谷思玉，張一鶴，陸欣春，韓曉增，鄒文秀，郝翔翔

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，中國科學(xué)院黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；3.海倫農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，黑龍江 哈爾濱 150081)

中國陸地系統(tǒng)自然土壤磷含量為0.05～1.73 g·kg-1[1]，土壤中的磷主要由有機磷和無機磷兩部分組成。有機磷是土壤磷庫的重要組成部分，約占土壤總磷的25%～90%[2]，土壤有機磷含量受土壤母質(zhì)、土壤類型、土壤特性、土壤質(zhì)地、植被類型、氣候季節(jié)變化及土地管理措施等因素影響；黑土中有機磷含量相對較高，采用31P核磁共振技術(shù)分析表明，正磷酸鹽和磷酸單酯各約占黑土土壤可浸提總磷的一半[3]。無機磷種類較多，成分較復(fù)雜，大體上可以分為礦物態(tài)磷、吸附態(tài)磷和水溶態(tài)磷3種形態(tài)。土壤中大部分磷被土壤固相吸附，作物主要吸收利用水溶態(tài)磷，但其含量極低，它的補充主要靠無機磷的溶解和解吸以及有機磷的礦化。土壤中有機磷的礦化主要包括受微生物活性影響的生物學(xué)過程和胞外酶所介導(dǎo)的生物化學(xué)過程[4]。礦化速率受水分、溫度和基質(zhì)的影響，這些因素主要影響微生物活性而影響有機磷礦化[5-6]。土壤有機磷的年礦化率在2%～4%范圍內(nèi)，雖然數(shù)量較少，但其提高了土壤速效磷水平[7]。土壤中有機磷及無機磷的形態(tài)分布決定了土壤供磷能力和潛在供磷能力。

土地利用方式不同可以引起陸地生態(tài)及生物地球化學(xué)循環(huán)過程的變化，導(dǎo)致土壤性質(zhì)變化和土地生產(chǎn)力改變[8]。而黑土自然生態(tài)系統(tǒng)的植被類型為草原化草甸植被，以雜類草群落為主，開墾為農(nóng)田過程中，植被改變、土壤擾動及施肥等人類農(nóng)業(yè)活動均影響其土壤性質(zhì)和土地生產(chǎn)力。關(guān)于施肥對黑土磷形態(tài)變化影響已進行了研究[9]，但對于黑土由荒地開墾為農(nóng)田過程中土壤磷形態(tài)的變化還鮮有報道。由于已無法找到荒地開墾為農(nóng)田的研究材料，為此我們擬通過監(jiān)測其逆向過程，即農(nóng)田恢復(fù)至荒地過程中土壤磷形態(tài)變化，推斷出黑土由荒地開墾為農(nóng)田過程磷形態(tài)變化。土壤中磷主要來源于母質(zhì)及外源磷肥施入，如果沒有外源磷肥的施入，土壤中的磷主要來源于母質(zhì)。對于成熟的黑土，其成土過程是獨具特點的：黑土有季節(jié)性凍層，質(zhì)地粘重，透水不良，黑土水分和隨水分運行的成土產(chǎn)物除一部分由地表和側(cè)透排走外，絕大部分只運行于1 m或2～3 m土層內(nèi)，很難淋溶到地下水層[10]。并且磷素在土壤中移動性較弱，為此我們重點關(guān)注黑土中磷在1 m土層內(nèi)運移。本文依托設(shè)在中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站的長期定位試驗，通過探討4種沒有外源磷肥投入的土地利用方式下(自然草地、裸地、苜蓿地、農(nóng)田)土壤剖面磷形態(tài)分布，分析黑土供磷能力及其供磷潛力。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在中國科學(xué)院海倫農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站進行。該站位于黑龍江省海倫市(47°26′N，126°38′E)，平均海拔為234 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)；冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，雨熱同季，全年降水量為500～600 mm，主要集中在5-9月，年平均氣溫1.5℃。作物有效生長期為120～130 d，供試土壤類型為中厚層黑土，是第四紀形成的黃土狀母質(zhì)上發(fā)育的地帶性土壤，土壤質(zhì)地比較粘，滲透能力弱，毛管水運移速率較慢，土壤持水能力和保水性較強，地下水埋深20～30 m。

