青海省森林土壤磷储量及其分布格局

　　摘要磷(P)是地球生态系统中重要的生命元素。全球变化背景下，科学地探究森林土壤磷储量现状及其影响因子，对陆地生态系统的稳定以及磷的可持续利用具有重要意义。因此，该研究利用青海省240个森林标准样地土壤实测数据，并结合青海省森林资源清查资料估算出了青海省森林土壤磷储量，揭示了其分布格局，并讨论了土壤磷储量与环境因子的关系。

　　结果表明:(1)青海省森林土壤磷储量为1.74Tg，全省1m深土壤平均磷密度为4.65Mg·hm–2，土壤磷密度总体上呈地带性分布。(2)土壤磷密度在中低海拔(2200–3000m)区域随海拔的升高显著减小，在高海拔(3300–3900m)区域随海拔高度的增加而显著变大。山地灰褐色森林土的磷密度最大且显著大于山地棕色暗针叶林土和山地暗褐土。(3)土壤磷含量随海拔升高显著减小，山地棕色暗针叶林土各土层磷含量相对较大，山地暗褐土的磷含量最小，且土壤磷含量随着土层的加深而减小。(4)海拔、温度、土壤类型以及土壤含水量均对土壤磷含量有直接影响，且影响较大，其中海拔和温度是影响土壤磷含量变化的关键因子;土壤磷密度对土壤容重、土壤磷含量、土壤含水量、海拔、土壤类型的变化响应较为明显，而土壤容重可能是限制土壤磷密度变化的主导因素。

　　关键词磷储量;森林土壤;空间分布;环境因子;青海省

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　　森林工程杂志是由中华人民共和国新闻出版总署、正式批准公开发行的优秀正规期刊。是国家教育部主管的，东北林业大学主办的核心期刊，主要反映森林资源建设与保护、森工产品加工与利用、森工企业管理、森工技术、森林工程机械设备、森工土木建筑等方面的科技成果、科技动态、林业建设方针政策、生产管理与技术经验、学术研究、技术革新与技术引进等内容，非常适合林业方向工程师投稿评职称论文。

　　磷是生态系统中重要的生命元素，是地球上所有生命化学组成的基础之一(Vincentetal.，2012)。植物生长所必需的磷主要来源于土壤，土壤是陆地生态系统中最大的磷库。土壤磷储量主要依靠矿石的风化和大气干湿沉降来维持(Ruttenberg，2003)。气候、地形地貌、土壤发育阶段、微生物动态等均在生态系统土壤磷库的输入与输出过程中扮演着重要角色(Ippolitoetal.，2010)。而土壤的生物化学过程以及植物自身的遗传特性则会影响土壤和植被之间的磷转移(Weietal.，2010)。磷的通量几乎是单向的，从陆地生态系统逐渐向江河海洋移动(Liuetal.，2008)。

　　19世纪中叶以来，全球变化显著地改变了陆地磷动态。陆地磷库对气候变暖响应敏感，气候变暖使得土壤沙含量增加，进而降低土壤原生矿物磷和有机磷库，土壤总磷减少(Houetal.，2018)。高降水波动引发森林土壤磷减少(Yuanetal.，2017)，氮沉降加速了森林土壤磷循环致使土壤总磷相对减少(Marklein&Houlton，2011)。

　　森林约覆盖着地球陆地面积的30%(Faheyetal.，2010)，却占有全球陆地生态系统地上碳库的80%以及地下碳库的40%(FAO，2005)，并在减缓全球气候变暖、维持碳平衡等方面意义重大。全球变化背景下，人类活动加剧了森林生态系统土壤磷库的供需失衡(Smil，2000)。采伐、火烧、土地利用变化等人为干扰是森林环境变化的根本原因之一(Baetenetal.，2011)，直接导致森林土壤养分出现增减效应，对土壤磷状态产生持续的影响(Dambrineetal.，2007)。考虑到全球陆地生态系统的磷限制(Augustoetal.，2017)，评估森林土壤磷储量现状及其影响因子，有助于了解森林生态系统如何对全球变化作出响应，利于加快将磷循环纳入地球系统模型的进程(Reedetal.，2015)，对陆地生态系统的稳定以及磷的可持续利用意义深远。

