摘要磷(P)是地球生態(tài)系統(tǒng)中重要的生命元素。全球變化背景下，科學(xué)地探究森林土壤磷儲(chǔ)量現(xiàn)狀及其影響因子，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及磷的可持續(xù)利用具有重要意義。因此，該研究利用青海省240個(gè)森林標(biāo)準(zhǔn)樣地土壤實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合青海省森林資源清查資料估算出了青海省森林土壤磷儲(chǔ)量，揭示了其分布格局，并討論了土壤磷儲(chǔ)量與環(huán)境因子的關(guān)系。

　　結(jié)果表明:(1)青海省森林土壤磷儲(chǔ)量為1.74Tg，全省1m深土壤平均磷密度為4.65Mg·hm–2，土壤磷密度總體上呈地帶性分布。(2)土壤磷密度在中低海拔(2200–3000m)區(qū)域隨海拔的升高顯著減小，在高海拔(3300–3900m)區(qū)域隨海拔高度的增加而顯著變大。山地灰褐色森林土的磷密度最大且顯著大于山地棕色暗針葉林土和山地暗褐土。(3)土壤磷含量隨海拔升高顯著減小，山地棕色暗針葉林土各土層磷含量相對(duì)較大，山地暗褐土的磷含量最小，且土壤磷含量隨著土層的加深而減小。(4)海拔、溫度、土壤類(lèi)型以及土壤含水量均對(duì)土壤磷含量有直接影響，且影響較大，其中海拔和溫度是影響土壤磷含量變化的關(guān)鍵因子;土壤磷密度對(duì)土壤容重、土壤磷含量、土壤含水量、海拔、土壤類(lèi)型的變化響應(yīng)較為明顯，而土壤容重可能是限制土壤磷密度變化的主導(dǎo)因素。

　　關(guān)鍵詞磷儲(chǔ)量;森林土壤;空間分布;環(huán)境因子;青海省

　　森林工程師評(píng)職知識(shí)：森林工程屬于什么級(jí)別的期刊

　　森林工程雜志是由中華人民共和國(guó)新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開(kāi)發(fā)行的優(yōu)秀正規(guī)期刊。是國(guó)家教育部主管的，東北林業(yè)大學(xué)主辦的核心期刊，主要反映森林資源建設(shè)與保護(hù)、森工產(chǎn)品加工與利用、森工企業(yè)管理、森工技術(shù)、森林工程機(jī)械設(shè)備、森工土木建筑等方面的科技成果、科技動(dòng)態(tài)、林業(yè)建設(shè)方針政策、生產(chǎn)管理與技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、學(xué)術(shù)研究、技術(shù)革新與技術(shù)引進(jìn)等內(nèi)容，非常適合林業(yè)方向工程師投稿評(píng)職稱(chēng)論文。

　　磷是生態(tài)系統(tǒng)中重要的生命元素，是地球上所有生命化學(xué)組成的基礎(chǔ)之一(Vincentetal.，2012)。植物生長(zhǎng)所必需的磷主要來(lái)源于土壤，土壤是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的磷庫(kù)。土壤磷儲(chǔ)量主要依靠礦石的風(fēng)化和大氣干濕沉降來(lái)維持(Ruttenberg，2003)。氣候、地形地貌、土壤發(fā)育階段、微生物動(dòng)態(tài)等均在生態(tài)系統(tǒng)土壤磷庫(kù)的輸入與輸出過(guò)程中扮演著重要角色(Ippolitoetal.，2010)。而土壤的生物化學(xué)過(guò)程以及植物自身的遺傳特性則會(huì)影響土壤和植被之間的磷轉(zhuǎn)移(Weietal.，2010)。磷的通量幾乎是單向的，從陸地生態(tài)系統(tǒng)逐漸向江河海洋移動(dòng)(Liuetal.，2008)。

　　19世紀(jì)中葉以來(lái)，全球變化顯著地改變了陸地磷動(dòng)態(tài)。陸地磷庫(kù)對(duì)氣候變暖響應(yīng)敏感，氣候變暖使得土壤沙含量增加，進(jìn)而降低土壤原生礦物磷和有機(jī)磷庫(kù)，土壤總磷減少(Houetal.，2018)。高降水波動(dòng)引發(fā)森林土壤磷減少(Yuanetal.，2017)，氮沉降加速了森林土壤磷循環(huán)致使土壤總磷相對(duì)減少(Marklein&Houlton，2011)。

