模擬不同春季降雨量下典型草原土壤微生物磷周轉特征

朱曉亞,李子豪,林啟美,李貴桐,趙小蓉

中國農業大學資源與環境學院, 北京 100193

全球變暖必然導致氣候變化,其中降雨變化尤為突出且非常重要,對生態系統將產生深刻的影響[1]。草原生態系統對降雨的變化尤為敏感,尤其是降雨格局的變化[2],直接影響草原生態系統結構、過程及其功能[3]。內蒙古典型草原是對全球變化最為敏感的草原生態系統之一[4],水分是草原生態系統最重要的限制因素之一[5],尤其是春季牧草返青期的降雨,直接影響植物種子發芽[6],幼苗生長和存活率[7],以及植物的物候學特征[8],進而影響牧草生物量和草原生產力[9- 11]。

磷素也是森林、草原等自然生態系統的限制因子之一[12],內蒙古典型草原土壤有效磷含量比較低,平均約3.00 mg/kg。施用磷肥在一定程度上可以提高草原土壤有效磷含量[13],但草原生態系統不可能依賴于施肥,主要依靠微生物的礦化作用,將有機磷轉化為無機磷或將無效的無機磷轉化為有效磷,從而被植物吸收利用。土壤微生物量磷不僅是植物磷素營養來源,而且也是植物磷素營養庫。一些研究結果顯示,土壤微生物量磷周轉可滿足作物大部分甚至全部磷素營養的需求[14- 16],因此,研究了解土壤微生物量磷周轉的變化特征,在一定程度上可以調節土壤磷素供給和植物磷素營養。

土壤微生物量磷周轉受到包括氣候、土壤性質、土壤利用與管理等多種因素影響,其中水分是主要的影響因素之一。大量研究結果顯示,降雨改善土壤水分狀況,提高土壤微生物活性,甚至改變土壤微生物群落結構[17],促進磷素轉化,提高土壤有效磷含量[18]；干濕交替會造成微生物死亡[19],促進土壤微生物量磷周轉,提高土壤供磷能力[20- 21]；溫度與水分之間可能存在強烈的相互作用[22],這就意味著不同季節降水對土壤微生物量磷周轉的影響可能有很大的差異。

春季是內蒙古典型草原牧草返青的季節,適量降雨直接影響牧草種子萌發、返青和生長,磷素營養在此過程中起非常重要的作用。顯然,土壤微生物量磷周轉可能直接影響土壤磷素供給,進而影響牧草返青和生長,但目前還缺乏充分的證據。鑒于此,本研究在內蒙古錫林浩特典型草原,設置模擬春季不同降雨量試驗,擬回答的科學問題為：模擬春季不同降雨量條件下,土壤微生物量磷周轉是否存在差異？這種差異是否對植物磷素營養產生積極的影響？假設：春季適量降雨可促進土壤微生物量磷周轉,提高土壤磷素供給能力,改善牧草磷素營養,提高牧草生物量。本研究的目的：(1)了解不同模擬降雨量條件下,典型草原土壤微生物量磷季節變化特征及其周轉參數的差異；(2)明確土壤微生物量磷周轉與土壤有效磷含量及植物磷素營養之間的偶聯關系。

1 材料與方法

1.1 模擬降雨試驗

試驗地點位于錫林郭勒盟錫林浩特市毛登牧場,屬于溫帶半干旱典型草原,44°15′24′′—44°15′41′′N,116°32′08′′—116°32′28′′E,海拔1111—1121 m,栗鈣土,砂質壤土,土壤基礎理化性狀見表1。

試驗設3個處理,分別為：(1)不降雨(W0),(2)模擬降雨1次(4月24日,W1),(3)模擬降雨2次(4月24日,5月14日,W2),即第一次模擬降雨后,土壤含水量降低至降雨前水平時再模擬降雨1次,一般需要約25 d。降雨量為過去50年(1961—2010)4月21日—5月21日平均降雨量,約為20 mm。用手動噴霧器模擬降雨,水滴大小約0.02 mm。

