-
磷(phosphorus,P)是植物生长发育不可缺少的营养元素,以不同形态参与植物的生理活动,在植物与土壤之间不断循环(舒志万等,2022;Hu et al.,2023)。土壤中的P因受黏粒等成分的吸附和固定作用而难以被植物利用,有效磷(available phosphorus,AP)通常占土壤全磷(total phosphorus,TP)的1%不到,成为限制植物生长的主要因素之一(Fink et al.,2016;毕庆芳,2020;谭许脉,2022)。不同树种之间对P的吸收和利用存在着差异,通过合理的人工林改造,可以缓解土壤P限制,提高植物对P的利用效率(Troitiño et al.,2008)。因此,探索人工林改造对土壤P的影响,以及如何改善土壤养分和保护森林资源尤为重要。
-
森林土壤中各P组分主要受到生物和非生物因素的影响,其含量变化影响着P的有效性(沈开勤等,2023)。土壤微生物和植物根系分泌的酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)能够促进有机P矿化,是控制森林生态系统中P有效性的重要因素(Liang et al.,2020;Keller et al.,2023);林分改造可以通过改变土壤的理化性质和微生物活性,影响土壤中P的固定和释放(You et al.,2020)。近年来,人工林改造已成为解决我国人工林树种单一、生物多样性降低和土壤养分枯竭等问题的重要营林措施,但关于人工林改造的研究主要集中在林龄和林下植被等方面(明安刚等,2015;谭许脉,2022)。在亚热带地区,人工林的改造对土壤P形态及其有效性的影响仍缺乏认识,林分改造驱动土壤P变化的主要机制尚不清楚。因此,研究林分改造后土壤理化性质和微生物活性的变化,分析P组分的变化和转化过程,可以深入了解林分改造驱动土壤P变化的主要机制,对提高土壤中P的生物有效性具有重要意义。
-
根际是指根系周围受根系活动显著影响的土壤区域,是土壤与植物物质和能量循环的重要场所(Kuzyakov &Razavi,2019; Xia et al.,2022)。根际土壤为植物和微生物提供必需的矿物质和水分,而微生物与植物根系的活动及代谢又影响着根际土壤(Peng et al.,2017)。人工林改造后,根际和非根际土壤受到植物种类、凋落物和根系分泌物的影响,而不同植物的土壤pH值、养分含量和酶活性不同(李丽娟等,2020)。其中,根际土壤养分含量通常大于非根际土壤,根际由于源源不断的根系分泌物输入、死亡根细胞脱落和裂解,导致根际土壤养分含量大于非根际土壤,因此根际土壤微生物活性和非根际土壤存在差异(马志良等,2019)。
-
杉木(Cunninghamia lanceolata)因其木材用途广、产量高而在我国亚热带地区被广泛种植。然而,大部分杉木人工林以纯林方式种植,导致土壤养分枯竭、生物多样性丧失和森林生产力下降等,严重影响生态系统的稳定性(Ding et al.,2022)。营造阔叶林是改善土壤性质、延缓地力衰退的有效途径之一(林同龙,2000;林建椿,2007;谭许脉等,2022)。与针叶树相比,阔叶树种具有根系系统更复杂、生态系统服务功能更稳定的优势(Gharu &Tarafdar,2016)。具体而言,阔叶林和针叶林之间主要因凋落物、根系及其分泌物化学成分的不同而导致土壤微生物群落组成有很大的差异(蔡锰柯,2021)。例如,红锥(Castanopsis hystrix)和米老排(Mytilaria laosensis)的细根生物量、凋落物的数量和质量均比杉木高,并且土壤微生物活性更高,既有利于P转化又能提高生物有效P的输入(You et al.,2020),是南亚热带的优良速生用材树种,已逐渐成为最常用的阔叶造林树种(明安刚等,2015)。然而,杉木人工林改造成阔叶林后将对土壤P组分及其转化产生影响,其主要的驱动因素我们仍知之甚少,这将极大地限制我们科学制定人工林可持续经营的管理策略。因此,本研究拟通过探究南亚热带杉木人工林改造成阔叶林(红锥林、米老排林、红锥/米老排混交林)后其根际和非根际土壤P组分、MBP和ACP活性等的变化规律,并确定影响土壤P组分的最主要因子,为有效提高南亚热带人工林土壤P有效性的树种选择和经营管理策略等提供重要的科学依据。
-
1 研究区概况与研究方法
-
1.1 研究区概况
-
研究区位于广西壮族自治区凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心伏波实验场内(106°39′0″—106°59′30″ E、21°57′47″—22°19′27″N),属于亚热带季风气候区,气候温暖、热量丰富、降水丰沛、干湿分明,年均温度约为21℃,年均降雨量约为1 400 mm,降雨主要集中在每年的4—9月。低山丘陵为该区域的主要地貌类型,其土壤类型主要为花岗岩在高温、干湿交替条件下风化形成的酸性红壤。研究区内人工针叶林以马尾松(Pinus massoniana)和杉木为主,阔叶树种主要有红锥、米老排、火力楠(Michelia macclurei)、格木(Erythrophleum fordii)、桉树(Eucalyptus urophylla)等,种植模式以纯林和混交林为主。
