Biol Fertil Soils | 不同施肥条件下温度和水分对土壤磷素转化和微生物群落组成的影响

摘要：不同施肥条件下温度和干湿交替对土壤磷（P）组分和微生物群落组成的影响目前仍尚不清楚。通过室内微观生物试验，分析在两种温度(10℃和25℃)和两种土壤水分(持续湿润和干燥-再湿润循环)条件下未施肥、施加KH₂PO₄或有机肥（猪粪）的土壤磷动态和微生物群落特性。P素来源是决定易分解磷组分含量大小和微生物群落性质的主要因素。施有机肥能够提高易分解磷、微生物生物量、碱性磷酸单酯酶活性和脂肪酸含量，而施加KH₂PO₄增加了易分解无机磷和微生物生物量磷的含量。在影响程度上水分状况仅次于施肥，与温度相比，水分对易分解磷库、微生物生物量、碱性磷酸单酯酶活性和脂肪酸含量的影响更大。干燥-再湿润循环增加了易分解磷库，而减少微生物生物量和碱性磷酸单酯酶活性，并增加了微生物群落的未饱和脂肪酸的比例，特别是在温度为25℃且施加有机肥的土壤中。在施加有机肥土壤中微生物生物量碳和磷动态对干燥-再湿润循环具有不同的响应，而在施加KH₂PO₄的土壤中则没有，其差异的原因是磷素来源和水分条件。磷源、温度和水分条件以交互方式影响着易分解有机磷库的发育过程。总体而言，磷源和水分有效性对P动态和微生物群落特性的影响大于温度。

研究背景：

磷(P)是植物主要的微量元素之一，往往也是农业系统中关键的限制因素，其转化主要取决于土壤水分(Blackwell et al. 2010)。干旱和半干旱地区或密集温室的表层土壤，通常会经过干燥期后再通过降雨或灌溉而迅速重新湿润(Borken and Matzner 2008)。而干燥-再湿润(DRW)循环会改变土壤微生物活性(Peralta et al. 2013; Shi andMarschner 2015; Sun et al. 2017b)、影响微生物群落组成(Larkin et al. 2006; Kakumanu andWilliams2014)、加速有机质分解(Harrison-Kirk et al. 2014)和促进磷矿化(Schönbrunner et al. 2012)，从而导致易分解磷发生显著改变(Butterly et al. 2009, 2011; Bünemann et al.2013; Sun et al. 2017a)。

许多研究表明，温度对土壤磷周转的影响也很大。土壤微生物活性通常会随着温度条件的升高而增加，从而导致养分周转速率的增加。例如，受磷限制的地中海灌木林土壤中，由于温度的升高所带来的磷酸酶活性增加和微生物代谢加快，有机磷(Po)的矿化作用增强(Sardans et al. 2006)。相反，温度较高也会通过微生物的吸收来增加磷的固定(Van Meeteren et al. 2007)、促进磷吸附反应(Huang et al. 2011)，从而增加可溶性P的有效性。此外，温度和土壤水分等环境条件的季节性变化也会改变森林和草原土壤中微生物磷的循环(Chen et al. 2003)。当潜伏期土壤水分不变时，黑土在25℃和50%持水量(WHC)的条件下的有效磷含量比10℃和25%WHC的条件下更高(Yang et al. 2009)。然而，温度与DRW对土壤磷周转的交互作用尚不清楚。

施加矿物和有机磷肥是常见的农业措施，对补充植物生长所需的有效磷至关重要。施肥不仅会增加易分解和难分解磷组分含量，也会改变相应磷库的大小(Song et al. 2011; Xue et al.2013)。关于磷肥对土壤微生物生物量和微生物活性影响的报道仍存在矛盾。一些研究表明，矿物肥料或有机肥会增加微生物生物量和微生物多样性(Zhong and Cai 2007; Beauregard etal. 2010)。但也有研究发现磷肥对土壤微生物群落组成并无显著影响(Bünemann et al. 2004; Hamel etal. 2006)。土壤微生物群落组成对施不施磷肥的响应不同(Cruz et al. 2009)。在缺磷的土壤中，磷酸酶活性往往较高而微生物丰度也会增加；然而，施加KH₂PO₄的结果并非如此(Nannipieri et al. 1978)。尽管研究表明土壤磷的周转和微生物性质会如何受施加磷肥的影响，但温度和DRW对其的交互作用仍缺乏了解。

