内蒙古典型草原不同地形单元放牧对土壤微生物量磷及磷酸酶活性的影响

李 营,赵小蓉,李贵桐,林启美

中国农业大学土地科学与技术学院, 北京 100193

草原土壤磷以有机磷为主,有效磷低[1—2]。土壤微生物和酶共同驱动的磷转化过程,对维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来源[5],其在草原土壤磷库中比例很低,但是其年周转量是植物年吸收磷量的40—90倍[6]。放牧[7]、水分[6, 8]等均会导致草原SMBP的变化。研究表明,过度放牧造成土壤容重增加,不利于微生物生存[9—10],进而降低土壤微生物量[11]和土壤磷活性[12—13],延长了土壤磷循环周期[6],同时放牧家畜因采食带走草原土壤的磷[14],造成磷流失[15],加剧草原土壤磷的限制。适度放牧有利于增加植被多样性和群落生产力[16—17],也有利于土壤磷的累积和活化[12]。

土壤有机磷需要通过碱性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)或者酸性磷酸酶(acid phosphatase,ACP)矿化成为无机磷后才能成为植物所需要的有效磷[18],且草原土壤有机磷矿化的速度受磷酸二酯酶活性(phosphodiesterase,PD)限制[19]。研究表明,土壤磷酸酶活性对放牧强度[20]、水热变化[21—23]、有机质[24]、养分变化[25—26]等十分敏感。过度放牧条件下,微生物量调节着土壤酶对长期放牧的响应[20]。所以通过研究土壤磷酸酶的活性,可以了解放牧对土壤磷的有效性的影响。然而,目前对草原生态系统中土壤磷酸酶活性的研究还不全面,有必要通过研究土壤磷酸酶的活性及其影响因素,从而了解土壤磷的可用性。

由于地形差异带来的地表温度、蒸发量、土壤含水量等的差异[27],造成土壤理化特性对放牧响应的不同[10, 17, 28]。例如,随着放牧强度增加,土壤有效磷含量在平地放牧呈现上升趋势,而在坡地放牧则呈现下降趋势[17]。而放牧强烈干扰了地形所控制的土壤颗粒迁移过程,并对地上生物量生产和总有机碳(TOC)储量等与生物量相关的土壤特性表现出强烈影响[29]。通常,坡顶比坡底土壤磷含量更低,而且坡顶面临磷流失,坡底则为磷累积[30]。土壤理化性质、微生物和植被等方面[17, 31—32]也会受到地形与放牧的交互作用影响[29]。比如,微生物氮矿化对放牧的响应受到水分的影响[33]。另外,以菌丝长度密度(hyphal length density,HLD)举例,HLD与土壤磷有效性相关[34],在坡地放牧,HLD随着放牧强度增加显著降低,而在平地放牧则是先增加后降低[17]。

内蒙古典型草原位于欧亚草原东部,目前面临严重的植被和土壤退化问题。其中,锡林河流域典型草原退化面积达7700 km2,约占流域总面积的82%,过度放牧是退化的主要原因[35]。基于植被群落组成和生产力的研究表明,典型草原平地可以放牧3.75 只/hm2,而坡地不宜超过3.0 只/hm2[16, 36]。为研究不同地形单元放牧对土壤微生物量磷和磷酸酶活性的影响,本研究基于中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的长期定位试验平台,通过测量土壤微生物量碳(soil microbial biomass carbon,SMBC)、氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)、SMBP含量和土壤ALP、ACP、PD活性,从而研究不同地形单元放牧是否影响土壤磷转化的微生物过程。本研究假设：1)由于坡地土壤含水量低于平地,且养分条件弱于平地,所以放牧对坡地土壤微生物量磷的影响比平地的更大；2)由于坡地土壤磷含量低于平地,导致坡地磷酸酶活性高于平地,并且放牧对其影响更大；3)由于母质问题,坡地比平地面临更高的养分限制,且平地土壤有更好的水热条件,从而放牧对微生物的影响可能是通过不同的环境因子造成的。