-
1.2 研究方法
-
1.2.1 样地设置
-
选取位置临近以及具有相似地形、土壤质地、林龄和经营历史的31年生杉木纯林和3种阔叶林(红锥林、米老排林、红锥/米老排混交林)作为研究对象,每种林分类型分别随机构建4块20 m × 20 m的独立样方,同种林分的独立样方之间间隔至少100 m。所选的4种林分均于1991年种植,造林地为杉木采伐迹地,初始种植密度为每公顷2 500株,造林初期进行过2次间伐,之后均不再进行人工干扰。在每个样方离地高度0.5 m处随机布设6个1 m × 1 m孔径为1 mm的尼龙网收集框,用于监测其凋落物的年产量。样地基本情况如表1所示。
-
1.2.2 样品采集
-
2022年8月进行土壤采集,考虑到红锥与米老排混交林树木具有随机分布的特点,本研究采用系统样点布设法来确定土壤采样点,将每个样地(20 m × 20 m)分为16个5 m × 5 m的正方形网格,网格交点为采样点(9个)。根际土壤和非根际土壤的采集主要参照Cui等(2019)的方法,去除采样点表面的凋落物和杂质后采集0~10 cm土层的土壤,将松散结合在根系上的土壤抖掉,将还附着在植物根系上的土壤作为根际土壤样品,抖落的土壤作为非根际土壤样品。将采集后的土壤样品密封低温保存且迅速带回实验室,每个土壤样品过孔径为2 mm的筛,去除石块、根系以及土壤动植物,一部分土壤自然风干,研磨后用于土壤理化性质分析,另一部分置于-20℃冰箱中保存,用于土壤P组分、酶活性及微生物生物量的测定。
-
注:数值=平均值±标准误, n=4。SD. 林分密度; DBH. 胸径; TH. 树高; LF. 凋落物量。
-
Note: Data= , n=4. SD. Stand density; DBH. Diameter at breast height; TH. Tree height; LF. Litterfall mass.
-
1.2.3 样品分析
-
土壤基本理化性质的测定主要参照《土壤农化分析》所描述的方法(鲍士旦,2000)。土壤含水量(water content of soil,SWC)采用烘干法测定;pH值采用pH计测定(土∶水 = 1∶2.5,m/V);土壤有机碳(soil organic carbon,SOC)采用重铬酸钾-外加热法测定;土壤全氮(total nitrogen,TN)经H2SO4-混合加速剂消解提取后用连续流动分析仪(SEAL Auto Analyzer-3)测定;土壤铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N)的含量用2 mol·L-1KCl溶液浸提后,使用连续流动分析仪测定;土壤TP用H2SO4-HClO7消解提取,AP用双酸(HCl-H2SO4)浸提,均采用钼蓝比色法测定。
-
土壤微生物生物量碳(microbial biomass carbon,MBC)、微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen,MBN)、微生物生物量磷(microbial biomass phosphorus,MBP)采用氯仿熏蒸萃取法测定,其中MBC和MBN用0.5 mol·L-1 K2SO4溶液浸提,在TOC分析仪(Multi N/C 3100,德国)上测定。MBP用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提后,采用钼蓝比色法测定。
-
采用叶小敏等(2024)方法测定的土壤C、N、P水解酶种类、功能及底物信息详如表2所示。
-
土壤P组分测定采用Deluca等(2015)基于生物有效性的P组分测定方法(BBP法):平行称取混匀的鲜土样0.5 g于4个15 mL离心管中,在4个离心管中分别加入10 mL 0.01 mol·L-1CaCl2溶液、10 mL 0.01 mol·L-1柠檬酸溶液、10 mL 0.02 EU·mL-1酶混合提取液、10 mL 1 mol·L-1盐酸溶液,封口后于振荡机中振荡3 h(180 r·min-1,25℃)。振荡后充分摇匀,将枪头伸到离心管2/3深度的位置处吸取1 mL混合液于1.5 mL离心管中,离心1 min(10 000 r·min-1,25℃),采用孔雀石绿法测定上清液的P浓度。
-
1.2.4 数据分析
-
土壤P活化系数(phosphorus activation coefficient,PAC)计算公式(李萌等,2022)如下:
-
式中: AP为速效磷(mg·kg-1); TP为全磷(g·kg-1)。
-
运用SPSS 26.0软件对实验数据进行单因素方差分析(one-way ANOVA),分别比较不同林分根际和非根际土壤理化性质、微生物生物量、酶活性和P组分的差异性,采用最小显著差异法(least significant difference,LSD)进行检验,显著性水平设置为P<0.05。用Canoco 5软件,以不同林分的土壤P组分为响应变量,土壤理化性质为解释变量进行冗余分析(redundancy analysis,RDA)。采用Origin Pro 2023软件进行绘图。
-
