中國(guó)土壤磷庫(kù)空間分布規(guī)律研究

中國(guó)土壤磷庫(kù)空間分布規(guī)律研究

磷是地球生命系統(tǒng)中最重要的養(yǎng)分之一，也是生態(tài)系統(tǒng)中常見(jiàn)的養(yǎng)分限制因素之一，尤其是在熱帶雨林生態(tài)系統(tǒng)和老樹(shù)土壤帶。土壤磷含量的變化影響著包括碳、氮循環(huán)在內(nèi)的其他元素的生物地球化學(xué)循環(huán)。目前,人類(lèi)活動(dòng)已顯著地改變了磷的循環(huán)和平衡。例如,磷肥的大量施用,引起了土壤磷的過(guò)量積累,其流失量的劇增導(dǎo)致了水體中磷的富集。因此,估算土壤磷含量和磷庫(kù)大小有助于理解磷循環(huán)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響,揭示磷庫(kù)的影響因子,也將有助于評(píng)價(jià)氣候變化和土地利用方式的轉(zhuǎn)變對(duì)土壤磷庫(kù)的影響。然而,相比于土壤的碳和氮庫(kù),人們對(duì)土壤磷庫(kù)的估算較少,并且集中在全球和區(qū)域尺度。但是,土壤中磷的含量受到母質(zhì)、氣候、生物和土壤中的地球化學(xué)過(guò)程等一系列因素的影響,其分布具有巨大的空間異質(zhì)性,因此,對(duì)土壤磷素的空間分布及其控制因素的研究就顯得十分重要。中國(guó)地理跨度大,從熱帶到寒溫帶,從東部的濕潤(rùn)地區(qū)到西北內(nèi)陸的半干旱和干旱地區(qū),幾乎涵蓋了所有的土壤類(lèi)型,包括熱帶地區(qū)的磚紅壤、東北平原的黑土、寒溫帶的灰化土、西北內(nèi)陸地區(qū)的荒漠、濱海地區(qū)的鹽堿土等,為研究環(huán)境因子對(duì)土壤磷庫(kù)的影響提供了理想的研究場(chǎng)所。本文基于第二次土壤普查數(shù)據(jù),估算了不同土壤類(lèi)型在表層50cm和實(shí)際深度的磷庫(kù),并分析了表層50cm土壤磷密度與環(huán)境因子的關(guān)系,試圖揭示:1)不同土壤類(lèi)型的磷庫(kù)及其空間分布;2)土壤全磷密度與氣候因子的關(guān)系;3)不同地球化學(xué)類(lèi)型土壤磷密度的變化。1數(shù)據(jù)和方法1.1數(shù)據(jù)來(lái)源1.1.1土壤磷庫(kù)研究第二次土壤普查數(shù)據(jù)全面系統(tǒng)地記錄了中國(guó)主要土壤類(lèi)型及其理化性質(zhì)[23,24,25,26,27,28,29],已被應(yīng)用于土壤磷庫(kù)方面的研究。它提供了2473組剖面,其中包括土壤類(lèi)型、土壤容重、全磷和有效磷含量、>2mm的礫石含量、土層厚度以及土種面積等估算磷庫(kù)的基本參數(shù)。1.1.2相似的土壤類(lèi)型土壤空間分布數(shù)據(jù)源自1∶400萬(wàn)中國(guó)土壤圖。由于第二次土壤普查所采用的分類(lèi)系統(tǒng)與1∶400萬(wàn)中國(guó)土壤圖的分類(lèi)系統(tǒng)略有差別,因此我們對(duì)一些相似的土壤類(lèi)型進(jìn)行了歸并。1.1.3類(lèi)型圖的圖不同土壤地球化學(xué)類(lèi)型源自1∶1400萬(wàn)《中國(guó)土壤地球化學(xué)類(lèi)型圖》。