摘要磷(P)是地球生態系統中重要的生命元素。全球變化背景下，科學地探究森林土壤磷儲量現狀及其影響因子，對陸地生態系統的穩定以及磷的可持續利用具有重要意義。因此，該研究利用青海省240個森林標準樣地土壤實測數據，并結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量，揭示了其分布格局，并討論了土壤磷儲量與環境因子的關系。

　　結果表明:(1)青海省森林土壤磷儲量為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)區域隨海拔的升高顯著減小，在高海拔(3300–3900m)區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、土壤類型以及土壤含水量均對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鍵因子;土壤磷密度對土壤容重、土壤磷含量、土壤含水量、海拔、土壤類型的變化響應較為明顯，而土壤容重可能是限制土壤磷密度變化的主導因素。

　　關鍵詞磷儲量;森林土壤;空間分布;環境因子;青海省

　　森林工程師評職知識：森林工程屬于什么級別的期刊

　　森林工程雜志是由中華人民共和國新聞出版總署、正式批準公開發行的優秀正規期刊。是國家教育部主管的，東北林業大學主辦的核心期刊，主要反映森林資源建設與保護、森工產品加工與利用、森工企業管理、森工技術、森林工程機械設備、森工土木建筑等方面的科技成果、科技動態、林業建設方針政策、生產管理與技術經驗、學術研究、技術革新與技術引進等內容，非常適合林業方向工程師投稿評職稱論文。

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

　　19世紀中葉以來，全球變化顯著地改變了陸地磷動態。陸地磷庫對氣候變暖響應敏感，氣候變暖使得土壤沙含量增加，進而降低土壤原生礦物磷和有機磷庫，土壤總磷減少(Houetal.，2018)。高降水波動引發森林土壤磷減少(Yuanetal.，2017)，氮沉降加速了森林土壤磷循環致使土壤總磷相對減少(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系統地上碳庫的80%以及地下碳庫的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，人類活動加劇了森林生態系統土壤磷庫的供需失衡(Smil，2000)。采伐、火燒、土地利用變化等人為干擾是森林環境變化的根本原因之一(Baetenetal.，2011)，直接導致森林土壤養分出現增減效應，對土壤磷狀態產生持續的影響(Dambrineetal.，2007)。考慮到全球陸地生態系統的磷限制(Augustoetal.，2017)，評估森林土壤磷儲量現狀及其影響因子，有助于了解森林生態系統如何對全球變化作出響應，利于加快將磷循環納入地球系統模型的進程(Reedetal.，2015)，對陸地生態系統的穩定以及磷的可持續利用意義深遠。

　　近年來，不少國內外學者研究評價了土壤碳、氮庫(Allenetal.，2013)，但針對土壤磷庫的估算報道不多(汪濤等，2008)，并且主要集中于全球和國家尺度。Smil(2000)研究估算了全球農業土壤磷儲量為5–6Pg。Zhang等(2005)對中國表層(0–50cm)土壤磷儲量進行了估算，結果表明中國土壤磷儲量為3.5Pg。郭焱培等(2017)研究結果顯示中國北方灌叢1m深土壤磷儲量約為124.6Tg。

　　然而，區域尺度上對土壤磷儲量的定量評價還存在明顯不足，為了減少研究資料不足帶來的土壤磷庫估算的不確定性，有必要對代表性地區的土壤磷儲量和磷密度進行更加準確地評估(Zhangetal.，2005)。青藏高原是全球氣候變暖的“啟動器”和“放大器”，青海省作為青藏高原的重要組成部分，其森林生態系統在固碳制氧、涵養水源、保育土壤以及生物多樣性保護等方面價值巨大，具有極其重要的生態地位。同時也為研究森林土壤磷對全球變化的響應提供了理想的研究場所。然而目前關于青海省森林土壤磷儲量的研究卻鮮有報道。因此，本研究在統一的取樣標準下，對青海省森林土壤磷進行了系統的實地調查，準確估算出了青海省森林土壤磷密度和磷儲量并探究了土壤磷變化的限制因素，擬回答以下科學問題:1)青海省森林土壤磷儲量及其空間分布;2)不同海拔和不同土壤類型磷的變化特征;3)土壤磷與環境因子間的關系。

　　1研究方法

　　1.1研究區域概況

　　青海省地處青藏高原的東北部，是瀾滄江、長江、黃河的發源地。青海省東西長約1200km，南北寬達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區域。青海地處中緯度地帶，境內地形差異顯著，氣候獨特，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℃，年蒸發量大部分在1500mm以上(字洪標等，2017)。

　　1.2研究方法

　　1.2.1樣地設置與采樣

　　本研究遵循生態系統固碳項目技術規范編寫組(2015)制定的統一要求，并參考青海省森林資源連續清查結果，在青海省21個縣內分別選取環境條件(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型(優勢種)分布面積、蓄積比重、起源等情況，設置80個主要林分類型標準樣點。每個樣點設置3個50m×20m的樣地，樣地之間距離大于100m，總計樣地240個。在每個樣地沿著對角線設置3個1m×1m的調查樣方，共計720個。在每個樣方內(1m×1m)使用內徑≥5cm的土鉆，按0–10、10–20、20–30、30–50、50–100cm(不夠100cm至母質層為止)，每層隨機鉆取3鉆土，同一樣方同一土層的土樣混合成一個土壤樣品。