2 结果与分析
-
2.1 根际和非根际土壤理化特征
-
由表3可知,在根际和非根际土壤中,改造后红锥林的SOC、TN、NH4+-N、NO3--N、AP、C/P、N/P、SWC含量均显著高于杉木林(P<0.05);米老排林的SOC、TN、NH4+-N、NO3--N、TP、N/P、SWC含量均显著高于杉木林(P<0.05);红锥/米老排混交林的SOC、TN、NH4+-N、NO3--N、TP、AP、SWC含量均显著高于杉木林(P<0.05)。
-
2.2 根际和非根际土壤磷组分和活化系数特征
-
由图1可知,杉木林改造成阔叶林后,根际和非根际土壤中各P组分含量表现为盐酸提取磷(HCl-P)> 柠檬酸提取磷(Citrate-P)> 酶提取磷(Enzyme-P)> 氯化钙提取磷(CaCl2-P),并且根际土壤各P组分含量比非根际土壤高。在根际土壤中,与杉木纯林相比,红锥林和红锥/米老排混交林的CaCl2-P含量分别增加了33.9%和21.6%(P<0.05);米老排林和红锥/米老排混交林的Enzyme-P含量分别增加了20.6%和9.9%(P<0.05);米老排林和红锥/米老排混交林的HCl-P含量分别增加了22.2%和12.0%(P<0.05);米老排林和红锥/米老排混交林的Citrate-P含量分别增加了20.2%和12.0%(P<0.05)(图1:A)。在非根际土壤中,与杉木纯林相比,红锥林和红锥/米老排混交林的CaCl2-P含量分别增加了42.6%和28.9%(P<0.05);Enzyme-P含量分别增加了8.5%和4.8%(P<0.05);HCl-P含量分别增加了13.1%和7.0%(P<0.05);Citrate-P含量分别显著增加了18.8%和10.2%(P<0.05)(图1:B)。
-
由图2可知,杉木林改造成阔叶林后,在根际土壤中,红锥林和红锥/米老排混交林的PAC比杉木纯林分别显著提高了62.2%和60.3%(P<0.05);红锥林和红锥/米老排混交林的PAC比米老排林分别显著提高了78.0%和75.9%(P<0.05)(图2:A)。在非根际土壤中,红锥林和红锥/米老排混交林的PAC比杉木林分别显著提高了109.3%和111.2%(P<0.05),红锥林和红锥/米老排混交林的PAC比米老排林分别显著提高了124.6%和126.7%(P<0.05)(图2:B)。不同土壤类型中,杉木林和米老排林的PAC均无显著差异(P>0.05)。
-
2.3 根际和非根际土壤微生物生物量和酶活性特征
-
杉木林改造成阔叶林后,在根际和非根际土壤中,红锥林、米老排林及红锥/米老排混交林的MBC、MBN、MBP含量均显著高于杉木林,并且根际土壤比非根际土壤含量高(图3)。在根际土壤中,与杉木林相比,红锥林的MBC、MBN和MBP分别显著增加了75.5%、62.4%和94.4%(P<0.05),米老排林的MBC、MBN和MBP分别显著增加了144.1%、112.2%和153.0%(P<0.05),红锥/米老排混交林的MBC、MBN和MBP分别显著增加了98.4%、87.5%和77.8%(P<0.05)(图3:A)。在非根际土壤中,与杉木林相比,红锥林的MBC、MBN和MBP分别显著增加了124.6%、106.2%和117.0%(P<0.05),米老排林的MBC、MBN和MBP分别显著增加了266.1%、175.4%和186.40%(P<0.05),红锥/米老排混交林的MBC、MBN和MBP分别显著增加了181.5%、133.5%和78.7%(P<0.05)(图3:B)。
-
注: R. 根际土壤; NR. 非根际土壤; SOC. 土壤有机碳; TN. 全氮; NH4+-N. 铵态氮; NO3--N. 硝态氮; TP. 全磷; AP. 有效磷; C/N. 碳氮比; C/P. 碳磷比; N/P. 氮磷比; pH. 酸碱度; SWC. 土壤含水量。同列不同字母表示根际或非根际土壤不同林分间差异性显著 (P<0.05)。
-
Note: R. Rhizosphere soil; NR. Non-rhizosphere soil; SOC. Soil organic carbon; TN. Total nitrogen; NH4+-N. Ammonium nitrogen; NO3--N. Nitrate nitrogen; TP. Total phosphorus; AP. Available phosphorus; C/N. Ratio of organic carbon to total nitrogen; C/P. Ratio of organic carbon to total phosphorus; N/P. Ratio of total nitrogen to total phosphorus; pH. pH value; SWC. Soil water content. Different letters in the same column indicate significant differences between different stands of rhizosphere or non-rhizosphere soils (P<0.05).
