朱曉亞,李子豪,林啟美,李貴桐,趙小蓉

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193

全球變暖必然導(dǎo)致氣候變化,其中降雨變化尤為突出且非常重要,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)將產(chǎn)生深刻的影響[1]。草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)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(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、過(guò)程及其功能[3]。內(nèi)蒙古典型草原是對(duì)全球變化最為敏感的草原生態(tài)系統(tǒng)之一[4],水分是草原生態(tài)系統(tǒng)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(fā)芽[6],幼苗生長(zhǎng)和存活率[7],以及植物的物候?qū)W特征[8],進(jìn)而影響牧草生物量和草原生產(chǎn)力[9- 11]。

磷素也是森林、草原等自然生態(tài)系統(tǒng)的限制因子之一[12],內(nèi)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(tài)系統(tǒng)不可能依賴于施肥,主要依靠微生物的礦化作用,將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷或?qū)o(wú)效的無(wú)機(jī)磷轉(zhuǎn)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(yíng)養(yǎng)來(lái)源,而且也是植物磷素營(yíng)養(yǎng)庫(kù)。一些研究結(jié)果顯示,土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)可滿足作物大部分甚至全部磷素營(yíng)養(yǎng)的需求[14- 16],因此,研究了解土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)的變化特征,在一定程度上可以調(diào)節(jié)土壤磷素供給和植物磷素營(yíng)養(yǎng)。

土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)受到包括氣候、土壤性質(zhì)、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(jié)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(jié)構(gòu)[17],促進(jìn)磷素轉(zhuǎn)化,提高土壤有效磷含量[18]；干濕交替會(huì)造成微生物死亡[19],促進(jìn)土壤微生物量磷周轉(zhuǎn),提高土壤供磷能力[20- 21]；溫度與水分之間可能存在強(qiáng)烈的相互作用[22],這就意味著不同季節(jié)降水對(duì)土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)的影響可能有很大的差異。

春季是內(nèi)蒙古典型草原牧草返青的季節(jié),適量降雨直接影響牧草種子萌發(fā)、返青和生長(zhǎng),磷素營(yíng)養(yǎng)在此過(guò)程中起非常重要的作用。顯然,土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)可能直接影響土壤磷素供給,進(jìn)而影響牧草返青和生長(zhǎng),但目前還缺乏充分的證據(jù)。鑒于此,本研究在內(nèi)蒙古錫林浩特典型草原,設(shè)置模擬春季不同降雨量試驗(yàn),擬回答的科學(xué)問(wèn)題為：模擬春季不同降雨量條件下,土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)是否存在差異？這種差異是否對(duì)植物磷素營(yíng)養(yǎng)產(chǎn)生積極的影響？假設(shè)：春季適量降雨可促進(jìn)土壤微生物量磷周轉(zhuǎn),提高土壤磷素供給能力,改善牧草磷素營(yíng)養(yǎng),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(jié)變化特征及其周轉(zhuǎn)參數(shù)的差異；(2)明確土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)與土壤有效磷含量及植物磷素營(yíng)養(yǎng)之間的偶聯(lián)關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 模擬降雨試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于錫林郭勒盟錫林浩特市毛登牧場(chǎng),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(zhì)壤土,土壤基礎(chǔ)理化性狀見表1。

試驗(yàn)設(shè)3個(gè)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(shí)再模擬降雨1次,一般需要約25 d。降雨量為過(guò)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(dòng)噴霧器模擬降雨,水滴大小約0.02 mm。

表1 試驗(yàn)開始時(shí)土壤基本理化性質(zhì)

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(yàn)從2015年開始,到2017年結(jié)束,持續(xù)3年。根據(jù)當(dāng)?shù)啬敛萆L(zhǎng)發(fā)育時(shí)期,每年4 月20日左右(牧草返青期)實(shí)施模擬降雨,5月中下旬雨季來(lái)臨前結(jié)束。采用帆布遮雨以避免試驗(yàn)期間自然降雨對(duì)試驗(yàn)的干擾。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù),每個(gè)小區(qū)9 m2(3 m×3 m),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)之間留有1 m的緩沖隔離區(qū)。