1 材料与方法

1.1 样地介绍

研究样地设置在内蒙古锡林郭勒盟白音锡勒牧场中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站(43°38′N,116°42′E,1200—1280 m a.s.l)的放牧试验样地内。该地区属于温带半干旱草原气候,年均降水量为346.1 mm,且60%—80%集中在生长季的4—8月,年蒸发量为1600—1800 mm,年均温为0.3℃。土壤类型为暗栗钙土(Mollisol,FAO),多为砂壤质地。植被类型属于典型草原,植被群落中建群种为羊草(Leymuschinensis)和大针茅(Stipagrandis),是欧亚大陆草原地带性生态系统类型。

放牧试验开始于2005年,占地面积约为160 hm2,每个处理设7个放牧强度(0、1.5、3.0、4.5、6.0、7.5、9.0 只/hm2,分别记为G0—G9.0)和2个地形处理(平地和坡地,分别记为F和S)。坡地坡度小于10°[37]。其中,1.5 只/hm2的放牧小区面积为4 ha(确保每个试验小区至少有6只羊),其它试验小区均为2 hm2。放牧时间为每年的6月初至9月中旬,持续100 d左右,晚上不归牧。为了保证放牧的持续性,样地从2007年起改变了放牧方式,每月放牧的羊数根据牧草的变化而改变,但是保证年均放牧强度维持不变。经过十年放牧,土壤容重发生显著变化[17]。在本文中,放牧强度指年均放牧强度,具体细节介绍参考Schoenbach的方法[38]。

1.2 土壤采集

土壤样品采集于2015年8月初,为当年地上生物量最大的时期。考虑到试验地足够大又没有重复,采样从羊圈所在位置向长边方向划分为3个小区,每个小区间留1 m缓冲区。每个小区使用土钻(直径5 cm)随机采集5钻 0—20 cm 表层土混匀,作为3个观测值。土壤样品过2 mm筛后一部分保存在4℃,用于土壤含水量、 微生物量和磷酸酶活性的测定；另一部分风干用于基础理化因子测定。

1.3 土壤理化指标测定

土壤pH采用1∶2.5土水比测定；土壤含水量采用105℃烘干法；土壤有机碳(TOC)采用重铬酸钾消煮法；全氮(TN)采用凯氏定氮法；全磷(TP)在HClO4-H2SO4消煮后使用钼锑抗法比色；有机磷(Po)通过H2SO4浸提液经550℃灼烧1 h和未灼烧的差值确定；Olsen-P采用0.5 mol/L的NaHCO3浸提之后使用钼锑抗比色法[39]。

1.4 土壤微生物量碳、氮、磷

为消除土壤含水量对土壤微生物量测定的影响,测定前用去离子水调节土壤含水量到40%田间持水量,之后在4℃过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。滤液中的碳氮采用总有机碳/总氮分析仪(TOC-N auto-analyzer (multi N/C®3100, Jena, Germany))测定。SMBC(SMBN)=(熏蒸测定值-未熏蒸测定值)/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。同时于未熏蒸土壤中加入25 μg P/g土用于测定P回收率。SMBP=(熏蒸测定值-未熏蒸测定值)/(kp×Rp),其中校正系数kp=0.4[42],Rp为外加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]。分别称取1 g鲜土,加入1 mL 相应底物和4 mL缓冲液(ALP的pH=11,ACP的pH=6.5,PD的pH=8)在37℃下培养1 h。其中ALP和ACP的底物为115 mmol/L的硝基苯磷酸二钠(Disodium 4-nitrophenyl phosphate, pNPP),PD的底物为5 mmol/L的双硝基苯磷酸二钠(Bis(4-nitrophenyl) phosphate, bpNPP)。培养后迅速加入1 mL 0.5 mol/L CaCl2和4 mL 0.5 mol/L NaOH,混匀后过滤。为了消除底物的颜色和土壤的颜色,在培养的同时做空白对照：先加其它溶液,最后加底物,然后迅速过滤。使用分光光度计在400 nm波长处比色。使用对硝基酚(p-nitrophenol, pNP)浓度梯度的吸光值作为标准曲线来计算酶活性。ALP、ACP和PD的详细试验过程参考Katsalirou的方法[44]。

1.6 统计分析

将3个观测值作为3个重复处理。所有的数据均以干土重比较放牧和地形对土壤理化因子的影响。放牧因素分析采用单因素方差分析(ANOVA),地形间分析采用配对t检验。对各指标进行放牧和地形的主效应分析,并进行显著检验。因子间相关性网络图由R igraph和psych包分析并绘制。对不同地形的SMBP和磷酸酶活性进行CCA(Canonical correspondence analysis)分析,使用R Vegan和ggplot2包分析并绘制,分析前对环境因子进行方差膨胀系数计算,去除VIF ≥ 10的因子。

