內蒙古典型草原不同地形單元放牧對土壤微生物量磷及磷酸酶活性的影響

李 營,趙小蓉,李貴桐,林啟美

中國農業大學土地科學與技術學院, 北京 100193

草原土壤磷以有機磷為主,有效磷低[1—2]。土壤微生物和酶共同驅動的磷轉化過程,對維持土壤有效磷含量起到重要作用[3—4]。土壤微生物量磷(soil microbial biomass phosphorus,SMBP)是重要的土壤有效磷來源[5],其在草原土壤磷庫中比例很低,但是其年周轉量是植物年吸收磷量的40—90倍[6]。放牧[7]、水分[6, 8]等均會導致草原SMBP的變化。研究表明,過度放牧造成土壤容重增加,不利于微生物生存[9—10],進而降低土壤微生物量[11]和土壤磷活性[12—13],延長了土壤磷循環周期[6],同時放牧家畜因采食帶走草原土壤的磷[14],造成磷流失[15],加劇草原土壤磷的限制。適度放牧有利于增加植被多樣性和群落生產力[16—17],也有利于土壤磷的累積和活化[12]。

土壤有機磷需要通過堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)或者酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)礦化成為無機磷后才能成為植物所需要的有效磷[18],且草原土壤有機磷礦化的速度受磷酸二酯酶活性(phosphodiesterase,PD)限制[19]。研究表明,土壤磷酸酶活性對放牧強度[20]、水熱變化[21—23]、有機質[24]、養分變化[25—26]等十分敏感。過度放牧條件下,微生物量調節著土壤酶對長期放牧的響應[20]。所以通過研究土壤磷酸酶的活性,可以了解放牧對土壤磷的有效性的影響。然而,目前對草原生態系統中土壤磷酸酶活性的研究還不全面,有必要通過研究土壤磷酸酶的活性及其影響因素,從而了解土壤磷的可用性。

由于地形差異帶來的地表溫度、蒸發量、土壤含水量等的差異[27],造成土壤理化特性對放牧響應的不同[10, 17, 28]。例如,隨著放牧強度增加,土壤有效磷含量在平地放牧呈現上升趨勢,而在坡地放牧則呈現下降趨勢[17]。而放牧強烈干擾了地形所控制的土壤顆粒遷移過程,并對地上生物量生產和總有機碳(TOC)儲量等與生物量相關的土壤特性表現出強烈影響[29]。通常,坡頂比坡底土壤磷含量更低,而且坡頂面臨磷流失,坡底則為磷累積[30]。土壤理化性質、微生物和植被等方面[17, 31—32]也會受到地形與放牧的交互作用影響[29]。比如,微生物氮礦化對放牧的響應受到水分的影響[33]。另外,以菌絲長度密度(hyphal length density,HLD)舉例,HLD與土壤磷有效性相關[34],在坡地放牧,HLD隨著放牧強度增加顯著降低,而在平地放牧則是先增加后降低[17]。

內蒙古典型草原位于歐亞草原東部,目前面臨嚴重的植被和土壤退化問題。其中,錫林河流域典型草原退化面積達7700 km2,約占流域總面積的82%,過度放牧是退化的主要原因[35]。基于植被群落組成和生產力的研究表明,典型草原平地可以放牧3.75 只/hm2,而坡地不宜超過3.0 只/hm2[16, 36]。為研究不同地形單元放牧對土壤微生物量磷和磷酸酶活性的影響,本研究基于中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站的長期定位試驗平臺,通過測量土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon,SMBC)、氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)、SMBP含量和土壤ALP、ACP、PD活性,從而研究不同地形單元放牧是否影響土壤磷轉化的微生物過程。本研究假設：1)由于坡地土壤含水量低于平地,且養分條件弱于平地,所以放牧對坡地土壤微生物量磷的影響比平地的更大；2)由于坡地土壤磷含量低于平地,導致坡地磷酸酶活性高于平地,并且放牧對其影響更大；3)由于母質問題,坡地比平地面臨更高的養分限制,且平地土壤有更好的水熱條件,從而放牧對微生物的影響可能是通過不同的環境因子造成的。