-
由图4可知,阔叶林的5种酶活性(BG、CB、NAG、LAP、ACP)均显著高于杉木林,不同林分的根际土壤酶活性均高于非根际土壤。红锥林和红锥/米老排混交林的根际和非根际土壤BG酶活性均显著大于杉木林和米老排林(P<0.05)。红锥林、米老排林和红锥/米老排混交林的根际和非根际土壤CB、NAG、LAP和ACP酶活性均显著大于杉木林(P<0.05)。
-
2.4 影响根际和非根际土壤磷组分的主要生物和非生物因素
-
由RDA分析结果可知,在根际土壤中,第一主轴和第二主轴分别解释了土壤P组分变化的96.22%和0.34%,其中第一主轴将杉木林和红锥林、米老排林及红锥/米老排混交林明显分开(图5:A)。在非根际土壤中,第一主轴和第二主轴分别解释了P组分变化的92.31%和3.75%,其中第一主轴将杉木林和红锥林、米老排林及红锥/米老排混交林明显分开(图5:B)。SWC(F=115,P=0.002)是驱动根际土壤P组分变异的最关键因子,而MBC(F=45.8,P=0.002)是驱动非根际土壤中P组分变异的最关键因子。
-
3 讨论
-
3.1 杉木林改造成阔叶林对根际和非根际土壤磷组分的影响
-
本研究中,将杉木林改造成阔叶林后,无论在根际土壤还是非根际土壤中各P组分含量均有不同程度的提高,并且不同林分根际土壤中各P组分含量均比非根际土壤高,这可能是由于根系对P具有较强的吸收和富集能力,根际范围内微生物活性较高,有利于P的矿化,从而提高P含量,因此导致根际土壤中各P组分含量高于非根际土壤。各P组分含量表现出HCl-P>Citrate-P>Enzyme-P > CaCl2-P,这与杨豆(2022)的研究结果一致。CaCl2-P相较其他P组分含量较低,可能是作为直接被根际截留或扩散的P,能直接被植物所吸收利用的原因。在根际和非根际土壤中,红锥林和红锥/米老排混交林的CaCl2-P含量显著高于杉木林;Enzyme-P作为一种土壤有机磷(organic phosphorus,Po)组分,易被酸性磷酸酶和植酸酶水解呈HPO42-和H2PO4-,其含量在米老排林和红锥/米老排混交林中显著高于杉木林和红锥林;HCl-P和Citrate-P作为稳定态的无机磷(inorganic phosphorus,Pi),是土壤中的潜在P库,米老排林和红锥/米老排混交林中的含量显著高于杉木林。这表明杉木林改造成阔叶林后,有利于增加易溶性P的含量、提高土壤P的有效性,也有利于Pi的大量积累、提高土壤P的供应潜力。这可能是:(1)阔叶树种及其混交林下凋落物量增多,P素通过植物残体分解归还土壤,使土壤各P组分增加(Tian et al.,2019);(2)长期积累的凋落物可以减少因地表裸露而造成的土壤P流失(贾淑娴等,2019);(3)不同树种的根际生物化学过程不同,植物根系和微生物分泌有机酸和酶的能力也不同,导致不同林分P组分的含量产生差异。
-
图1 不同林分类型的根际和非根际土壤磷组分含量的变化
-
Fig.1 Changes of phosphorus component contents in rhizosphere and non-rhizosphere soils of different stand types
-
图2 不同林分类型的根际和非根际土壤的PAC变化
-
Fig.2 PAC changes in rhizosphere and non-rhizosphere soils of different stand types
-
图3 不同林分类型的根际和非根际土壤微生物生物量的变化
-
Fig.3 Changes of microbial biomass in rhizosphere and non-rhizosphere soils of different stand types
-
图4 不同林分类型的根际和非根际土壤酶活性的变化
-
Fig.4 Changes of enzyme activities in rhizosphere and non-rhizosphere soils of different stand types
-
土壤中不同形态P始终处于动态平衡过程中且相互影响和制约,其含量变化影响着土壤P的有效性(沈开勤等,2023)。本研究中,改造后的阔叶林根际和非根际土壤TP、AP和MBP含量增加,一方面,可能是阔叶林凋落物量增多,使归还到土壤中的养分增加、土壤TP含量也增加,并且阔叶林土壤含水量较高,有利于微生物生长且提高微生物活性,使MBP含量增加,从而影响土壤中不同形态P素的积累;另一方面,可能是由于杉木林改造成阔叶林后土壤各P组分含量增加,从而提高TP和AP含量,并且阔叶林中SOC含量较高,土壤P的矿化作用增强,有利于提高土壤P有效性。王涛等(2020)研究发现,在杉木采伐迹地上营造阔叶林可以提高土壤P的有效性。
-
图5 不同林分类型的根际和非根际土壤磷组分与主要环境因子的冗余分析(RDA)
-
Fig.5 Redundancy analysis (RDA) of phosphorus components and major environmental factors in rhizosphere and non-rhizosphere soils of different stand types
-
3.2 杉木林改造成阔叶林对根际和非根际土壤磷转化的影响
-
土壤P转化的实质是不同P素形态之间的相互转化(张梅,2022),并受植被类型、土壤理化性质、微生物以及水分等因素的影响(方晰等,2018;黄翊兰等,2019)。土壤酸性磷酸酶(ACP)在P转化过程中起重要的作用,其活性的高低直接反映土壤P的转化效率(郑棉海等,2015)。本研究中,红锥林、米老排林和红锥/米老排混交林的土壤ACP值均显著高于杉木林,其中根际土壤ACP值均比非根际土壤高,说明将杉木林改造成阔叶林有利于P素转化,提高P有效性,根际土壤效果比非根际土壤显著。阔叶林凋落物的数量和分解速率均比针叶林高,可为微生物的生长和繁殖提供大量的营养物质,这在一定程度上促进了ACP的合成(贺红月等,2018)。
-
本研究发现,杉木林改造成阔叶树种后,根际和非根际土壤中微生物生物量(MBC、MBN、MBP)和酶(BG、CB、NAG、LAP、ACP)的活性均高于杉木人工林,主要是阔叶林土壤中SOC和TN的含量较高,可为微生物提供充足的C源和N源,刺激微生物活动、提高土壤酶活性,促进不同形态P之间的转化。郭源(2022)在研究不同树种细根形状特征时发现,由于杉木生长的土壤往往比较贫瘠,并且只能向更广更深的地方吸取养分,因此与阔叶树相比杉木的细根分枝一般更少、直径更粗、对土壤养分的利用率更低。这进一步表明杉木林改造成阔叶林后,可以提高土壤中微生物生物量及其活性,并改变土壤P的转化速率和养分竞争强度,进而影响有效P的含量。
-
