基于31P 核磁共振探究退化高寒濕地土壤磷素演變特征及影響因素

羅原駿，蒲玉琳，袁大剛，李亞麗，錢虹宇

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院，四川 成都 611130）

濕地在維持區(qū)域生物多樣性、涵養(yǎng)水源、碳封存等方面具有不可忽視的作用［1-3］。磷（P）作為濕地初級生產(chǎn)力的限制性營養(yǎng)元素之一，對促進植物生長，從而保證濕地系統(tǒng)諸多生態(tài)服務(wù)功能具有重要作用［4-5］。土壤磷的形態(tài)復(fù)雜，不同形態(tài)磷的生物有效性和化學(xué)活性具有很大差異［6-7］，同時由于磷的吸附-解吸特性，使?jié)竦赝寥溃ǔ练e物）成為上覆水體重要的磷源或磷匯［8］。因此，研究濕地系統(tǒng)土壤磷形態(tài)組成及其對環(huán)境條件如氣候、水文與植被群落變化的響應(yīng)，在改善濕地水體富營養(yǎng)化和維持濕地生態(tài)穩(wěn)定方面具有重要意義［9-11］。目前關(guān)于濕地土壤磷素演變的研究主要集中于通過分析湖泊、江河口、濱海與庫區(qū)等低海拔區(qū)域濕地土壤磷的分布及變化特征，一是用于評估濕地土壤的磷素釋放潛力及水體富營養(yǎng)化風(fēng)險，進一步探究控制濕地水體富營養(yǎng)化的關(guān)鍵磷源［12］；二是為服務(wù)于濕地生態(tài)健康與可持續(xù)性，探索江河與濱海類濕地土壤磷的生物可利用性［13-15］。高寒濕地的海拔高于3000 m、氣候寒冷，生態(tài)脆弱，對全球環(huán)境和人為活動帶來的變化較為敏感［2］。土壤磷素的演變影響著高寒濕地土壤磷的有效性，進而影響著高寒濕地系統(tǒng)初級生產(chǎn)力與碳、氮匯等多種生態(tài)功能。然而，目前關(guān)于高寒濕地土壤磷素組成特征及其對水分減少、植物群落演替與放牧干擾響應(yīng)的研究少有報道。

目前普遍采用化學(xué)連續(xù)提取法對土壤磷形態(tài)進行分級，即通過不同的化學(xué)提取劑將土壤中不同化學(xué)活性的磷化合物劃分為不同組分［16］。然而，上述方法僅僅是對磷形態(tài)進行了人為定義的劃分，且無法有效區(qū)分有機磷種類。近年來，液相31P 核磁共振（31P nuclear magnetic resonance，31P NMR）波譜在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用為定性和定量分析土壤有機磷提供了新手段［17-18］。該方法能準(zhǔn)確鑒別土壤中的正磷酸鹽、焦磷酸鹽、聚磷酸鹽、磷酸單酯、磷酸二酯等磷形態(tài)大類以及磷酸肌醇、磷酸甘油、磷酸糖、單核苷酸、核酸、磷脂等具體化合物［16-17］，能更準(zhǔn)確直觀地獲得濕地生態(tài)系統(tǒng)磷素組成，有利于進一步研究有機磷的轉(zhuǎn)化及影響其形態(tài)演變的關(guān)鍵因素。例如，Li等［19］和Zhang 等［20］的研究表明，中國華東地區(qū)河口濕地土壤磷化合物以正磷酸鹽和磷酸單酯類物質(zhì)為主，而Pant等［21］在對美國紐約佩勒姆灣公園沼澤濕地的研究中發(fā)現(xiàn)，鹽化沼澤土壤中磷化合物的組成相比于淡水沼澤更為復(fù)雜，并且在部分厭氧沼澤區(qū)域檢測出大量磷酸二酯。騰昌運等［22］通過模擬濕地暖化作用發(fā)現(xiàn)，升溫可導(dǎo)致土壤磷酸單酯含量升高、正磷酸鹽和聚磷酸鹽含量降低，研究結(jié)果還表明在高營養(yǎng)狀態(tài)下，濕地土壤磷轉(zhuǎn)化對溫室效應(yīng)的響應(yīng)更加敏感［9］。Qu 等［12］采用31P NMR 波譜結(jié)合酶水解法研究了三峽庫區(qū)消落帶土壤磷釋放機制，發(fā)現(xiàn)可被酶水解的活性單酯磷是三峽庫區(qū)消落帶土壤磷釋放的重要來源，同時周期性淹水促進了與Fe/Al 結(jié)合的植酸磷的釋放。然而，在地理位置和氣候條件特殊的高海拔地區(qū)，基于31P NMR 波譜的濕地土壤磷素組成鮮有研究，驅(qū)動磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因子相比于低海拔區(qū)的差異也有待揭示。