1 材料與方法

1.1 樣地介紹

研究樣地設置在內蒙古錫林郭勒盟白音錫勒牧場中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站(43°38′N,116°42′E,1200—1280 m a.s.l)的放牧試驗樣地內。該地區屬于溫帶半干旱草原氣候,年均降水量為346.1 mm,且60%—80%集中在生長季的4—8月,年蒸發量為1600—1800 mm,年均溫為0.3℃。土壤類型為暗栗鈣土(Mollisol,FAO),多為砂壤質地。植被類型屬于典型草原,植被群落中建群種為羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis),是歐亞大陸草原地帶性生態系統類型。

放牧試驗開始于2005年,占地面積約為160 hm2,每個處理設7個放牧強度(0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 只/hm2,分別記為G0—G9.0)和2個地形處理(平地和坡地,分別記為F和S)。坡地坡度小于10°[37]。其中,1.5 只/hm2的放牧小區面積為4 ha(確保每個試驗小區至少有6只羊),其它試驗小區均為2 hm2。放牧時間為每年的6月初至9月中旬,持續100 d左右,晚上不歸牧。為了保證放牧的持續性,樣地從2007年起改變了放牧方式,每月放牧的羊數根據牧草的變化而改變,但是保證年均放牧強度維持不變。經過十年放牧,土壤容重發生顯著變化[17]。在本文中,放牧強度指年均放牧強度,具體細節介紹參考Schoenbach的方法[38]。

1.2 土壤采集

土壤樣品采集于2015年8月初,為當年地上生物量最大的時期。考慮到試驗地足夠大又沒有重復,采樣從羊圈所在位置向長邊方向劃分為3個小區,每個小區間留1 m緩沖區。每個小區使用土鉆(直徑5 cm)隨機采集5鉆 0—20 cm 表層土混勻,作為3個觀測值。土壤樣品過2 mm篩后一部分保存在4℃,用于土壤含水量、 微生物量和磷酸酶活性的測定；另一部分風干用于基礎理化因子測定。

1.3 土壤理化指標測定

土壤pH采用1∶2.5土水比測定；土壤含水量采用105℃烘干法；土壤有機碳(TOC)采用重鉻酸鉀消煮法；全氮(TN)采用凱氏定氮法；全磷(TP)在HClO4-H2SO4消煮后使用鉬銻抗法比色；有機磷(Po)通過H2SO4浸提液經550℃灼燒1 h和未灼燒的差值確定；Olsen-P采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提之后使用鉬銻抗比色法[39]。

1.4 土壤微生物量碳、氮、磷

為消除土壤含水量對土壤微生物量測定的影響,測定前用去離子水調節土壤含水量到40%田間持水量,之后在4℃過夜以平衡土壤含水量。SMBC、SMBN采用氯仿熏蒸-0.5 mol/LK2SO4浸提法[40—41],土液比1∶4。濾液中的碳氮采用總有機碳/總氮分析儀(TOC-N auto-analyzer (multi N/C?3100, Jena, Germany))測定。SMBC(SMBN)=(熏蒸測定值-未熏蒸測定值)/k,其中kc=0.45[40],kN=0.54[41]。SMBP采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L NaHCO3(pH 8.5)浸提法[42],土液比1∶20。同時于未熏蒸土壤中加入25 μg P/g土用于測定P回收率。SMBP=(熏蒸測定值-未熏蒸測定值)/(kp×Rp),其中校正系數kp=0.4[42],Rp為外加P的回收率。

