氮添加和刈割对松嫩草地土壤团聚体中磷组分的影响及作用机制

作     者：范明才 

作者单位：东北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙伟;崔海莹

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 0713[理学-生态学] 

主      题：草甸草原 土壤团聚体 磷组分 土壤磷矿化 phoD功能基因 

摘      要：土壤是植物磷元素获取的主要来源,其磷库包括无机磷和有机磷两大部分。无机磷作为植物吸收利用的有效形式,其在土壤中流动性高于有机磷,但不及有机磷在土壤中含量丰富;土壤可利用磷供给取决于无机磷组分的转化和有机磷的矿化,二者主要受控于土壤理化特性、土壤微生物、土壤酶活性等因子。同时,土壤中磷的可利用性、浓度和形态还受到环境变化和土壤团聚体粒径大小的调控。因此,理解土壤团聚体尺度有机磷、无机磷组分以及磷可利用性对环境资源变化（尤其氮沉降和刈割）的响应规律及其潜在机制,是制定草地科学管理政策和可持续发展的关键。本研究利用松嫩草甸草原长期野外氮添加与刈割实验平台,测量大团聚体（2mm）、小团聚体（0.25～2 mm）、微团聚体（0.25 mm）土壤磷组分、土壤功能微生物群落、基因拷贝数、土壤磷酸酶活性和土壤各理化性质,旨在探究不同土壤团聚体尺度,刈割和氮添加以及二者交互作用对土壤磷组分分布产生了怎样的影响?植物生长中所需的可利用磷的尺度供给来源以及各磷组分如何转化、矿化?土壤微生物群落结构和磷酸酶活性对土壤磷组分矿化、转化的贡献及调控机制?最终揭示松嫩草地土壤可利用磷供应对氮沉降以及刈割的响应机制。本研究得到的主要结果如下:（1）土壤树脂磷（Resin-P）含量变化范围是20.00±1.49～51.67±1.52 mg kg,在微团聚体水平含量最高。刈割处理下,氮添加降低了Resin-P含量,在微团聚体水平N20处理下达到了20.42±1.28 mg kg,下降了46.43%;非刈割处理下,微团聚体水平氮添加增加了Resin-P含量,在N20处理达到了51.67±1.52 mg kg,增加了21.02%。（2）土壤碳酸氢钠有机磷（Na HCO-Po）含量随着施氮量的增加在刈割处理中呈现下降趋势,在非刈割处理中呈现上升趋势;土壤碳酸氢钠无机磷（Na HCO-Pi）随施氮量的增加呈现下降趋势;施氮增加了土壤氢氧化钠有机磷（Na OH-Po）含量;在小团聚体水平土壤氢氧化钠无机磷（Na OH-Pi）含量呈现出非刈割处理下施氮增加了其含量,刈割处理下施氮降低了其含量;土壤盐酸磷组分变化范围是80.56±5.18～140.94±4.33 mg kg,在土壤中含量最高、占比最大。（3）土壤碱性磷酸酶活性（ALP）变化范围是265.00±23.27～726.07±15.92 nmol h g。在大、小团聚体尺度,氮添加均增加了ALP;在微团聚体尺度,刈割处理下氮添加降低了ALP,非刈割处理下氮添加增加了ALP。phoD功能基因拷贝数在土壤中的变化范围为5.03±0.04～5.70±0.05（取log10）。非刈割处理下,氮添加增加了土壤phoD功能基因拷贝数;但刈割处理下,随氮添加量的增加呈现下降趋势。土壤有机碳（TOC）含量变化与phoD功能基因拷贝数变化一致。（4）氮添加和刈割加剧了草地生态系统的磷限制。非刈割处理中土壤可利用磷在微团聚体尺度水平随氮添加量的增加得到一定的补充。在小团聚体尺度发现Resin-P和各磷组分关系紧密;通过冗余分析得知刈割处理下土壤铵态氮含量、TOC、ALP、phoD基因拷贝数是影响磷周转的关键因子。综上所述,氮添加导致松嫩草地磷限制,刈割处理加剧了磷限制。松嫩草地的无机磷组分的转化是土壤可利用磷的第一转化来源;当无机磷组分转化不能满足植物磷需求时,土壤微生物通过增加phoD基因拷贝数,分泌更多的碱性磷酸酶促进有机磷组分的矿化以供给植物磷需求。在不同团聚体水平,微团聚体尺度是植物可利用磷的第一吸收尺度,小团聚体尺度是植物可利用磷的第一供给尺度,大团聚体对于磷组分周转具有一定的作用,但作用效果不明显。本研究加深了人们对于氮添加、刈割及其交互作用对不同团聚体尺度土壤磷组分特性、变化和相对含量影响的理解;揭示了有机磷矿化和无机磷转化以及土壤磷素可利用性对氮添加以及刈割处理的响应,为预测全球变化以及人工草地管理情况下草地生态系统生产力变化提供了科学依据。