　　森林約覆蓋著地球陸地面積的30%(Faheyetal.，2010)，卻占有全球陸地生態(tài)系統(tǒng)地上碳庫(kù)的80%以及地下碳庫(kù)的40%(FAO，2005)，并在減緩全球氣候變暖、維持碳平衡等方面意義重大。全球變化背景下，人類(lèi)活動(dòng)加劇了森林生態(tài)系統(tǒng)土壤磷庫(kù)的供需失衡(Smil，2000)。采伐、火燒、土地利用變化等人為干擾是森林環(huán)境變化的根本原因之一(Baetenetal.，2011)，直接導(dǎo)致森林土壤養(yǎng)分出現(xiàn)增減效應(yīng)，對(duì)土壤磷狀態(tài)產(chǎn)生持續(xù)的影響(Dambrineetal.，2007)。考慮到全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的磷限制(Augustoetal.，2017)，評(píng)估森林土壤磷儲(chǔ)量現(xiàn)狀及其影響因子，有助于了解森林生態(tài)系統(tǒng)如何對(duì)全球變化作出響應(yīng)，利于加快將磷循環(huán)納入地球系統(tǒng)模型的進(jìn)程(Reedetal.，2015)，對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定以及磷的可持續(xù)利用意義深遠(yuǎn)。

　　近年來(lái)，不少?lài)?guó)內(nèi)外學(xué)者研究評(píng)價(jià)了土壤碳、氮庫(kù)(Allenetal.，2013)，但針對(duì)土壤磷庫(kù)的估算報(bào)道不多(汪濤等，2008)，并且主要集中于全球和國(guó)家尺度。Smil(2000)研究估算了全球農(nóng)業(yè)土壤磷儲(chǔ)量為5–6Pg。Zhang等(2005)對(duì)中國(guó)表層(0–50cm)土壤磷儲(chǔ)量進(jìn)行了估算，結(jié)果表明中國(guó)土壤磷儲(chǔ)量為3.5Pg。郭焱培等(2017)研究結(jié)果顯示中國(guó)北方灌叢1m深土壤磷儲(chǔ)量約為124.6Tg。

　　然而，區(qū)域尺度上對(duì)土壤磷儲(chǔ)量的定量評(píng)價(jià)還存在明顯不足，為了減少研究資料不足帶來(lái)的土壤磷庫(kù)估算的不確定性，有必要對(duì)代表性地區(qū)的土壤磷儲(chǔ)量和磷密度進(jìn)行更加準(zhǔn)確地評(píng)估(Zhangetal.，2005)。青藏高原是全球氣候變暖的“啟動(dòng)器”和“放大器”，青海省作為青藏高原的重要組成部分，其森林生態(tài)系統(tǒng)在固碳制氧、涵養(yǎng)水源、保育土壤以及生物多樣性保護(hù)等方面價(jià)值巨大，具有極其重要的生態(tài)地位。同時(shí)也為研究森林土壤磷對(duì)全球變化的響應(yīng)提供了理想的研究場(chǎng)所。然而目前關(guān)于青海省森林土壤磷儲(chǔ)量的研究卻鮮有報(bào)道。因此，本研究在統(tǒng)一的取樣標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)青海省森林土壤磷進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)地調(diào)查，準(zhǔn)確估算出了青海省森林土壤磷密度和磷儲(chǔ)量并探究了土壤磷變化的限制因素，擬回答以下科學(xué)問(wèn)題:1)青海省森林土壤磷儲(chǔ)量及其空間分布;2)不同海拔和不同土壤類(lèi)型磷的變化特征;3)土壤磷與環(huán)境因子間的關(guān)系。

　　1研究方法

　　1.1研究區(qū)域概況

　　青海省地處青藏高原的東北部，是瀾滄江、長(zhǎng)江、黃河的發(fā)源地。青海省東西長(zhǎng)約1200km，南北寬達(dá)800km，全境土地面積72.1×104km2。全省林地面積756.3×104hm2，占土地總面積的10.5%，其中森林面積為64.5×104hm2。以寒溫帶針葉林為主，且多分布于海拔2000–4000m區(qū)域。青海地處中緯度地帶，境內(nèi)地形差異顯著，氣候獨(dú)特，是典型的高原大陸性氣候，年降水量16.7–776.1mm，年平均氣溫–3.7–6.0℃，年蒸發(fā)量大部分在1500mm以上(字洪標(biāo)等，2017)。