首先數(shù)字化1∶1400萬(wàn)《中國(guó)土壤地球化學(xué)類(lèi)型圖》,將其轉(zhuǎn)化為具有經(jīng)緯度投影的圖像,然后與1∶400萬(wàn)中國(guó)土壤圖進(jìn)行疊加,得出不同土壤類(lèi)型所對(duì)應(yīng)的地球化學(xué)類(lèi)型。1.1.4kriger插值及投影氣候數(shù)據(jù)為國(guó)家氣象局提供的1975—2004年680個(gè)氣象站的年均溫和年降水資料。首先對(duì)680個(gè)氣象站的30年平均氣候數(shù)據(jù)進(jìn)行Kriging插值,然后通過(guò)插值獲得的圖像進(jìn)行投影變換,轉(zhuǎn)換為空間分辨率為0.1°×0.1°,投影方式為經(jīng)緯網(wǎng)投影的柵格圖像。最后利用1∶400萬(wàn)中國(guó)土壤圖中提供的空間分布信息,分別計(jì)算每種土壤類(lèi)型的年均溫和年降水。1.2容重、礫石含量與土壤有機(jī)碳的關(guān)系利用分層法計(jì)算每個(gè)土壤大類(lèi)的磷密度以估算特定深度的土壤磷庫(kù)。首先,根據(jù)式(1)計(jì)算出同一土類(lèi)所有土種特定深度的土壤磷密度:SΡDΗ=∑Τi×ρi×Ρi×(1-Ci)/10,(1)SPDH=∑Ti×ρi×Pi×(1?Ci)/10,(1)式中,Ti,ρi,Pi和Ci分別表示土層的厚度、土壤容重(g/cm3)、磷含量(%)和>2mm的礫石含量(%)。對(duì)于土壤普查資料中缺失的容重和礫石含量數(shù)據(jù),分別利用容重與土壤有機(jī)碳的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和每種土壤類(lèi)型礫石含量的平均值來(lái)推算缺失的容重和礫石含量。對(duì)于表層50cm的土壤磷密度,當(dāng)土層的厚度超過(guò)50cm時(shí),將0—50cm所有土層的磷密度進(jìn)行加和;當(dāng)實(shí)際土層的厚度不超過(guò)50cm時(shí),利用實(shí)際深度的土壤磷密度來(lái)代替。其次,利用同一土類(lèi)所有土種的磷密度(式(2))及其對(duì)應(yīng)的面積(式(3))計(jì)算出該土類(lèi)的磷密度:SΡDgt=∑AspAgt×SΡDsp,(2)Agt=∑Asp,(3)SPDgt=∑AspAgt×SPDsp,(2)Agt=∑Asp,(3)其中,SPDgt和SPDsp分別表示土類(lèi)和土種的磷密度,Agt和Asp分別表示土類(lèi)和土種的面積。最后,根據(jù)特定深度土類(lèi)的磷密度和對(duì)應(yīng)的面積計(jì)算出該深度土壤的磷庫(kù)(式(4)),每種土壤類(lèi)型的面積乘以其磷密度即為該土類(lèi)的磷庫(kù):SΡ=∑Agt×SΡDgt,(4)其中SP表示中國(guó)土壤的磷庫(kù)。本研究中使用的土壤總面積為880.37×104?km2。1.3不同地球化學(xué)類(lèi)型土壤磷密度的差異通過(guò)One-wayANOVA(Turkey檢驗(yàn))比較不同地球化學(xué)類(lèi)型的土壤磷密度的差異;借助SPSS13.0中的Pearson相關(guān)系數(shù)分析氣候因子(年均溫和年降水)與土壤磷密度的相關(guān)關(guān)系。2結(jié)果與討論2.1中國(guó)的全磷密度和有效磷庫(kù)表1給出了中國(guó)土類(lèi)磷密度及其庫(kù)。結(jié)果表明,對(duì)于實(shí)際深度的全磷密度而言,黑壚土和灌淤土最大,分別為1.43和1.36kg/m2,而粗骨土和石質(zhì)土最小,分別為0.20和0.16kg/m2。