1.2 樣品采集

于2017年4月24日前后至10月初(分別對(duì)應(yīng)模擬降雨后的第1、28、56、84、112、140、171天),每個(gè)月用直徑5 cm的土鉆,隨機(jī)多點(diǎn)從各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)采集0—15 cm土層土壤,每個(gè)小區(qū)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(gè)月左右即5月24日前后,在采集土壤樣品的時(shí)候,從每個(gè)小區(qū)采集植物樣品。隨機(jī)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(cè)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(cè)定,磷含量用釩鉬黃比色法測(cè)定[23]。土壤容重用環(huán)刀法測(cè)定[24],含水量用烘干法測(cè)定,有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀外加熱容量法測(cè)定,全磷用HClO4-H2SO4消化-釩鉬黃比色法測(cè)定,全氮用半微量凱氏法測(cè)定,速效磷用Olsen法測(cè)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(cè)定[26]。土壤微生物量磷用氯仿熏蒸提取法測(cè)定[27],土壤微生物生物量磷的周轉(zhuǎn)速率、周轉(zhuǎn)期及周轉(zhuǎn)通量計(jì)算為[28]：

周轉(zhuǎn)速率(次/年)=微生物量磷1年內(nèi)動(dòng)態(tài)減少量之和/1年內(nèi)微生物量磷的平均值

周轉(zhuǎn)期(年)=1/周轉(zhuǎn)速率

周轉(zhuǎn)通量(kg hm-2a-1)=微生物量磷平均值×容重×深度系數(shù)/周轉(zhuǎn)時(shí)間

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)應(yīng)用 Excel 2016 和 SPSS 23.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guān)系數(shù)來(lái)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)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(jié)變化,且受模擬降雨的影響(圖1)。無(wú)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(shù)為44.09%,說(shuō)明自然條件下,內(nèi)蒙古典型草原土壤微生物量磷存在明顯的季節(jié)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(wú)降雨處理(W0)(P=0.011),且隨降雨量增加而提高,這說(shuō)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(shù)分別為31.98%和43.17%,均低于無(wú)降雨處理(W0),說(shuō)明模擬降雨減緩了土壤微生物量磷的季節(jié)變化。無(wú)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?yàn)楦邷馗珊祵?dǎo)致微生物死亡；但最高值出現(xiàn)時(shí)間受模擬降雨的影響,無(wú)降雨處理最高值出現(xiàn)在開始模擬降雨后的第56天(6月),而模擬1次降雨(W1)出現(xiàn)在開始模擬降雨后的第140天(9月),模擬2次降雨出現(xiàn)在開始模擬降雨后的第1天(4月)。

模擬春季降雨對(duì)土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)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(zhuǎn)期比W0長(zhǎng)110 d,周轉(zhuǎn)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(zhuǎn)加快,周轉(zhuǎn)期比較W0縮短了約22d,周轉(zhuǎn)通量達(dá)到33.16 kg hm-2a-1,比W0提高了23.64%。

表2 內(nèi)蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)

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(jié)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(fù)相關(guān)(r=-0.56,P<0.01)(表3),說(shuō)明土壤磷素被微生物量固持。

圖1 內(nèi)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(jié)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(nèi)蒙古典型草原不同模擬降雨量2017年土壤有效磷的季節(jié)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(jié)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(guān)關(guān)系(r分別為0.52和0.50,P<0.05),而與土壤有效磷含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(r分別為-0.38和-0.41,P<0.05)(表3)。說(shuō)明磷酸酶可能主要來(lái)自土壤微生物量,且是一種誘導(dǎo)酶,受環(huán)境中缺磷因素的誘導(dǎo)[29]。

圖3 內(nèi)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(jié)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(yíng)養(yǎng)

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(duì)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(shuō)明只有一定量的降雨量才能改善牧草生長(zhǎng),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(lái)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(méi)有顯著的相關(guān)性(P>0.05),但植物生物量與有效磷存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)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(zhǎng)并不完全同步。

圖4 內(nèi)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(jié)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(nèi)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(zhì)的相關(guān)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(duì)內(nèi)蒙古典型草原土壤微生物量磷周轉(zhuǎn)的影響