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

　　1.2.2土樣測定

　　土壤全磷含量測定采用NaOH堿熔-鉬銻抗比色法(Huetal.，2016)。野外測定環刀+鮮土質量，實驗室內測定環刀+干土質量以及環刀質量(環刀樣品105℃下烘干至恒質量)，計算土壤容重以及土壤含水量。

　　1.2.3其余數據來源

　　土壤磷化學性質相對穩定，因而本研究采用年平均氣溫和平均年降水量探究其對土壤磷庫的影響，數據均來自中國氣象數據共享網。青海省森林土壤類型劃分標準參照《青海森林》(青海森林編委會，1993)和《青海土壤》(青海省農業資源區劃辦公室，1997)。礫石含量數據來自《中國森林生態系統碳儲量——動態及機制》(王萬同等，2018)。

　　1.2.4數據處理計算

　　根據土壤碳密度的計算公式(郭焱培等，2017)，本研究磷密度計算公式如下: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。各個林分的分布面積乘以林分磷密度再相加即得青海省磷儲量。采用SPSS10.0統計軟件進行單因素方差分析，檢驗不同土壤類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行多重比較，若方差為非齊性，則用Tamhane’sT2法進行多重比較(Zheng&Shangguan，2007)，使用SPSS10.0對土壤磷含量和磷密度與海拔之間的關系進行線性回歸分析;利用AMOS17.0組建土壤磷含量、磷密度和環境因子的結構方程模型;采用Arcgis10.0地理統計分析軟件對青海省土壤磷密度進行地理空間分析。使用Origin8.5軟件進行數據計算和圖表繪制。

　　2結果和分析

　　2.1青海省森林土壤磷儲量及磷密度空間分布

　　青海省森林土壤磷儲量為1.74Tg。6種林分土壤磷儲量之間差異較大，介于32256–662457Mg之間。各個林分土壤磷儲量從大到小的順序為:柏木林>云杉林>樺木林>楊樹林>落葉松林>青扦林。青海省針葉林土壤磷儲量遠大于闊葉林，且占到青海省森林土壤磷總儲量的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)，呈現出隨著土層的加深土壤磷密度逐漸變大的垂直分布規律。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均與海拔呈顯著負相關關系，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不同土壤類型土壤磷變異特征

　　相同土壤類型不同土層中，土壤磷含量均呈現出隨著土層的加深而變小的垂直分布規律，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型磷含量(p<0.05)，其他3種土壤類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土層磷含量表現出和0–10cm一樣的規律。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種土壤類型(p<0.05)。不同土壤類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系分析

　　用結構方程模型(SEM)分析磷含量、磷密度以及環境因子之間的相互影響關系，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。結果表明SEM對磷含量、磷密度、降水量、溫度、土壤類型、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相關關系(p<0.001)，含水量與磷含量極顯著正相關(p<0.001)，同時土壤類型對磷含量的直接影響也達到極顯著水平(p<0.001)，降水量則通過土壤類型和溫度對磷含量產生間接影響。容重通過含水量間接對磷含量產生影響。其中，海拔和溫度對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(p<0.001)，含水量與磷密度極顯著負相關(p<0.001)。海拔和溫度通過影響含水量、容重以及磷含量間接對磷密度產生影響。

　　3討論

　　3.1青海省森林土壤磷儲量及其空間分布

　　土壤全磷表征土壤各種形態磷的總和，是判斷磷營養水平的重要指標(Ahern&MacNish，1983)。較之以往收集整合資料的研究，本研究通過野外實測和室內分析，得到的估算結果準確性相對較高。即青海森林土壤磷儲量為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，1993)，森林覆蓋率處于全國末位水平(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性(Baietal.，2010)，以及本研究的土壤取樣深度和區域尺度都與汪濤等人的研究有所不同所導致。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，1993)。青海省針葉林土壤磷儲量遠大于闊葉林，占森林土壤磷總儲量的比例為71%。因為青海省森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，說明闊葉林下土壤匯集磷的能力強于針葉林(張泰東等，2017)。研究所在區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。針葉林凋落物會使土壤pH降低，土壤pH降低致使無機磷與鋁絡合(Carrino-Kykeretal.，2016)，從而減少土壤中磷的固定。

　　此外，闊葉林多為內生菌根樹種，內生菌根分泌大量可使有機質釋放磷的酶，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)的研究結果一致。土壤磷的這種垂直分布格局是地球化學過程和動植物活動共同作用的結果，但植物對土壤磷的垂直分層控制可能更強(周俊等，2016)。

　　植物生長對磷的需求較大，上層土壤中的磷或許不能滿足植物生長所需，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程中，植物的“泵吸作用”大于淋濾等地球化學作用。另一個原因是植物地下生物量大多呈“倒金字塔”式分布。這樣的垂直分布結構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)。土壤有機質含量隨土層的加深而降低也是導致土壤磷沿剖面減少的一個原因(Khitrovetal.，2018)。