草地磷循環(huán)關鍵問題研究進展

草地磷循環(huán)關鍵問題研究進展

磷是植物所必需的主要養(yǎng)分之一，在植物的生長和繁殖中起著重要作用。磷元素的循環(huán)主要取決于地質(zhì)運動、礦物風化、水流輸送、磷礦開采和海關捕魚的過程。由于磷循環(huán)中幾乎沒有氣體，因此土壤中的磷素循環(huán)緩慢，這是地質(zhì)時代生物生產(chǎn)力的限制養(yǎng)分元素，并逐漸成為陸地生態(tài)系統(tǒng)植物養(yǎng)分的限制因素之一（沈善敏，2000；coptonetal.，2000）。由于磷在沙地土壤中含量少,多以不易為植物利用的固定態(tài)存在(周濤等,2000),且參與生物循環(huán)的磷僅是土壤全磷的很小部分,因此,磷素被認為是干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的限制性養(yǎng)分因子(Lajtha&Schlesinger,1988)。但是,長期以來,人們對干旱半干旱生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分的研究多以不同時、空尺度下的養(yǎng)分空間分布為主(Schlesingeretal.,1990,1996;趙學勇和賀麗萍,2002;陳伏生等,2004;許文強等,2006),而且以土壤有機質(zhì)、碳和氮的研究居多,而磷循環(huán)過程的研究一直被忽視(Zaadyetal.,1996)。并且,在大多數(shù)自然陸地生態(tài)系統(tǒng)中,磷素的輸入和輸出量都很低,輸出量大于輸入(Newman,1995)。因此,磷在土壤中的庫存量和遷移量會直接影響某些植物生態(tài)過程(Felleretal.,2003),或對系統(tǒng)其他組分的生態(tài)過程的限制使磷成為整個系統(tǒng)的限制因子(Clevelandetal.,2002;Sundareshwaretal.,2003)。因此,沙地土壤磷循環(huán)研究對沙地植被恢復和磷素利用的可持續(xù)性有重要意義。1土壤磷含量與土壤礦物質(zhì)量的關系沙地土壤磷來源主要有兩種途徑:土壤母質(zhì)和大氣干濕沉降。陸地生態(tài)系統(tǒng)的磷最初都來源于礦物巖石(主要是磷灰石和其他含磷化合物)的緩慢風化作用(沈善敏,2000)。在沒有外來肥料施入的情況下,土壤磷含量主要決定于母質(zhì)類型。沙地土壤中磷礦化合物含量低,導致沙地土壤磷含量遠低于其他土壤。盡管磷的生物地球化學循環(huán)屬于沉積型循環(huán),但進入大氣中的土壤細顆粒和植物體碎屑等,以干濕沉降的方式落于地表,成為土壤磷輸入一部分。在干旱半干旱地區(qū),風沙大,干濕沉降磷輸入量不可忽視(Lietal.,2004)。沙地農(nóng)田土壤磷的來源,除來自土壤母質(zhì)和大氣干濕沉降外,主要來自化學肥料及牲畜糞肥,滿足農(nóng)作物對大量營養(yǎng)元素的需求(王桂榮和張春興,1996)。2土壤磷儲量2.1土壤有機磷的組成及轉化土壤磷庫的總貯量稱為土壤全磷含量,也稱為土壤總磷庫。對土壤磷庫的研究有兩種主要方法:一種是把土壤磷庫分為無機磷和有機磷庫。無機磷庫按形態(tài)分為磷酸鈣鹽、磷酸鋁鹽、磷酸鐵鹽和閉蓄態(tài)的磷酸鹽(蔣柏藩和沈仁芳,1990)。土壤中有機磷庫研究起步較晚,進展緩慢,已知的有機磷化合物中包括植素類、核酸類和磷酯類。由于有機磷的結構復雜,約有1/2左右有機磷化合物的性質(zhì)和結構不為人知。不同土壤有機磷占總磷比例變化范圍很寬,有機磷含量差異較大(趙瓊等,2004)。通過有機磷的礦化作用和無機磷的生物固持作用,土壤有機磷庫和無機磷庫在一定條件下會相互轉化。由于土壤磷成分復雜,依據(jù)土壤磷對植物的有效性,Larsen(1967)將土壤磷庫分為三部分:土壤溶液中的溶解態(tài)磷(dissolvedP)、活性磷(labileP)和非活性磷(non-labileP)。