研究土壤微生物群落特征有利于了解土壤养分循环过程的变化。在大多数情况下，微生物特性会比土壤物理化学特性的反应更快、更敏感。因此，常被用作土壤质量的指标(Sharma et al. 2011; Trasar-Cepedaet al. 2008)。例如，若土壤微生物会受到土壤温度升高、降雨量和降雨时间变化的影响，则Chihuahuan沙漠生态系统中土壤微生物群落的功能可能会减弱(Bell et al. 2009)。土壤磷酸单酯酶活性在作物营养磷循环中起着关键作用，常用于指示磷的生物有效性，特别是在缺磷土壤中(Huang et al. 2013; Bünemann 2015)。它是一种相对非特异性的底物，在植物吸收之前，可以水解大量的低分子量的磷化合物，如单核苷酸、磷酸糖和多磷酸盐，使其生成无机磷(Pi)(Nannipieri et al. 2011)。已有研究表明，磷源、温度和水分有效性分别影响土壤磷转化和土壤微生物学，但对其之间的相互作用如何具体影响土壤微生物特性及由此产生的土壤磷转化的研究相对较少。

研究结果：

1.土壤NaHCO₃-P组分的变化

施肥会增加63–110%的NaHCO₃-Pi，呈现KH₂PO₄>有机肥>对照的特征(Fig. 1和Table 1)。10℃条件下施加磷肥的土壤中NaHCO₃-Pi含量高于25℃，对照土壤中并无这种情况。对照和施肥处理在DRW循环中，土壤NaHCO₃-Pi含量均显著增加，且在不同温度下两种处理间的变化趋势相似（9.6-17.3%）。此外，施加磷肥、温度和水分对NaHCO₃-Pi含量并无显著的交互影响。

在施加有机肥土壤中NaHCO₃-Po含量有所增加(> 190%)，而在施加KH₂PO₄处理并没有(Fig. 2和Table 1)。在多数DRW循环中，25℃条件下的NaHCO₃-Po含量高于10℃，但受磷源与温度处理的交互作用并不显著(Table1)。两种施加磷肥处理，DRW循环会显著增加15.4-48.3%的NaHCO₃-Po含量。

2.微生物生物量碳和磷的变化

施加有机肥会增加土壤MBC和MBP，而在施加KH₂PO₄的土壤中MBP显著增加，而MBC无显著变化(Figs. 3and 4 and Table 1)。直到繁殖期结束，在25℃条件下，施肥所导致的MBC增加要显著高于10℃时(Fig. 3and Table 1)，而MBP不受温度的影响。

为了分析MBP对P脉冲的潜在贡献，绘制了在DRW周期中NaHCO₃-Pt随MBP的下降而增加的趋势图(Fig. 5)。施加有机肥和对照土壤中，NaHCO₃-Pt的增加幅度显著高于MBP的下降。相反，在施加KH₂PO₄的土壤中，NaHCO₃-Pt和MBP的变化相似，但在第三个周期中的25℃温度条件下，土壤中的MBP的降低程度比NaHCO₃-Pt相应的增加幅度大。

3. 土壤碱性磷酸单酯酶活性的变化

施加有机肥可显著提高碱性磷酸酯酶活性，但施加KH₂PO₄并无显著提高(Fig. 6 and Table 1)。25℃条件下碱性磷酸酯酶活性要高于10℃(Fig. 6and Table 1)。一般而言，DRW会显著降低碱性磷酸酯酶的活性(Fig. 6 and Table 1)。在前两个循环中，施加有机肥土壤中的下降幅度大于对照和施加KH₂PO₄的土壤(Fig. 6 and Table 1)。在第二次DRW期间，25℃条件下的下降幅度大于10℃条件下(Fig. 6 and Table 1)。但在DRW过程中，25℃条件下施加有机肥土壤中碱性磷酸酯酶活性高于其他处理。

4. 土壤PLFA的变化

土壤基质组成的PCA图明显区分了各处理之间的差异(Fig. 7b)。磷肥沿第一排序轴上分离土壤，解释了总方差的43.7%。施加有机肥土壤中单不饱和脂肪酸(18:1ω7c、18:1ω9c和16:1ω5c)和多不饱和脂肪酸(18:2ω6和9c)的比例较高，而对照和施加KH₂PO₄的土壤中以i-/a-支链脂肪酸、10Me脂肪酸和环丙基脂肪酸比例较高(Fig. 7a)。土壤沿第二排序轴进一步分离，主要以温度为基础，解释了土壤总方差的27.3%。10℃条件下18:1ω9c的相对丰度要高于25℃，而16:1ω5c的相对丰度却低于25℃。DRW循环增加了各处理下18:1ω7c、18:1ω9c、18:2ω6和9c的相对丰度，尤其是在施有机肥土壤中(Fig. 7)。