1.5 土壤磷酸酶活性

土壤ALP、ACP和PD活性采用Browman (1978)的方法[43]。分別稱取1 g鮮土,加入1 mL 相應底物和4 mL緩沖液(ALP的pH=11,ACP的pH=6.5,PD的pH=8)在37℃下培養1 h。其中ALP和ACP的底物為115 mmol/L的硝基苯磷酸二鈉(Disodium 4-nitrophenyl phosphate, pNPP),PD的底物為5 mmol/L的雙硝基苯磷酸二鈉(Bis(4-nitrophenyl) phosphate, bpNPP)。培養后迅速加入1 mL 0.5 mol/L CaCl2和4 mL 0.5 mol/L NaOH,混勻后過濾。為了消除底物的顏色和土壤的顏色,在培養的同時做空白對照：先加其它溶液,最后加底物,然后迅速過濾。使用分光光度計在400 nm波長處比色。使用對硝基酚(p-nitrophenol, pNP)濃度梯度的吸光值作為標準曲線來計算酶活性。ALP、ACP和PD的詳細試驗過程參考Katsalirou的方法[44]。

1.6 統計分析

將3個觀測值作為3個重復處理。所有的數據均以干土重比較放牧和地形對土壤理化因子的影響。放牧因素分析采用單因素方差分析(ANOVA),地形間分析采用配對t檢驗。對各指標進行放牧和地形的主效應分析,并進行顯著檢驗。因子間相關性網絡圖由R igraph和psych包分析并繪制。對不同地形的SMBP和磷酸酶活性進行CCA(Canonical correspondence analysis)分析,使用R Vegan和ggplot2包分析并繪制,分析前對環境因子進行方差膨脹系數計算,去除VIF ≥ 10的因子。

2 結果與分析

2.1 土壤理化因子特征

地形對土壤各理化因子均產生顯著影響,坡地處理土壤理化指標均顯著低于平地(表1),其中pH、TN、TN/TP還同時受放牧強度主效應和交互效應的影響(表2)。坡地和平地土壤pH均隨著放牧強度增加而呈現上升趨勢：與G0處理相比,平地放牧G3.0—G9.0處理的pH顯著提高0.15—0.29個單位,坡地放牧的土壤pH顯著提高0.43—0.71個單位(表1)。無論平地還是坡地放牧對土壤TOC 和TN含量、土壤含水量均沒有顯著影響(表1),但坡地TN除了G4.5和G7.5處理外,均顯著低于平地處理,降低了0.56—0.71 g/kg。平地放牧對TN/TP影響不顯著,而在坡地放牧,G1.5處理比G0顯著降低了13.73%,其他處理間差異不顯著。平地放牧對土壤TP沒有顯著影響,而坡地放牧的G1.5,G3.0,G6.0處理比G0處理顯著降低4.33—37.89 mg/kg。無論平地還是坡地放牧均對土壤PO沒有顯著影響,但是PO受到地形、地形×放牧強度的影響(表2)。土壤Olsen-P平地放牧的G4.5和G7.5處理比G0處理顯著降低1.26—1.41 mg/kg,而坡地放牧僅G4.5處理顯著低于G0處理0.94 mg/kg,其他處理間差異不顯著(表1)。

表1 典型草原土壤理化因子特性

2.2 土壤微生物量磷及微生物量氮磷比、碳磷比

SMBP受地形影響,坡地SMBP含量顯著低于平地35.47%(圖1,表2)。相對于G0處理,平地G1.5—G6.0處理對SMBP影響不顯著,但是重度放牧(G7.5和G9.0)顯著提高了SMBP含量80.61%—88.10%,而坡地放牧處理則均對SMBP影響不顯著(圖1)。SMBN/SMBP和SMBC/SMBP變化趨勢一致,且均不受地形的影響(圖1,表2)。平地和坡地放牧各個放牧強度的SMBN/SMBP和SMBC/SMBP均與G0處理差異不顯著,平地放牧均只在G3.0處理分別顯著高于G7.5處理2.05倍和1.72倍,而坡地放牧均在G3.0、G6.0高于G4.5、G9.0處理92.18%—97.47%和80.19%—93.99%(圖1)。