若爾蓋高原沼澤濕地作為高寒、生態(tài)敏感型濕地的典型代表，近年來由于氣候暖干化、鼠害和人為活動（開溝排水、超載放牧、無序旅游）等因素，沼澤濕地逐漸向沼澤化草甸-草甸-退化草甸-沙化草甸的方向逆向演替［23］。已有研究表明高寒濕地退化過程中通過降低土壤有機碳穩(wěn)定性，進而削弱了濕地碳匯功能［3，24］。同時，有機磷的周轉(zhuǎn)通過微生物群落的作用與土壤碳循環(huán)密切相關(guān)［5］。然而，關(guān)于高寒濕地退化過程中磷的轉(zhuǎn)化過程及其驅(qū)動因子尚不明晰。因此，本研究基于31P NMR 波譜法研究若爾蓋沼澤濕地退化過程中土壤磷素演變特征及其影響因素，以期為解析高寒濕地退化過程中土壤磷轉(zhuǎn)化規(guī)律提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為退化高寒濕地生態(tài)恢復(fù)中磷養(yǎng)分的科學(xué)調(diào)控提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原東北部邊緣若爾蓋濕地自然保護區(qū)（102°08′～103°39′ E，32°56′～34°19′ N）。域內(nèi)平均海拔3450 m，地貌為典型丘狀高原，丘陵起伏、谷地開闊，湖沼洼地發(fā)育；氣候?qū)儆诟咴疁貛駶櫦撅L(fēng)氣候，冬長無夏，年平均氣溫0.4～1.1 ℃，年降水量647～753 mm，無絕對無霜期；降水多集中于4 月下旬至10 月中旬，年均相對濕度69%，年平均日照2389 h；植被類型以沼生植物、草甸植物為主，伴生少量沙生植物。

若爾蓋濕地保護區(qū)內(nèi)廣泛分布的湖沼洼地排水能力極差，終年積水10 cm 以上，形成了以薹草屬（Carex）為優(yōu)勢的草本沼澤。截至2017 年，沼澤濕地受人為開溝排水和過度放牧等影響呈不同程度退化，其中哈青喬、黑河牧場和花湖最為典型，既有洼地中心區(qū)域保存相對完好的原生沼澤（relative pristine marsh，RPM），也有沿洼地中心向外輻射的退化沼澤。綜合考慮水文狀況、優(yōu)勢植物群落和放牧干擾，將退化沼澤分為輕度退化沼澤（lightly degraded marsh，LDM）、中度退化沼澤（moderately degraded marsh，MDM）和重度退化沼澤（heavily degraded marsh，HDM）（表1）。根據(jù)中國土壤系統(tǒng)分類［25］可將土壤分別歸類為有機正常潛育土、暗沃正常潛育土、暗色潮濕雛形土、淡色潮濕雛形土。

表1 沼澤濕地退化的分級標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Grading criteria of marsh degradation