　　近年来，不少国内外学者研究评价了土壤碳、氮库(Allenetal.，2013)，但针对土壤磷库的估算报道不多(汪涛等，2008)，并且主要集中于全球和国家尺度。Smil(2000)研究估算了全球农业土壤磷储量为5–6Pg。Zhang等(2005)对中国表层(0–50cm)土壤磷储量进行了估算，结果表明中国土壤磷储量为3.5Pg。郭焱培等(2017)研究结果显示中国北方灌丛1m深土壤磷储量约为124.6Tg。

　　然而，区域尺度上对土壤磷储量的定量评价还存在明显不足，为了减少研究资料不足带来的土壤磷库估算的不确定性，有必要对代表性地区的土壤磷储量和磷密度进行更加准确地评估(Zhangetal.，2005)。青藏高原是全球气候变暖的“启动器”和“放大器”，青海省作为青藏高原的重要组成部分，其森林生态系统在固碳制氧、涵养水源、保育土壤以及生物多样性保护等方面价值巨大，具有极其重要的生态地位。同时也为研究森林土壤磷对全球变化的响应提供了理想的研究场所。然而目前关于青海省森林土壤磷储量的研究却鲜有报道。因此，本研究在统一的取样标准下，对青海省森林土壤磷进行了系统的实地调查，准确估算出了青海省森林土壤磷密度和磷储量并探究了土壤磷变化的限制因素，拟回答以下科学问题:1)青海省森林土壤磷储量及其空间分布;2)不同海拔和不同土壤类型磷的变化特征;3)土壤磷与环境因子间的关系。

　　1研究方法

　　1.1研究区域概况

　　青海省地处青藏高原的东北部，是澜沧江、长江、黄河的发源地。青海省东西长约1200km，南北宽达800km，全境土地面积72.1×104km2。全省林地面积756.3×104hm2，占土地总面积的10.5%，其中森林面积为64.5×104hm2。以寒温带针叶林为主，且多分布于海拔2000–4000m区域。青海地处中纬度地带，境内地形差异显著，气候独特，是典型的高原大陆性气候，年降水量16.7–776.1mm，年平均气温–3.7–6.0℃，年蒸发量大部分在1500mm以上(字洪标等，2017)。

　　1.2研究方法

　　1.2.1样地设置与采样

　　本研究遵循生态系统固碳项目技术规范编写组(2015)制定的统一要求，并参考青海省森林资源连续清查结果，在青海省21个县内分别选取环境条件(如坡度、坡向、郁闭度等)相似且具有代表性的落叶阔叶林和寒温性针叶林，充分考虑全省各森林类型(优势种)分布面积、蓄积比重、起源等情况，设置80个主要林分类型标准样点。每个样点设置3个50m×20m的样地，样地之间距离大于100m，总计样地240个。在每个样地沿着对角线设置3个1m×1m的调查样方，共计720个。在每个样方内(1m×1m)使用内径≥5cm的土钻，按0–10、10–20、20–30、30–50、50–100cm(不够100cm至母质层为止)，每层随机钻取3钻土，同一样方同一土层的土样混合成一个土壤样品。

　　野外采回的土样先剔除土壤以外的侵入体(如植物残根、昆虫尸体和石块等)和新生体(如铁锰结合和石灰结合等)，尽快风干后并用木棍压碎。压碎土样先过10目(2mm孔筛)再以四分法取适量样品磨细过100目(0.15mm孔筛)，供测定全磷含量使用。在样地内选择一个未受人为扰动，植被结构和土壤具有代表性的地段，挖100cm深土壤剖面(不足100cm深的挖至母质层)。沿剖面0–10、10–20、20–30、30–50、50–100cm分层，使用容积100cm3的环刀采集各层土壤，每层重复2次，以供测定土壤容重和土壤含水量。

　　1.2.2土样测定

　　土壤全磷含量测定采用NaOH碱熔-钼锑抗比色法(Huetal.，2016)。野外测定环刀+鲜土质量，实验室内测定环刀+干土质量以及环刀质量(环刀样品105℃下烘干至恒质量)，计算土壤容重以及土壤含水量。