1.2 試驗設(shè)計

試驗從2003年開始，為長期定位試驗，設(shè)4個處理：(1)農(nóng)田：玉米種植時間在5月初，常規(guī)耕作，不施用任何肥料，也不進行灌溉。秋季將玉米地上部收獲、稱重、移出小區(qū)，人工翻地，深度20 cm，起壟待第二年播種；(2)自然草地：盡量減少人工干擾，讓其自然長草，秋季草類植物枯萎自然掉落在土壤表層，翌年春天雜草自然發(fā)芽生長；(3)苜蓿地：2003年春季人工播種苜蓿，讓其自然生長，如有雜草將其拔除，秋季枯萎的苜蓿自然覆蓋在土壤表層，以后每年苜蓿自然生長；(4)裸地：土壤表層不生長任何作物，人工除去生出的雜草。小區(qū)面積：4.2 m×5 m=21 m2。在2014年10月玉米收獲后，采集土壤剖面(0～100 cm)土樣，間隔20 cm為一層，每小區(qū)取3個點，同層次土樣混勻后，四分法取1 kg左右土樣。

不同形態(tài)磷含量的測定參考魯如坤的土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析法[11]。有機磷分組及無機磷分組方法分別見圖1和圖2。

圖1 土壤有機磷分組方法Fig.1 Method to classify soil organic phosphorus

圖2 土壤無機磷分組方法Fig.2 Method to classify soil inorganic phosphorus

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013軟件進行處理，Origin 8.0軟件進行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式對土壤全磷和有效磷含量的影響

從黑土剖面全磷含量分布可以看出(圖3(A))，黑土剖面全磷含量從上至下差異不大，其中苜蓿地隨剖面深度增加全磷含量有所降低；與無作物的裸地相比，農(nóng)田、自然草地、苜蓿地黑土剖面土壤全磷含量均有所降低，并且以農(nóng)田最低。由圖3(B)可看出，在0～100 cm剖面隨土層深度增加，土壤有效磷含量呈先降低后逐漸增加的趨勢，在20～40 cm土層含量最低;不同利用方式間比較，也以農(nóng)田最低，其次為苜蓿，自然草地僅20～40 cm土層有效磷含量低于裸地，其余層次與裸地相近。

2.2 不同土地利用方式對土壤剖面磷素活化系數(shù)的影響

土壤磷素活化系數(shù)結(jié)果(圖4)表明，供試黑土磷素活化系數(shù)可達2.1%～8.6%；隨著土層深度增加土壤磷素活化系數(shù)逐漸增加，80～100 cm土層磷素活化系數(shù)最高，而20～40 cm土層磷素活化系數(shù)最低；不同利用方式間比較可以看出，在同一土層除20～40 cm呈現(xiàn)為裸地>自然草地、苜蓿地>農(nóng)田，其余土層均呈現(xiàn)為自然草地>裸地>苜蓿地>農(nóng)田。

2.3 不同土地利用方式對土壤總無機磷和總有機磷分布的影響

由圖5可知，土壤總無機磷含量分布隨土層深度增加逐漸增加，而土壤有機磷含量隨土層深度的增加而逐漸降低。不同利用方式間，農(nóng)田土壤無機磷含量最低，裸地最高，裸地有機磷含量最低，自然草地處理土壤0～40 cm土層有機磷含量最高，而60～100 cm土層苜蓿地有機磷含量相對較高，這可能是由于苜蓿根系能生長至土壤更深層次，從而增加了一定數(shù)量的有機磷。而可能是由于沒有外源磷肥的投入，農(nóng)田玉米根系吸收的無機磷因玉米移出農(nóng)田而得不到補充，與裸地相比，農(nóng)田無機磷含量降低了24.1%～41.0%；而自然草地和苜蓿地中，其無機磷含量亦有所下降，與裸地相比降低了11.5%～28.5%、2.2%～31.0%。

圖3 不同土地利用方式對黑土剖面全磷和有效磷含量分布的影響Fig.3 Effects of land uses on the contents of total phosphorous and available P in black soil profiles

圖4 不同土地利用方式對黑土剖面磷活化系數(shù)的影響Fig.4 The effect of land uses on the contents of phosphorousactivation coefficient in black soil profiles

