张 波，王 超，田海山，李 博，卢 瑛

（1.华南农业大学林学与风景园林学院，广东 广州 510642；2.华南农业大学资源环境学院，广东 广州 510642；3.湖北省巴东县茶店子镇农业服务中心，湖北 巴东 444315）

【研究意义】磷作为植物生长所必需的营养元素之一，是影响陆地生态系统结构组成和稳定性的重要养分因子。我国土壤中磷素主要以无机磷形式存在［1］，约占土壤全磷含量的60%～80%，其存在多种形态，但大部分磷被土壤黏粒、铁铝氧化物等土壤组分吸附和化学固定［2-4］，转化为低活化性磷，使得土壤磷的有效性降低，从而限制了植物的生长［5］。通常，植物主要吸收利用的是含量极低的水溶性磷，其来源主要是有机磷的矿化和无机磷的溶解［6］。然而，磷形态之间的转化关系复杂，生态系统磷循环和磷有效性深受土壤磷赋存形态的制约。因此，研究土壤磷素的赋存形态及分布状况对揭示土壤磷变化特征、评价磷流失风险具有重要意义。【前人研究进展】土地利用方式的转变因耕作方式、农业管理、地表覆盖物差异，使得土壤物理、化学及生物特性发生潜移默化的改变［7］，能够影响土壤磷素的特征。有研究表明［8］，自然林地土壤开垦为农田后有效磷含量及磷活化系数较高，但随着种植的延续，土壤磷活化性下降，非有效磷占比显著增加。利用方式影响土壤磷形态特征、含量变化和生物活性，且由于磷的向下迁移也影响土壤磷的垂直分布。谷思玉等［6］研究发现，随着土壤深度的增加，有机磷含量呈递减趋势，而无机磷、有效磷、磷活化性呈递增趋势。土地利用的转变调节土壤磷素水平，磷形态转化影响磷的有效性。【本研究切入点】已有研究主要集中在丘陵等平坦地区农田的变化［9-10］、林地树种变更［11-12］等，而关于低山坡地开垦为梯田过程中土壤磷的赋存形态及有效性的研究鲜见报道。粤北地区多山且地势起伏较大，不利于农业生产的开展，因此，在低山坡地营造梯田是当地重要的农业利用方式。然而该区域土壤的风化淋溶作用较强，铁铝氧化物含量丰富，土壤固磷能力强及磷的生物利用率低下［12-13］，加上这种利用方式的转变打破了原有土壤系统中磷素的循环，需要深入了解其对土壤磷组分及有效性的影响。【拟解决的关键问题】本研究以粤北低山自然林地和开垦为梯田的土壤为研究对象，通过对土壤有机磷含量、无机磷的赋存状况及与环境因子之间关系进行研究，探究低山坡地梯田化过程中土壤磷组分之间转化及影响因子，为合理利用磷养分资源、实现绿色施肥、节能增效和维持生态系统的可持续发展提供科学依据和理论基础。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广东省清远市低山梯田区（23°50′～24°40′N，112°12′～113°29′E），属亚热带海洋性季风气候，年均气温18～20 ℃，年均降雨量1 600 mm、多集中在6—9月（占年降雨量70%）。研究样地地貌类型为低山坡地，平均海拔306～320 m，土壤类型主要为红壤和水稻土，成土母质为花岗岩风化物。该区域地势起伏较大，林地为次生林，主要树种为松树（Pinus）和黄牛木（Cratoxylum cochinchinense（Lour.）Bl.）等；坡地梯田为当地重要的农田利用形式，多分布于缓坡底部，主要种植单季水稻、玉米和生菜等作物。

1.2 试验材料

2017 年12 月在研究区内进行土壤调查，分别选取人为干扰较少的自然林地（Forest Land，FL），坡向、部位及其种植时间大致相同（20 年以上）的长期种植蔬菜和水稻的旱地梯田（Dry land terrace,DLT），水稻梯田（Paddy terrace,PT）作为典型土壤剖面。按照0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 自下而上分别采集不同层次土样，将土壤样品带回实验室自然风干，进行理化性质测定。

