李 營,趙小蓉,李貴桐,林啟美

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土地科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 北京 100193

草原土壤磷以有機(jī)磷為主,有效磷低[1—2]。土壤微生物和酶共同驅(qū)動的磷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)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(jìn)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(huán)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(chǎn)力[16—17],也有利于土壤磷的累積和活化[12]。

土壤有機(jī)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(jī)磷后才能成為植物所需要的有效磷[18],且草原土壤有機(jī)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(qiáng)度[20]、水熱變化[21—23]、有機(jī)質(zhì)[24]、養(yǎng)分變化[25—26]等十分敏感。過度放牧條件下,微生物量調(diào)節(jié)著土壤酶對長期放牧的響應(yīng)[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(tài)系統(tǒng)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(fā)量、土壤含水量等的差異[27],造成土壤理化特性對放牧響應(yīng)的不同[10, 17, 28]。例如,隨著放牧強(qiáng)度增加,土壤有效磷含量在平地放牧呈現(xiàn)上升趨勢,而在坡地放牧則呈現(xiàn)下降趨勢[17]。而放牧強(qiáng)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(chǎn)和總有機(jī)碳(TOC)儲量等與生物量相關(guān)的土壤特性表現(xiàn)出強(qiáng)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(zhì)、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(yīng)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(guān)[34],在坡地放牧,HLD隨著放牧強(qiáng)度增加顯著降低,而在平地放牧則是先增加后降低[17]。

內(nèi)蒙古典型草原位于歐亞草原東部,目前面臨嚴(yán)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(dá)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(chǎn)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(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站的長期定位試驗(yàn)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(zhuǎn)化的微生物過程。本研究假設(shè)：1)由于坡地土壤含水量低于平地,且養(yǎng)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(dǎo)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(zhì)問題,坡地比平地面臨更高的養(yǎng)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(huán)境因子造成的。

1 材料與方法

1.1 樣地介紹

研究樣地設(shè)置在內(nèi)蒙古錫林郭勒盟白音錫勒牧場中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站(43°38′N,116°42′E,1200—1280 m a.s.l)的放牧試驗(yàn)樣地內(nèi)。該地區(qū)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(fā)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(zhì)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(tài)系統(tǒng)類型。

放牧試驗(yàn)開始于2005年,占地面積約為160 hm2,每個處理設(shè)7個放牧強(qiáng)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(qū)面積為4 ha(確保每個試驗(yàn)小區(qū)至少有6只羊),其它試驗(yàn)小區(qū)均為2 hm2。放牧?xí)r間為每年的6月初至9月中旬,持續(xù)100 d左右,晚上不歸牧。為了保證放牧的持續(xù)性,樣地從2007年起改變了放牧方式,每月放牧的羊數(shù)根據(jù)牧草的變化而改變,但是保證年均放牧強(qiáng)度維持不變。經(jīng)過十年放牧,土壤容重發(fā)生顯著變化[17]。在本文中,放牧強(qiáng)度指年均放牧強(qiáng)度,具體細(xì)節(jié)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(dāng)年地上生物量最大的時期?？紤]到試驗(yàn)地足夠大又沒有重復(fù),采樣從羊圈所在位置向長邊方向劃分為3個小區(qū),每個小區(qū)間留1 m緩沖區(qū)。每個小區(qū)使用土鉆(直徑5 cm)隨機(jī)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(fēng)干用于基礎(chǔ)理化因子測定。

1.3 土壤理化指標(biāo)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(jī)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(jī)磷(Po)通過H2SO4浸提液經(jīng)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(diào)節(jié)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(jī)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(shù)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(yīng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(biāo)準(zhǔn)曲線來計算酶活性。ALP、ACP和PD的詳細(xì)試驗(yàn)過程參考Katsalirou的方法[44]。

1.6 統(tǒng)計分析

將3個觀測值作為3個重復(fù)處理。所有的數(shù)據(jù)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(yàn)。對各指標(biāo)進(jìn)行放牧和地形的主效應(yīng)分析,并進(jìn)行顯著檢驗(yàn)。因子間相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行CCA(Canonical correspondence analysis)分析,使用R Vegan和ggplot2包分析并繪制,分析前對環(huán)境因子進(jìn)行方差膨脹系數(shù)計算,去除VIF ≥ 10的因子。

2 結(jié)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(chǎn)生顯著影響,坡地處理土壤理化指標(biāo)均顯著低于平地(表1),其中pH、TN、TN/TP還同時受放牧強(qiáng)度主效應(yīng)和交互效應(yīng)的影響(表2)。坡地和平地土壤pH均隨著放牧強(qiáng)度增加而呈現(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)度對ALP和PD活性的影響在平地和坡地上表現(xiàn)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(qiáng)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(qiáng)度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同放牧強(qiáng)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(guān)系