2 结果与分析

2.1 土壤理化因子特征

地形对土壤各理化因子均产生显著影响,坡地处理土壤理化指标均显著低于平地(表1),其中pH、TN、TN/TP还同时受放牧强度主效应和交互效应的影响(表2)。坡地和平地土壤pH均随着放牧强度增加而呈现上升趋势：与G0处理相比,平地放牧G3.0—G9.0处理的pH显著提高0.15—0.29个单位,坡地放牧的土壤pH显著提高0.43—0.71个单位(表1)。无论平地还是坡地放牧对土壤TOC 和TN含量、土壤含水量均没有显著影响(表1),但坡地TN除了G4.5和G7.5处理外,均显著低于平地处理,降低了0.56—0.71 g/kg。平地放牧对TN/TP影响不显著,而在坡地放牧,G1.5处理比G0显著降低了13.73%,其他处理间差异不显著。平地放牧对土壤TP没有显著影响,而坡地放牧的G1.5,G3.0,G6.0处理比G0处理显著降低4.33—37.89 mg/kg。无论平地还是坡地放牧均对土壤PO没有显著影响,但是PO受到地形、地形×放牧强度的影响(表2)。土壤Olsen-P平地放牧的G4.5和G7.5处理比G0处理显著降低1.26—1.41 mg/kg,而坡地放牧仅G4.5处理显著低于G0处理0.94 mg/kg,其他处理间差异不显著(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受地形影响,坡地SMBP含量显著低于平地35.47%(图1,表2)。相对于G0处理,平地G1.5—G6.0处理对SMBP影响不显著,但是重度放牧(G7.5和G9.0)显著提高了SMBP含量80.61%—88.10%,而坡地放牧处理则均对SMBP影响不显著(图1)。SMBN/SMBP和SMBC/SMBP变化趋势一致,且均不受地形的影响(图1,表2)。平地和坡地放牧各个放牧强度的SMBN/SMBP和SMBC/SMBP均与G0处理差异不显著,平地放牧均只在G3.0处理分别显著高于G7.5处理2.05倍和1.72倍,而坡地放牧均在G3.0、G6.0高于G4.5、G9.0处理92.18%—97.47%和80.19%—93.99%(图1)。

表2 地形与放牧对土壤理化因子、微生物量磷和磷酸酶活性的交互效应分析

2.3 土壤磷酸酶活性

土壤磷酸酶活性以ALP活性最高,平均为453.33 mg pN P-1kg-1h-1(范围在356.94—506.43 mg pN P-1kg-1h-1),PD活性最低,平均为191.52 mg pN P-1kg-1h-1(图2)。地形对磷酸酶活性的影响并不一致,其中ALP活性和PD活性均不受地形的影响,而坡地ACP活性比平地显著高24.10%(图2,表2)。放牧强度对ALP和PD活性的影响在平地和坡地上表现一致,其中ALP活性均在G7.5最低,约365.56 mg pN P-1kg-1h-1,比G0处理分别降低24.58%和21.55%,而在G1.5、G3.0处理最高,为484.33—506.43mg pN P-1kg-1h-1；PD活性均在G4.5处理显著降低,分别比G0处理降低了74.72 mg pN P-1kg-1h-1和24.43 mg pN P-1kg-1h-1。放牧强度对ACP活性的影响正好相反,在平地放牧显著降低ACP活性,约降低了63.64 mg pN P-1kg-1h-1,而在坡地放牧则对ACP活性没有显著影响(图2,表2)。

图1 典型草原不同地形单元放牧条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不同大写字母表示不同地形单元之间相同放牧强度之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示不同放牧强度相同地形单元之间差异显著(P<0.05)；“All”表示平地或者坡地单元整体

