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土壤成土母质类型、植被类型以及土壤发育阶段等因素影响土壤中总磷(TP)、无机磷(PI)和有机磷(PO)的含量及其形态,而土壤中无机磷酸盐的沉淀-溶解和吸附-解吸以及有机磷的矿化-固持等过程则调控着自然森林生态系统中林木生长的营养供给和造成磷流失风险。石灰性土壤富含钙和镁,较高pH值条件下,高含量的钙和镁有很强的固磷作用;而在赋存较高活性铁和铝的酸性红壤中,大量的磷由于较强的吸附固定和沉积作用被固定。不同土壤团聚体对土壤磷的固持和释放的能力不同,从而在不同程度上影响着磷的迁移与转化。本研究选取华南地区典型酸性红壤和石灰性土壤作为研究对象,在土壤O/A和AB剖面中分别以原状土壤和土壤团聚体颗粒为基本研究单元,采用无机磷和有机磷的连续提取方法分析PI形态和PO形态的浓度,其中,PI包括可交换态磷(Ex-P)、铝结合态磷(Al-P)、铁结合态磷(Fe-P)、闭蓄态磷(Oc-P)、自生磷(De-P)、碎屑磷(Au-P),PO包括活性有机磷(LPo)、中等活性有机磷(MLPo)、稳定性有机磷(SPo)和微生物生物量磷(MBP),探究环境因子对原状土壤和土壤团聚体中磷形态分布的影响;同时测定土壤磷酸梅和植酸酶活性,探讨不同磷形态之间的转化机制和不同土壤磷的有效性;利用Langmuir和Freundlich拟合方程探讨两种土壤的磷吸附特征,并结合磷素吸持指数(Phosphorus sorption index,简称PSI)和磷素饱和度(Phosphorus sorption saturation,简称DPS)评价两种土壤的磷淋溶风险。本研究的主要结论如下:
(1)土壤类型对土壤团聚体组分的分布以及磷形态在原状土壤和土壤团聚体中的分布有较大影响。总体而言石灰性土壤团聚体颗粒比红壤团聚体颗粒有更高的磷储量。残渣态磷(Res-P)在酸性红壤和石灰性土壤及土壤O/A和AB剖面中均有大量固存。石灰性土壤较红壤有更高的Ex-P,初步表明本研究中石灰性土壤比红壤含有更多的生物可利用态磷。石灰性土壤的团聚体中含有较高的TP、PI、PO和较低的MBP,表明石灰性土壤较稳定的土壤结构可能对团聚体中的磷起到了保护作用。与石灰性土壤相比,红壤团聚体中,除Fe-P外的其它PI组分含量较低,MBP含量较高,SPO含量与石灰性土壤相当,而MLPO则低得多,揭示了石灰性土壤团聚体较红壤而言具有更充足的磷储量,以及红壤在满足植物所需磷的供应机制中有机磷和MBP的重要促进作用。
(2)红壤中PI形态之间的相关性较弱,PI和PO库之间的联系较为密切,这说明MBP、LPO、MLPO和Al-P可能是Ex-P的直接来源。植酸酶活性与PO组分存在显著或极显著的正相关关系,表明在红壤中PO是生物可利用磷的潜在磷库,植物和微生物获取磷的策略主要是通过增强磷酸酶和植酸酶活性,促进有机磷的快速矿化,加速磷在红壤-植物-微生物之间的周转适应磷限制的生态系统。而在富磷基岩上发育的石灰性土壤中,PI组分之间的联系较紧密,而PI、PO之间的相关性较弱,表明生物可利用磷可能主要来源于稳定性无机磷(主要是钙结合态磷)的转化。
(3)两种土壤的O/A层原状土壤的最大吸磷量(Qm)相近,但红壤具有较高的磷吸附常数(kL)和最大磷缓冲容量(MBC),对磷的缓冲能力较强。在AB层,石灰性土壤的Qm较大,但kL较低,表明石灰性土壤虽然吸附位点较多但其吸附能力较弱,总体MBC较小。在红壤团聚体中,微团聚体的Qm通常较小,说明大团聚体对土壤中的磷起到更多的吸附作用,而在石灰性土壤中除O/A层0.25-0.5mm团聚体的Qm最小外,其他团聚体的Qm值水平相当,说明石灰性土壤各粒径团聚体吸附磷的能力相当;而在两种土壤中,kL的最大值则均出现在0.25-0.5mm粒径的团聚体中,MBC呈现随粒径减小先增大再减少的趋势,说明0.25-0.5mm的团聚体起到了最主要的磷缓冲作用。
(4)两种土壤的PSI没有明显差异,且DPS值都低于1.1%,说明在这两种自然森林土壤中,由于人为干扰较少,DPS均较低。在O/A层中,红壤与有效磷相关的饱和度(DPSM3和DPSOlsen)和与铁铝结合态磷相关的饱和度(DPScitrare)均高于石灰性土壤,而AB层中除红壤的DPSM3和DPScitrare较高之外,其它磷饱和度相差不大。在团聚体尺度上,两类土壤的PSI呈现随粒径减小先增大再减少的趋势,且在0.25-0.5mm团聚体中达到最大值,进一步表明该粒径在土壤磷吸附中的重要作用。总体而言,石灰性土壤团聚体的PSI比红壤高,但只有在AB层<0.106mm团聚体中两种土壤表现出明显的差异,说明两种土壤团聚体的固磷能力相当,红壤相对较弱。红壤的最小粒径<0.106mm除DPSM3之外的其它磷饱和度均高于该土壤的其它粒径及石灰性土壤的所有粒径,鉴于红壤<0.106mm团聚体占比最高,其较高的磷饱和度说明该粒径可能有潜在的更高淋溶风险。