本研究中,SWC是影响根际土壤P组分变化的关键环境因子,MBC是影响非根际土壤中P组分变化的关键环境因子。前人研究发现,土壤P素在含水量提高的情况下矿化速率更快(秦胜金等,2007;蔡观等,2017),并且磷酸根离子由非根际土壤向根际土壤扩散的量增加(李法云和高子勤,1999)。本研究中,阔叶林的土壤含水量、微生物生物量及各P组分含量均显著大于杉木人工林,可能是不同林分地表凋落物的质量和数量不同,从而导致其微生物多样性和土壤含水量也不同。相对于杉木林而言,阔叶林的土壤含水量较高,从而提高土壤微生物活性,有利于微生物和根系产生大量分泌物,如ACP、低分子有机酸和H+等(秦胜金等,2006;田娟等,2008)。土壤中的Citrate-P含量增加可能是有机酸通过配位交换作用,与磷酸根(HPO42-和H2PO4-)竞争土壤颗粒表面的阴离子吸附位点,促进吸附于黏粒上或弱束缚于无机沉淀物中的无机活性P的释放,从而增加稳定性Pi组分的含量;而H+能活化难溶性矿物质P,使HCl-P含量增加,从而增加中等稳定性Pi组分含量(蒋炳伸等,2020);ACP可以提高土壤无机活性P和有机活性P的矿化率,使Enzyme-P含量提高,从而增加Po组分的含量(胡怡凡等,2021)。
-
4 结论
-
杉木林改造成阔叶林后,根际和非根际土壤P组分发生显著变化,阔叶林的AP、TP和MBP含量及与P转化相关的ACP含量均显著高于杉木林,SWC是驱动根际土壤P组分变化的关键环境因子,MBC是调控非根际土壤中P组分变化的关键环境因子。这表明杉木人工纯林转化成阔叶林后(尤其是阔叶树种混交林)土壤理化性质得到明显改善,可以促进微生物活动、提高ACP酶活性,促进Po组分矿化和Pi组分的溶解和释放,有利于土壤P的储存和转化,从而增加植物养分的供应,并间接影响亚热带的森林生产力,有利于人工林生态系统的可持续发展。
-
参考文献
-
BAO SD, 2000. Soil agrochemical analysis [M]. 3nd ed. Beijing: China Agriculture Press: 1-120. [鲍士旦, 2000. 土壤农化分析 [M]. 3版. 北京: 中国农业出版社: 1-120. ]
-
BI QF, 2020. Different fertilization modes and cultivation years affect soil phosphorus availability and carbon-nitrogen-phosphorus coupling transformations and their microbial mechanisms [D]. Hangzhou: Zhejiang University: 7-8. [毕庆芳, 2020. 施肥模式和耕作年限影响土壤磷有效性和碳氮磷耦合转化的微生物学机制 [D]. 杭州: 浙江大学: 7-8. ]
-
CAI G, HU YJ, WANG TT, et al. , 2017. Characteristics and influencing factors of biologically-based phosphorus fractions in the farmland soil [J]. Chin J Environ Sci, 38(4): 1606-1612. [蔡观, 胡亚军, 王婷婷, 等, 2017. 基于生物有效性的农田土壤磷素组分特征及其影响因素分析 [J]. 环境科学, 38(4): 1606-1612. ]
-
CAI MK, 2021. Research on soil elemental stoichiometry and its key influencing factors in Larix principis-rupprechtii plantations at Mt. Taiyue [D]. Beijing: Beijing Forestry University: 97-136. [蔡锰柯, 2021. 太岳山华北落叶松林土壤化学计量特征及关键影响因子研究 [D]. 北京: 北京林业大学: 97-136. ]
-
CUI YX, BING HJ, FANG L, et al. , 2019. Diversity patterns of the rhizosphere and bulk soil microbial communities along an altitudinal gradient in an alpine ecosystem of the eastern Tibetan Plateau [J]. Geoderma, 338: 118-127.
-
DELUCA TH, GLANVILLE HC, HARRIS M, et al. , 2015. A novel biologically-based approach to evaluating soil phosphorus availability across complex landscapes [J]. Soil Biol Biochem, 88: 110-119.
-
DING K, ZHANG Y, YRJÄLÄ K, et al. , 2022. The introduction of Phoebe bournei into Cunninghamia lanceolata monoculture plantations increased microbial network complexity and shifted keystone taxa [J]. For Ecol Manage, 509: 120072.
-
FANG X, CHEN JL, WANG LF, et al. , 2018. Research progress on soil phosphorus availability and its influential factors in subtropical forests [J]. J Cent S Univ For Technol, 38(12): 1-12. [方晰, 陈金磊, 王留芳, 等, 2018. 亚热带森林土壤磷有效性及其影响因素的研究进展 [J]. 中南林业科技大学学报, 38(12): 1-12. ]
-
FINK JR, INDA AV, BAVARESCO J, et al. , 2016. Adsorption and desorption of phosphorus in subtropical soils as affected by management system and mineralogy [J]. Soil Tillage Res, 155: 62-68.
-
GHARU AD, TARAFDAR JC, 2016. Efficiency of phosphatases in mobilization of native phosphorus fractions under different vegetation [J]. Agric Res, 5(4): 335-345.