1.2 樣地調(diào)查與樣品采集

2017 年8 月，以空間序列代替時間序列的方法，同時根據(jù)1977 年Landsat 2 MSS 和2015 年Google Earth 的遙感圖像之間的差異，在哈青喬、黑河牧場、花湖采樣區(qū)內(nèi)選取能代表沼澤及其退化序列的RPM、LDM、MDM 和HDM 的典型景觀類型樣地（100 m×100 m）各1 個，先調(diào)查水文、植被、人為干擾等成土環(huán)境，再采集土壤樣品。土壤環(huán)境調(diào)查時，每個樣地內(nèi)隨機設(shè)置1 m×1 m 的樣方3 個，調(diào)查地表水文狀況和優(yōu)勢植物類型，植被密度、蓋度和高度；然后用全收獲法采集樣方范圍內(nèi)50 cm×50 cm 的地上植物，將其裝入塑料自封袋用于測定地上生物量；最后在每個樣方挖取1 個20 cm×20 cm×40 cm 的完整土塊，用于測定地下根系生物量。

采集土壤樣品時，在每個樣地隨機設(shè)置3 個1 m×1 m 的樣方，利用Eijkelkamp（07.53.SE，荷蘭）原狀土取土器采集0～20 cm 土壤樣品，將同一樣地內(nèi)不同樣方的土壤樣品均勻混合，用四分法縮分至1 kg 左右，并去除雜物及植物根系、凋落物等，分裝約200 g 于塑料密封袋，放在便攜式保溫箱，以備測定土壤磷酸酶活性、并用于31P NMR 分析，剩余土壤樣品另裝入塑料密封袋用于測定土壤基礎(chǔ)理化指標(biāo)，共得到12 個樣地的表層土壤樣品。同時，用Eijkelkamp 土壤環(huán)刀取土器（荷蘭）（內(nèi)徑53 mm）采集0～20 cm 土層樣品，用于測定土壤容重。

1.3 生物量及土壤磷形態(tài)等指標(biāo)測定

地上生物量和地下生物量采用烘干法測定；土壤容重采用環(huán)刀法測定；土壤顆粒組成采用簡易比重計法測定；pH（土水比為1∶2.5）、有機質(zhì)（organic matter，OM）、全氮（total nitrogen，TN）、全磷（total phosphorus，TP）、堿解氮（available nitrogen，AN）、有效磷（available phosphorus，AP）和微生物量磷（microbial biomass phosphorus，MBP）的測定參考《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》［26］；磷酸單酯酶和磷酸二酯酶分別采用對硝基苯磷酸鹽法［27］和雙對硝基苯磷酸鹽法［28］測定，在37 ℃下培養(yǎng)1 h 后，以1 g 干土每h 產(chǎn)生的對硝基苯酚（μmol）數(shù)表示；植酸酶采用植酸鈉法［29］測定，在37 ℃下培養(yǎng)1 h 后，以1 g 干土每h 產(chǎn)生的磷酸（μmol）數(shù)表示。

基于31P NMR 波譜的土壤磷形態(tài)測定［30］：稱取2.50 g 過2 mm 篩的冷凍干燥樣于100 mL 離心管中，按照20∶1 的液土比加入0.25 mol·L-1NaOH+0.05 mol·L-1乙二胺四乙酸（ethylene diamine tetraacetic acid，EDTA）混合液，在20 ℃下振蕩提取16 h；提取完成后，在0 ℃、9591 r·min-1下低溫高速離心10 min，取5 mL 上清液采用H2SO4-HClO4消煮法測定提取液總磷，另取30 mL 上清液進行冷凍干燥；稱取約500 mg 凍干樣品用0.3 mL 10 mol·L-1NaOH、0.4 mL NaOH-EDTA 混合液和0.5 mL D2O 重新溶解，在室溫下超聲振蕩20 min，在0 ℃、9591 r·min-1下低溫高速離心20 min，隨后取0.5 mL 上清液轉(zhuǎn)移至5 mm NMR 管中進行31P NMR 分析。核磁共振光譜儀選用瑞士Bruker 公司的Bruker AV Ⅱ-600 MHz，31P 脈沖寬度15 μs，脈沖角度30°，共振頻率243 MHz，采樣時間0.34 s，弛豫時間3.00 s，樣品掃描25000 次，測定溫度為25 ℃，所有31P 的化學(xué)位移（以δ 值表示）均以85%的H3PO4為參照標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