對(duì)于有效磷而言,白漿土和棕色針葉林土最大,分別為15.8和9.3g/m2,而粗骨土和寒凍土最小,分別為1.4和0.6g/m2。中國(guó)土壤全磷和有效磷密度分別為0.60kg/m2和3.4g/m2。中國(guó)土壤實(shí)際剖面深度的全磷庫(kù)和有效磷庫(kù)約為5.3Pg和3.0Tg,表層50cm的全磷和有效磷庫(kù)約為3.1Pg和1.8Tg。這一結(jié)果低于Zhang等估算的表層50cm全磷庫(kù)(3.5Pg)。這種差異可能來(lái)自于兩個(gè)方面:首先,Zhang等沒(méi)有考慮礫石含量,本研究采用各個(gè)土類(lèi)的礫石含量的平均值作為每個(gè)土類(lèi)的礫石含量;其次,由于第二次土壤普查數(shù)據(jù)中部分土壤容重?cái)?shù)據(jù)的缺失,我們采用土壤有機(jī)碳和容重之間的關(guān)系來(lái)推算缺失的土壤容重?cái)?shù)據(jù),而Zhang等是根據(jù)每個(gè)土類(lèi)的平均容重來(lái)代替缺失的容重,因此導(dǎo)致了大部分土類(lèi)全磷密度均低于Zhang等的結(jié)果(圖1)。在本研究中,表層50cm處的全磷密度為0.35kg/m2,這一結(jié)果低于Zhang等的估算值0.42kg/m2,而與Smile的0.37kg/m2接近。2.2土壤全磷密度的變化圖2和3顯示了表層50cm土壤磷密度的空間分布格局。從圖中可以看出,土壤全磷密度自東南沿海地區(qū)向其他地區(qū)呈增加趨勢(shì),從圖中還可以看出,土壤全磷密度自濕潤(rùn)地區(qū)向干旱、半干旱地區(qū)呈增加趨勢(shì),如由紅壤、磚紅壤、赤紅壤的0.18～0.28kg/m2增加到黑鈣土、栗鈣土、風(fēng)沙土的0.38～0.74kg/m2,在我國(guó)的東部,土壤全磷密度自熱帶向溫帶、寒溫帶呈增加趨勢(shì),如由紅壤、磚紅壤的0.18～0.19kg/m2增加到暗棕壤、棕色針葉林土的0.35～0.36kg/m2。對(duì)于有效磷密度而言,東部沿海地區(qū)和青藏高原地區(qū)要低于其他地區(qū),如紅壤、赤紅壤、磚紅壤和寒鈣土、冷鈣土、寒凍土的有效磷密度分別為0.9～1.9g/m2和0.6～1.4g/m2,均低于黃棕壤、暗棕壤、棕色針葉林土的3.0～4.6g/m2。2.3氣候條件對(duì)土壤全磷密度的影響為了揭示氣候因子對(duì)土壤全磷密度的影響,我們給出了土壤全磷密度隨年平均降水量和年平均溫度的變化趨勢(shì)。從圖4可以看出,全磷密度隨著年均降水量(r2=0.22,P<0.01)和年均溫(r2=0.14,P<0.05)的增加而顯著降低。氣候(降水和溫度)影響著土壤風(fēng)化速率和養(yǎng)分元素的淋溶強(qiáng)度,并隨著風(fēng)化的進(jìn)行,土壤全磷密度逐漸降低。前人研究表明,熱帶和亞熱帶地區(qū)的高溫和多雨加快土壤的風(fēng)化速率和磷元素的淋溶,從而導(dǎo)致了土壤全磷含量的降低。Miller等等在熱帶季風(fēng)林區(qū)的研究表明降水強(qiáng)度的增加導(dǎo)致了土壤全磷含量的降低:當(dāng)年降水量從85mm增加到505mm時(shí),全磷含量減小了近2/3。而在干旱和半干旱地區(qū),比如我國(guó)的灰漠土和風(fēng)沙土,其全磷密度高達(dá)0.53～0.74kg/m2。這可能是由于水熱條件(低溫和低降水量)對(duì)土壤風(fēng)化速率和磷素流失的限制,導(dǎo)致了土壤全磷密度的增加。