表2 地形與放牧對土壤理化因子、微生物量磷和磷酸酶活性的交互效應分析

2.3 土壤磷酸酶活性

土壤磷酸酶活性以ALP活性最高,平均為453.33 mg pN P-1kg-1h-1(范圍在356.94—506.43 mg pN P-1kg-1h-1),PD活性最低,平均為191.52 mg pN P-1kg-1h-1(圖2)。地形對磷酸酶活性的影響并不一致,其中ALP活性和PD活性均不受地形的影響,而坡地ACP活性比平地顯著高24.10%(圖2,表2)。放牧強度對ALP和PD活性的影響在平地和坡地上表現一致,其中ALP活性均在G7.5最低,約365.56 mg pN P-1kg-1h-1,比G0處理分別降低24.58%和21.55%,而在G1.5、G3.0處理最高,為484.33—506.43mg pN P-1kg-1h-1；PD活性均在G4.5處理顯著降低,分別比G0處理降低了74.72 mg pN P-1kg-1h-1和24.43 mg pN P-1kg-1h-1。放牧強度對ACP活性的影響正好相反,在平地放牧顯著降低ACP活性,約降低了63.64 mg pN P-1kg-1h-1,而在坡地放牧則對ACP活性沒有顯著影響(圖2,表2)。

圖1 典型草原不同地形單元放牧條件下土壤微生物量磷、微生物量碳磷比和微生物量氮磷比Fig.1 Soil microbial biomass phosphorus, the ratios of microbial biomass carbon to phosphorus and nitrogen to phosphorus under different topographic grazing in the typical steppe. topography不同大寫字母表示不同地形單元之間相同放牧強度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同放牧強度相同地形單元之間差異顯著(P<0.05)；“All”表示平地或者坡地單元整體

2.4 土壤微生物量磷和磷酸酶活性與土壤理化因子的關系

相關性網絡圖表明(圖3),在不考慮地形因素(圖3),放牧強度與土壤ALP活性有顯著負相關關系,且與SMBP有顯著正相關關系；SMBP與土壤ACP活性間有顯著負相關關系,與土壤ALP活性間沒有相關關系；土壤PD活性只與土壤ALP活性有顯著正相關關系,與土壤ACP活性、SMBP間沒有相關關系；TN與除土壤ACP活性外的所有土壤性質指標均有顯著正相關關系,與土壤ACP活性有顯著負相關關系；土壤含水量與PO、Olsen-P、TP、TOC、TN、ALP、PD均有顯著正相關關系。在平地中(圖3),土壤ACP活性與其它因素之間沒有相關關系,但是增加了放牧強度與pH的正相關關系、與土壤PD活性的負相關關系；SMBP只與放牧強度有正相關關系；土壤PD活性位于整個網絡的核心。在坡地中(圖3),大部分鏈接被破壞,只有土壤ACP活性與土壤含水量、PO與TP、TN三者間、土壤PD活性與Olsen-P和TN的正相關關系被保留。

圖2 典型草原不同地形單元放牧條件下土壤酸性磷酸酶活性、堿性磷酸酶活性和磷酸二酯酶活性Fig.2 Activities of soil acid phosphatase, alkaline phosphatase and phosphodiesterase under different topographic grazing in the typical steppe. 不同大寫字母表示不同地形單元之間相同放牧強度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同放牧強度相同地形單元之間差異顯著(P<0.05)；“All”表示平地或者坡地整體

不考慮不同地形單元這一因素,CCA1軸和CCA2軸解釋了總變異的21.60%和8.46%,整體上,坡地與平地沒有在CCA1上分開(圖4)。土壤含水量(WC)對樣品在CCA上分開有極顯著影響(表3)。其中,WC、TN分別單獨解釋了28.05%和4.88%的變異,PO、pH、Olsen-P、TN、TP、TOC共同解釋了15.82%的變異。在平地放牧的CCA分析中(圖4),CCA1軸和CCA2軸解釋總變異的37.43%和21.13%。WC、PO、TP、TN對樣品在CCA上分開有顯著或者極顯著影響(表3)。其中,WC、PO和TP分別解釋了38.10%、10.53%和6.79%的變異,TP、TOC、PO、TN共同解釋了23.23%的變異,pH和Olsen-P共同解釋了3.72%的變異。在坡地放牧中,CCA1軸和CCA2軸解釋了總變異的71.65%和5.15%(圖4)。WC、PO、TOC對樣品在CCA上分開有顯著或者極顯著影響(表3)。其中,PO、WC和TOC分別單獨解釋37.91%、2.53%和3.61%的變異,PO、Olsen-P、TN、TP、TOC共同解釋了62.78%的變異。