土壤微生物量是從系統(tǒng)的角度認(rèn)識(shí)土壤微生物及其在物質(zhì)和能量循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的作用,由于碳和氮是微生物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)物質(zhì),而磷是能量載體物質(zhì),因此,比起微生物量碳和微生物量氮,土壤微生物量磷對(duì)環(huán)境變化更為敏感,周轉(zhuǎn)更快[30]。微生物量碳周轉(zhuǎn)期為0.2—3.9年[31],微生物量氮周轉(zhuǎn)期0.25—0.52年[32],而微生物量磷周轉(zhuǎn)期0.10—0.11年[33]。許多因素影響土壤微生物量周轉(zhuǎn),如土壤溫度、土壤濕度、有機(jī)物質(zhì)、氮磷含量、重金屬、農(nóng)藥等污染物,均影響土壤微生物量周轉(zhuǎn)[34],其中土壤濕度是最重要的因素之一,土壤水分過(guò)多或缺水,均會(huì)降低土壤微生物量及其活性,微生物量周轉(zhuǎn)更慢,而適宜的土壤水分含量有利于微生物生長(zhǎng)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(zhuǎn),一方面是因?yàn)楦蓾窠惶孢^(guò)程促進(jìn)微生物細(xì)胞死亡和繁殖,另一方面干濕交替過(guò)程活化土壤有機(jī)物質(zhì),為微生物生長(zhǎng)繁殖提供基質(zhì)[36]。本研究也得到類似的結(jié)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(jī)物質(zhì)增加的緣故[37]；頻繁的干濕交替可加速土壤腐殖物質(zhì)礦化,為微生物生長(zhǎng)提供基質(zhì)[38]。模擬春季降雨還減緩了土壤微生物量磷的季節(jié)變化,這可能與微生物群落結(jié)構(gòu)隨土壤濕度變化有關(guān),模擬春季降水改變土壤濕度,進(jìn)而改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),甚至可能增強(qiáng)微生物抵抗土壤水分變化的能力[39],具體原因和機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。顯然,春季模擬降雨加劇土壤干濕交替過(guò)程,尤其是2次模擬降雨,土壤干濕交替過(guò)程更為劇烈,微生物更新的速度更快,其周轉(zhuǎn)期更短,周轉(zhuǎn)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(yíng)養(yǎng)來(lái)源。

3.2 土壤微生物量磷與磷素轉(zhuǎn)化及植物磷素營(yíng)養(yǎng)的關(guān)系

內(nèi)蒙古典型草原土壤主要是有機(jī)磷,0.05—0.24 g/kg,占全磷20%—80%,主要依靠磷酸酶等將有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)磷酸鹽。磷酸酶主要來(lái)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(guān)關(guān)系,如楊佳佳等[41]對(duì)黃土丘陵區(qū)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(guān),本研究也獲得類似的結(jié)果,土壤微生物量磷與酸性和堿性磷酸酶呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表3),說(shuō)明無(wú)論是酸性還是堿性磷酸酶可能主要來(lái)自土壤微生物。磷酸酶催化有機(jī)磷礦化,所釋放的無(wú)機(jī)磷是植物磷素營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源,理論上與土壤有效磷含量存在正相關(guān)關(guān)系,如貝昭賢等[42]報(bào)道：提高土壤磷酸酶活性,有機(jī)磷礦化作用增強(qiáng),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(jié)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(fù)相關(guān)關(guān)系(表3)。對(duì)此沒(méi)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(jī)磷礦化及有效磷含量之間復(fù)雜的關(guān)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(jī)磷越多,但是由于釋放的磷被微生物吸收,轉(zhuǎn)化為微生物量磷,土壤有效磷含量并沒(méi)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(jìng)爭(zhēng)磷素,模擬降雨可能加劇這種競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象,從而影響植物磷素營(yíng)養(yǎng),具體原因和機(jī)理還有待進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

模擬春季降雨顯著地影響內(nèi)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(zhuǎn)期更快,周轉(zhuǎn)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(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的相關(guān)性。這意味著內(nèi)蒙古典型草原土壤磷素供給與牧草生長(zhǎng)之間存在復(fù)雜的關(guān)系,同時(shí)也反映出土壤微生物與牧草之間競(jìng)爭(zhēng)磷素。