表1 試驗開始時土壤基本理化性質

W0：不降雨；W1：一次模擬降雨20 mm； W2：兩次模擬降雨,每次20 mm；同一行不同字母表示不同處理間差異顯著,P<0.05

試驗從2015年開始,到2017年結束,持續3年。根據當地牧草生長發育時期,每年4 月20日左右(牧草返青期)實施模擬降雨,5月中下旬雨季來臨前結束。采用帆布遮雨以避免試驗期間自然降雨對試驗的干擾。每個處理3個重復,每個小區9 m2(3 m×3 m),隨機區組排列,小區之間留有1 m的緩沖隔離區。

1.2 樣品采集

于2017年4月24日前后至10月初(分別對應模擬降雨后的第1、28、56、84、112、140、171天),每個月用直徑5 cm的土鉆,隨機多點從各個試驗小區采集0—15 cm土層土壤,每個小區取5土鉆作為混合樣品,混合均勻后,取500 g于低溫保存。返青后約1個月左右即5月24日前后,在采集土壤樣品的時候,從每個小區采集植物樣品。隨機確定50 cm×50 cm樣方,除去枯枝落葉,用剪刀收集植物地上部,冰袋低溫保存。

1.3 測定方法

植物樣品用H2SO4-H2O2消煮后,消煮液氮含量用半微量凱氏法測定,磷含量用釩鉬黃比色法測定[23]。土壤容重用環刀法測定[24],含水量用烘干法測定,有機質含量用重鉻酸鉀外加熱容量法測定,全磷用HClO4-H2SO4消化-釩鉬黃比色法測定,全氮用半微量凱氏法測定,速效磷用Olsen法測定[25]。土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶分別用pH 6.5和pH11.0的MUB緩沖液浸提,400 nm處比色測定[26]。土壤微生物量磷用氯仿熏蒸提取法測定[27],土壤微生物生物量磷的周轉速率、周轉期及周轉通量計算為[28]：

周轉速率(次/年)=微生物量磷1年內動態減少量之和/1年內微生物量磷的平均值

周轉期(年)=1/周轉速率

周轉通量(kg hm-2a-1)=微生物量磷平均值×容重×深度系數/周轉時間

1.4 統計分析

所有數據應用 Excel 2016 和 SPSS 23.0軟件進行統計分析。單因素方差分析誤差,用最小顯著性差異(LSD0.05)表示不同處理之間95%置信度的差異。采用Pearson相關系數來進行相關性分析。

2 結果分析

2.1 土壤微生物量磷

土壤微生物量磷具有明顯的季節變化,且受模擬降雨的影響(圖1)。無降雨處理(W0)土壤微生物量磷0.83—10.72 μg/g,平均為6.91 μg/g,變異系數為44.09%,說明自然條件下,內蒙古典型草原土壤微生物量磷存在明顯的季節變化。模擬1次(W1)和2次降雨(W2)的土壤微生物量磷均值分別為7.47 μg/g和8.29 μg/g,均顯著高于無降雨處理(W0)(P=0.011),且隨降雨量增加而提高,這說明模擬降雨總體上提高了土壤微生物量磷含量；而變異系數分別為31.98%和43.17%,均低于無降雨處理(W0),說明模擬降雨減緩了土壤微生物量磷的季節變化。無論模擬降雨與否,第84天(7月)土壤微生物量磷最低,為0.83—3.35 μg/g,可能是因為高溫干旱導致微生物死亡；但最高值出現時間受模擬降雨的影響,無降雨處理最高值出現在開始模擬降雨后的第56天(6月),而模擬1次降雨(W1)出現在開始模擬降雨后的第140天(9月),模擬2次降雨出現在開始模擬降雨后的第1天(4月)。

模擬春季降雨對土壤微生物量磷周轉也有顯著的影響(表2)。模擬降雨1次(W1)土壤微生物量磷周轉期比W0長110 d,周轉通量下降了7.17 kg hm-2a-1；而模擬降雨2次(W2),土壤微生物量磷周轉加快,周轉期比較W0縮短了約22d,周轉通量達到33.16 kg hm-2a-1,比W0提高了23.64%。

