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杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)是我国南方红壤地区重要的速生用材树种之一,具有生长快、材质好、质量高、用途广、人工栽培历史悠久等特点,在我国林业生产中占据重要地位[1]。随着杉木栽植面积的扩大,人工林取代天然林以及多代连栽,杉木人工林地力渐渐衰退,生产力日益下降,严重威胁杉木人工林的持续经营[2]。多代连栽导致杉木对磷等养分的利用效率降低,并使土壤有效磷含量下降,从而降低生产力[3]。因此,土壤有效磷亏缺是导致杉木林地力衰退的重要因素之一,已严重限制南方地区林业的可持续发展[4];但目前有关连栽杉木林土壤磷素变化特征的研究相对较少,尚未系统分析导致连栽杉木林土壤有效磷不足的原因。
磷是植物生长发育过程中至关重要的营养元素,其中,有机磷是土壤磷素的重要组成部分,其在土壤中的移动性比无机磷大,可分解转化为有效磷,是植物生长所需有效磷的重要来源,对植物生长极为有利[5-6]。土壤胶体颗粒有较大的比表面积,较强的吸附性能及较多的表面官能团,是土壤中最活跃的部分,在磷素循环中起重要作用[7-8];但目前对连栽杉木林土壤有机磷及胶体颗粒形态特征的研究还较少,这极大阻碍了提高南方杉木连栽土壤磷素有效性的进程。
鉴于此,本文选择不同栽植代数杉木人工林土壤为研究对象,利用31P核磁共振技术(31P-NMR)研究杉木连栽对土壤磷素形态(有机磷和无机磷)特征的影响;通过测定土壤全磷(TP)、有效磷(AP)和不同形态的无机磷,分析土壤磷素变化规律;同时采用扫描电镜-X-射线能谱(SEM-EDS)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)技术分析土壤胶体颗粒,探究在杉木连栽下土壤结构特征、矿物组成的变化,以期确定影响连栽杉木林土壤磷素有效性的因素,为有效提高杉木对南方红壤磷素的利用效率提供科学依据,对提高连栽杉木林生产力具有重要的科学价值,同时可为我国杉木人工林的可持续经营提供实践指导。
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由图1可见:在不同栽植代数杉木林土壤中检测出了4种形态的磷,即正磷酸盐、焦磷酸盐、正磷酸单酯及正磷酸二酯;正磷酸盐和焦磷酸盐为无机磷,正磷酸单酯和正磷酸二酯为有机磷,其中,正磷酸盐类化合物位于化学位移(δ)6~7处;正磷酸单酯类化合物位于δ = 3~6处;正磷酸二酯类化合物位于δ = 0~−2处;而焦磷酸盐类化合物位于δ = −4~−5处。结合表1可知:杉木林土壤磷素形态主要是正磷酸盐,其次是正磷酸单酯,焦磷酸盐及正磷酸二酯较少。随着杉木林栽植代数的增加,土壤中正磷酸盐的相对含量在整体上呈下降趋势,4-10比1-12下降了14.01%;然而,土壤中正磷酸单酯的相对含量则呈增加趋势,4-10比1-12增加了16.98%。
Figure 1. Phosphorus-31 nuclear magnetic resonance spectra for the characteristics of phosphorus forms in C. lanceolata plantation soils with different planting rotations
栽植代数
Planting rotation正磷酸盐
Orthophosphate/%正磷酸单酯
Monophosphate/%正磷酸二酯
Orthophosphate diester/%焦磷酸盐
Pyrophosphate/%1-12 62.33 23.92 7.31 4.44 1-21 62.21 26.81 3.84 7.14 1-40 61.12 27.18 — 11.70 1-97 51.54 36.26 3.89 8.31 2-1 47.96 34.99 5.48 11.57 2-12 55.95 27.46 7.91 8.68 2-21 53.47 31.85 10.66 4.02 2-31 52.53 29.05 10.54 7.88 3-12 52.03 34.92 5.23 7.82 3-21 49.79 38.06 5.09 7.06 4-10 48.32 40.90 4.90 5.88 Table 1. Phosphorus-31 nuclear magnetic resonance spectra for the percentage of phosphorus relative content in C. lanceolata plantation soils with different planting rotations
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图2表明:不同栽植代数杉木林土壤中各土层的全磷(TP)含量为0.15~0.37 g·kg−1,土壤全磷含量偏低;土壤全磷含量均随土层深度的增加而降低,且各土层间差异显著,表明土壤全磷具有向表层聚集的特点;同一土层的全磷含量总体上随栽植代数的增加而降低,说明连栽使土壤总体供磷能力下降。不同栽植代数杉木林土壤中各土层的有效磷(AP)含量为3.28~11.18 mg·kg−1;随土层深度的增加,土壤有效磷含量总体降低;同一土层的有效磷含量总体上随栽植代数的增加而降低,这可能是由于随杉木栽植代数的增加,杉木因生长发育所吸收的磷素增多,导致土壤中有效磷含量降低。
Figure 2. Contents of total phosphorus and available phosphorus in C. lanceolata plantation soils with different planting rotations