-
GUO Y, 2022. Differences in species composition and soil properties during conversion in an evergreen broad-leaved forest [D]. Nanchang: Jiangxi Agricultural University: 23-27. [郭源, 2022. 常绿阔叶林转换过程中物种组成与土壤性质的差异 [D]. 南昌: 江西农业大学: 23-27. ]
-
HE HY, MA CM, MU HX, et al. , 2018. The decomposition characteristics and soil nutrient dynamics of leaf litter mixture of Larix principis-rupprechtii and Betula platyphylla [J]. For Resour Manage, (3): 93-100. [贺红月, 马长明, 牟洪香, 等, 2018. 华北落叶松和白桦叶凋落物混合分解特征及土壤养分动态 [J]. 林业资源管理, (3): 93-100. ]
-
HU X, GU H, LIU J, et al. , 2023. Metagenomic strategies uncover the soil bioavailable phosphorus improved by organic fertilization in mollisols [J]. Agric Ecosyst Environ, 349: 108462.
-
HU YF, LIU JP, WANG ZK, et al. , 2021. Rotation increases soil phosphorous bioavailability and improves phosphorous nutrition of the latter crop in rotation [J]. Plant Nutr Fert Sci, 27(8): 1305-1310. [胡怡凡, 刘佳坪, 王子楷, 等, 2021. 轮作提高土壤磷生物有效性改善后茬作物磷素营养 [J]. 植物营养与肥料学报, 27(8): 1305-1310. ]
-
HUANG YL, CUI LJ, LI CY, et al. , 2019. Biologically-based availability and influencing factors of soil phosphorus under different vegetation in coastal beach wetlands [J]. Ecol Environ Sci, 28(10): 1999-2005. [黄翊兰, 崔丽娟, 李春义, 等, 2019. 滨海滩涂湿地不同植被土壤磷的生物有效性及其影响因子分析 [J]. 生态环境学报, 28(10): 1999-2005. ]
-
JIA SX, WU CJ, LIU XF, et al. , 2019. Effects of harvest residue treatments on soil phosphorus fractions and availability in a young Chinese fir plantation [J]. Chin J Appl Ecol, 30(11): 3662-3670. [贾淑娴, 吴传敬, 刘小飞, 等, 2019. 采伐剩余物的处理方式对杉木幼林土壤磷组分及其有效性的影响 [J]. 应用生态学报, 30(11): 3662-3670. ]
-
JIANG BS, SHEN JL, WANG J, et al. , 2020. Effect of straw incorporation on biologically-based phosphorus fractions and phosphorus uptake by rice in paddy field [J]. J Soil Water Conserv, 34(6): 309-317. [蒋炳伸, 沈健林, 王娟, 等, 2020. 秸秆还田稻田土壤生物有效性磷及水稻磷吸收 [J]. 水土保持学报, 34(6): 309-317. ]
-
KELLER N, BOL R, HERRE M, et al. , 2023. Catchment scale spatial distribution of soil enzyme activities in a mountainous German coniferous forest [J]. Soil Biol Biochem, 177: 108885.
-
KUZYAKOV Y, RAZAVI BS, 2019. Rhizosphere size and shape: Temporal dynamics and spatial stationarity [J]. Soil Biol Biochem, 135: 343-360.
-
LI FY, GAO ZQ, 1999. Transformation mechanism and availability of nutrients in albic soil-plant system IV. Effect of environmental factors on phosphorus availability in albic soil. [J]. Chin J Appl Ecol, 10(5): 579-582. [李法云, 高子勤, 1999. 白浆土-植物系统营养物质转化机制及其有效性研究Ⅳ. 环境条件对土壤磷素有效性的影响 [J]. 应用生态学报, 10(5): 579-582. ]
-
LI LJ, XIE TT, ZHANG SL, et al. , 2020. Characteristics of nutrient content and enzyme activity in the rhizosphere and bulk soils of four suitable plant species in the hydro-fluctuation zone of the Three Gorges Reservoir [J]. Acta Ecol Sin, 40(21): 7611-7620. [李丽娟, 谢婷婷, 张松林, 等, 2020. 三峡库区消落带4种适生植物根际与非根际土壤养分与酶活性特征研究 [J]. 生态学报, 40(21): 7611-7620. ]
-
LI M, TAN XM, XIAO N, et al. , 2022. Effects of introducing Dalbergia odorifera and Acrocarpus fraxinifolius on soil phosphorus transformation and availability in rocky desertification mountainous regions [J]. Acta Ecol Sin, 42(4): 1594-1605. [李萌, 谭许脉, 肖纳, 等, 2022. 引种降香黄檀和顶果木对石漠化山区土壤磷素转化及其有效性的影响 [J]. 生态学报, 42(4): 1594-1605. ]
-
LIANG J, LIU J, JIA P, et al. , 2020. Novel phosphate-solubilizing bacteria enhance soil phosphorus cycling following ecological restoration of land degraded by mining [J]. ISME J, 14(6): 1600-1613.