利用MestReNova 12.0（Mestrelab Research）對31P NMR 波譜圖進行相位校正、基線校正、峰面積積分等處理。關(guān)于波譜圖中磷化合物的峰位，Turner 等［31］和Cade-Menun［32］已通過添加標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的峰值實驗進行了定位和總結(jié)，本研究參考上述研究結(jié)果來確定土壤磷形態(tài)種類。在波譜解譯過程中，首先將波譜中正磷酸鹽的δ 值標(biāo)準(zhǔn)化為6.0×10-6，再根據(jù)其他磷化合物在波譜中的δ 值識別其形態(tài)。每種P 化合物占NaOH-EDTA 提取態(tài)總P的比例由波譜中每種磷化合物對應(yīng)的峰面積積分計算得出。采用SPSS 26.0（IBM Corp.，美國）中的單因素方差分析（Oneway-ANOVA）、差異顯著性檢驗（Duncan）（P<0.05）比較植被特征、土壤理化性質(zhì)與磷形態(tài)在不同退化程度濕地間的差異顯著性。

使用R 中的piecewiseSEM 包建立分段式結(jié)構(gòu)方程模型（piecewise structural equation model，pSEM），以探明濕地退化條件下影響土壤磷形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要因素。本研究假設(shè)濕地退化改變了植被生物量，進而影響土壤養(yǎng)分和根際微生物活性，最終影響了磷形態(tài)轉(zhuǎn)化。基于此，在pSEM 分析前，首先通過SPSS 26.0 中的雙變量相關(guān)性分析（Pearson）初步篩選影響土壤磷及其形態(tài)的關(guān)鍵植被和土壤性質(zhì)；隨后使用主成分分析（principal component analysis，PCA）對初步篩選的指標(biāo)進行降維，同時求得各樣本的主成分得分值以用于后續(xù)pSEM 分析。在pSEM分析后，利用定向分離檢驗（tests of directed separation）對模型路徑進行修正，利用Fisher’s C 的卡方檢驗（P>0.05）和AIC 值（越小越好）對模型擬合度進行評估。該模型的外生變量“濕地退化”使用沼澤濕地退化指數(shù)（marsh degradation index，MDI）來量化，根據(jù)青海省《高寒沼澤濕地退化等級劃分》（DB 63/T 1794-2020）標(biāo)準(zhǔn)，MDI 由濕生植物重要值和水域面積的平均值計算得到。

2 結(jié)果與分析

2.1 植被及土壤性質(zhì)

隨著高寒濕地退化程度加劇，植被蓋度與地上生物量先增加后降低，均在LDM 中最高，二者在HDM 中分別較RPM、LDM 和MDM 顯著降低38.96%、42.64%、41.31%和52.99%、63.93%、60.20%（P<0.05）（表2）。地下生物量隨濕地退化逐漸降低，其中地下生物量在MDM 和HDM 中分別比RPM 顯著降低50.06%、61.88%（P<0.05）。土壤容重在HDM 中分別較RPM、LDM 和MDM 顯著增加129.82%、120.17%、149.52%（P<0.05），MDM、HDM 黏粒含量較RPM、LDM 顯著降低（P<0.05）。OM 和TN 含量隨濕地退化程度加劇逐漸降低，且二者在HDM 與RPM 間差異顯著（P<0.05）。TP 與AP 隨濕地退化先增加后減少，在MDM 中最高，HDM中最低。MBP 的含量在HDM 中顯著低于其他濕地（P<0.05）。磷酸單酯酶和植酸酶活性在不同退化程度濕地中差異顯著，其中HDM 的磷酸單酯酶分別較RPM 和LDM 降低41.80%、34.08%，較MDM 顯著降低57.43%（P<0.05）；LDM、MDM 和HDM 的植酸酶活性分別較RPM 顯著降低65.24%、62.83%、81.38%（P<0.05）。