1.3 测定指标及方法

土壤常规理化性质的测定参照《土壤调查实验室分析方法》［14］：土壤pH 采用电位法（水土比2.5∶1）；有机质含量测定采用重铬酸钾-外加热法；全氮含量测定采用凯氏定氮法；全磷含量测定采用氢氧化钠熔融法；土壤颗粒组成采用吸管法；全铁含量测定采用三酸消煮-邻菲罗啉比色法；游离氧化铁含量测定采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠浸提，邻菲罗啉比色法；活性铁含量测定采用草酸-草酸铵缓冲液浸提，邻菲罗啉比色法。有机磷含量测定采用550 ℃灼烧-钼锑抗比色法；无机磷含量测定采用张守敬［15］分组方法。

土壤磷活化系数（%）=有效磷（mg/kg）/〔全磷（g/kg）×1000〕×100

试验数据采用Excel 2016 进行整理和统计分析，采用SPSS24.0 进行Person 相关性分析，采用Canoco5进行冗余分析，采用Origin 2018绘制图表。

2 结果与分析

2.1 不同类型土壤理化性质

由表1可知，3种类型土壤均为酸性或微酸性，pH 值随着土壤深度增加，呈上升趋势；0～40 cm土壤有机质含量均以水稻梯田（PT）最高，而其他层次土壤以自然林地（FL）含量最高；0～40 cm层次土壤全氮含量表现为PT ＞DLT ＞FL，其余层次规律性不明显；3 种类型土壤剖面黏粒含量相差不大，均属于黏壤土类，说明低山坡地营造梯田未改变其土壤质地。

2.2 不同类型土壤磷含量及有效性特征

由图1 可知，3 种类型土壤TP 和AP 含量表现出相同的变化趋势，均随着土层深度的增加，呈现“C”字型变化趋势，但是PT 自表层以下波动趋势较FL 和DLT 更加剧烈，其中土壤剖面AP 总量表现为PT（31.79 mg/kg）＞DLT（26.51 mg/kg）＞FL（8.39 mg/kg）；土壤磷活化系数（Phosphorus activation coefficient,PAC）表征土壤磷素的活化能力，反映土壤磷的有效程度［16］，即土壤中TP向AP 转化的难易程度，PAC 值越高，表示土壤中TP 向AP 转化的量越多，磷的有效性就越高，当PAC 数值低于2%时表明土壤TP 不易转化为AP。3 种土壤剖面PAC 均呈“C”字型变化趋势，而且表层土壤PAC 明显高于下层土壤，其中FL和DLT 下层土壤PAC 较稳定，而PT 变化较剧烈；FL 表层土壤PAC ＜2%，而DLT 和PT 土壤PAC＞2%，说明梯田表层土壤TP 易向AP 转化，FL表层土壤TP 则难以转化为AP。由此可见，低山坡地营造梯田能够提高土壤AP 含量，降低TP 向AP 转化的难度。

图1 不同类型梯田土壤磷含量及有效性Fig.1 Soil P content and availability in different types of terraces

2.3 不同类型土壤磷组分特征

2.3.1 无机磷组分含量 由图2 可知，3 种土壤无机磷组分以Fe-P 和难以被作物吸收利用的O-P含量较高，远高于Al-P 和Ca-P。各无机磷组分在FL 土壤剖面中无明显变化，（除PT 的Fe-P在剖面中呈波动性变化外）在DLT 和PT 土壤剖面中均呈“C”字型变化趋势，其中在PT 剖面变化程度较为剧烈。两种梯田各无机磷组分均在剖面表层土壤含量丰富，下层土壤均有不同程度的降低，整体表现为PT ＞DLT。与FL 相比，营造梯田各无机磷组分均在0～20 cm 和20～40 cm 土层有明显增加，以Fe-P 和O-P 表现最为明显。

图2 不同类型梯田土壤无机磷组分的含量Fig.2 Contents of inorganic P components in different types of terraces