　　1.2研究方法

　　1.2.1樣地設(shè)置與采樣

　　本研究遵循生態(tài)系統(tǒng)固碳項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范編寫(xiě)組(2015)制定的統(tǒng)一要求，并參考青海省森林資源連續(xù)清查結(jié)果，在青海省21個(gè)縣內(nèi)分別選取環(huán)境條件(如坡度、坡向、郁閉度等)相似且具有代表性的落葉闊葉林和寒溫性針葉林，充分考慮全省各森林類(lèi)型(優(yōu)勢(shì)種)分布面積、蓄積比重、起源等情況，設(shè)置80個(gè)主要林分類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)樣點(diǎn)。每個(gè)樣點(diǎn)設(shè)置3個(gè)50m×20m的樣地，樣地之間距離大于100m，總計(jì)樣地240個(gè)。在每個(gè)樣地沿著對(duì)角線(xiàn)設(shè)置3個(gè)1m×1m的調(diào)查樣方，共計(jì)720個(gè)。在每個(gè)樣方內(nèi)(1m×1m)使用內(nèi)徑≥5cm的土鉆，按0–10、10–20、20–30、30–50、50–100cm(不夠100cm至母質(zhì)層為止)，每層隨機(jī)鉆取3鉆土，同一樣方同一土層的土樣混合成一個(gè)土壤樣品。

　　野外采回的土樣先剔除土壤以外的侵入體(如植物殘根、昆蟲(chóng)尸體和石塊等)和新生體(如鐵錳結(jié)合和石灰結(jié)合等)，盡快風(fēng)干后并用木棍壓碎。壓碎土樣先過(guò)10目(2mm孔篩)再以四分法取適量樣品磨細(xì)過(guò)100目(0.15mm孔篩)，供測(cè)定全磷含量使用。在樣地內(nèi)選擇一個(gè)未受人為擾動(dòng)，植被結(jié)構(gòu)和土壤具有代表性的地段，挖100cm深土壤剖面(不足100cm深的挖至母質(zhì)層)。沿剖面0–10、10–20、20–30、30–50、50–100cm分層，使用容積100cm3的環(huán)刀采集各層土壤，每層重復(fù)2次，以供測(cè)定土壤容重和土壤含水量。

　　1.2.2土樣測(cè)定

　　土壤全磷含量測(cè)定采用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法(Huetal.，2016)。野外測(cè)定環(huán)刀+鮮土質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)定環(huán)刀+干土質(zhì)量以及環(huán)刀質(zhì)量(環(huán)刀樣品105℃下烘干至恒質(zhì)量)，計(jì)算土壤容重以及土壤含水量。

　　1.2.3其余數(shù)據(jù)來(lái)源

　　土壤磷化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，因而本研究采用年平均氣溫和平均年降水量探究其對(duì)土壤磷庫(kù)的影響，數(shù)據(jù)均來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。青海省森林土壤類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)參照《青海森林》(青海森林編委會(huì)，1993)和《青海土壤》(青海省農(nóng)業(yè)資源區(qū)劃辦公室，1997)。礫石含量數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量——動(dòng)態(tài)及機(jī)制》(王萬(wàn)同等，2018)。

　　1.2.4數(shù)據(jù)處理計(jì)算

　　根據(jù)土壤碳密度的計(jì)算公式(郭焱培等，2017)，本研究磷密度計(jì)算公式如下:SPD=Σ(1–gi)×ρi×TPi×Ti(1)式中，SPD為土壤磷密度，gi為第i層土壤的礫石含量，ρi為第i土層的容重，TPi為第i土層的全磷含量，Ti為第i層土層厚度。各個(gè)林分的分布面積乘以林分磷密度再相加即得青海省磷儲(chǔ)量。采用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析，檢驗(yàn)不同土壤類(lèi)型間磷含量和密度的差異性，如果方差為齊性，采用最小顯著差異法進(jìn)行多重比較，若方差為非齊性，則用Tamhane’sT2法進(jìn)行多重比較(Zheng&Shangguan，2007)，使用SPSS10.0對(duì)土壤磷含量和磷密度與海拔之間的關(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性回歸分析;利用AMOS17.0組建土壤磷含量、磷密度和環(huán)境因子的結(jié)構(gòu)方程模型;采用Arcgis10.0地理統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)青海省土壤磷密度進(jìn)行地理空間分析。使用Origin8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和圖表繪制。