表2 不同退化程度濕地植被特征及土壤性質(zhì)Table 2 Habitat condition and basic soil properties in differently degraded marshes

2.2 土壤磷形態(tài)

不同退化程度濕地土壤中NaOH-EDTA 提取總磷（NaOH-EDTA Pt）含量為442.89～662.09 mg·kg-1，回收率為57.72%～60.40%（表3）。31P NMR 的定量分析結(jié)果如圖1 顯示，共檢出4 類磷化合物，分別為正磷酸鹽（δ：6.0×10-6）、焦磷酸鹽（δ：-3.88×10-6～-4.39×10-6）、磷酸單酯（δ：3.0×10-6～6.0×10-6）和磷酸二酯（δ：-1.0×10-6～2.0×10-6）。在磷酸單酯共振區(qū)，六磷酸肌醇（inositol hexaphosphate，IHP）及其異構(gòu)體（δ：myo-IHP：4.38×10-6；neo-IHP：4.25×10-6；chiro-IHP：3.97×10-6）在所有濕地均被檢出。此外，在RPM、LDM、MDM 土壤中檢出腺苷磷酸（δ：4.61×10-6；6.73×10-6）、鳥苷磷酸（δ：4.65×10-6）、尿苷磷酸（δ：4.51×10-6）等單核苷酸；在HDM 中檢出磷酸乙醇胺（δ：4.70×10-6）和α-D-半乳糖-1-磷酸（δ：3.50×10-6）（表4）。在磷酸二酯共振區(qū)，僅在RPM 和LDM 土壤中檢出DNA（δ：0.25×10-6；-0.92×10-6）（表4）。

圖1 不同退化程度濕地土壤31P NMR 波譜圖Fig.1 Solution 31P NMR spectra in differently degraded marsh soils

表3 不同退化程度濕地土壤NaOH-EDTA 提取磷含量及回收率Table 3 Concentration and recovery of soil phosphorus in differently degraded marshes determined by NaOH-EDTA

表4 基于液相31P NMR 波譜的不同退化程度濕地土壤有機磷化合物含量Table 4 Concentrations of organic phosphorus compounds in differently degraded marshes determined by solution 31P NMR spectroscopy（mg·kg-1）

在4 種濕地土壤中，磷酸單酯是NaOH-EDTA Pt的主要成分，也是有機磷的主要賦存形態(tài)，其含量為263.62～408.52 mg·kg-1，相對豐度（占NaOH-EDTA Pt比例）為57.48%～84.37%；其次為正磷酸鹽，其含量為57.25～197.15 mg·kg-1，相對豐度為12.93%～29.78%（圖1 和圖2）。磷酸二酯和焦磷酸鹽含量較少，分別為2.21～59.17 mg·kg-1和9.78～28.93 mg·kg-1，且二者相對豐度除在RPM 外均低于10%。土壤磷酸二酯和焦磷酸鹽的含量和相對豐度均隨濕地退化程度加劇呈遞減的趨勢。正磷酸鹽的含量和相對豐度在濕地輕、中度退化時相較于RPM 逐漸增加，在濕地發(fā)生重度退化時卻比RPM 降低46.45%。磷酸單酯的含量和相對豐度隨濕地退化程度加劇的變化趨勢和正磷酸鹽類似，但在HDM 中仍然比RPM 高41.74%。單核苷酸和DNA 均隨濕地退化程度的加劇而遞減，其中單核苷酸在HDM 中沒有檢出，DNA 在MDM 和HDM 中均沒有檢出（表4）。IHP 含量隨濕地退化程度加劇先減少后增加，其含量在LDM、MDM 和HDM 中相較于RPM 分別降低72.17%、80.26%和58.95%。

圖2 基于液相31P NMR 波譜的不同退化程度濕地土壤磷形態(tài)變化特征Fig.2 Variations of soil phosphorus compounds in differently degraded marshes determined by solution 31P NMR spectroscopy