2.3.2 无机磷和有机磷总量 由表2 可知，3 种类型梯田土壤的IP 和OP 含量（除FL 的IP）在土壤剖面中随土层深度增加，呈“C”字型变化趋势，最大含量均出现在表层，IP 整体表现 为PT ＞DLT ＞FL，OP 表现为DLT ＞PT＞FL。其中FL 以OP 含量略多，占（IP+OP）的49.03%～56.17%；而营造梯田后，DLT 和PT 则以IP 含量为主，分别占（IP+OP）的66.82%～72.25% 和71.47%～79.22%。C/OP 可 作为评价土壤磷素的矿化能力的指标，其数值低于200 说明有机磷的矿化度增加。C/OP 在FL 和DLT 剖面中呈波动性变化，而在PT 剖面中随土层深度增加呈下降趋势，整体表现为PT（589.14）＞DLT（562.57）＞FL（465.19），这是由于低山坡地营造梯田改变了土壤IP 和OP 的分配格局，增加了IP 含量，促进了OP 的矿化。

表2 不同类型梯田有机磷和无机磷的含量Table 2 Organic P and inorganic P contents in different types of terraces

2.4 土壤铁氧化物特征

3 种类型梯田土壤的铁氧化物均以Fed为主（表3），占Fet的51.6%～89.9%，其中FL 的Fed和晶质铁随土层深度增加呈上升趋势，而DLT 和PT 则呈先升高后下降的趋势，在土壤剖面中始终以DLT 的含量最高；FL 和PT 的Feo随深度增加呈下降-上升-下降的波动变化，而DLT 则呈降低趋势，土壤剖面中0～40 cm 以PT 的Feo含量最高，而40 cm 以下则以DLT 的Feo含量最高。低山坡地营造梯田明显增加了铁活化度，而PT 0～40 cm 和DLT 40 cm 以下土壤的铁晶胶率明显降低，对两种梯田的铁游离度没有明显影响。

表3 不同类型梯田土壤中铁氧化物特征Table 3 Characteristics of Fe oxides in different types of terraces

2.5 土壤性质与磷组分的关系

土壤不同磷组分与土壤理化性质相关性（表4）表明，土壤不同磷组分均与有机碳、全氮呈显著或极显著正相关，而与pH 和黏粒均无显著相关性；PAC、AP、TP 与Feo、活化度呈显著正相关，与Fed、晶质铁和晶胶率呈极显著负相关；OP 与Feo呈显著正相关，与晶胶率呈显著负相关；IP、Al-P 和Ca-P 均与各铁氧化物呈显著相关关系；Fe-P 与Fed、晶质铁、游离度和晶胶率呈显著负相关，与活化度呈极显著正相关；O-P 与Feo呈显著正相关，与游离度和晶胶率呈显著负相关。

表4 土壤磷组分与土壤理化性质的相关性Table 4 Correlation between soil P components and physicochemical properties

土壤不同组分磷之间的相关分析表明（表4），PAC、AP 与所有组分磷之间均呈极显著正相关；O-P 与除Ca-P 外的各组分磷均呈极显著正相关；IP 与各组分磷均呈极显著正相关；Al-P与Fe-P、Ca-P 呈极显著正相关，与O-P 呈显著正相关；Fe-P 与O-P、Ca-P 呈极显著正相关，O-P与Ca-P 呈显著正相关。

土壤不同磷组分均与有效磷、PAC 呈极显著正相关，说明简单的相关性分析已无法解释不同磷组分对磷有效性的贡献状况。因此采用逐步回归分析和通径分析研究不同磷组分对磷有效性的贡献，以PAC 作为衡量土壤磷有效性的指标，将PAC 和土壤磷组分进行逐步回归分析，可知土壤磷活化系数（PAC）=0.008×OP+0.005×Fe-P-0.424（R2=0.910,F=15.43**），得出PAC 主要受OP 和Fe-P 的影响。不同磷组分对土壤磷有效性的通径分析结果（表5）表明，各组分磷对PAC 的直接贡献表现为OP（0.551）＞Fe-P（0.481）。OP 对PAC 的直接效应最大，Fe-P 通过OP 对PAC 的间接效应最大，由此表明PAC 主要受OP 的影响，OP 是该区土壤磷素有效性的主要贡献者。

表5 土壤磷组分与土壤磷活化系数的通径分析Table 5 Path analysis of soil P components and P activation coefficient