圖3 所有處理、平地和坡地相關性網絡圖Fig.3 Correlation networks of all, flat and slope treatments不顯著相關部分(-0.3

3 討論

3.1 不同地形單元放牧對土壤微生物量磷的影響

SMBP是草原土壤的重要有效磷庫[6, 45],研究表明,SMBP的變化受到土壤水分變化影響強于NaHCO3浸提磷[8]。本研究中,平地重度放牧(G7.5和G9.0處理)顯著提高了SMBP含量(圖1),這與前人研究結果一致[44]。而整體看,坡地放牧對SMBP沒有顯著影響,這與我們的第一個假設坡地放牧對SMBP的影響大于平地不符,這可能是放牧對SMBP的影響不足以抵消由于坡地水分不足[2]、養分限制[46]引起的SMBP的變化所致,即地形的效應大于放牧強度的效應。此外,坡地土壤水分含量顯著低于平地,尤其是在重度放牧處理中(表1,表2),其SMBP含量顯著低于平地也說明了水分的影響起到了重要作用。

本研究中SMBC/SMBP和SMBN/SMBP變化趨勢一致,平均分別為26.54∶1和5.26∶1(圖1),全球平均值為46∶1和6∶1[47]。前人基于內蒙古典型草原的研究接近25∶1和3∶1[6]。這是由于本研究土壤的水分、養分(表1)均高于Chen[6]的研究所致。本研究中,不同地形對SMBC/SMBP和SMBN/SMBP沒有顯著影響(表2),由于不同微生物的氮磷比和碳磷比不同[47],說明不同地形單元土壤的微生物群落沒有發生質的改變。而放牧和放牧*地形對土壤微生物量碳磷比和氮磷比有顯著影響(表2),是由于相對于平地,坡地土壤微生物量碳磷比和氮磷比分別在G4.5處理顯著降低,在G7.5處理顯著增加造成的(圖1)。G4.5處理顯著降低是由于SMBC和SMBN的降低造成的,研究表明,土壤微生物量碳、氮的變化受到土壤養分影響[11],坡地G4.5處理的pH顯著低于平地,而pH的增加有助于土壤養分的釋放[10, 48],從而緩解放牧脅迫。G7.5處理的增加是由于平地G7.5處理SMBP顯著增加,而坡地沒有增長造成的。

圖4 土壤微生物量磷和磷酸酶活性與環境因子間CCA分析所有處理、平地和坡地處理Fig.4 Canonical correspondence analysis (CCA) was shown for the relationships between the soil phosphatase activities, soil microbial biomass phosphorus and soil properties all, flat and slope點代表土壤樣品。箭頭代表土壤性質

3.2 不同地形單元放牧對土壤磷酸酶活性的影響

土壤ALP活性代表土壤微生物缺磷狀況[49]。本研究中,放牧對土壤ALP活性的影響不受地形限制(表2),且只在G7.5放牧強度下土壤ALP活性顯著降低(圖2),這與前人基于平地放牧的研究一致[20, 44]。研究表明,土壤性質可以解釋86%的土壤ALP活性的變化[31],但在本研究中,盡管坡地土壤性質與平地差異顯著(表1),但土壤ALP活性卻沒有明顯差異,這與上述研究不符。因此,土壤ALP活性的變化可能是因為坡地土壤理化性質弱,植被和菌根長度密度低[17],從而導致微生物需要提高土壤ALP活性來獲取磷。本研究中,坡地和平地G7.5處理土壤ALP活性顯著降低,是因為重度放牧引起的凋落物減少,根輸入降低,土壤生存環境惡化,導致通過ALP來提高土壤磷有效性變得不經濟造成的[31, 50—51]。而極重牧(G9.0)進一步惡化土壤結構[17],嚴重影響植被生長[29],減弱了植被-微生物之間的競爭,微生物可以獲得足夠的資源來分泌ALP獲取磷。