表2 內蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年土壤微生物量磷周轉

同一行不同字母表示不同處理間差異顯著,P<0.05

2.2 土壤有效磷

土壤有效磷含量隨季節而變化,7月份(模擬降雨后的第84天)土壤有效磷含量最高,秋季比較低,受模擬降雨的影響比較小(圖2)。土壤有效磷與微生物量磷呈極顯著負相關(r=-0.56,P<0.01)(表3),說明土壤磷素被微生物量固持。

圖1 內蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年土壤微生物量磷的季節變化Fig.1 Seasonal change of soil microbial biomass phosphorus in typical steppe of Inner Mongolia under different simulated rainfallsin 2017 W0：不降雨；W1：一次模擬降雨20 mm； W2：兩次模擬降雨,每次20 mm

圖2 內蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年土壤有效磷的季節變化Fig.2 Seasonal changes of soil available phosphorus in typical steppe of Inner Mongolia under different simulated rainfalls in 2017

2.3 磷酸酶

土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶活性均存在明顯的季節變化,夏季(56—84 d)比較低,而春季和秋季比較高；總體上看,模擬降雨降低了土壤酸性磷酸酶活性,但提高了土壤堿性磷酸酶的活性(圖3)。土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶與微生物量磷呈顯著正相關關系(r分別為0.52和0.50,P<0.05),而與土壤有效磷含量呈負相關關系(r分別為-0.38和-0.41,P<0.05)(表3)。說明磷酸酶可能主要來自土壤微生物量,且是一種誘導酶,受環境中缺磷因素的誘導[29]。

圖3 內蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年土壤酸性磷酸酶和堿性磷酸酶的季節變化Fig.3 Seasonal changes of soil acid and alkaline phosphatases in typical steppe of Inner Mongolia under different simulated rainfalls in 2017

2.4 植物生物量及磷素營養

典型草原植物地上部生物量8月份(模擬降雨第112天)接近最高值,為0.17—0.19 kg/m2,模擬降雨1次(W1)對生物量影響比較小,而模擬降雨2次(W2)顯著地提高了生物量(P=0.047)(圖4),說明只有一定量的降雨量才能改善牧草生長,提高生物量。植株全磷含量逐漸降低,7月份接近最低水平,總體來看,模擬降雨顯著地提高了牧草植株全磷含量,比W0提高了4.55%—9.09%,平均提高了6.82%(圖4)。植物生物量和全磷含量與土壤微生物量磷、酸性和堿性磷酸酶活性沒有顯著的相關性(P>0.05),但植物生物量與有效磷存在極顯著的負相關關系(r=-0.67,P<0.01)(表3),這可能意味著典型草原土壤磷素供給與牧草生長并不完全同步。

圖4 內蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年植物地上部生物量及全磷含量的季節變化Fig.4 Seasonal variation of plant aboveground biomass and plant total phosphorus in typical steppe of Inner Mongolia under different simulated rainfalls in 2017

表3 內蒙古典型草原不同模擬降雨量下2017年植物生物量及P含量與土壤性質的相關性分析

Table 3 Pearson correlation analysis among plant biomass, P content and soil propertiesin typical steppe of Inner Mongolia under different simulated rainfalls in 2017

變量VariablesMBPACPALPAPPBACP0.52?ALP0.50?0.81??AP-0.56??-0.38?-0.41?PB0.150.270.37-0.67??PTP0.340.220.220.160.52?

MBP:微生物量磷Microbial biomass phosphorus; ACP:酸性磷酸酶 Acid phosphatase; ALP: 堿性磷酸酶Alkaline phosphatase; AP:有效磷Available phosphorus; PB:植物生物量Plant biomass; PTP:植物全磷Plant total phosphorus;*表示P<0.05；**表示P<0.01