2.6 土壤磷组分的影响因素

以土壤磷组分作为响应变量，土壤理化性质和铁氧化物作为解释变量，进行冗余分析，其中Fed 和SOM 是影响土壤磷组分转变的主要因子，结果发现第1 轴和第2 轴分别解释变量的70.21%和9.50%（图3）；Fed解释变量最多，解释了土壤磷组分变化的57.8%，并与Al-P 等无机磷组分呈显著负相关；SOM 与OP 呈显著正相关。

图3 土壤理化性质与磷组分的 RDA 分析二维排序结果Fig.3 Two-dimensional sequence results of RDA analysis for soil physicochemical properties and P components

3 讨论

3.1 土壤理化性质及磷有效性

不同类型土壤种植制度、施肥、耕作方式有所差异，植物根系类型、疏密程度、根系分泌物和所属的根际土壤生态环境也不同，进而影响土壤的理化性质。本研究表层和亚表层土壤以PT有机质最高，主要原因是：（1）PT 植物残体归还量大，溶解性有机碳通量增加，促进了黏土矿物中Fe2+、Fe3+的释放，该羟基氧化物会与有机碳发生共沉淀，降低微生物接触，减少有机碳的分解；（2）缺氧条件下，植物残体分解及根系分泌有机酸的脱羧基作用较慢，有机酸的保蓄时间变长，这有助于与黏土矿物、铁氧化物的相互作用，增加了碳的积累［17］。碳氮之间较好的耦合性使得全氮与有机质表现出相似规律。土壤AP可直接被植物吸收利用，是表征土壤供磷状况的重要指标，本研究中PT 的AP 含量最高，其原因可能是：（1）水稻生物量大且根系茂盛，可释放大量的有机阴离子，与磷酸根离子竞争铁氧化物上的吸附位点［18］；（2）稻田耕作措施可以刺激作物产生有益微生物，调节土壤磷组分的转化形式来提高土壤有效磷含量［19］；（3）有机质丰富的官能团在铁铝化学键的协作下与土壤矿物螯合形成有机络合物［20-21］，提高了土壤中磷素的截留，降低了渗漏和径流造成的磷流失。

3.2 土壤磷组分特征

土壤OP 作为土壤磷库的重要存在形式，是植物生长的重要磷源。在IP 含量低、固磷能力较强的土壤中，土壤OP 可通过微生物的矿化作用转化成植物可直接吸收利用的有效态磷［22］。有研究表明［12-13］，由于亚热带土壤高风化、高淋溶的特点，OP 的周转成为维持其土壤磷素高活性的基础。土壤OP 的来源主要是动植物残体转化和有机肥的施用［4］，因此DLT 和PT 土壤OP 含量高于FL。微生物在土壤OP 的矿化过程中发挥重要作用，土壤C∶P 高时微生物表现出高生物活性［23-24］，而且微生物对碳的要求高于磷，因此足量的有机碳能够提高OP 的矿化速率［25-26］，这是PT 的OP 含量较DLT 的少的原因。本研究发现，低山林地土壤以OP 略微占优，而营造梯田土壤，OP 占比从50%下降到20.78%～33.18%，这说明坡地营造梯田后，通过促进OP 的矿化来提升土壤AP 的含量。

本研究中，土壤IP 占土壤全磷的43.83%～79.22%，而无机磷主要以Fe-P 和O-P为主，与沈乒松等［27］研究结果一致，这可能与亚热带区域土壤脱硅富铁铝化有关。3 种土壤的无机磷组分在剖面分布呈“C”字型或者下降-上升-下降的波动变化，且以表层土壤含量最高，其原因可能是：（1）磷肥和有机肥的表施；（2）植物根系随下表层磷素的吸收，最终会以有机残茬的形式聚集在表层；（3）剖面上层存在大量的腐殖酸胶体，增强了对磷的吸附；（4）磷素的移动能力较弱，不易从剖面上层淋溶下移。其中，梯田土壤各磷组分含量在0～40 cm 之间降低趋势明显，这可能与作物根系分布的深度有关；含量最低出现在60～80 cm 土层，这可能与土壤地下水的深度有关，磷会随地下径流而损失。低山坡地营造梯田对土壤IP 有显著影响，梯田土壤各无机磷组分均有不同程度的增加，其中以PT 土壤的Al-P、Fe-P 和Ca-P 含量最高，Al-P 和Fe-P可在淹水条件下转化成溶解性磷进入到土壤溶液中，而且植物根系受水淹胁迫，会分泌有机酸截留一部分Ca-P，这是导致PT 土壤IP 富集的重要原因［28］；而DLT 周期性的耕作措施能够提高土壤孔隙度，增加空气的流通量，好氧型微生物富集，促进土壤OP 向IP 转化。本研究还发现，坡地营造梯田过程中，O-P 的比例从7.69%～13.58%上升到22.97%～41.96%，说明营造梯田虽然能够提升各有效态无机磷组分含量，但是无效态磷的含量也显著增加，这是目前坡地土壤资源开发利用亟待解决的问题。