-
LIN JC, 2007. A study on the soil water- physical properties in mixed plantations between Liquidambar formosana and Cunninghamia lanceolata and Pinus massoniana [J]. Subtrop Soil Water Conserv, 19(3): 1-3. [林建椿, 2007. 枫香与杉木、马尾松混交林土壤水分物理性质的研究 [J]. 亚热带水土保持, 19(3): 1-3. ]
-
LIN TL, 2000. Change of soil fertility of the forest land in which mixed forest of Cunninghamia lanceolata and broad-leaved trees was constructed after continuous planting Cunninghamia lanceolata [J]. J Zhejiang For Sci Technol, 20(2): 23. [林同龙, 2000. 杉木多代连栽林地营造杉阔混交林后的土壤肥力变化 [J]. 浙江林业科技, 20(2): 23. ]
-
MA ZL, ZHAO WQ, LIU M, et al. , 2019. Effects of warming on microbial biomass carbon and nitrogen in the rhizosphere and bulk soil in an alpine scrub ecosystem [J]. Chin J Appl Ecol, 30(6): 1893-1900. [马志良, 赵文强, 刘美, 等, 2019. 增温对高寒灌丛根际和非根际土壤微生物生物量碳氮的影响 [J]. 应用生态学报, 30(6): 1893-1900. ]
-
MING AG, LIU SR, NONG Y, et al. , 2015. Comparison of carbon storage in juvenile monoculture and mixed plantation stands of three common broadleaved tree species in subtropical China [J]. Acta Ecol Sin, 35(1): 180-188. [明安刚, 刘世荣, 农友, 等, 2015. 南亚热带3种阔叶树种人工幼龄纯林及其混交林碳贮量比较 [J]. 生态学报, 35(1): 180-188. ]
-
PENG X, DAI Q, DING G, et al. , 2017. Distribution and accumulation of trace elements in rhizosphere and non-rhizosphere soils on a karst plateau after vegetation restoration [J]. Plant Soil, 420(1/2): 49-60.
-
QIN SJ, LIU JS, WANG GP, 2006. Mechanism of phosphorus availability changing in soil [J]. Chin J Soil Sci, 37(5): 1012-1016. [秦胜金, 刘景双, 王国平, 2006. 影响土壤磷有效性变化作用机理 [J]. 土壤通报, 37(5): 1012-1016. ]
-
QIN SJ, LIU JS, WANG GP, et al. , 2007. Phosphorus fractions under different land uses in Sanjiang Plain [J]. Chin J Environ Sci, 28(12): 2777-2782. [秦胜金, 刘景双, 王国平, 等, 2007. 三江平原不同土地利用方式下土壤磷形态的变化 [J]. 环境科学, 28(12): 2777-2782. ]
-
SHEN KQ, LIU Q, YANG GT, et al. , 2023. Effects of phosphorus reduction on soil phosphorus pool composition and phosphorus solubilizing microorganisms [J]. Chin Agric Sci, 56(15): 2941-2953. [沈开勤, 刘倩, 杨国涛, 等, 2023. 减量施磷对土壤磷库组成及解磷微生物的影响 [J]. 中国农业科学, 56(15): 2941-2953. ]
-
SHU ZW, HAN R, WANG ZB, et al. , 2022. Research progress on plant growth and metabolic regulation by salinity-loving microorganisms in saline-alkali soil [J]. Jiangsu Agric Sci, 50(16): 27-36. [舒志万, 韩睿, 王智博, 等, 2022. 盐碱土壤中嗜盐微生物促进植物生长与代谢调节研究进展 [J]. 江苏农业科学, 50(16): 27-36. ]
-
TAN XM, 2022. Effects of Pinus massoniana/Erythrophleum fordii uneven-aged mixed transformation on rhizosphere and non-rhizosphere soil phosphorus fractions and its potential regulatory mechanisms [D]. Nanning: Guangxi University: 3. [谭许脉, 2022. 马尾松/格木异龄混交改造对根际和非根际土壤磷组分的影响及其潜在调控机制 [D]. 南宁: 广西大学: 3. ]
-
TAN XM, ZHANG W, XIAO N, et al. , 2022. Effects of understory plant species composition and diversity under transforming Chinese fir into precious indigenous broadleaf plantations [J]. Acta Ecol Sin, 42(7): 2931-2942. [谭许脉, 张文, 肖纳, 等, 2022. 杉木林改造成乡土阔叶林对林下植物物种组成和多样性的影响 [J]. 生态学报, 42(7): 2931-2942. ]
-
TIAN H, CHENG X, HAN H, et al. , 2019. Seasonal variations and thinning effects on soil phosphorus fractions in Larix principis-rupprechtii Mayr. plantations [J]. Forests, 10(2): 172-188.
-
TIAN J, LIU L, DONG GM, et al. , 2008. Study progress of phosphorus release mechanics in flooded soils [J]. Chin J Soil Sci, 39(2): 426-430. [田娟, 刘凌, 董贵明, 等, 2008. 淹水土壤磷释放机理研究进展 [J]. 土壤通报, 39(2): 426-430. ]
-
TROITIÑO F, GIL-SOTRES F, LEIRÓS MC, et al. , 2008. Effect of land use on some soil properties related to the risk of loss of soil phosphorus [J]. Land Degrad Dev, 19(1): 21-35.
-
WANG T, WAN XH, WANG L, et al. , 2020. Effects of broadleaved tree plantation on soil phosphorus fractions and availability in different soil layers in a logged Cunninghamia lanceolata woodland [J]. Chin J Appl Ecol, 31(4): 1088-1096. [王涛, 万晓华, 王磊, 等, 2020. 杉木采伐迹地营造阔叶树对不同层次土壤磷组分和有效性的影响 [J]. 应用生态学报, 31(4): 1088-1096. ]
-
XIA L, ZHAO BQ, LUO T, et al. , 2022. Microbial functional diversity in rhizosphere and non-rhizosphere soil of different dominant species in a vegetation concrete slope [J]. Biotechnol Biotechnol Eqip, 36(1): 379-388.