　　2結(jié)果和分析

　　2.1青海省森林土壤磷儲(chǔ)量及磷密度空間分布

　　青海省森林土壤磷儲(chǔ)量為1.74Tg。6種林分土壤磷儲(chǔ)量之間差異較大，介于32256–662457Mg之間。各個(gè)林分土壤磷儲(chǔ)量從大到小的順序?yàn)?柏木林>云杉林>樺木林>楊樹(shù)林>落葉松林>青扦林。青海省針葉林土壤磷儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于闊葉林，且占到青海省森林土壤磷總儲(chǔ)量的71%。不同林分土壤磷密度介于4.48–6.09Mg·hm–2之間。各林分土壤磷密度大小為:落葉松林>青扦林>樺木林>楊樹(shù)林>柏木林>云杉林。闊葉林土壤磷密度大于針葉林。

　　1m深土壤平均磷密度為4.65Mg·hm–2，且空間分布差異較大，總體上呈地帶性分布，即隨著經(jīng)緯度的增加而變大。0–30cm土層中(30–50cm和50–100cm土層厚度不一樣故不加比較)，呈現(xiàn)出隨著土層的加深土壤磷密度逐漸變大的垂直分布規(guī)律。20–30cm土層土壤磷密度顯著大于0–10cm土層(p<0.05)。

　　2.2不同海拔土壤磷變異特征

　　0–10、10–20、20–30和30–50cm土壤磷含量在海拔2200–3000m和3300–3900m均與海拔呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且3300m處土壤磷含量較大(海拔3000–3300m之間樣本量稀少不予描述)。50–100cm土層土壤磷含量在海拔2200–3000m隨著海拔增加而顯著減少(p<0.001)，在3300–3900m隨著海拔遞增。

　　2.3不同土壤類(lèi)型土壤磷變異特征

　　相同土壤類(lèi)型不同土層中，土壤磷含量均呈現(xiàn)出隨著土層的加深而變小的垂直分布規(guī)律，此外0–10cm土層磷含量均顯著大于50–100cm(p<0.05)。相同土層不同土壤類(lèi)型之間，土層0–10cm中，山地棕色暗針葉林土的磷含量顯著高于其他土壤類(lèi)型磷含量(p<0.05)，其他3種土壤類(lèi)型磷含量之間差異不顯著。10–20cm土層中，山地棕色暗針葉林土的磷含量顯著大于山地灰褐色森林土和山地暗褐土(p<0.05)。20–30cm土層磷含量表現(xiàn)出和0–10cm一樣的規(guī)律。30–50cm土層中，山地棕色暗針葉林土的磷含量也顯著大于其他土壤磷含量(p<0.05)。土層50–100cm中，山地褐色針葉林土磷含量顯著小于其他3種土壤類(lèi)型(p<0.05)。不同土壤類(lèi)型之間磷密度差異明顯，其中山地灰褐色森林土磷密度最大且顯著大于山地棕色暗針葉林土和山地暗褐土(p<0.05)，山地暗褐土土壤磷密度最小。

　　2.4磷與影響因子的相互關(guān)系分析

　　用結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)分析磷含量、磷密度以及環(huán)境因子之間的相互影響關(guān)系，CHI/DF=1.221，GFI=0.997，AGFI=0.989，RMSEA=0.014，p=0.266表明各因子模型適配度良好。結(jié)果表明SEM對(duì)磷含量、磷密度、降水量、溫度、土壤類(lèi)型、含水量以及容重的解釋率分別為21%、69%、2%、39%、6%、46%和46%。海拔、土層、溫度均與磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.001)，含水量與磷含量極顯著正相關(guān)(p<0.001)，同時(shí)土壤類(lèi)型對(duì)磷含量的直接影響也達(dá)到極顯著水平(p<0.001)，降水量則通過(guò)土壤類(lèi)型和溫度對(duì)磷含量產(chǎn)生間接影響。容重通過(guò)含水量間接對(duì)磷含量產(chǎn)生影響。其中，海拔和溫度對(duì)磷含量的直接影響較大。分析路徑還表明，磷密度與土層、容重、磷含量極顯著正相關(guān)(p<0.001)，含水量與磷密度極顯著負(fù)相關(guān)(p<0.001)。海拔和溫度通過(guò)影響含水量、容重以及磷含量間接對(duì)磷密度產(chǎn)生影響。