這3部分均包括有機態(tài)磷和無機態(tài)磷,三者之間并無明確界限,彼此處于動態(tài)平衡之中,難以精確測定。溶解態(tài)磷包括各種價態(tài)磷酸根離子和溶解態(tài)有機磷,可以直接被植物吸收,在土壤溶液中含量極微(McDowell&Sharpley,2001)。土壤活性磷對作物有效性高,通?？梢杂猛凰亟粨Q法的測定結果表征,因而也稱為同位素交換磷(沈善敏,2000)。土壤非活性磷是指不能被當季植物利用的磷。土壤中三種狀態(tài)的磷通過吸附與解吸、溶解與固定和礦化與固持等過程相互轉換。因此,土壤中并不存在“無效態(tài)”磷,所謂的“有效磷”與“無效磷”多是指對植物的相對有效性而言,土壤中非活性磷用緩效磷表達更為恰當。2.2農(nóng)田土壤全磷、慢速磷含量沙地土壤磷庫磷含量因土壤母質(zhì)、氣候、人類活動等因素呈現(xiàn)顯著差異。由于沙地土壤母質(zhì)全磷含量低,質(zhì)地粗,保水保肥能力差,不適于植物生長,是導致沙地土壤磷庫磷含量低的主要原因。氣候條件會影響沙地荒漠化過程。風力狀況、年平均溫度和年降水量與土地荒漠化的關系最為密切。年平均溫度高,蒸發(fā)量大,降水量少,地表植被蓋度低等,都為地表土壤風蝕創(chuàng)造條件。土地荒漠化演變過程中,富含營養(yǎng)的地表細顆粒風蝕損失,土壤磷含量降低,變異程度增加(蘇永中,2004;王濤等,2004a)。人類活動包括放牧、開墾、樵采和封育等因素,樵采、放牧和開墾強度增加使地表植被覆蓋度降低,破壞植被與土壤養(yǎng)分循環(huán),土壤表層結構破壞,降低土壤表層磷含量,而封育會使土壤表層磷含量顯著增加(蘇永中等,2002a,2002b)。不同類型沙地表層土壤磷含量差異較大。流動沙丘表層土壤全磷含量0.02~0.06g·kg-1,速效磷0.5~4.0mg·kg-1(趙瓊等,2004;曹成有,2004;Chenetal.,2004;姚麗和劉廷璽,2005);在流動沙丘上經(jīng)人工植被恢復15年以上的土壤或地表風蝕嚴重退化的土壤,表層土壤全磷含量為0.10~0.16g·kg-1,表層速效磷含量2~3mg·kg-1(蘇永中等,2002c;趙哈林等,2002;曹成有等,2004b;Chenetal.,2004;張華等,2005;姚麗和劉廷璽,2005);退化沙質(zhì)草地土壤表層全磷含量為0.12~0.17g·kg-1,表層速效磷含量4.1~8.9mg·kg-1(蘇永中等,2002a);受人類活動干擾較少的沙質(zhì)草地和灌叢土壤,表層土壤全磷含量為0.15~0.45g·kg-1,表層速效磷(Olsen-P)含量5~15mg·kg-1(蘇永中等,2002b;李香真等,2002;姚麗和劉廷璽,2005);開墾2年后的農(nóng)田土壤表層全磷含量為0.07~0.11g·kg-1,表層速效磷含量2.4~4.0mg·kg-1,圍封后5年草地土壤表層全磷含量為0.14~0.24g·kg-1,表層速效磷含量7.4~11.1mg·kg-1(蘇永中等,2002a)。同一類型土壤垂直方向和水平方向都存在顯著差異。由于灌木和半灌木對土壤表面養(yǎng)分的富集作用,即“肥島”效應,同一類土壤表現(xiàn)為水平方向斑塊差異(蘇永中等,2002c;許文強等,2006;張強等,2006)。由于地表降塵、植物根吸收、凋落物分解等過程,沙質(zhì)草地土壤養(yǎng)分逐漸向地表聚集,在垂直方向也存在顯著差異,尤其表層0~10cm內(nèi)土壤磷濃度隨深度增加差異尤其明顯,10cm以下土壤差異減小,30cm以下趨于穩(wěn)定,接近流動沙丘土壤磷水平(蘇永中等,2002b;曹成有等,2004;趙瓊等,2004)。而農(nóng)田土壤與未開墾土壤存在差異,如果農(nóng)田土壤施肥,農(nóng)田土壤全磷與速效磷增加(陳伏生和曾德慧,2005),表層土壤磷空間異質(zhì)性增強(陳伏生等,2005);如果不施肥,不但表層土壤磷含量會降低,甚至會低于下層土壤,如開墾2年后的農(nóng)田土壤表層全磷含量為0.07~0.11g·kg-1,下層全磷含量為0.10~0.13g·kg-1(蘇永中等,2002a)。