-
YANG D, 2022. Effect of moso bamboo expands to broad-leaved and conifer forests on soil phosphorus bioavailability and its mechanism [D]. Nanchang: Jiangxi Agricultural University: 19. [杨豆, 2022. 毛竹向阔叶林和针叶林扩张对土壤磷生物有效性的影响及其机制 [D]. 南昌: 江西农业大学: 19. ]
-
YE XM, GAO GN, ZHANG W, et al. , 2024. Effects of biochar addition on soil phosphorus composition and transformation in Eucalytus plantation [J]. Guihaia, 44(7): 1257-1268. [叶小敏, 高冠女, 张文, 等, 2024. 添加生物质对人工林土壤磷组分及转化的影响 [J]. 广西植物, 44(7): 1257-1268. ]
-
YOU YM, XU HC, WU XP, et al. , 2020. Native broadleaf tree species stimulate topsoil nutrient transformation by changing microbial community composition and physiological function, but not biomass in subtropical plantations with low P status [J]. For Ecol Manage, 477: 118491.
-
ZHANG M, 2022. The effects of grazing and mowing on soil phosphorus pools and microbes related to phosphorus transformation in Inner Mongolia grassland [D]. Urumqi: Xinjiang Agricultural University: 1-2. [张梅, 2022. 放牧和刈割对内蒙古草原土壤磷库和磷转化相关功能菌群的影响 [D]. 乌鲁木齐: 新疆农业大学: 1-2. ]
-
ZHENG MH, CHEN H, ZHU XM, et al. , 2015. Effects of the addition of mineral nutrients on biological nitrogen fixation in forest ecosystems [J]. Acta Ecol Sin, 35(24): 7941-7954. [郑棉海, 陈浩, 朱晓敏, 等, 2015. 矿质养分输入对森林生物固氮的影响 [J]. 生态学报, 35(24): 7941-7954. ]
-
摘要
磷(P)是维持亚热带森林生态系统生产力的关键因子。杉木主要分布于我国亚热带地区,杉木林的土壤酸化,P利用效率低,研究杉木林转化后对土壤P的影响、对生态系统的稳定和森林可持续经营具有重要意义。该研究以南亚热带杉木林采伐迹地上重新种植的杉木林、红锥林、米老排林和红锥/米老排混交林为研究对象,采集根际土和非根际土,重点探究南亚热带杉木人工林改造成阔叶林后土壤P组分及转化的影响。结果表明:(1)改造后的红锥林、米老排林和红锥/米老排混交林的根际和非根际土壤的微生物生物量P含量及酸性磷酸酶活性均显著高于杉木林,红锥林和红锥/米老排混交林的土壤全P比杉木林和米老排林更容易转化为速效P。(2)红锥林和红锥/米老排混交林的根际和非根际土壤中氯化钙提取P的含量均显著高于杉木林和米老排林,米老排林和红锥/米老排混交林根际和非根际土壤中酶提取P、盐酸提取P和柠檬酸提取P的含量显著高于杉木林和红锥林。(3)RDA结果显示,调控根际和非根际土壤P组分的关键因子分别是土壤含水量和微生物生物量碳。综上认为,将杉木林改造成阔叶林有利于森林土壤P的储存和供应,该研究结果为提高南亚热带人工林土壤P有效性的树种选择和经营管理策略等提供了重要科学依据。
Abstract
Phosphorus (P) is one of the essential elements for plant growth and is a key factor in maintaining the productivity of subtropical forest ecosystems. Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) is mainly distributed in subtropical areas of China, and its soil acidification and phosphorus utilization efficiency are low. It is of great significance to study the effects of Chinese fir plantation transformation on soil P for the stability of ecosystem and sustainable forest management. In this study, the rhizosphere and non-rhizosphere soils were collected from the replanted Chinese fir plantation, Castanopsis hystrix plantation, Mytilaria laosensis plantation and the mixed plantation of Castanopsis hystrix and Mytilaria laosensis on the cutting-blank of Chinese fir plantation in South Asia, and the effects of soil P component and transformation on the transformation of Chinese fir plantation into broad-leaved forest were studied. The results were as follows: (1) The content of microbial biomass phosphorus and the activity of acid phosphatase in rhizosphere and non-rhizosphere soil of the modified Castanopsis hystrix plantation, Mytilaria laosensis plantation and the mixed plantation of Castanopsis hystrix and Mytilaria laosensis were significantly higher than those of Chinese fir plantation. The contents soil total phosphorus of Castanopsis hystrix plantation and the mixed plantation of C. hystrix and Mytilaria laosensis were more easily converted to quick available phosphorus than those of Chinese fir plantation and M. laosensis plantation. (2) The contents of calcium chloride extraction phosphorus in rhizosphere and non-rhizosphere soils of Castanopsis hystrix plantation and the mixed plantation of C. hystrix and Mytilaria laosensis were significantly higher than those of Chinese fir plantation and M. laosensis plantation, and the contents of enzyme extraction phosphorus, hydrochloric acid extraction phosphorus and citric acid extraction phosphorus in rhizosphere and non-rhizosphere soils of M. laosensis plantation and Castanopsis hystrix/Mytilaria laosensis mixed plantation were significantly higher than those of Chinese fir plantation and Castanopsis hystrix plantation. (3) RDA results showed that soil water content and microbial biomass carbon were the key factors regulating P components in rhizosphere and non-rhizosphere soils, respectively. In summary, the transformation of Chinese fir plantation into broad-leaved forest is conducive to the storage and supply of forest soil P, and this study provides an important scientific reference for tree species selection and management strategies to improve soil P availability in south subtropical plantations.