2.3 土壤磷形態(tài)與影響因素的關(guān)聯(lián)性

鑒于影響土壤磷形態(tài)的因素較多，且因素之間存在相關(guān)性，因此根據(jù)土壤正磷酸鹽、焦磷酸鹽、磷酸單酯和磷酸二酯與主要的植被特征、土壤性質(zhì)的簡單相關(guān)性結(jié)果，篩選出植被蓋度、地上生物量、根系生物量、OM、TN、AN、MBP、磷酸單酯酶、磷酸二酯酶、植酸酶共10 個指標(biāo)。隨后利用PCA 對上述指標(biāo)進行降維，并歸類為植被生物量（包括植被蓋度、地上生物量和根系生物量）、土壤養(yǎng)分（包括OM、TN 和AN）和微生物活性（包括MBP、磷酸單酯酶、磷酸二酯酶和植酸酶）3 個環(huán)境變量。如表5 所示，第一主成分分別解釋了植被生物量和土壤養(yǎng)分71.80%和97.23%的變異，第一、二主成分累積解釋了微生物活性83.95%的變異。

表5 環(huán)境變量的主成分載荷Table 5 Load of principal components based on the environmental variables

pSEM 擬合結(jié)果顯示，正磷酸鹽主要受植被生物量和微生物活性的正向影響，同時植被生物量還能通過調(diào)控微生物活性間接影響正磷酸鹽含量，上述兩個環(huán)境變量共同解釋了正磷酸鹽變異的56.4%（圖3a）。微生物活性對焦磷酸鹽產(chǎn)生直接的正向影響，土壤養(yǎng)分主要通過調(diào)控微生物活性間接影響焦磷酸鹽含量，二者共同解釋了焦磷酸鹽變異的65.6%（圖3b）。微生物活性對磷酸單酯產(chǎn)生直接的負(fù)向影響，而植被生物量主要通過調(diào)控微生物活性間接影響磷酸單酯含量，二者共同解釋了磷酸單酯變異的42.0%（圖3c）。植被生物量和微生物活性對磷酸二酯產(chǎn)生直接的正向影響，土壤養(yǎng)分主要通過調(diào)控微生物活性間接影響磷酸二酯含量，3 個環(huán)境變量共同解釋了磷酸二酯變異的83.0%（圖3d）。

圖3 濕地退化條件下環(huán)境變量對土壤磷形態(tài)的影響路徑Fig.3 Impact path of environmental variables on soil phosphorus forms under wetland degradation

3 討論

3.1 濕地退化過程中土壤磷形態(tài)演變特征

高寒沼澤濕地退化過程中磷的演變主要包括兩個趨勢，一是正磷酸鹽和磷酸單酯含量隨濕地退化先增加后降低，二是焦磷酸鹽和磷酸二酯含量隨濕地退化逐漸降低（圖2）。正磷酸鹽作為能被植物直接吸收利用的磷形態(tài)，其含量和豐度在濕地退化過程中的變化趨勢同AP 一致（表2），這可能與二者之間吸附-解吸動態(tài)平衡有關(guān)。濕地在輕、中度退化條件下，由于土壤干化、根系代謝和解磷菌分泌有機酸等因素，導(dǎo)致土壤pH 降低（表2），促進了難溶性無機磷的溶解釋放［33-34］，因此正磷酸鹽含量增加。在重度退化條件下，由于生態(tài)環(huán)境劣化如植被破壞、微生物豐度［3］和酶活性降低等（表1 和表2），難溶性無機磷的可活化數(shù)量減少，加之有機磷的礦化受到抑制，因此正磷酸鹽含量和豐度顯著降低。

