长期土壤管理实践对草原土壤磷、微生物磷和磷酸酶活性的影响

摘要：了解土壤P循环与动力机制的控制因素，对改善维持和增强生态系统功能的管理实践具有重要的意义。本文以美国俄克拉何马州的半干旱草原土壤为研究对象，评估长期（超过30年）的土壤管理实践对P库容量及磷酸酶活性的影响。研究采用未扰动区、弃耕区、重度放牧区、中度放牧区、以及冬小麦种植区五种管理系统下的土壤。所测的内容包括土壤的总磷、有机磷、易分解磷、微生物磷的含量以及酸碱磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、无机焦磷酸酶的活性。结果表明耕种和放牧都没有导致土壤总磷的大量变化，酶活性受小麦种植的影响要大于放牧。与未扰动区相比，放牧不仅没有改变P库的容量和组成，也没有降低土壤P循环的能力。相反，小麦种植降低了P循环的能力，并且导致了有机磷和植物有效磷的积累。总之，耕种使土壤微生物群落向大幅度降低土壤P利用率的方向发展，而放牧使土壤微生物群落维持相对高的P利用率，弃耕则使土壤生态系统向天然土壤的P循环能力演变。

研究背景：

    P是生态系统中重要的组成成分，它对生物体的供应很大程度上取决于不同土壤磷库的大小和动态变化，并且受生物化学和地球化学过程的控制。在人工管理或自然的生态系统中，P供应量的减少会限制植物的生长，也会影响生物活性。全球的磷矿石来源是有限的，而对土壤P的改善管理能够减少对磷源的需求。因此，了解土壤环境中的P循环，对评价土壤生态系统功能、土地利用方式及管理影响是十分重要的。

    土壤中P的含量通常为100～3000mg P kg^-1 soil，其中有机磷占30～65%。有机磷循环的效率对保持长期的土壤P有效性具有重要意义。酶能参与到有机磷的矿化过程，其中从植物根系或土壤微生物中分泌的胞外磷酸酶，能够刺激正磷酸从含P的有机化合物中释放出来，并且是P循环中的关键因素。磷酸酶活性受植被类型和密度的影响，也会因生态系统演替阶段、土壤侵蚀及农业实践（种植制度、耕作、施肥及放牧强度）而异。然而，磷酸酶活性与在不同土壤条件或管理下土壤P的分布形式之间的关系还不清楚。

    有机磷会迅速对土壤环境的变化做出响应，还影响着自然或人工土壤生态系统中植物的P有效性。而微生物量P是土壤有机磷的一种活性形式。大量的土壤P通过微生物进行循环，每年土壤中P含量约达到100mgkg-1 soil，说明土壤微生物在人工生态系统的P循环中起着关键作用。影响微生物底物有效性的因素，如有机物输入的数量和质量、耕种、轮作、土壤的pH，都会影响到微生物量P。微生物P循环能够控制有机磷的动态和有效性，然而我们需要更多的信息来增加对这一循环过程的了解。

    半干旱草原生态系统通常用来耕作和放牧。P作为一种营养物质，在大量干旱的生态系统中它受到至少与N相同的限制，甚至更大。但目前对这种环境下控制有机磷转化的磷酸酶活性和微生物生物量的作用却知之甚少。

研究目的：

    评估在半干旱的草原土壤环境中不同的管理实践对土壤P库和磷酸酶（酸碱磷酸单酯酶、磷酸二酯酶、无机焦磷酸酶）活性的影响。

研究方法：

    1.实验方法:土样从占地300公顷的五个长期（超过30年）管理系统中采集，包括未扰动区（UD）、弃耕区(AB)、重度放牧区(HG)、中度放牧区(MG)、以及冬小麦种植区(CL)五种管理系统。在每个管理系统中随机选取九个样地，每个样地再沿着NW-SE对角线取40个等距离样点（0～0.10m的深度）。所采集的土样，一部分放在密封袋内做微生物生物化学分析，还有一部分风干再做化学分析。