2.4 土壤微生物量磷和磷酸酶活性与土壤理化因子的关系

相关性网络图表明(图3),在不考虑地形因素(图3),放牧强度与土壤ALP活性有显著负相关关系,且与SMBP有显著正相关关系；SMBP与土壤ACP活性间有显著负相关关系,与土壤ALP活性间没有相关关系；土壤PD活性只与土壤ALP活性有显著正相关关系,与土壤ACP活性、SMBP间没有相关关系；TN与除土壤ACP活性外的所有土壤性质指标均有显著正相关关系,与土壤ACP活性有显著负相关关系；土壤含水量与PO、Olsen-P、TP、TOC、TN、ALP、PD均有显著正相关关系。在平地中(图3),土壤ACP活性与其它因素之间没有相关关系,但是增加了放牧强度与pH的正相关关系、与土壤PD活性的负相关关系；SMBP只与放牧强度有正相关关系；土壤PD活性位于整个网络的核心。在坡地中(图3),大部分链接被破坏,只有土壤ACP活性与土壤含水量、PO与TP、TN三者间、土壤PD活性与Olsen-P和TN的正相关关系被保留。

图2 典型草原不同地形单元放牧条件下土壤酸性磷酸酶活性、碱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. 不同大写字母表示不同地形单元之间相同放牧强度之间差异显著(P<0.05)；不同小写字母表示不同放牧强度相同地形单元之间差异显著(P<0.05)；“All”表示平地或者坡地整体

不考虑不同地形单元这一因素,CCA1轴和CCA2轴解释了总变异的21.60%和8.46%,整体上,坡地与平地没有在CCA1上分开(图4)。土壤含水量(WC)对样品在CCA上分开有极显著影响(表3)。其中,WC、TN分别单独解释了28.05%和4.88%的变异,PO、pH、Olsen-P、TN、TP、TOC共同解释了15.82%的变异。在平地放牧的CCA分析中(图4),CCA1轴和CCA2轴解释总变异的37.43%和21.13%。WC、PO、TP、TN对样品在CCA上分开有显著或者极显著影响(表3)。其中,WC、PO和TP分别解释了38.10%、10.53%和6.79%的变异,TP、TOC、PO、TN共同解释了23.23%的变异,pH和Olsen-P共同解释了3.72%的变异。在坡地放牧中,CCA1轴和CCA2轴解释了总变异的71.65%和5.15%(图4)。WC、PO、TOC对样品在CCA上分开有显著或者极显著影响(表3)。其中,PO、WC和TOC分别单独解释37.91%、2.53%和3.61%的变异,PO、Olsen-P、TN、TP、TOC共同解释了62.78%的变异。

图3 所有处理、平地和坡地相关性网络图Fig.3 Correlation networks of all, flat and slope treatments不显著相关部分(-0.3

3 讨论

3.1 不同地形单元放牧对土壤微生物量磷的影响

SMBP是草原土壤的重要有效磷库[6, 45],研究表明,SMBP的变化受到土壤水分变化影响强于NaHCO3浸提磷[8]。本研究中,平地重度放牧(G7.5和G9.0处理)显著提高了SMBP含量(图1),这与前人研究结果一致[44]。而整体看,坡地放牧对SMBP没有显著影响,这与我们的第一个假设坡地放牧对SMBP的影响大于平地不符,这可能是放牧对SMBP的影响不足以抵消由于坡地水分不足[2]、养分限制[46]引起的SMBP的变化所致,即地形的效应大于放牧强度的效应。此外,坡地土壤水分含量显著低于平地,尤其是在重度放牧处理中(表1,表2),其SMBP含量显著低于平地也说明了水分的影响起到了重要作用。

本研究中SMBC/SMBP和SMBN/SMBP变化趋势一致,平均分别为26.54∶1和5.26∶1(图1),全球平均值为46∶1和6∶1[47]。前人基于内蒙古典型草原的研究接近25∶1和3∶1[6]。这是由于本研究土壤的水分、养分(表1)均高于Chen[6]的研究所致。本研究中,不同地形对SMBC/SMBP和SMBN/SMBP没有显著影响(表2),由于不同微生物的氮磷比和碳磷比不同[47],说明不同地形单元土壤的微生物群落没有发生质的改变。而放牧和放牧*地形对土壤微生物量碳磷比和氮磷比有显著影响(表2),是由于相对于平地,坡地土壤微生物量碳磷比和氮磷比分别在G4.5处理显著降低,在G7.5处理显著增加造成的(图1)。G4.5处理显著降低是由于SMBC和SMBN的降低造成的,研究表明,土壤微生物量碳、氮的变化受到土壤养分影响[11],坡地G4.5处理的pH显著低于平地,而pH的增加有助于土壤养分的释放[10, 48],从而缓解放牧胁迫。G7.5处理的增加是由于平地G7.5处理SMBP显著增加,而坡地没有增长造成的。