作為有機磷的主要組分，磷酸單酯的變化主要與植物群落演替、水文狀況改變和放牧干擾有關(guān)。沼澤濕地發(fā)生輕度、中度退化后，優(yōu)勢植物群落由水生類轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩悺⒑瞪悾拐訚苫莸楹筒莸橹脖簧w度增大（表1 和表2），增加了地上凋落物的歸還量。此外，濕地退化過程中水分減少，土壤通氣性改善，促進磷酸二酯分解為磷酸單酯［21］，從而促進了磷酸單酯的積累。HDM 由于長期受過度放牧和鼠害等影響，植被蓋度、生物量顯著低于其他濕地（表1 和表2），凋落物的歸還量減少，理應(yīng)造成土壤有機磷大幅降低。然而，HDM 中的磷酸單酯含量仍高于RPM。究其原因，主要是人為放牧過程中，動物糞便的大量輸入一定程度上對土壤有機磷進行了補充，因此HDM 在水文、植被和放牧等綜合影響下，其土壤磷酸單酯含量低于LDM 和MDM，卻高于RPM。

值得注意的是，磷酸單酯中的IHP 和單核苷酸等物質(zhì)同焦磷酸鹽和磷酸二酯類似，其含量均隨濕地退化逐漸降低。在土壤中IHP 可以通過物理或化學(xué)作用與有機物結(jié)合，或是直接吸附到有機物表面以及與有機物締合的金屬橋上［35］，因而IHP 被認(rèn)為是相對穩(wěn)定的有機磷，較難發(fā)生水解［34］，且往往與OM 之間存在較強的正相關(guān)關(guān)系［35］。由此可認(rèn)為退化濕地土壤IHP 的降低是由于OM 損失造成的。單核苷酸、焦磷酸鹽和磷酸二酯在土壤中穩(wěn)定性較低，極容易發(fā)生降解釋放磷酸分子［34］，其中焦磷酸鹽含量與微生物量顯著正相關(guān)［6］，磷酸二酯多存在于厭氧環(huán)境中［21］，而單核苷酸作為磷酸二酯（主要為核酸）的降解產(chǎn)物，其含量與磷酸二酯密切相關(guān)，因此在濕地退化條件下，土壤氧化還原電位升高和微生物量的下降導(dǎo)致焦磷酸鹽和磷酸二酯的含量和豐度均降低。

3.2 濕地退化下驅(qū)動土壤磷形態(tài)演變的影響因素分析

高寒濕地干化過程主要通過3 個機制影響P 的含量及組成。第一，在地表積水減少直至終年干化，甚至沙化情況下，減少的土壤微生物豐度［3］和磷酸酶活性（表2）減弱了有機磷向無機磷轉(zhuǎn)化作用。第二，地表積水和土壤水分逐步減少時，一方面非晶形鋁的減少可在一定程度上減小對有機磷的固定量［36］，另一方面鐵還原量的減少能降低鐵氧化和氫氧化物吸附的有機磷被釋放進入地表上覆水體再滲漏至下層土壤或隨水損失的風(fēng)險［37］。第三，優(yōu)勢植物群落由水生類轉(zhuǎn)變?yōu)橹猩悺⒑瞪悾踔涟殡S有沙生類，以及放牧強度增加和鼠害程度加劇，草本凋落物歸還量（近似等于地上生物量）和根系生物量隨之降低（表2），在改變土壤碳、氮積累、磷酸酶活性時，因碳、氮、磷的耦合作用［11，38-39］進一步影響土壤磷含量及組成。因此，pSEM 結(jié)果顯示，濕地退化通過驅(qū)動植被生物量、土壤養(yǎng)分和微生物活性的變化，不同程度地影響了土壤磷的積累及形態(tài)組成。這與其他研究報道生物量、土壤水分、氧化還原電位、OM 和TN 等是土壤磷形態(tài)主要影響因素的研究結(jié)果相似［13，19，40-42］。

