中国土壤磷库空间分布规律研究

中国土壤磷库空间分布规律研究

磷是地球生命系统中最重要的养分之一，也是生态系统中常见的养分限制因素之一，尤其是在热带雨林生态系统和老树土壤带。土壤磷含量的变化影响着包括碳、氮循环在内的其他元素的生物地球化学循环。目前,人类活动已显著地改变了磷的循环和平衡。例如,磷肥的大量施用,引起了土壤磷的过量积累,其流失量的剧增导致了水体中磷的富集。因此,估算土壤磷含量和磷库大小有助于理解磷循环对生态系统的影响,揭示磷库的影响因子,也将有助于评价气候变化和土地利用方式的转变对土壤磷库的影响。然而,相比于土壤的碳和氮库,人们对土壤磷库的估算较少,并且集中在全球和区域尺度。但是,土壤中磷的含量受到母质、气候、生物和土壤中的地球化学过程等一系列因素的影响,其分布具有巨大的空间异质性,因此,对土壤磷素的空间分布及其控制因素的研究就显得十分重要。中国地理跨度大,从热带到寒温带,从东部的湿润地区到西北内陆的半干旱和干旱地区,几乎涵盖了所有的土壤类型,包括热带地区的砖红壤、东北平原的黑土、寒温带的灰化土、西北内陆地区的荒漠、滨海地区的盐碱土等,为研究环境因子对土壤磷库的影响提供了理想的研究场所。本文基于第二次土壤普查数据,估算了不同土壤类型在表层50cm和实际深度的磷库,并分析了表层50cm土壤磷密度与环境因子的关系,试图揭示:1)不同土壤类型的磷库及其空间分布;2)土壤全磷密度与气候因子的关系;3)不同地球化学类型土壤磷密度的变化。1数据和方法1.1数据来源1.1.1土壤磷库研究第二次土壤普查数据全面系统地记录了中国主要土壤类型及其理化性质[23,24,25,26,27,28,29],已被应用于土壤磷库方面的研究。它提供了2473组剖面,其中包括土壤类型、土壤容重、全磷和有效磷含量、>2mm的砾石含量、土层厚度以及土种面积等估算磷库的基本参数。1.1.2相似的土壤类型土壤空间分布数据源自1∶400万中国土壤图。由于第二次土壤普查所采用的分类系统与1∶400万中国土壤图的分类系统略有差别,因此我们对一些相似的土壤类型进行了归并。1.1.3类型图的图不同土壤地球化学类型源自1∶1400万《中国土壤地球化学类型图》。首先数字化1∶1400万《中国土壤地球化学类型图》,将其转化为具有经纬度投影的图像,然后与1∶400万中国土壤图进行叠加,得出不同土壤类型所对应的地球化学类型。1.1.4kriger插值及投影气候数据为国家气象局提供的1975—2004年680个气象站的年均温和年降水资料。首先对680个气象站的30年平均气候数据进行Kriging插值,然后通过插值获得的图像进行投影变换,转换为空间分辨率为0.1°×0.1°,投影方式为经纬网投影的栅格图像。最后利用1∶400万中国土壤图中提供的空间分布信息,分别计算每种土壤类型的年均温和年降水。1.2容重、砾石含量与土壤有机碳的关系利用分层法计算每个土壤大类的磷密度以估算特定深度的土壤磷库。首先,根据式(1)计算出同一土类所有土种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分别表示土层的厚度、土壤容重(g/cm3)、磷含量(%)和>2mm的砾石含量(%)。对于土壤普查资料中缺失的容重和砾石含量数据,分别利用容重与土壤有机碳的经验关系和每种土壤类型砾石含量的平均值来推算缺失的容重和砾石含量。对于表层50cm的土壤磷密度,当土层的厚度超过50cm时,将0—50cm所有土层的磷密度进行加和;当实际土层的厚度不超过50cm时,利用实际深度的土壤磷密度来代替。其次,利用同一土类所有土种的磷密度(式(2))及其对应的面积(式(3))计算出该土类的磷密度:SΡDgt=∑AspAgt×SΡDsp,(2)Agt=∑Asp,(3)SPDgt=∑AspAgt×SPDsp,(2)Agt=∑Asp,(3)其中,SPDgt和SPDsp分别表示土类和土种的磷密度,Agt和Asp分别表示土类和土种的面积。最后,根据特定深度土类的磷密度和对应的面积计算出该深度土壤的磷库(式(4)),每种土壤类型的面积乘以其磷密度即为该土类的磷库:SΡ=∑Agt×SΡDgt,(4)其中SP表示中国土壤的磷库。本研究中使用的土壤总面积为880.37×104?km2。1.3不同地球化学类型土壤磷密度的差异通过One-wayANOVA(Turkey检验)比较不同地球化学类型的土壤磷密度的差异;借助SPSS13.0中的Pearson相关系数分析气候因子(年均温和年降水)与土壤磷密度的相关关系。2结果与讨论2.1中国的全磷密度和有效磷库表1给出了中国土类磷密度及其库。结果表明,对于实际深度的全磷密度而言,黑垆土和灌淤土最大,分别为1.43和1.36kg/m2,而粗骨土和石质土最小,分别为0.20和0.16kg/m2。对于有效磷而言,白浆土和棕色针叶林土最大,分别为15.8和9.3g/m2,而粗骨土和寒冻土最小,分别为1.4和0.6g/m2。中国土壤全磷和有效磷密度分别为0.60kg/m2和3.4g/m2。