中。白羊草地中，由于植根系吸收下層土壤中的磷素，通過(guò)根系使下層土壤中磷素向上層土壤中遷移，上層土壤中植物根系分布較多，而且地上部植物殘?bào)w中的磷歸還到上層土壤中，這樣就由于植物的驅(qū)動(dòng)作用，導(dǎo)致了上層土壤中全磷含量明顯高于下層土壤中的含量。在遼東櫟林地中，地表堆積有大量的半腐解狀態(tài)葉片，表層土壤水分條件好，土壤孔隙較多，有利于水分傳輸，在降水條件下，地表半腐解狀態(tài)葉片中的可溶性磷及表層土壤中的可溶性磷隨水分入滲而向下層遷移，但是由于一方面土壤對(duì)磷有一定的吸持作用，另外土壤孔隙相對(duì)較小，這樣就使磷的遷移距離相對(duì)較短，所以導(dǎo)致5—25 cm土層中全磷的含量較高，這就是在林地中，通過(guò)凋落的植物葉片及其腐解過(guò)程來(lái)驅(qū)動(dòng)林地土壤全磷在一定深度土層范圍內(nèi)分布。

2.3 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中全磷的分布

為了比較分析不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中磷的分布及其在土壤全磷庫(kù)中的份額，分別以團(tuán)聚體質(zhì)量和原土質(zhì)量為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算團(tuán)聚體中全磷的含量，由此來(lái)考察磷素分布特點(diǎn)。首先分析各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷的含量。3類植被下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中全磷的分布見(jiàn)表1。在這3類植被下的土壤剖面中，>0.25 mm 各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體中全磷的含量高于<0.25 mm 的微團(tuán)聚體中全磷的含量。在坡耕地中，各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷的含量隨土層深度增加而降低。在白羊草地中，表層土壤(0—5 cm)中>0.25 mm的各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷的含量高于下層土壤的含量，而<0.25 mm 的團(tuán)聚體中全磷含量隨土層深度增加而下降。在遼東櫟林地土壤中，各土層中>0.25 mm的各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷的含量相近，但是<0.25 mm 的團(tuán)聚體中全磷含量隨土層深度增加而增加。由此可見(jiàn),在這3類植被下,土壤剖面中各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷含量隨土層深度的變化不盡相同。

以原土質(zhì)量為基礎(chǔ)計(jì)算的各粒級(jí)團(tuán)聚體全磷含量取決于各粒級(jí)團(tuán)聚體在土壤中所占的比例及團(tuán)聚體中全磷的含量水平。由表1中可以看出，在3類植被下的土壤中，分布在>0.25 mm的各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷量隨著土層深度的增加而下降，而分布在<0.25 mm 的團(tuán)聚體中的全磷量隨土層深度的增加而提高。在各個(gè)土層中，白羊草地和遼東櫟林地土壤中分布在>0.25 mm的各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷量高于坡耕地土壤分布在相應(yīng)粒級(jí)團(tuán)聚體中的磷量，但是，白羊草地和遼東櫟林地土壤中分布在<0.25 mm的團(tuán)聚體中全磷量低于坡耕地中分布在<0.25 mm的團(tuán)聚體中的量。這就表明，生長(zhǎng)自然林草植被有利用于促進(jìn)土壤磷素分布在大的團(tuán)聚體中，同時(shí)磷素也促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成和保持。

圖2 子午嶺不同植被下土壤全磷的剖面分布

表1 子午嶺不同植被下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體中的全磷分布 g/kg

注：表中括號(hào)內(nèi)數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)誤差。

3 結(jié) 論

林草植被有利于促進(jìn)土壤大的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，大團(tuán)聚體的含量隨土層深度增加而下降。林草植被土壤中，分布在>0.25 mm的各粒級(jí)團(tuán)聚體中全磷量隨著土層深度的增加而下降，而分布在<0.25 mm 的團(tuán)聚體中全磷量隨土層深度的增加而提高。表明了生長(zhǎng)林草植被有益于促進(jìn)上層土壤中磷素分布在大的團(tuán)聚體中，同時(shí)磷素也促進(jìn)了大團(tuán)聚體的形成和保持。

草本植物和喬木林驅(qū)動(dòng)土壤全磷垂直分布的機(jī)理不同。在草地中，植物根系推動(dòng)了下層土壤中的磷素向上遷移，使上層土壤全磷含量顯著高于下層土壤中的含量。在林地土壤中，處于腐解過(guò)程中的凋落林冠葉片和表層土壤中的可溶性磷，水分入滲的作用下，向亞表層土壤中遷移，使亞表層土壤全磷含量提高。