施加有机肥可显著增加特异性脂肪酸含量和单不饱和/饱和PLFAs之比，但降低环丙基/前体PLFAs的比例，两者均不受KH₂PO₄处理的影响(Fig. 8 and Table 1)。与10℃培养相比，25℃培养会增加施加有机肥土壤中I-支链脂肪酸、16:1ω5c和10Me脂肪酸含量，降低18:1ω9c含量(Fig. 8 and Table 1)。在这些土壤，DRW循环会增加25℃条件下的18:1ω7c 、18:2ω6和9c，但对10℃条件下的处理并无影响(Fig. 8)。在施加KH₂PO₄土壤中，DRW循环降低了环丙基/前体PLFAs的比例，但仅在25℃条件下施加有机肥的土壤中(Fig. 8 and Table 1)。此外，DRW循环增加了单不饱和/饱和PLFAs的比例，而不考虑施加磷肥(Fig. 8 and Table 1)。而在25℃条件下的增幅大于10℃(Fig. 8 and Table 1)。

讨论：

1. 在施加不同磷肥的土壤中温度和DRW循环对磷转化的交互影响

施肥是决定土壤磷组分大小的关键因素。此外，DRW循环显著增加了对照和施肥土壤中的易分解磷组分(Turneret al. 2003b; Butterly et al. 2009; Achat et al. 2012)，增加取决于土壤干燥的程度(Bünemannet al. 2013; Sun et al. 2017a)。此外，在30℃条件下土壤中磷溶解速度比15℃时快，但磷的溶解量相似(Turner and Haygarth 2001)，DRW循环后温度并不是P矿化的决定因素。

DRW对土壤磷组分溶解度的影响，其主要机制是微生物活性还是物理化学变化仍存在争议。在本研究中，施加KH₂PO₄的土壤中DRW循环降低了MBP，与可提取的Pt含量的增加相似或略高(Fig. 5)，表明微生物对P脉冲的贡献。相反，在施加有机肥土壤中可提取的Pt含量的增加要远远大于MBP的下降，尤其是在25℃条件下(Fig. 5)，表明施加有机肥土壤的DRW循环过程中土壤易分解磷的增加主要是由于土壤中非微生物磷的作用。这可能取决于以下几点：⑴有机肥会增加有机离子的含量，可能与磷离子竞争结合位点(Guppy etal. 2005)。DRW对磷转化的影响取决于有机质的含量，在有机质富集的土壤中磷转化比在有机质贫瘠的OM土壤中更为明显(ThanhNguyen and Marschner 2005)；⑵磷酸单酯酶活性与总的有机磷矿化率呈正相关(Bünemann2015)。猪粪具有较高的磷酯酶活性(Vuorinen2000; Tiquia 2002)。此外，有机肥还可以提高处理后土壤的微生物活性，从而提高土壤磷酯酶的活性。土壤DRW导致团聚体的破坏和有机磷的释放，从而增加磷酸酶水解有机磷；⑶由于施加有机肥会增加易分解磷含量，导致微生物群落组成发生改变，放线菌(10Me脂肪酸)、丛枝菌根真菌(16:1ω5c)、腐生真菌(18:1ω9c和18:2ω6，9c)和Pseudomonasspp. (18:1ω7c)的丰度均增加。而这些微生物群落能够分解有机物和溶解磷酸盐(Valverdeet al. 2006; Sinsabaugh 2010)。此外，温度可能通过改变微生物群落的活性和组成来影响土壤磷的转化。10℃的土壤微生物可能主要是不活跃的或休眠的，对C底物的需求减少。相反，25℃条件下的微生物活性高于10℃，对养分的需求更大，因此土壤P的转化速度更快。与10℃相比，25℃有机肥土壤中丛枝菌根真菌、芽孢杆菌(I-分支脂肪酸)和放线菌的丰度较高。此外，在25℃时，DRW增加了施加有机肥土壤中腐生真菌(18:2ω6，9c)和假单胞菌的数量。结果表明，SOM分解和磷的增溶作用有所增加。此外，DRW循环影响的团聚体物理破坏(Navarro-Garcíaet al. 2012)和P吸附能力损失，可能会使之前的闭蓄磷释放出来。因此，与DRW和温度变化相关的理化过程和微生物特性的变化可能是施加有机肥土壤中易分解磷含量增加的原因。此外，在DRW循环中土壤磷动态可能会因使用的有机基质而变化。因此，需要通过使用不同的有机肥来进行进一步的研究。