3 討論

3.1 模擬降雨對內蒙古典型草原土壤微生物量磷周轉的影響

土壤微生物量是從系統的角度認識土壤微生物及其在物質和能量循環轉化過程中的作用,由于碳和氮是微生物細胞的結構物質,而磷是能量載體物質,因此,比起微生物量碳和微生物量氮,土壤微生物量磷對環境變化更為敏感,周轉更快[30]。微生物量碳周轉期為0.2—3.9年[31],微生物量氮周轉期0.25—0.52年[32],而微生物量磷周轉期0.10—0.11年[33]。許多因素影響土壤微生物量周轉,如土壤溫度、土壤濕度、有機物質、氮磷含量、重金屬、農藥等污染物,均影響土壤微生物量周轉[34],其中土壤濕度是最重要的因素之一,土壤水分過多或缺水,均會降低土壤微生物量及其活性,微生物量周轉更慢,而適宜的土壤水分含量有利于微生物生長繁殖,土壤微生物量比較高[35]。但是與恒定的土壤濕度相比,干濕交替可加快土壤微生物量磷周轉,一方面是因為干濕交替過程促進微生物細胞死亡和繁殖,另一方面干濕交替過程活化土壤有機物質,為微生物生長繁殖提供基質[36]。本研究也得到類似的結果,春季模擬降雨提高了土壤微生物量磷,這顯然是由于植物生物量增加(圖4),輸入土壤有機物質增加的緣故[37]；頻繁的干濕交替可加速土壤腐殖物質礦化,為微生物生長提供基質[38]。模擬春季降雨還減緩了土壤微生物量磷的季節變化,這可能與微生物群落結構隨土壤濕度變化有關,模擬春季降水改變土壤濕度,進而改變土壤微生物群落結構,甚至可能增強微生物抵抗土壤水分變化的能力[39],具體原因和機理還有待進一步研究。顯然,春季模擬降雨加劇土壤干濕交替過程,尤其是2次模擬降雨,土壤干濕交替過程更為劇烈,微生物更新的速度更快,其周轉期更短,周轉通量也比較高(表2)。一方面可以減少磷素流失和被礦物膠體吸附固定,另一方面微生物死亡后分解,可作為植物磷素營養來源。

3.2 土壤微生物量磷與磷素轉化及植物磷素營養的關系

內蒙古典型草原土壤主要是有機磷,0.05—0.24 g/kg,占全磷20%—80%,主要依靠磷酸酶等將有機磷轉化為無機磷酸鹽。磷酸酶主要來自土壤微生物[40],因此,常常與土壤微生物量甚至土壤微生物量磷之間存在正相關關系,如楊佳佳等[41]對黃土丘陵區土壤微生物量及酶活性的研究表明,土壤微生物量碳、氮、磷與堿性磷酸酶活性之間均有極顯著的正相關,本研究也獲得類似的結果,土壤微生物量磷與酸性和堿性磷酸酶呈顯著正相關關系(表3),說明無論是酸性還是堿性磷酸酶可能主要來自土壤微生物。磷酸酶催化有機磷礦化,所釋放的無機磷是植物磷素營養的重要來源,理論上與土壤有效磷含量存在正相關關系,如貝昭賢等[42]報道：提高土壤磷酸酶活性,有機磷礦化作用增強,土壤有效磷含量提高,植物生物量也提高。但本研究獲得相反的結果,2種磷酸酶活性和植物地上部生物量與土壤有效磷含量之間存在顯著的負相關關系(表3)。對此沒有合適的解釋,這可能反映出土壤微生物量磷、磷酸酶、土壤有機磷礦化及有效磷含量之間復雜的關系。即微生物量磷含量越高,磷酸酶活性越高,礦化釋放的有機磷越多,但是由于釋放的磷被微生物吸收,轉化為微生物量磷,土壤有效磷含量并沒有增加,反而降低。此外,這可能也反映出典型草原土壤微生物與牧草之間競爭磷素,模擬降雨可能加劇這種競爭現象,從而影響植物磷素營養,具體原因和機理還有待進一步的研究。

4 結論

模擬春季降雨顯著地影響內蒙古典型草原土壤微生物量磷,尤其是2次模擬降雨,土壤微生物磷周轉期更快,周轉通量也比較高；模擬春季降雨顯著地提高了牧草地上生物量及全磷含量,但是,植物生物量和全磷含量與土壤微生物量磷、酸性和堿性磷酸酶活性及土壤有效磷含量之間并沒有發現顯著的相關性。這意味著內蒙古典型草原土壤磷素供給與牧草生長之間存在復雜的關系,同時也反映出土壤微生物與牧草之間競爭磷素。