图4 土壤微生物量磷和磷酸酶活性与环境因子间CCA分析所有处理、平地和坡地处理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点代表土壤样品。箭头代表土壤性质

3.2 不同地形单元放牧对土壤磷酸酶活性的影响

土壤ALP活性代表土壤微生物缺磷状况[49]。本研究中,放牧对土壤ALP活性的影响不受地形限制(表2),且只在G7.5放牧强度下土壤ALP活性显著降低(图2),这与前人基于平地放牧的研究一致[20, 44]。研究表明,土壤性质可以解释86%的土壤ALP活性的变化[31],但在本研究中,尽管坡地土壤性质与平地差异显著(表1),但土壤ALP活性却没有明显差异,这与上述研究不符。因此,土壤ALP活性的变化可能是因为坡地土壤理化性质弱,植被和菌根长度密度低[17],从而导致微生物需要提高土壤ALP活性来获取磷。本研究中,坡地和平地G7.5处理土壤ALP活性显著降低,是因为重度放牧引起的凋落物减少,根输入降低,土壤生存环境恶化,导致通过ALP来提高土壤磷有效性变得不经济造成的[31, 50—51]。而极重牧(G9.0)进一步恶化土壤结构[17],严重影响植被生长[29],减弱了植被-微生物之间的竞争,微生物可以获得足够的资源来分泌ALP获取磷。

表3 环境因子对CCA的解释方差

PD是分解新鲜有机质中的活性有机磷必需的酶,可以将磷酸二酯降解成磷酸单酯,进一步被ALP矿化[19],新鲜植被根系是重要的PD重要的底物,其减少会降低土壤PD活性[43, 52]。本研究中,土壤PD活性在G0—G3.0处理中平地高于坡地处理,而在G4.5处理则相反(图2)。研究表明,轻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]。由于在平地轻度放牧(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处理之后,轻度放牧带来的促进作用减弱,地形造成的根系生物量差距减少,造成土壤PD活性在平地和坡地差异不显著。相对于平地放牧,坡地放牧仅保留了土壤PD活性与磷、TN的联系(图3),研究表明,氮限制了微生物利用磷[55],而PD是诱导酶,所以本研究表明坡地土壤微生物利用磷受到氮的限制。

植被通过分泌质子和提高土壤ACP活性来缓解磷限制[56]。本研究中,坡地土壤整体ACP活性高于平地(图2),这是由于坡地有效磷含量低于平地造成的(表1)[44]。平地放牧显著降低土壤ACP活性,坡地放牧对ACP活性没有影响,除G4.5和G9.0处理外,均显著高于平地(图2)。相关性网络分析中表明,平地ACP活性与其它因素间没有显著关系,而坡地只有WC与其有正相关性,且与其他因素间没有显著关系(图3),说明土壤ACP活性的变化与土壤性质的关系较弱。所以推测土壤ACP活性的变化是由于放牧降低了植被生物量[6, 17],导致植被需磷量下降,及放牧改变了植被群落组成,进而影响土壤ACP活性[57],而坡地植被群落组成不受放牧强度的直接影响[17],因此其ACP活性不受放牧的影响。