综上,对比两种土壤,石灰性土壤中具有更充足的磷储量,磷的有效性较高,土壤供磷能力较强;而红壤虽然磷库较小,但其有机磷与无机磷关联更紧密,且酶活性更高,可以通过有机磷的矿化缓解土壤生物可利用性磷的缺乏。两种土壤的磷流失风险均较低,其中0.25-0.5mm的团聚体的固磷较强;而红壤<0.016mm团聚体由于土壤结构不稳定,对磷的吸附和缓冲能力较弱,因此具有较高的潜在流失风险。
(1)土壤类型对土壤团聚体组分的分布以及磷形态在原状土壤和土壤团聚体中的分布有较大影响。总体而言石灰性土壤团聚体颗粒比红壤团聚体颗粒有更高的磷储量。残渣态磷(Res-P)在酸性红壤和石灰性土壤及土壤O/A和AB剖面中均有大量固存。石灰性土壤较红壤有更高的Ex-P,初步表明本研究中石灰性土壤比红壤含有更多的生物可利用态磷。石灰性土壤的团聚体中含有较高的TP、PI、PO和较低的MBP,表明石灰性土壤较稳定的土壤结构可能对团聚体中的磷起到了保护作用。与石灰性土壤相比,红壤团聚体中,除Fe-P外的其它PI组分含量较低,MBP含量较高,SPO含量与石灰性土壤相当,而MLPO则低得多,揭示了石灰性土壤团聚体较红壤而言具有更充足的磷储量,以及红壤在满足植物所需磷的供应机制中有机磷和MBP的重要促进作用。
(2)红壤中PI形态之间的相关性较弱,PI和PO库之间的联系较为密切,这说明MBP、LPO、MLPO和Al-P可能是Ex-P的直接来源。植酸酶活性与PO组分存在显著或极显著的正相关关系,表明在红壤中PO是生物可利用磷的潜在磷库,植物和微生物获取磷的策略主要是通过增强磷酸酶和植酸酶活性,促进有机磷的快速矿化,加速磷在红壤-植物-微生物之间的周转适应磷限制的生态系统。而在富磷基岩上发育的石灰性土壤中,PI组分之间的联系较紧密,而PI、PO之间的相关性较弱,表明生物可利用磷可能主要来源于稳定性无机磷(主要是钙结合态磷)的转化。
(3)两种土壤的O/A层原状土壤的最大吸磷量(Qm)相近,但红壤具有较高的磷吸附常数(kL)和最大磷缓冲容量(MBC),对磷的缓冲能力较强。在AB层,石灰性土壤的Qm较大,但kL较低,表明石灰性土壤虽然吸附位点较多但其吸附能力较弱,总体MBC较小。在红壤团聚体中,微团聚体的Qm通常较小,说明大团聚体对土壤中的磷起到更多的吸附作用,而在石灰性土壤中除O/A层0.25-0.5mm团聚体的Qm最小外,其他团聚体的Qm值水平相当,说明石灰性土壤各粒径团聚体吸附磷的能力相当;而在两种土壤中,kL的最大值则均出现在0.25-0.5mm粒径的团聚体中,MBC呈现随粒径减小先增大再减少的趋势,说明0.25-0.5mm的团聚体起到了最主要的磷缓冲作用。
(4)两种土壤的PSI没有明显差异,且DPS值都低于1.1%,说明在这两种自然森林土壤中,由于人为干扰较少,DPS均较低。在O/A层中,红壤与有效磷相关的饱和度(DPSM3和DPSOlsen)和与铁铝结合态磷相关的饱和度(DPScitrare)均高于石灰性土壤,而AB层中除红壤的DPSM3和DPScitrare较高之外,其它磷饱和度相差不大。在团聚体尺度上,两类土壤的PSI呈现随粒径减小先增大再减少的趋势,且在0.25-0.5mm团聚体中达到最大值,进一步表明该粒径在土壤磷吸附中的重要作用。总体而言,石灰性土壤团聚体的PSI比红壤高,但只有在AB层<0.106mm团聚体中两种土壤表现出明显的差异,说明两种土壤团聚体的固磷能力相当,红壤相对较弱。红壤的最小粒径<0.106mm除DPSM3之外的其它磷饱和度均高于该土壤的其它粒径及石灰性土壤的所有粒径,鉴于红壤<0.106mm团聚体占比最高,其较高的磷饱和度说明该粒径可能有潜在的更高淋溶风险。
综上,对比两种土壤,石灰性土壤中具有更充足的磷储量,磷的有效性较高,土壤供磷能力较强;而红壤虽然磷库较小,但其有机磷与无机磷关联更紧密,且酶活性更高,可以通过有机磷的矿化缓解土壤生物可利用性磷的缺乏。两种土壤的磷流失风险均较低,其中0.25-0.5mm的团聚体的固磷较强;而红壤<0.016mm团聚体由于土壤结构不稳定,对磷的吸附和缓冲能力较弱,因此具有较高的潜在流失风险。