圖5 不同土地利用方式對黑土剖面總有機磷和無機磷含量分布的影響Fig.5 The effect of land uses on the contents of total organicand inorganic phosphorous contents in black soil profiles

從不同利用方式下土壤全磷儲量可以看出(表1)，0～100 cm土層裸地的全磷儲量最高，其次為苜蓿地、自然草地和農(nóng)田土壤。與裸地相比，農(nóng)田、自然草地和苜蓿地土壤全磷儲量分別降低18.9%、15.5%、13.3%；農(nóng)田土壤從上到下每層全磷儲量分別降低15.4%、19.2%、20.3%、18.9%、20.4%；自然草地土壤從上至下每層全磷儲量分別降低了19.7%、4.7%、14.5%、15.5%、21.3%；苜蓿地土壤從上至下每層全磷儲量分別降低了5.3%、0.1%、17.7%、22.3%、17.9%。綜上可以看出：與裸地相比，農(nóng)田、自然草地及苜蓿地各土層全磷儲量均呈不同程度降低。

表1 不同土地利用方式對土壤全磷儲量的影響

2.4 不同土地利用方式對土壤不同形態(tài)有機磷含量分布的影響

在黑土土壤剖面中，不同形態(tài)有機磷含量均隨著土層深度的增加呈降低趨勢(圖6)。不同土地利用方式下，土壤各層不同形態(tài)有機磷含量總體上裸地最低，苜蓿和自然草地的中穩(wěn)性有機磷及高穩(wěn)性有機磷含量相對最高。土壤中活性有機磷含量占有機磷比例較低，其含量僅為其他形態(tài)有機磷含量的10%左右；不同利用方式中，表層農(nóng)田土壤活性有機磷含量最高，40～100 cm土層中苜蓿地處理活性有機磷含量高于其他處理。

2.5 不同土地利用方式對土壤不同形態(tài)無機磷含量分布的影響

對于黑土剖面不同形態(tài)無機磷，裸地處理各土層各形態(tài)無機磷含量均高于其他利用方式，而農(nóng)田處理相對最低(圖7)。與裸地相比，農(nóng)田土壤從上至下，各土層Ca2-P含量依次降低了63.8%、57.0%、75.3%、29.4%、32.4%；Ca8-P含量依次降低了56.5%、53.6%、59.5%、52.5%、45.7%；Al-P含量依次降低了75.2%、76.7%、72.1%、78.3%、83.3%；Fe-P含量依次降低了13.3%、24.3%、34.7%、36.1%、27.4%；O-P含量依次降低了7.0%、27.2%、33.2%、11.6%、20.2%；Ca10-P含量依次降低了19.3%、26.6%、41.6%、24.8%、30.4%。與裸地相比，自然草地Ca2-P含量降低了14.0%～79.4%；Ca8-P含量降低了5.4%～40.5%。

2.6 不同土地利用方式對土壤不同形態(tài)磷比例的影響

從不同形態(tài)磷所占比例可以看出(圖8)，在所有磷形態(tài)中，活性有機磷、Ca2-P、Ca8-P和Al-P所占的比例非常低，這4個形態(tài)磷之和占全磷比例不超過10%；高穩(wěn)定性有機磷、中穩(wěn)性有機磷、中等活性有機磷、O-P、Fe-P和Ca10-P所占比例均較高。隨著土層深度的增加土壤有機磷所占比例逐漸降低，在4種土地利用方式下，表層土壤總有機磷所占比例可達62.7%～69.7%，而在80～100 cm土層總有機磷所占比例為43.1%～50.6%，降低了約20個百分點；與表層土壤相比，80～100 cm土層高穩(wěn)定性有機磷所占比例降低了約10個百分點，F(xiàn)e-P和O-P所占比例分別增加了約8個百分點。與裸地相比，自然草地中穩(wěn)性有機磷所占比例增加了3.4～4.9個百分點，高穩(wěn)性有機磷所占比例增加了1.5～6.0個百分點，O-P所占比例降低了2.5～6.9個百分點；無肥農(nóng)田中等活性有機磷所占比例增加了1.9～6.8個百分點，中穩(wěn)性有機磷所占比例增加0.2～3.8個百分點，高穩(wěn)性有機磷所占比例增加1.3～6.8個百分點，Al-P所占比例降低了2.4～3.4個百分點，F(xiàn)e-P所占比例降低了0.6～4.5個百分點。總體上看，與裸地相比，農(nóng)田、自然草地和苜蓿地0～100 cm土層土壤有機磷所占比例分別增加了7.0～16.4、1.5～9.0、0.8～13.9個百分點。