相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖表明(圖3),在不考慮地形因素(圖3),放牧強(qiáng)度與土壤ALP活性有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,且與SMBP有顯著正相關(guān)關(guān)系；SMBP與土壤ACP活性間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,與土壤ALP活性間沒有相關(guān)關(guān)系；土壤PD活性只與土壤ALP活性有顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤ACP活性、SMBP間沒有相關(guān)關(guān)系；TN與除土壤ACP活性外的所有土壤性質(zhì)指標(biāo)均有顯著正相關(guān)關(guān)系,與土壤ACP活性有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤含水量與PO、Olsen-P、TP、TOC、TN、ALP、PD均有顯著正相關(guān)關(guān)系。在平地中(圖3),土壤ACP活性與其它因素之間沒有相關(guān)關(guān)系,但是增加了放牧強(qiáng)度與pH的正相關(guān)關(guān)系、與土壤PD活性的負(fù)相關(guān)關(guān)系；SMBP只與放牧強(qiáng)度有正相關(guān)關(guān)系；土壤PD活性位于整個網(wǎng)絡(luò)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(guān)關(guān)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(qiáng)度之間差異顯著(P<0.05)；不同小寫字母表示不同放牧強(qiáng)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(dú)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(dú)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(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Correlation networks of all, flat and slope treatments不顯著相關(guān)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(qiáng)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(jié)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(shè)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(yǎng)分限制[46]引起的SMBP的變化所致,即地形的效應(yīng)大于放牧強(qiáng)度的效應(yīng)。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(nèi)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(yǎng)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(fā)生質(zhì)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(yǎng)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(yǎng)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(huán)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(diǎn)代表土壤樣品。箭頭代表土壤性質(zhì)

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(qiáng)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(zhì)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(zhì)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?yàn)槠碌赝寥览砘再|(zhì)弱,植被和菌根長度密度低[17],從而導(dǎo)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?yàn)橹囟确拍烈鸬牡蚵湮餃p少,根輸入降低,土壤生存環(huán)境惡化,導(dǎo)致通過ALP來提高土壤磷有效性變得不經(jīng)濟(jì)造成的[31, 50—51]。而極重牧(G9.0)進(jìn)一步惡化土壤結(jié)構(gòu)[17],嚴(yán)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(huán)境因子對CCA的解釋方差

PD是分解新鮮有機(jī)質(zhì)中的活性有機(jī)磷必需的酶,可以將磷酸二酯降解成磷酸單酯,進(jìn)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(jìn)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(lián)系(圖3),研究表明,氮限制了微生物利用磷[55],而PD是誘導(dǎo)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(zhì)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(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析中表明,平地ACP活性與其它因素間沒有顯著關(guān)系,而坡地只有WC與其有正相關(guān)性,且與其他因素間沒有顯著關(guān)系(圖3),說明土壤ACP活性的變化與土壤性質(zhì)的關(guān)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(dǎo)致植被需磷量下降,及放牧改變了植被群落組成,進(jìn)而影響土壤ACP活性[57],而坡地植被群落組成不受放牧強(qiáng)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(zhuǎn)化與環(huán)境因子間關(guān)系

植物生產(chǎn)力由地形、放牧強(qiáng)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(zhì)的影響不一致(表1,表2)。在本研究中,地形主導(dǎo)了土壤磷養(yǎng)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(zhì)造成的,另一方面,坡地比平地更易水土流失,從而損失養(yǎng)分所致。前人研究指出,隨著放牧強(qiáng)度增加,土壤Olsen-P含量在平地呈現(xiàn)上升趨勢,而在坡地中則呈現(xiàn)下降趨勢[17]。本研究中,放牧*地形交互效應(yīng)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(jié)果有一定的差異,但與刈割[61]和長期放牧結(jié)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(zhì)[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(qiáng)度下,土壤TN/TP顯著低于G0處理(表1),從而導(dǎo)致其受到了放牧強(qiáng)度和放牧強(qiáng)度*地形的交互效應(yīng)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(guān)(圖3),說明pH的增加有助于土壤養(yǎng)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(yǎng)分釋放低于平地,從而減弱了坡地的養(yǎng)分供給。

本研究中,土壤含水量對土壤磷的生物轉(zhuǎn)化起到重要作用。相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖表明,WC通過與PD和ALP的正向關(guān)系,間接與土壤化學(xué)性質(zhì)、ACP、SMBP等建立聯(lián)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(qū)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(gòu)建了微生物分泌的酶(ALP、PD)和土壤理化性質(zhì)間的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)(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(qiáng)度。坡地破壞了指標(biāo)間的聯(lián)系(圖3),SMBP、ALP的變化不再受放牧強(qiáng)度和土壤理化性質(zhì)影響,而PD依然存在與土壤磷的聯(lián)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(qū)動土壤磷的轉(zhuǎn)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(zhì)驅(qū)動,土壤含水量對其解釋度最高,其次是土壤化學(xué)性質(zhì)(PO、PH、Olsen-P、TN、TP、TOC)的共同作用,即地形帶來的水分差異驅(qū)動土壤微生物轉(zhuǎn)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(huán)境因子的響應(yīng)不同(圖4),這說明坡地與平地存在兩種不同的驅(qū)動微生物轉(zhuǎn)化磷的因素。在平地放牧中,最主要的驅(qū)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(zhuǎn)化有重要作用。與平地不同的是,在坡地中,最主要的驅(qū)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(jī)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(jié)論

本研究基于十年定位放牧試驗(yàn)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(jié)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(qū)動。平地土壤PD、ALP活性與土壤理化性質(zhì)間存在復(fù)雜的聯(lián)系,且與放牧強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,而坡地則只保留了土壤PD活性與磷、TN的聯(lián)系。平地和坡地的土壤ACP活性與土壤化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。土壤含水量(WC)驅(qū)動了平地和坡地SMBP和磷酸酶活性的差異,其中WC、PO、TP、TN驅(qū)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(yīng)受到不同因素驅(qū)動。雖然坡地微生物性質(zhì)受放牧處理影響較小,但是坡地土壤的理化性質(zhì)弱于平地,所以本研究建議坡地適當(dāng)降低放牧強(qiáng)度。

致謝:感謝中國科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)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。