因此,在我國(guó),氣候因子是影響全磷密度空間分布的重要因素。2.4土壤有效磷密度的空間分布為了揭示不同土壤地球化學(xué)類(lèi)型對(duì)磷密度的影響,根據(jù)土壤的地球化學(xué)類(lèi)型,將中國(guó)土壤分為3類(lèi),即硅鋁型、石膏及碳酸鹽型和鐵鋁及富鋁型,并在此基礎(chǔ)之上比較土壤磷密度(圖5)。結(jié)果表明,對(duì)于有效磷密度而言,鐵鋁及富鋁型和石膏及碳酸鹽型土壤的有效磷密度顯著地低于硅鋁型土壤。對(duì)于全磷密度而言,硅鋁型和石膏及碳酸鹽型土壤顯著地高于鐵鋁及富鋁型土壤。不同地球化學(xué)類(lèi)型上土壤有效磷密度的差異,反映了土壤中的物理、化學(xué)過(guò)程對(duì)土壤有效磷含量的控制。在鐵鋁及富鋁型土壤中,由于有大量強(qiáng)吸附能力的鐵鋁氧化物的存在,它們對(duì)磷的固定和沉淀使得有效磷的含量大大降低。不少研究表明,在高度風(fēng)化的強(qiáng)酸性土壤上,土壤中鐵和鋁對(duì)磷的快速固定和沉淀使得磷成為限制該類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)凈初級(jí)生產(chǎn)力的重要因素。在石膏及碳酸鹽型土壤中,土壤中存在大量的交換性鈣和碳酸鈣,它們與磷的沉淀降低了土壤有效磷的含量。前人在荒漠和半干旱地區(qū)的研究表明由于土壤中含有大量的碳酸鈣,它們對(duì)磷的吸附和固定限制了植物對(duì)土壤中磷的可利用性,導(dǎo)致了磷成為該類(lèi)生態(tài)系統(tǒng)的重要限制因子,而在硅鋁型土壤中,由于土壤礦物質(zhì)對(duì)磷的固定能力相對(duì)比較弱,使得有效磷密度偏高。因此,不同地球化學(xué)類(lèi)型是我國(guó)土壤有效磷密度空間分布的重要因素。除了氣候、土壤的地球化學(xué)類(lèi)型之外,土壤母質(zhì)和長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)施肥也深刻地影響著土壤磷密度,比如磷質(zhì)石灰土上發(fā)育的土壤其全磷和有效磷密度高達(dá)15.7kg/m2和23.9g/m2,黃土母質(zhì)上為0.84kg/m2和5.4g/m2,它們均高于中國(guó)土壤平均磷密度0.60kg/m2和3.4g/m2;灌淤土和白漿土,其有效磷密度高達(dá)7.3～15.8g/m2,這可能歸因于長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)施肥。同樣,生物和土地利用方式等因素在影響土壤磷含量方面也發(fā)揮著重要的作用,而且不同因素的相對(duì)重要性隨著生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型,土壤層次和時(shí)空尺度的變化而變化。因此,對(duì)于土壤磷含量的控制機(jī)制,需要在多尺度和多種生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中做更進(jìn)一步地深入。由于研究資料的缺乏,在本次研究中并沒(méi)有將這些因素考慮進(jìn)去,因此將來(lái)的研究需要對(duì)它們給予更多的關(guān)注。3土壤全磷密度的改變中國(guó)土壤平均的全磷和有效磷密度分別為0.60kg/m2和3.4g/m2,實(shí)際深度的全磷和有效磷庫(kù)分別為5.3Pg和3.0Tg。隨年均溫和年降水的增加,