3.5 土壤磷生物转化与环境因子间关系

植物生产力由地形、放牧强度和土壤特性共同决定[58]。本研究表明,不同地形放牧对土壤理化性质的影响不一致(表1,表2)。在本研究中,地形主导了土壤磷养分的变化,坡地土壤的TP、Po、Olsen-P显著低于平地(表1,表2),且不受放牧影响(图3),这与前人研究一致[31, 59—60]。这一方面可能是由于土壤母质造成的,另一方面,坡地比平地更易水土流失,从而损失养分所致。前人研究指出,随着放牧强度增加,土壤Olsen-P含量在平地呈现上升趋势,而在坡地中则呈现下降趋势[17]。本研究中,放牧*地形交互效应小幅度地影响了土壤TP和PO,但对Olsen-P没有影响(表2),这与上述结果有一定的差异,但与刈割[61]和长期放牧结果一致[13, 44, 62]。说明无论平地放牧还是坡地放牧,放牧改变土壤理化性质[63],但对土壤磷的影响有限[64]。对于TN来讲,坡地TN除了G4.5和G7.5处理外,均显著低于平地处理(表1),这是由于地块差异引起的。此外,平地放牧对TN/TP没有影响,而坡地1.5 只/hm2放牧强度下,土壤TN/TP显著低于G0处理(表1),从而导致其受到了放牧强度和放牧强度*地形的交互效应影响(表2),这是由于坡地G1.5处理降低了土壤TP造成的。另外,不同地形放牧在大于3.0 只/hm2处理之后,土壤pH均显著上升(表1),而本研究中,pH与PO、TP显著正相关(图3),说明pH的增加有助于土壤养分的释放[10, 48],而在坡地,虽然放牧也提高土壤pH,但仍低于平地,这表明坡地的潜在养分释放低于平地,从而减弱了坡地的养分供给。

本研究中,土壤含水量对土壤磷的生物转化起到重要作用。相关性网络图表明,WC通过与PD和ALP的正向关系,间接与土壤化学性质、ACP、SMBP等建立联系(图3)。土壤微生物量磷(图1)和磷酸酶活性(图2)的柱状图也表明,地形带来的水分差异驱动其变化。平地放牧通过同时提高pH,抑制了PD和ALP活性,从而提高了SMBP含量(图3)。而平地放牧中构建了微生物分泌的酶(ALP、PD)和土壤理化性质间的复杂网络(图3),可以缓冲放牧对土壤的影响,所以平地可以抵抗一定程度的放牧强度。坡地破坏了指标间的联系(图3),SMBP、ALP的变化不再受放牧强度和土壤理化性质影响,而PD依然存在与土壤磷的联系,表明坡地放牧条件下,PD是维持土壤磷有效性的主要酶。

土壤微生物和酶共同驱动土壤磷的转化[65]。整体而言(图4),土壤微生物量磷和磷酸酶活性受地形带来的土壤理化性质驱动,土壤含水量对其解释度最高,其次是土壤化学性质(PO、PH、Olsen-P、TN、TP、TOC)的共同作用,即地形带来的水分差异驱动土壤微生物转化磷,这与大尺度的研究一致[6, 11]。坡地和平地的土壤微生物量磷和磷酸酶活性对环境因子的响应不同(图4),这说明坡地与平地存在两种不同的驱动微生物转化磷的因素。在平地放牧中,最主要的驱动因素是土壤含水量,土壤PO、TP也对样品在CCA上分开有显著作用(图4,表3),表明土壤含水量和土壤磷对土壤磷转化有重要作用。与平地不同的是,在坡地中,最主要的驱动因素是PO,且PO、Olsen-P、TP、TN、TOC共同解释了62.78%的变异(图4,表3)。这表明土壤有机磷在坡地的重要性要大于平地,这是与坡地土壤酶活性变化趋势一致(图2)。

4 结论

本研究基于十年定位放牧试验平台,考虑坡地和平地两种地形单元,通过研究土壤微生物量磷(SMBP)、土壤碱性磷酸酶(ALP)、土壤酸性磷酸酶(ACP)和土壤磷酸二酯酶(PD)活性的变化,得出以下结论：坡地SMBP含量显著低于平地,平地重牧(G7.5—G9.0)显著提高了SMBP含量,而在坡地放牧则不影响。土壤ALP和PD活性的变化只受放牧影响,而ACP活性则受地形驱动。平地土壤PD、ALP活性与土壤理化性质间存在复杂的联系,且与放牧强度呈负相关关系,而坡地则只保留了土壤PD活性与磷、TN的联系。平地和坡地的土壤ACP活性与土壤化学性质无关。土壤含水量(WC)驱动了平地和坡地SMBP和磷酸酶活性的差异,其中WC、PO、TP、TN驱动平地土壤变化,而坡地土壤则受到WC、PO、TOC的影响。综上,坡地和平地的SMBP和土壤磷酸酶活性对放牧的响应受到不同因素驱动。虽然坡地微生物性质受放牧处理影响较小,但是坡地土壤的理化性质弱于平地,所以本研究建议坡地适当降低放牧强度。

致谢:感谢中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站和陈昊博士、董新亮博士在样品的采集过程给予的帮助。