　　3討論

　　3.1青海省森林土壤磷儲(chǔ)量及其空間分布

　　土壤全磷表征土壤各種形態(tài)磷的總和，是判斷磷營(yíng)養(yǎng)水平的重要指標(biāo)(Ahern&MacNish，1983)。較之以往收集整合資料的研究，本研究通過(guò)野外實(shí)測(cè)和室內(nèi)分析，得到的估算結(jié)果準(zhǔn)確性相對(duì)較高。即青海森林土壤磷儲(chǔ)量為1.74Tg，總體較低。青海近84%的省域面積在海拔3000m以上，氣候多寒旱，大部分地方失去了能夠維持森林生存的基本條件(青海森林編委會(huì)，1993)，森林覆蓋率處于全國(guó)末位水平(僅高于新疆)，加之青海省土壤本就磷缺乏，所以青海省森林土壤磷儲(chǔ)量總體較低。青海省森林土壤(1m)平均磷密度為4.65Mg·hm–2，與郭焱培等(2017)估算出的中國(guó)北方灌叢土壤磷密度相差不大，但低于汪濤等(2008)研究得出的中國(guó)表層土壤全磷密度6.0Mg·hm–2。

　　這可能是由于土壤磷的分布具有較大的空間異質(zhì)性(Baietal.，2010)，以及本研究的土壤取樣深度和區(qū)域尺度都與汪濤等人的研究有所不同所導(dǎo)致。青海省森林土壤磷密度呈地帶性空間分布，總體上隨著經(jīng)緯度增大而增加，且多集中于東北部，自然植被分布自東向西依次為森林-草甸-草原-荒漠(青海森林編委會(huì)，1993)。青海省針葉林土壤磷儲(chǔ)量遠(yuǎn)大于闊葉林，占森林土壤磷總儲(chǔ)量的比例為71%。因?yàn)榍嗪Ｊ∩�林以寒溫帶針葉林為主，其喬木林面積中，針葉林占64.2%，闊葉林僅占27.1%。

　　但闊葉林土壤磷密度大于針葉林，說(shuō)明闊葉林下土壤匯集磷的能力強(qiáng)于針葉林(張?zhí)〇|等，2017)。研究所在區(qū)域針葉林凋落物磷含量小于闊葉林(王鑫等，2019)，加之針葉林凋落物本身較難分解(Prescottetal.，2000a)，所以針葉林凋落物向土壤歸還的磷較少。針葉林凋落物會(huì)使土壤pH降低，土壤pH降低致使無(wú)機(jī)磷與鋁絡(luò)合(Carrino-Kykeretal.，2016)，從而減少土壤中磷的固定。

　　此外，闊葉林多為內(nèi)生菌根樹(shù)種，內(nèi)生菌根分泌大量可使有機(jī)質(zhì)釋放磷的酶，有助于土壤中磷的積累(ChapinIIIetal.，2002)。土壤磷含量在土壤剖面上隨土層加深而增大，與Cassagne等(2000)的研究結(jié)果一致。土壤磷的這種垂直分布格局是地球化學(xué)過(guò)程和動(dòng)植物活動(dòng)共同作用的結(jié)果，但植物對(duì)土壤磷的垂直分層控制可能更強(qiáng)(周俊等，2016)。

　　植物生長(zhǎng)對(duì)磷的需求較大，上層土壤中的磷或許不能滿(mǎn)足植物生長(zhǎng)所需，需要從底層土壤中獲取磷，并隨著植物組織的死亡分解，土壤磷在表層土壤積聚(ViscarraRossel&Bui，2016)，所以上層土壤TP含量高于下層。Jobbágy和Jackson(2004)把這種模式解釋為在土壤磷遷移的過(guò)程中，植物的“泵吸作用”大于淋濾等地球化學(xué)作用。另一個(gè)原因是植物地下生物量大多呈“倒金字塔”式分布。這樣的垂直分布結(jié)構(gòu)影響植物地下生物量以根系分泌物的形式向土壤輸送磷(Vogtetal.，1986)。土壤有機(jī)質(zhì)含量隨土層的加深而降低也是導(dǎo)致土壤磷沿剖面減少的一個(gè)原因(Khitrovetal.，2018)。