不同土壤有機磷占全磷百分比變幅很寬,樟子松人工林土壤有機磷占全磷比率為40%~80%,表層高達80%(趙瓊等,2004),而風沙土有機磷占全磷含量的8%(周濤等,2000)。由于沙地土壤磷含量低,除全磷和速效磷以外,對其他形態(tài)磷研究較少。3砂石土壤磷循環(huán)3.1不同類型草地的磷釋放能力從沙地生態(tài)系統(tǒng)看,土壤磷輸入的途徑有礦物的風化、大氣干濕沉降、風積和植物凋落物分解等。礦物風化過程緩慢,估計以0.05~1.0kg·hm-2·a-1速度進入土壤,但卻是生態(tài)系統(tǒng)磷的最初來源(沈善敏,2000)。干旱半干旱地區(qū)冬、春季風沙大,浮塵、揚沙和沙塵暴天氣經(jīng)常出現(xiàn),地表降塵量較大。1999年新疆和田降年塵量可達11700kg·hm-2(關欣等,2000)。在內(nèi)蒙古錫林格勒草原,放牧與未被放牧的草地降塵量分別為每天1300和2400kg·hm-2(Hoffmannetal.,2008)?？茽柷呱车剞r(nóng)業(yè)區(qū)降塵量平均每天19.9kg·hm-2,磷增加量每天可達0.02kg·hm-1(Lietal.,2004)?？梢?干旱半干旱地區(qū)大氣降塵是土壤磷的重要來源之一,利于土壤長期維持生產(chǎn)力(Okinetal.,2004)。灌叢的積沙作用對磷有明顯的富集作用(Wezeletal.,2000;李香真等,2002;張華等,2005);土壤表面凋落物中的磷隨腐解過程將磷釋放到土壤中(郭艷娜等,2004;郭劍芬等,2006)。但沙地氣候干旱,凋落物分解緩慢,因此,地表凋落物含有的磷釋放到土壤中相對較少。沙地農(nóng)田土壤磷輸入途徑除降塵等自然因素,還包括施入化肥、有機肥和秋季留茬等措施(陳伏生和曾德慧,2005)?；试谵r(nóng)田施肥中所占比重增加,施入量在70~150kg·hm-2(張雄等,2006)。但也存在掠奪性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)象,不施加肥料,使地力在短時間內(nèi)耗盡,然后撂荒,為沙漠化的發(fā)展創(chuàng)造了條件(趙哈林等,1998)。3.2地表徑流對土壤磷的影響沙地生態(tài)系統(tǒng)磷輸出的途徑有地表徑流、淋溶作用、水土流失和風蝕。磷素的地表徑流遷移是一個十分復雜的過程,它受降雨過程(降雨類型、降雨強度及降雨歷時)、下墊面因素(土壤類型、土壤理化性質(zhì)等)、地表植被和地質(zhì)水文條件等的綜合影響,而且磷素的地表徑流損失大多由于雨水的直接沖刷引起的(梁新強等,2005)。但是,沙地年降雨量少,地形平坦處一般不形成徑流,只有處于低地的河流和湖泊等處,磷隨地表徑流損失會較多。干旱區(qū)沙地土壤的生物、物理、化學性質(zhì)決定了土壤對磷素的固定和緩沖能力差(Leinweberaetal.,1999;章明奎,2004),土壤中的磷也會隨地表徑流離開系統(tǒng)或隨淋溶作用進入深層土壤,從而不能為植物利用(Turner&Hayarth,2000;王小龍,2001)。相比之下,在陡峭的河岸和坡地,由于人為干擾和氣候條件變化,地表植被遭到破壞,當雨季到來時,會發(fā)生較大的水土流失,土壤磷損失嚴重。土壤風蝕導致有機質(zhì)被吹失,土壤結構破壞,土壤肥力下降,土質(zhì)粗化,保水、保肥能力降低(Kennedy&Papndik,1995;蘇永中等,2004;Zhaoetal.,2006),可引起大量磷損失(趙文智,1994);有資料表明,表土風蝕量可達4.62kg·hm-2·d-1,風蝕損失磷量每天可達0.13kg·hm-2(Lietal.,2004)。農(nóng)田土壤磷輸出包括:1)作物種子和秸稈中含有的磷隨收獲物離開土壤,是農(nóng)田土壤磷的主要輸出途徑;2)風蝕作用使表層土壤磷損失,研究表明,風蝕引起土壤全磷含量下降59.4%,速效磷含量下降了27.5%(趙哈林等,2002);3)集中施入土壤的磷在雨季發(fā)生徑流和淋溶損失(王小龍,2001)等。