3 討 論

根據(jù)黑龍江省第二次土壤普查時(1979-1990年)黑土剖面磷分布資料顯示，黑土表層土壤中無機磷和有機磷含量分別為413 mg·kg-1和707 mg·kg-1，而80～100 cm深層土壤無機磷和有機磷含量分別為371 mg·kg-1和19 mg·kg-1。可見，隨土層加深有機磷含量劇減，而無機磷含量并未隨土層加深出現(xiàn)明顯變化，不過后者中水溶性磷含量隨土層加深漸增，磷酸鈣鹽在剖面下層增多[10]。由此可以看出，黑土供磷潛力很大，但在生產(chǎn)中由于作物苗期地溫較低，土壤磷有效性低，因此在實際生產(chǎn)中仍需要大量施用磷肥，造成土壤磷出現(xiàn)顯著盈余。磷作為植物生長必需營養(yǎng)元素，其土壤供應(yīng)能力影響作物高產(chǎn)，但磷盈余又會對環(huán)境造成負面影響，因而長期施用磷肥對土壤中磷形態(tài)分布的影響引起研究者廣泛關(guān)注[12-17]。

圖6 不同土地利用方式對黑土剖面不同形態(tài)有機磷含量分布的影響Fig.6 The effect of land uses on different organic phosphorous forms in black soil profiles

圖7 不同土地利用方式對黑土剖面不同形態(tài)無機磷含量分布影響Fig.7 The effect of land uses on different inorganic phosphorous forms in black soil profiles

圖8 不同利用方式對黑土剖面不同形態(tài)磷所占比例影響Fig.8 The effect of land uses on the percentages of different phosphorous forms in black soil profiles

本試驗從2003年開始設(shè)置不同利用方式的處理(4個處理初始土壤為同一塊農(nóng)田)，從土壤剖面磷分布可以看出，隨土層深度增加，全磷含量無明顯變化，有機磷含量逐漸降低，這與大部分土壤有機磷含量分布規(guī)律一致[18]，而無機磷含量逐漸增加。本試驗中各處理土壤表層(0～20 cm)無機磷含量為280.7～369.9 mg·kg-1，有機磷含量為621.5～715.1 mg·kg-1；80～100 cm土層無機磷含量為427.4～605.1 mg·kg-1，有機磷含量為427.3～465.7 mg·kg-1?？梢钥闯觯c第二次土壤普查黑土剖面磷分布情況相比，表層無機磷含量有所降低，有機磷含量變化不大，而80～100 cm土層無機磷含量稍有增加，有機磷含量提高21.5～23.5倍。雖然本試驗與第二次土壤普查不是同一地點剖面，但其差異也說明了磷盈余在土壤中存在累積趨勢，并以有機磷形式累積進入土壤深層。

本試驗同一田塊經(jīng)過12 a不同利用方式的影響之后，土壤剖面磷形態(tài)分布呈現(xiàn)出不同趨勢，總體上不同土層中裸地處理無機磷含量均為最高，而有機磷含量相對最低，說明植物生長主要使無機磷向有機磷轉(zhuǎn)化。對于農(nóng)田處理，由于沒有外源磷肥投入，并且每年所得收獲物均移出了土壤，使得每年磷素處于虧缺狀態(tài)，根據(jù)每年玉米生物量及其各部分磷含量估算，12 a玉米從土壤中攜出總磷量為302.4 kg·hm-2，這個數(shù)值與農(nóng)田耕層與裸地總磷儲量差值相近，但遠低于0～100 cm土層總磷儲量差值(表1)；從不同形態(tài)磷素在土壤中分布(圖8)可以看出，玉米主要吸收消耗了土壤無機磷，減少了無機磷含量，使土壤無機磷所占比例降低，而有機磷所占比例有所增加。賀敬瀅[19]在陜西商洛市張地溝小流域進行的試驗結(jié)果顯示，土壤速效磷、Ca2-P和Fe-P含量均為耕地最高，荒草地最低，主要是因為耕地有外源磷肥施入，并且其投入的磷量高于作物攜出的磷量。