　　1.2.3其余数据来源

　　土壤磷化学性质相对稳定，因而本研究采用年平均气温和平均年降水量探究其对土壤磷库的影响，数据均来自中国气象数据共享网。青海省森林土壤类型划分标准参照《青海森林》(青海森林编委会，1993)和《青海土壤》(青海省农业资源区划办公室，1997)。砾石含量数据来自《中国森林生态系统碳储量——动态及机制》(王万同等，2018)。

　　1.2.4数据处理计算

　　根据土壤碳密度的计算公式(郭焱培等，2017)，本研究磷密度计算公式如下:SPD=Σ(1–gi)×ρi×TPi×Ti(1)式中，SPD为土壤磷密度，gi为第i层土壤的砾石含量，ρi为第i土层的容重，TPi为第i土层的全磷含量，Ti为第i层土层厚度。各个林分的分布面积乘以林分磷密度再相加即得青海省磷储量。采用SPSS10.0统计软件进行单因素方差分析，检验不同土壤类型间磷含量和密度的差异性，如果方差为齐性，采用最小显著差异法进行多重比较，若方差为非齐性，则用Tamhane’sT2法进行多重比较(Zheng&Shangguan，2007)，使用SPSS10.0对土壤磷含量和磷密度与海拔之间的关系进行线性回归分析;利用AMOS17.0组建土壤磷含量、磷密度和环境因子的结构方程模型;采用Arcgis10.0地理统计分析软件对青海省土壤磷密度进行地理空间分析。使用Origin8.5软件进行数据计算和图表绘制。

　　2结果和分析

　　2.1青海省森林土壤磷储量及磷密度空间分布

　　青海省森林土壤磷储量为1.74Tg。6种林分土壤磷储量之间差异较大，介于32256–662457Mg之间。各个林分土壤磷储量从大到小的顺序为:柏木林>云杉林>桦木林>杨树林>落叶松林>青扦林。青海省针叶林土壤磷储量远大于阔叶林，且占到青海省森林土壤磷总储量的71%。不同林分土壤磷密度介于4.48–6.09Mg·hm–2之间。各林分土壤磷密度大小为:落叶松林>青扦林>桦木林>杨树林>柏木林>云杉林。阔叶林土壤磷密度大于针叶林。

　　1m深土壤平均磷密度为4.65Mg·hm–2，且空间分布差异较大，总体上呈地带性分布，即随着经纬度的增加而变大。0–30cm土层中(30–50cm和50–100cm土层厚度不一样故不加比较)，呈现出随着土层的加深土壤磷密度逐渐变大的垂直分布规律。20–30cm土层土壤磷密度显著大于0–10cm土层(p<0.05)。

　　2.2不同海拔土壤磷变异特征

　　0–10、10–20、20–30和30–50cm土壤磷含量在海拔2200–3000m和3300–3900m均与海拔呈显著负相关关系，并且3300m处土壤磷含量较大(海拔3000–3300m之间样本量稀少不予描述)。50–100cm土层土壤磷含量在海拔2200–3000m随着海拔增加而显著减少(p<0.001)，在3300–3900m随着海拔递增。

　　2.3不同土壤类型土壤磷变异特征

　　相同土壤类型不同土层中，土壤磷含量均呈现出随着土层的加深而变小的垂直分布规律，此外0–10cm土层磷含量均显著大于50–100cm(p<0.05)。相同土层不同土壤类型之间，土层0–10cm中，山地棕色暗针叶林土的磷含量显著高于其他土壤类型磷含量(p<0.05)，其他3种土壤类型磷含量之间差异不显著。10–20cm土层中，山地棕色暗针叶林土的磷含量显著大于山地灰褐色森林土和山地暗褐土(p<0.05)。20–30cm土层磷含量表现出和0–10cm一样的规律。30–50cm土层中，山地棕色暗针叶林土的磷含量也显著大于其他土壤磷含量(p<0.05)。土层50–100cm中，山地褐色针叶林土磷含量显著小于其他3种土壤类型(p<0.05)。不同土壤类型之间磷密度差异明显，其中山地灰褐色森林土磷密度最大且显著大于山地棕色暗针叶林土和山地暗褐土(p<0.05)，山地暗褐土土壤磷密度最小。