3.3植物-土壤環(huán)境因素植物-土壤正反饋定義為由植物自身引起的,利于其定居、生長和繁殖的有利的土壤條件;植物-土壤負反饋定義為由植物自身引起的,對其定居、生長和繁殖的不利的土壤條件(Bonanomietal.,2008)。在流動沙丘上建立人工植被或對退化草場圍封后,隨植被蓋度的增大,風沙活動減弱,塵降增加,植物凋落物增加,在物理、化學與生物作用下,地表0~10cm土壤磷含量增加明顯,從而為更多植物定居、生長和繁殖創(chuàng)造條件(曹成有等,2004),呈現(xiàn)植物-土壤正反饋。穩(wěn)定的灌木群落中存在土壤資源的聚集(“肥島”)現(xiàn)象,利于其他草本植物入侵,而其本身會由于潛在的自毒作用而變稀疏,出現(xiàn)植物-土壤正、負反饋共存現(xiàn)象(Bonanomietal.,2008),表明植物-土壤反饋效應隨環(huán)境條件而改變,當去除外界干擾后,表現(xiàn)為植物生長環(huán)境趨于穩(wěn)定,促進土壤磷生物循環(huán)。由于氣候變暖、嚴重放牧和野生動物取食等綜合因素影響,干旱、半干旱地區(qū)的許多草地生態(tài)系統(tǒng)逐漸被灌木生態(tài)系統(tǒng)所取代(vanAuken,2000),由于灌木下形成“肥島”,加速灌木取代草地進程,從而導致了灌木分布面積逐步擴大,出現(xiàn)灌木與土壤之間的正反饋效應,地表養(yǎng)分異質(zhì)性增加(Schlesingeretal.,1990,1996)。磷在地表的聚集現(xiàn)象明顯,土壤磷主要聚集在距灌叢中心0~30cm,超過30cm磷濃度逐漸降低(許文強等,2006;Bonanomietal.,2008)。隨灌木入侵草地生態(tài)系統(tǒng)時間延長,地表養(yǎng)分異質(zhì)性程度加深,地表植被也出現(xiàn)斑塊狀分布,加之放牧牲畜啃食和踐踏,灌叢內(nèi)植物生長良好,灌叢間植物生長勢變?nèi)?導致灌叢間土壤易受風蝕,加速了土地荒漠化過程(Schlesingeretal.,1996)?？梢?人類的強烈干擾破壞了植物-土壤正反饋,導致土壤磷因風蝕損失。4影響砂土壤磷循環(huán)的因素4.1沙地土壤磷的釋放限制因素影響沙地土壤磷循環(huán)的自然因素主要包括氣候和土壤等。我國沙地均為干旱半干旱氣候帶,主要表現(xiàn)為干旱少雨,溫度變化明顯,濕度低,風大沙多等(蔣德明等,2005)。由于降水量少,地表植被稀疏,地上生物量低,地表凋落物量少,限制磷的循環(huán)數(shù)量;溫濕度低,凋落物分解慢,限制磷的循環(huán)速度。沙地土壤母質(zhì)以第四紀松散碎屑物質(zhì)沉積為主,缺少膠結物質(zhì),質(zhì)地疏松,內(nèi)聚力差,極易被風力所吹揚,引起地表土壤風蝕(李洪文等,2006;劉建凱等,2007),使聚集于地表的富磷土壤損失,磷循環(huán)途徑由封閉變得更開放,從而打破土壤磷平衡。沙土對磷的吸附能力弱,因此,沙土有效磷的釋放不是由土壤吸附-解吸過程控制,而是由沉淀-溶解過程控制,所以,除土壤非活性磷以外,其他形態(tài)磷均可全部或部分釋放到土壤中(Zhangetal.,2002),使土壤磷易于通過地表徑流和淋溶等過程從生態(tài)系統(tǒng)輸出,加劇土壤磷損失,使沙地土壤貧磷現(xiàn)象更嚴重。因此,沙地土壤生態(tài)系統(tǒng)一旦遭到破壞,不易在短時間內(nèi)恢復。4.2人為活動引起土壤理化性質(zhì)的惡化人類活動對沙地土壤磷循環(huán)起正反兩方面的作用。在我國北方生態(tài)脆弱帶,急劇增加的人口壓力和經(jīng)濟活動范圍的擴大強烈干擾自然環(huán)境,對土地資源的不合理利用可短期內(nèi)造成大面積的生態(tài)環(huán)境惡化和沙漠化,主要表現(xiàn)在大面積開墾土地、濫砍濫伐、過度放牧等(朱震達,1991),受經(jīng)濟利益