中国土壤实际剖面深度的全磷库和有效磷库约为5.3Pg和3.0Tg,表层50cm的全磷和有效磷库约为3.1Pg和1.8Tg。这一结果低于Zhang等估算的表层50cm全磷库(3.5Pg)。这种差异可能来自于两个方面:首先,Zhang等没有考虑砾石含量,本研究采用各个土类的砾石含量的平均值作为每个土类的砾石含量;其次,由于第二次土壤普查数据中部分土壤容重数据的缺失,我们采用土壤有机碳和容重之间的关系来推算缺失的土壤容重数据,而Zhang等是根据每个土类的平均容重来代替缺失的容重,因此导致了大部分土类全磷密度均低于Zhang等的结果(图1)。在本研究中,表层50cm处的全磷密度为0.35kg/m2,这一结果低于Zhang等的估算值0.42kg/m2,而与Smile的0.37kg/m2接近。2.2土壤全磷密度的变化图2和3显示了表层50cm土壤磷密度的空间分布格局。从图中可以看出,土壤全磷密度自东南沿海地区向其他地区呈增加趋势,从图中还可以看出,土壤全磷密度自湿润地区向干旱、半干旱地区呈增加趋势,如由红壤、砖红壤、赤红壤的0.18～0.28kg/m2增加到黑钙土、栗钙土、风沙土的0.38～0.74kg/m2,在我国的东部,土壤全磷密度自热带向温带、寒温带呈增加趋势,如由红壤、砖红壤的0.18～0.19kg/m2增加到暗棕壤、棕色针叶林土的0.35～0.36kg/m2。对于有效磷密度而言,东部沿海地区和青藏高原地区要低于其他地区,如红壤、赤红壤、砖红壤和寒钙土、冷钙土、寒冻土的有效磷密度分别为0.9～1.9g/m2和0.6～1.4g/m2,均低于黄棕壤、暗棕壤、棕色针叶林土的3.0～4.6g/m2。2.3气候条件对土壤全磷密度的影响为了揭示气候因子对土壤全磷密度的影响,我们给出了土壤全磷密度随年平均降水量和年平均温度的变化趋势。从图4可以看出,全磷密度随着年均降水量(r2=0.22,P<0.01)和年均温(r2=0.14,P<0.05)的增加而显著降低。气候(降水和温度)影响着土壤风化速率和养分元素的淋溶强度,并随着风化的进行,土壤全磷密度逐渐降低。前人研究表明,热带和亚热带地区的高温和多雨加快土壤的风化速率和磷元素的淋溶,从而导致了土壤全磷含量的降低。Miller等等在热带季风林区的研究表明降水强度的增加导致了土壤全磷含量的降低:当年降水量从85mm增加到505mm时,全磷含量减小了近2/3。而在干旱和半干旱地区,比如我国的灰漠土和风沙土,其全磷密度高达0.53～0.74kg/m2。这可能是由于水热条件(低温和低降水量)对土壤风化速率和磷素流失的限制,导致了土壤全磷密度的增加。因此,在我国,气候因子是影响全磷密度空间分布的重要因素。2.4土壤有效磷密度的空间分布为了揭示不同土壤地球化学类型对磷密度的影响,根据土壤的地球化学类型,将中国土壤分为3类,即硅铝型、石膏及碳酸盐型和铁铝及富铝型,并在此基础之上比较土壤磷密度(图5)。结果表明,对于有效磷密度而言,铁铝及富铝型和石膏及碳酸盐型土壤的有效磷密度显著地低于硅铝型土壤。对于全磷密度而言,硅铝型和石膏及碳酸盐型土壤显著地高于铁铝及富铝型土壤。不同地球化学类型上土壤有效磷密度的差异,反映了土壤中的物理、化学过程对土壤有效磷含量的控制。在铁铝及富铝型土壤中,由于有大量强吸附能力的铁铝氧化物的存在,它们对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,在高度风化的强酸性土壤上,土壤中铁和铝对磷的快速固定和沉淀使得磷成为限制该类生态系统净初级生产力的重要因素。在石膏及碳酸盐型土壤中,土壤中存在大量的交换性钙和碳酸钙,它们与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区的研究表明由于土壤中含有大量的碳酸钙,它们对磷的吸附和固定限制了植物对土壤中磷的可利用性,导致了磷成为该类生态系统的重要限制因子,而在硅铝型土壤中,由于土壤矿物质对磷的固定能力相对比较弱,使得有效磷密度偏高。因此,不同地球化学类型是我国土壤有效磷密度空间分布的重要因素。除了气候、土壤的地球化学类型之外,土壤母质和长期的农业施肥也深刻地影响着土壤磷密度,比如磷质石灰土上发育的土壤其全磷和有效磷密度高达15.7kg/m2和23.9g/m2,黄土母质上为0.84kg/m2和5.4g/m2,它们均高于中国土壤平均磷密度0.60kg/m2和3.4g/m2;灌淤土和白浆土,其有效磷密度高达7.3～15.8g/m2,这可能归因于长期的农业施肥。同样,生物和土地利用方式等因素在影响土壤磷含量方面也发挥着重要的作用,而且不同因素的相对重要性随着生态系统类型,土壤层次和时空尺度的变化而变化。因此,对于土壤磷含量的控制机制,需要在多尺度和多种生态系统类型中做更进一步地深入。由于研究资料的缺乏,在本次研究中并没有将这些因素考虑进去,因此将来的研究需要对它们给予更多的关注。3土壤全磷密度的改变中国土壤平均的全磷和有效磷密度分别为0.60kg/m2和3.4g/m2,实际深度的全磷和有效磷库分别为5.3Pg和3.0Tg。随年均温和年降水的增加,