　　2.4磷与影响因子的相互关系分析

　　用结构方程模型(SEM)分析磷含量、磷密度以及环境因子之间的相互影响关系，CHI/DF=1.221，GFI=0.997，AGFI=0.989，RMSEA=0.014，p=0.266表明各因子模型适配度良好。结果表明SEM对磷含量、磷密度、降水量、温度、土壤类型、含水量以及容重的解释率分别为21%、69%、2%、39%、6%、46%和46%。海拔、土层、温度均与磷含量呈极显著负相关关系(p<0.001)，含水量与磷含量极显著正相关(p<0.001)，同时土壤类型对磷含量的直接影响也达到极显著水平(p<0.001)，降水量则通过土壤类型和温度对磷含量产生间接影响。容重通过含水量间接对磷含量产生影响。其中，海拔和温度对磷含量的直接影响较大。分析路径还表明，磷密度与土层、容重、磷含量极显著正相关(p<0.001)，含水量与磷密度极显著负相关(p<0.001)。海拔和温度通过影响含水量、容重以及磷含量间接对磷密度产生影响。

　　3讨论

　　3.1青海省森林土壤磷储量及其空间分布

　　土壤全磷表征土壤各种形态磷的总和，是判断磷营养水平的重要指标(Ahern&MacNish，1983)。较之以往收集整合资料的研究，本研究通过野外实测和室内分析，得到的估算结果准确性相对较高。即青海森林土壤磷储量为1.74Tg，总体较低。青海近84%的省域面积在海拔3000m以上，气候多寒旱，大部分地方失去了能够维持森林生存的基本条件(青海森林编委会，1993)，森林覆盖率处于全国末位水平(仅高于新疆)，加之青海省土壤本就磷缺乏，所以青海省森林土壤磷储量总体较低。青海省森林土壤(1m)平均磷密度为4.65Mg·hm–2，与郭焱培等(2017)估算出的中国北方灌丛土壤磷密度相差不大，但低于汪涛等(2008)研究得出的中国表层土壤全磷密度6.0Mg·hm–2。

　　这可能是由于土壤磷的分布具有较大的空间异质性(Baietal.，2010)，以及本研究的土壤取样深度和区域尺度都与汪涛等人的研究有所不同所导致。青海省森林土壤磷密度呈地带性空间分布，总体上随着经纬度增大而增加，且多集中于东北部，自然植被分布自东向西依次为森林-草甸-草原-荒漠(青海森林编委会，1993)。青海省针叶林土壤磷储量远大于阔叶林，占森林土壤磷总储量的比例为71%。因为青海省森林以寒温带针叶林为主，其乔木林面积中，针叶林占64.2%，阔叶林仅占27.1%。

　　但阔叶林土壤磷密度大于针叶林，说明阔叶林下土壤汇集磷的能力强于针叶林(张泰东等，2017)。研究所在区域针叶林凋落物磷含量小于阔叶林(王鑫等，2019)，加之针叶林凋落物本身较难分解(Prescottetal.，2000a)，所以针叶林凋落物向土壤归还的磷较少。针叶林凋落物会使土壤pH降低，土壤pH降低致使无机磷与铝络合(Carrino-Kykeretal.，2016)，从而减少土壤中磷的固定。

　　此外，阔叶林多为内生菌根树种，内生菌根分泌大量可使有机质释放磷的酶，有助于土壤中磷的积累(ChapinIIIetal.，2002)。土壤磷含量在土壤剖面上随土层加深而增大，与Cassagne等(2000)的研究结果一致。土壤磷的这种垂直分布格局是地球化学过程和动植物活动共同作用的结果，但植物对土壤磷的垂直分层控制可能更强(周俊等，2016)。

　　植物生长对磷的需求较大，上层土壤中的磷或许不能满足植物生长所需，需要从底层土壤中获取磷，并随着植物组织的死亡分解，土壤磷在表层土壤积聚(ViscarraRossel&Bui，2016)，所以上层土壤TP含量高于下层。Jobbágy和Jackson(2004)把这种模式解释为在土壤磷迁移的过程中，植物的“泵吸作用”大于淋滤等地球化学作用。另一个原因是植物地下生物量大多呈“倒金字塔”式分布。这样的垂直分布结构影响植物地下生物量以根系分泌物的形式向土壤输送磷(Vogtetal.，1986)。土壤有机质含量随土层的加深而降低也是导致土壤磷沿剖面减少的一个原因(Khitrovetal.，2018)。