图3表明:不同栽植代数杉木林土壤的磷酸铝盐(Al-P)和磷酸铁盐(Fe-P)含量总体上随土层深度的增加而降低,表明土壤Al-P和Fe-P具有向土壤表层聚集的特点。同一土层的闭蓄态磷(O-P)含量总体上随栽植代数的增加而增加,而磷酸钙盐(Ca-P)含量则呈降低趋势。结合图4可知:在各栽植代数杉木林土壤中,O-P在无机磷中所占比重最大(> 47.1%);Ca-P和Fe-P所占比重次之;Al-P所占比重最小(< 5.36%)。Al-P和Fe-P在无机磷中所占比重随土层深度的增加而减小,O-P所占比重增大。同一土层土壤有效磷(AP)、Ca-P和Fe-P在无机磷中所占比重随栽植代数的增加而减小,O-P所占比重增大,而Al-P变化较小。说明随杉木林栽植代数的增加,土壤中易供植物吸收利用的有效磷及较难供植物吸收的Ca-P和Fe-P趋于逐渐向极难溶的O-P转化。
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表2表明:不同栽植代数杉木林土壤中的全磷(TP)、Al-P和Fe-P含量皆与土层深度呈极显著负相关(P<0.01);有效磷(AP)、Ca-P和O-P含量与土层深度不显著相关,说明不同栽植代数杉木林土壤中的TP、Al-P和Fe-P含量会随土层深度的增加而减少;TP含量与Ca-P含量、AP含量与Al-P含量均呈显著正相关(P<0.05)。此外,土壤Al-P含量与Fe-P含量呈极显著正相关(P<0.01)、与O-P含量呈显著正相关(P< 0.05),而Ca-P含量与O-P含量呈极显著负相关(P<0.01)。
项目 Items 土层深度 Soil depth TP AP Al-P Fe-P Ca-P O-P 土层深度 Soil depth 1 TP −0.783** 1 AP −0.270 0.325 1 Al-P −0.581** 0.219 0.417* 1 Fe-P −0.449** 0.324 0.324 0.638** 1 Ca-P −0.183 0.346* 0.072 −0.296 0.166 1 O-P −0.090 −0.314 −0.239 0.386* −0.249 −0.731** 1 注:*表示双侧显著相关(P < 0.05),**表示双侧极显著相关(P < 0.01)。
Notes: * Indicates a significant bilateral correlation (P < 0.05), **Indicating bilateral extremely significant correlation (P < 0.01).Table 2. Correlation analysis between phosphorus availability and soil depth, various forms of inorganic phosphorus in Chinese fir plantation soils with different planting rotations
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图5表明:土壤胶体颗粒大小不一,形状多变、不规则,呈现片状堆叠或片状聚簇成团的形貌,未观察到有分散的球状颗粒存在;土壤胶体颗粒中主要存在C、O、Si等非金属元素,其元素峰值为O > Si > C,可能是因为土壤胶体颗粒中含有较多硅酸盐矿物质;K、Al、Fe、Mg、Zr是土壤胶体颗粒中主要存在的金属元素,其中,Al元素峰值最高,这与多水高岭石、白云母等矿物晶体中的金属元素相像。
Figure 5. The SEM images and the EDS analysis of soil colloidal particles in 0~20 cm C. lanceolata plantation soils with different planting rotations
图6a表明:土壤胶体颗粒傅里叶红外光谱(FTIR)吸收峰的强度有不同程度的改变,但其所对应的峰形基本无变化,说明连栽未改变杉木林土壤的基本组成成分,但对各组分含量有影响;波数为4 000~1 300 cm−1的中高频区内吸收峰较少,而波数为1 300~400 cm−1的低频区内吸收峰较多;1 200~970 cm−1内具有最强的吸收峰,这与碳水化合物的C-O伸缩振动和无机化合物中的硅酸盐及硫酸盐等的Si-O-Si伸缩振动有关,说明土壤胶体颗粒中可能含有大量硅酸盐矿物;波数914、754、696、538、471 cm−1处的吸收峰表明土壤胶体颗粒中含有无机矿物晶体,其中,470 cm−1附近的峰是由Si-O-Si弯曲振动引起的,为SiO2(石英)。FTIR图(图6a)中各波数对应的官能团峰值总体上随栽植代数的增加而增高,表明土壤胶体颗粒中各组成成分的含量随杉木林栽植代数的增加而增多。
Figure 6. The FTIR spectra (a) and XRD spectra (b) of soil colloidal particles in 0-20 cm C. lanceolata plantation soils with different planting rotations
X射线衍射(XRD)图谱(图6b)表明:12.3°、34.9°、62.3°附近的衍射峰表征为高岭石,19.9°、35.9°附近的衍射峰表征为白云母,21.3°、24.9°、38.4°附近的衍射峰表征为石英(SiO2),55.1°附近的衍射峰表征为羟云母。各个栽植代数杉木林土壤的矿物成分基本一致,均含有大量的高岭石和石英,其次为白云母及少量的羟云母。12.3°(高岭石)和24.9°(石英)附近的衍射峰强度总体上随栽植代数的增加而减弱,表明随栽植代数的增加,杉木林土壤中的高岭石和石英成分减少。此外,观察到各个栽植代数杉木林土壤的XRD图谱在低衍射角(5~7°)处有扩散带,说明各个栽植代数的杉木林土壤中均存在弱结晶矿物。