表3 環境因子對CCA的解釋方差

PD是分解新鮮有機質中的活性有機磷必需的酶,可以將磷酸二酯降解成磷酸單酯,進一步被ALP礦化[19],新鮮植被根系是重要的PD重要的底物,其減少會降低土壤PD活性[43, 52]。本研究中,土壤PD活性在G0—G3.0處理中平地高于坡地處理,而在G4.5處理則相反(圖2)。研究表明,輕度和中度放牧提高根系分泌物,增加植被根系生物量[53],而重度放牧降低了土壤碳含量和根系生物量[17, 54]。由于在平地輕度放牧(G1.5—G3.0)提高了植被根系含量,提高了土壤PD活性,而在G4.5處理之后,輕度放牧帶來的促進作用減弱,地形造成的根系生物量差距減少,造成土壤PD活性在平地和坡地差異不顯著。相對于平地放牧,坡地放牧僅保留了土壤PD活性與磷、TN的聯系(圖3),研究表明,氮限制了微生物利用磷[55],而PD是誘導酶,所以本研究表明坡地土壤微生物利用磷受到氮的限制。

植被通過分泌質子和提高土壤ACP活性來緩解磷限制[56]。本研究中,坡地土壤整體ACP活性高于平地(圖2),這是由于坡地有效磷含量低于平地造成的(表1)[44]。平地放牧顯著降低土壤ACP活性,坡地放牧對ACP活性沒有影響,除G4.5和G9.0處理外,均顯著高于平地(圖2)。相關性網絡分析中表明,平地ACP活性與其它因素間沒有顯著關系,而坡地只有WC與其有正相關性,且與其他因素間沒有顯著關系(圖3),說明土壤ACP活性的變化與土壤性質的關系較弱。所以推測土壤ACP活性的變化是由于放牧降低了植被生物量[6, 17],導致植被需磷量下降,及放牧改變了植被群落組成,進而影響土壤ACP活性[57],而坡地植被群落組成不受放牧強度的直接影響[17],因此其ACP活性不受放牧的影響。

3.5 土壤磷生物轉化與環境因子間關系

植物生產力由地形、放牧強度和土壤特性共同決定[58]。本研究表明,不同地形放牧對土壤理化性質的影響不一致(表1,表2)。在本研究中,地形主導了土壤磷養分的變化,坡地土壤的TP、Po、Olsen-P顯著低于平地(表1,表2),且不受放牧影響(圖3),這與前人研究一致[31, 59—60]。這一方面可能是由于土壤母質造成的,另一方面,坡地比平地更易水土流失,從而損失養分所致。前人研究指出,隨著放牧強度增加,土壤Olsen-P含量在平地呈現上升趨勢,而在坡地中則呈現下降趨勢[17]。本研究中,放牧*地形交互效應小幅度地影響了土壤TP和PO,但對Olsen-P沒有影響(表2),這與上述結果有一定的差異,但與刈割[61]和長期放牧結果一致[13, 44, 62]。說明無論平地放牧還是坡地放牧,放牧改變土壤理化性質[63],但對土壤磷的影響有限[64]。對于TN來講,坡地TN除了G4.5和G7.5處理外,均顯著低于平地處理(表1),這是由于地塊差異引起的。此外,平地放牧對TN/TP沒有影響,而坡地1.5 只/hm2放牧強度下,土壤TN/TP顯著低于G0處理(表1),從而導致其受到了放牧強度和放牧強度*地形的交互效應影響(表2),這是由于坡地G1.5處理降低了土壤TP造成的。另外,不同地形放牧在大于3.0 只/hm2處理之后,土壤pH均顯著上升(表1),而本研究中,pH與PO、TP顯著正相關(圖3),說明pH的增加有助于土壤養分的釋放[10, 48],而在坡地,雖然放牧也提高土壤pH,但仍低于平地,這表明坡地的潛在養分釋放低于平地,從而減弱了坡地的養分供給。