研究结果：

1. 土壤磷库

    ①土壤中总磷含量大约为0.7gkg^-1，说明受土地利用方式和管理实践的影响不大。长期耕作会导致P_mic的流失，也会使P_org和P_olsen的积累；弃耕区的土壤具有比耕地更高的P_mic水平，但要低于未扰动区和放牧区，还具有最低的P_org水平。

    ②P_inorg:P_org的比值反映了P库中有机磷与无机磷的变化，未干扰区的比值为4.1，而耕作区降低到1.6。然而，放牧并没有改变系统中有机磷与无机磷的相互组成关系。

    ③P_mic:P_t(%)的比率约为2～6%，其中放牧作用下的两种系统（HG、MG）的变化不大，但耕种则大幅度降低了比率；P_mic:P_org(%)约为6～33%，其中弃耕区的土壤比率最高，耕作区的最低；P_mic:P_inorg与P_mic:P_olsen两者的比值都会因放牧而增加，因耕种大幅度降低。

    ④C_org:P_org比值的变化反映了系统中有机物组成的变化，放牧对有机物组成不会有很大的影响，而耕作导致比值从未干扰区的149降低到耕作区的35；此外，耕作也会大幅度降低Cmic:Pmic的比值。

    ⑤土壤P库与其他化学或微生物土壤特性之间的相关性分析显示：土壤P_t与C_org、N_t、微生物量及DH的相关性较弱；P_org与DOC、N_sol及P_olsen有显著的正相关，与C_mic、N_mic有显著的负相关，还与P_mic、DH、C_org及N_t有不显著的负相关；Pinorg与Corg、Nt、微生物量及活性正相关；P_olsen与C_mic、N_mic及P_mic负相关；P_mic与C_t、N_t、微生物量及活性正相关，与P_inorg有显著的正相关，但与P_org、P_olsen负相关。

2. 磷酸酶活性

  ①放牧不会限制磷酸酶活性，反而会起增强的作用。但是，耕作则会降低磷酸酶活性。耕作区土壤的活性只有未扰动区的一半甚至更少；MG系统的酸性磷酸单酯酶、磷酸二酯酶及无机焦磷酸酶的活性最高；两种磷酸二酯酶，碱性的活性是酸性的三倍。

  ②除无机焦磷酸酶以外，磷酸酶活性与土壤有机碳、总氮及微生物特性呈正相关，与土壤总磷、无机磷及有机磷呈负相关；酸性磷酸二酯酶或无机焦磷酸酶的活性与DOC，碱性磷酸单酯酶、磷酸二酯酶与P_olsen，两者都有显著的负相关。

  ③主成份分析显示：主成分PC1和PC2分别解释约总方差的62%和33%。酸性磷酸单酯酶和磷酸二酯酶的活性对PC1的贡献最大。此外， CL系统九个样地的磷酸酶活性数据相对集中与其他系统明显分开，说明磷酸酶活性对生态系统中耕作减少的变化较为敏感，而放牧则没有对酶活性产生很大的影响。

研究结论：

    1. 磷酸酶活性对耕作的敏感度要高于放牧。

    2. 由放牧或耕地带来的土体扰动并没有导致土壤总P的大幅度变化。

    3. 与未扰动的土壤相比，放牧并没有改变P库的大小和组成，也没有降低土壤P循环的能力。

    4. 除施磷肥带来的植物有效P的积累之外，长期耕种会导致Pmic大量减少，并伴随着磷酸酶活性的降低。而耕作也会导致P_org的积累，并降低土壤P循环的能力。

    5. 持续种植小麦会导致有机碳和氮的减少，这显然会限制微生物的生长和活性，并且导致土壤P的积累。从而，放牧则能使土壤微生物群落保持在相对高的P利用率水平上。

    6．弃耕能够修复土壤生态系统P循环的能力，并且能够让土壤生态系统向天然土壤的P循环能力演变