同一塊土地不同土地利用方式下的土壤，在5大成土因素中除生物因素外，其他因素(氣候、母質(zhì)、地形和時間)相同的條件下，在沒有磷肥投入也沒有作物磷攜出情況下，因為磷不會以氣體方式損失，并且在土壤中遷移性很弱，理論上土壤全磷儲量差異不大，但從0～100 cm土層全磷儲量結(jié)果顯示(表1)，自然草地、苜蓿地與裸地相比，無機磷含量降低，有機磷含量增加，即作物生長吸收無機磷轉(zhuǎn)化成有機磷，無機磷所占比例降低，有機磷所占比例增加(圖8)，總磷儲量有所降低。秦勝金等[20]研究三江平原不同土地利用方式下土壤P形態(tài)變化結(jié)果表明，農(nóng)田利用方式可影響有機磷的輸出和礦化，使耕地中有機磷緩慢恢復(fù)。本試驗結(jié)果也表明，自然草地土壤有機磷在緩慢恢復(fù)(0～40 cm土層有機磷含量有所增加)。宋春等[21]采用20 a長期定位試驗方法監(jiān)測同一塊黑土地，結(jié)果表明，天然雜草可恢復(fù)土壤磷素肥力。本試驗中，對于自然草地和苜蓿地，每年植物地上部自然死亡后，凋落物掉落在土壤表層，既增厚了土層又使表層疏松，使得0～20 cm土層容重有所降低，全磷儲量降低，深層40～100 cm土層裸地土壤全磷含量及儲量均高于自然草地和苜蓿地，并且無機磷含量高于其他利用方式，這可能有兩個原因，其一是試驗起始前深層土壤磷分布不均勻，其二可能由于無作物生長，土壤中部分有機磷礦化轉(zhuǎn)為無機磷，具體原因還有待進一步驗證。

經(jīng)耕作后荒地土壤有機磷含量下降，并且土壤中可浸提無機磷含量最初增加，數(shù)年后也下降[4]。本試驗中起始土壤為已開墾多年的農(nóng)田土壤，在其恢復(fù)自然荒地過程中，土壤0～40 cm土層有機磷含量增加(圖4)，也間接證明荒地開墾為農(nóng)田過程中，有機磷礦化使其含量有所下降。在作物輪作系統(tǒng)中，種植紅葉草是一種增加土壤磷循環(huán)和有效性的策略[22]，本試驗中種植苜蓿對土壤磷形態(tài)分布的影響與自然草地處理相近，土壤無機磷存在向有機磷轉(zhuǎn)化的趨勢。

4 結(jié) 論

1)黑土0～100 cm剖面中全磷含量為789.2～1 064.9 mg·kg-1，不同利用方式間，裸地全磷含量最高，農(nóng)田全磷含量最低；同一利用方式下，土壤全磷含量隨土層深度分布變化較??；土壤無機磷含量隨土層深度增加而增加，有機磷含量隨土層加深而降低。

2)黑土0～100 cm剖面中有效磷含量隨土層加深呈現(xiàn)增加趨勢，不同利用方式間表現(xiàn)為裸地、自然草地>苜蓿地>農(nóng)田；說明不施肥農(nóng)田作物吸收利用降低土壤中有效磷含量，自然草地和苜蓿地處理亦吸收利用磷，降低土壤中有效磷含量。

3)黑土土壤磷素的活化系數(shù)可達2.1%～8.6%，隨著土層深度的增加呈增加趨勢，同一土層呈現(xiàn)為自然草地>裸地>苜蓿地>農(nóng)田。

4)黑土0～100 cm土層全磷儲量表現(xiàn)為：裸地>苜蓿地>自然草地>農(nóng)田。

5)農(nóng)田連續(xù)12 a不施肥種植玉米，玉米主要吸收利用了土壤中的無機磷，使土壤無機磷所占比例降低，種植草地和苜蓿也吸怍消耗了土壤中的無機磷，其殘體腐解后增加有機磷含量。