2.在施加不同磷肥的土壤中DRW循环对MBC和MBP的影响

与施加有机肥和对照相比，施加KH₂PO₄会增加MBP，但对MBC和主要微生物类群组成的影响不大。土壤微生物受有机碳的限制大于磷的有效性。

施肥土壤中土壤微生物生物量对DRW循环的敏感性高于对照。即使后半数潜伏DRW会降低两种施肥土壤中的MBC和施加KH₂PO₄土壤中的MBP，但对有机肥土壤中的MBP并无影响。表明施加有机肥时对土壤中MBC和MBP的动态影响存在差异。归因于富含磷的微生物细胞的优先裂解(Bünemannet al. 2013)。此外，取样时间点可能影响结果。

3. 温度和DRW循环对土壤微生物群落组成的影响

微生物群落组成的变化主要是由于施加有机肥，而不是正磷酸盐肥。玉米-大豆轮作土壤中triple super-phosphate肥对PLFA生物标记物的影响不显著(Shi et al. 2013)。相反，磷肥或植酸盐施肥会导致缺乏磷的黑麦草草场土壤中的根杆菌群落组成发生显著变化(Lagos et al. 2016)。这种对比结果可以部分由土壤中的SOM来解释。本研究的土壤和农田土壤中的SOM含量(<2.5%)远远低于牧场土壤(~12%)。结果表明，磷肥对微生物群落组成的影响可能与土壤有机碳含量有关。

对照土壤中的微生物群落对水分胁迫具有较强的抵抗力，这可能是因为本地微生物适应了连续的DRW(Evans andWallenstein 2012)，也许是通过合成黏液、胞外多糖和脂肪酸来加强细胞壁的(Kakumanu et al. 2013)。一般来说， 25℃条件下的DRW循环对微生物群落的组成所发生的影响程度要比10℃要大，特别是在施肥土壤中。这可能是因为活性微生物比生长缓慢的微生物对水分胁迫更敏感(Van Gestel et al. 1993)。cyclopropyl/precursorPLFAs，作为环境胁迫指标，无论是何种施加磷肥处理，该指标在10℃条件下要低于25℃(Fig. 8)。单不饱和/饱和PLFAs比值，通常用来表示C的有效性，再干后增加，表明微生物在再湿后可能吸收有机碳。因此，由于DRW循环所带来的有效性有机底物，将有助于微生物群落快速繁殖。

4.气候变化背景下DRW循环对土壤磷转化的影响

一般情况下，DRW增加了土壤的易分解磷含量(Bünemann et al., 2013; Turner and Haygarth, 2003)。磷对植物的有效性取决于许多因素；例如，土壤干燥使植物处于严重的水分胁迫之下，并影响一系列养分的供应。微观试验表明，玉米在DRW循环后种植磷脉冲是有益的(Bünemann et al. 2013)。然而，在同一项研究中，分根设置未能证实p脉冲对植物吸收p的积极作用(Bünemann et al. 2013)。盆栽试验可能难以达到均匀的土壤含水量(Passioura 2006)。此外，地中海灌木迷迭香还能利用干旱中期的p脉冲和水分供应，从而增加植物在生态系统中的养分保留(Sardans et al. 2005)。结果表明，当田间土壤大多休耕或刚刚播种时，DRW诱导的p脉冲发生在10℃。据报道，p脉冲在50h前消失，原因是DRW事件(Butterly et al. 2011)。因此，这些短命的p脉冲很难在早春和晚秋对植物有利，但在夏季可能对抗旱作物有利。据预测，全球变暖在未来几十年将导致更长的干燥期和较少但更强的降水事件(Greve et al. 2014)。如果是这样的话，这些p脉冲可能会对水道造成污染，因为土壤干燥会形成裂缝，从而增强水和相关P在土壤中的优先运动(Blackwell et al. 2009; Turner and Haygarth 2001)。

结论：                                                          

①结果表明，在影响土壤磷库和微生物群落分布因子中，磷源的影响作用比水势和温度更显著。在对照、矿物和有机肥处理中，P的分布具有显著差异。

②水分有效性仅次于施肥的重要性，对易分解磷库、微生物生物量、碱性磷酸酶活性和PLFA标记物含量的影响比温度显著。

③DRW循环增加了土壤中易分解磷库，尤其是在25℃时，主要是通过增加碱性磷酸酯酶活性和异养微生物类群（如假单胞菌和腐生真菌）的数量。

④在培养过程中，易分解有机磷库受磷源、温度和水分条件的交互影响。

总之，建议在农业实践中优先关注磷肥和土壤水分。

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s00374-017-1252-7