正磷酸鹽作為土壤無機磷的主體，是可溶性總磷中最易被生物利用的磷形態(tài)，其主要通過土壤微生物和磷酸酶對植物凋落的礦化分解過程進行補充。因此，沼澤濕地退化下土壤正磷酸鹽同時受到植被生物量和微生物活性的正向影響。焦磷酸鹽分別受到微生物活性和土壤養(yǎng)分的直接和間接影響，究其原因是土壤中的焦磷酸鹽主要來自微生物［43］，微生物又與其所需的C、N 源呈正相關(guān)，這與Turner 等［44］在巴拿馬熱帶雨林土壤中的研究結(jié)果類似。磷酸單酯主要受到濕地退化條件下微生物活性變化的影響，且為負(fù)向效應(yīng)。這與我國四川海螺溝林灌叢［42］、東北的尚志興安松葉林［45］與草本泥炭沼澤［46］及巴拿馬熱帶雨林［44］土壤P 演變的主要影響因素不同，這主要與高寒濕地根系生物量遠(yuǎn)大于地上生物量有關(guān)（表2）。一方面濕地退化過程中磷酸酶活性隨根系生物量的減少而降低，一定程度上抑制了磷酸單酯的分解；另一方面，土壤OM 積累主要靠地下根系腐解再合成腐殖質(zhì)，而腐殖質(zhì)含量因濕地退化后根系生物量的減少而降低，穩(wěn)定性較弱的磷酸二酯被礦化分解為磷酸單酯，一定程度上增加了磷酸單酯的絕對數(shù)量。因此，濕地發(fā)生輕、中度退化時，土壤磷酸單酯隨磷酸酶活性的降低而增加，同時使得磷酸單酯與植被生物量的正相關(guān)關(guān)系在統(tǒng)計學(xué)上沒有顯著表現(xiàn)。對于磷酸二酯，由于其穩(wěn)定性低、易于降解，其來源途徑主要是變化頻繁的地上凋落物腐殖化合成以及土壤微生物細(xì)胞［6］。然而，土壤微生物的繁殖需要充足的養(yǎng)分供應(yīng)［47］，表明土壤養(yǎng)分能通過調(diào)節(jié)微生物繁殖間接影響磷酸二酯。因此，濕地退化條件下，植被生物量不僅直接影響土壤磷酸二酯含量，同時土壤養(yǎng)分還能通過調(diào)控微生物活性間接影響磷酸二酯含量，這與東北落葉松森林凋落物添加促進了高活性有機磷積累的結(jié)果一致［48］，也與四川海螺溝林灌叢和黑龍江尚志市帽兒山興安松林土壤中磷酸二酯與有機碳、微生物量、可培養(yǎng)微生物數(shù)量間的顯著正相關(guān)關(guān)系類似［42，45］。

4 結(jié)論

高寒濕地退化過程中由于植物群落演替、土壤養(yǎng)分和微生物活性的改變，導(dǎo)致土壤正磷酸鹽和磷酸單酯含量先增加后降低，焦磷酸鹽和磷酸二酯含量不斷降低。相比于原生沼澤，土壤正磷酸鹽和磷酸單酯含量在沼澤濕地輕度和中度退化時分別增加47.53%、84.22%和27.02%、54.96%，在重度退化時正磷酸鹽含量降低46.45%。然而，在沼澤濕地從輕度、中度和重度退化的演變過程中，焦磷酸鹽和磷酸二酯含量分別逐漸降低60.07%、65.17%、66.20%和19.60%、21.68%、96.27%。微生物活性通過調(diào)控有機磷礦化等過程，成為影響濕地土壤磷素演變的主要因子；植物群落主要通過影響凋落物歸還量進而影響土壤正磷酸鹽和磷酸二酯的含量；土壤養(yǎng)分雖對磷形態(tài)沒有直接影響，但可通過調(diào)控微生物活性間接影響焦磷酸鹽和磷酸二酯的含量。鑒于有機磷在高寒濕地磷庫中的重要地位，未來可通過室內(nèi)和野外原位礦化培養(yǎng)試驗相結(jié)合，同時利用磷酸鹽氧同位素標(biāo)記等技術(shù)，研究不同退化程度高寒濕地土壤有機磷的滯留和周轉(zhuǎn)時間，從而探明濕地退化過程中有機磷的轉(zhuǎn)化途徑、速率及變化閾值，為濕地生態(tài)恢復(fù)過程中的養(yǎng)分與碳匯科學(xué)管理提供數(shù)據(jù)支撐。