本研究中,土壤含水量對土壤磷的生物轉化起到重要作用。相關性網絡圖表明,WC通過與PD和ALP的正向關系,間接與土壤化學性質、ACP、SMBP等建立聯系(圖3)。土壤微生物量磷(圖1)和磷酸酶活性(圖2)的柱狀圖也表明,地形帶來的水分差異驅動其變化。平地放牧通過同時提高pH,抑制了PD和ALP活性,從而提高了SMBP含量(圖3)。而平地放牧中構建了微生物分泌的酶(ALP、PD)和土壤理化性質間的復雜網絡(圖3),可以緩沖放牧對土壤的影響,所以平地可以抵抗一定程度的放牧強度。坡地破壞了指標間的聯系(圖3),SMBP、ALP的變化不再受放牧強度和土壤理化性質影響,而PD依然存在與土壤磷的聯系,表明坡地放牧條件下,PD是維持土壤磷有效性的主要酶。

土壤微生物和酶共同驅動土壤磷的轉化[65]。整體而言(圖4),土壤微生物量磷和磷酸酶活性受地形帶來的土壤理化性質驅動,土壤含水量對其解釋度最高,其次是土壤化學性質(PO、PH、Olsen-P、TN、TP、TOC)的共同作用,即地形帶來的水分差異驅動土壤微生物轉化磷,這與大尺度的研究一致[6, 11]。坡地和平地的土壤微生物量磷和磷酸酶活性對環境因子的響應不同(圖4),這說明坡地與平地存在兩種不同的驅動微生物轉化磷的因素。在平地放牧中,最主要的驅動因素是土壤含水量,土壤PO、TP也對樣品在CCA上分開有顯著作用(圖4,表3),表明土壤含水量和土壤磷對土壤磷轉化有重要作用。與平地不同的是,在坡地中,最主要的驅動因素是PO,且PO、Olsen-P、TP、TN、TOC共同解釋了62.78%的變異(圖4,表3)。這表明土壤有機磷在坡地的重要性要大于平地,這是與坡地土壤酶活性變化趨勢一致(圖2)。

4 結論

本研究基于十年定位放牧試驗平臺,考慮坡地和平地兩種地形單元,通過研究土壤微生物量磷(SMBP)、土壤堿性磷酸酶(ALP)、土壤酸性磷酸酶(ACP)和土壤磷酸二酯酶(PD)活性的變化,得出以下結論：坡地SMBP含量顯著低于平地,平地重牧(G7.5—G9.0)顯著提高了SMBP含量,而在坡地放牧則不影響。土壤ALP和PD活性的變化只受放牧影響,而ACP活性則受地形驅動。平地土壤PD、ALP活性與土壤理化性質間存在復雜的聯系,且與放牧強度呈負相關關系,而坡地則只保留了土壤PD活性與磷、TN的聯系。平地和坡地的土壤ACP活性與土壤化學性質無關。土壤含水量(WC)驅動了平地和坡地SMBP和磷酸酶活性的差異,其中WC、PO、TP、TN驅動平地土壤變化,而坡地土壤則受到WC、PO、TOC的影響。綜上,坡地和平地的SMBP和土壤磷酸酶活性對放牧的響應受到不同因素驅動。雖然坡地微生物性質受放牧處理影響較小,但是坡地土壤的理化性質弱于平地,所以本研究建議坡地適當降低放牧強度。

致謝:感謝中國科學院內蒙古草原生態系統定位研究站和陳昊博士、董新亮博士在樣品的采集過程給予的幫助。