3.3 影响磷有效性的环境因子

土壤不同磷组分之间会相互转化、制约，因此土壤磷组分处于一个动态平衡过程，其对磷素有效性的贡献状况受到pH、干湿状况、有机碳、铁铝氧化物和生物活性等系列环境因素的影响。本研究中，OP、IP 和各无机磷组分均与PAC 呈显著或极显著正相关，说明这些磷组分都是影响土壤磷有效性的重要磷源。通过通径分析，可知OP 对PAC 的直接通径系数为0.551，OP 是土壤有效磷的敏感磷源，印证了亚热带土壤OP 是土壤磷高活性的基础［12-13］；OP 通过Al-P 影响PAC 的间接通径系数为0.340，说明OP 可转化为作物易吸收利用的Al-P 来间接影响土壤磷活性。

本研究发现，Fed和SOM 是影响粤北梯田区土壤磷组分关键因子。铁氧化物具有巨大的活性表面，能够增强对土壤磷素的吸附固持，抑制OP的矿化，降低土壤磷的有效性［29-31］。本研究中，铁氧化物以Fed为主，这与王涛等［11］研究结果一致。Fed除了具备这种吸持特性外，由于其结晶度差，还会使Fed 吸持的磷解吸，释放再次进入土壤［3,32］。因此，Fed可作为土壤磷素的临时贮存仓，一方面可以降低土壤剖面中土壤磷素的流失；另一方面必要时可以释放磷供给作物吸收利用。PT 土壤由于周期性的干湿交替，会严重破坏Fed的结晶度，加上水稻秸秆还田，导致汇入土壤的有机质通量增加，有机质的分解会使Fed分解为水溶性铁，之后进一步转化为Feo，从而降低土壤剖面中Fed 的含量，增加了土壤磷的有效性［3,33］。土壤碳与磷的元素循环具有耦合性，有机物分解释放碳，也是土壤磷的供应过程，可有效地改变土壤磷组分［26］。土壤SOM 含量的增加能为土壤生物的生命活动提供更多的能量，促进微生物群落的繁殖。微生物一方面可吸收利用土壤中的无机磷，避免被土壤铁铝氧化物和黏粒固持；另一方面分泌磷酸酶能够激发土壤磷的有效性［34］。有研究报道［12］，土壤酸性磷酸单酯酶和磷酸双酯酶是影响亚热带地区土壤驱动磷组分变化的主要因子，由于这些磷酸酶主要来源于微生物，其活性与微生物群落的丰度紧密相关。SOM具有丰富的官能团，对铁铝有较高的亲和性，与土壤中磷酸根离子竞争吸附位点，从而削弱对土壤磷素的吸附［35］；有机物的分解过程还会产生K、Ca 等金属阳离子，结合磷酸根离子，提高土壤磷的有效性［36］。

4 结论

本研究结果表明，林地土壤AP 和PAC 含量较低，说明该区域林地磷供应能力较弱；营造梯田明显增加了AP 和PAC 含量，而且改变了土壤磷组分在剖面中的分配格局，与林地相比，梯田土壤磷均以无机磷为主，其中Fe-P 和O-P 所占比例较高。有机磷和各无机磷组分均对磷的有效性产生影响，其中有机磷对磷活化系数的影响最大，有机磷是该区域土壤磷有效性的敏感磷源，而游离铁和有机质是驱动土壤磷组分转化的关键影响因子。粤北低山坡地营造梯田能促进有机磷的矿化，提高土壤磷的有效性，其中以水稻梯田为该区域最佳利用方式。