研究背景

　　磷是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的營養(yǎng)元素，對(duì)于植物生長和生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力至關(guān)重要，然而，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)普遍存在磷限制現(xiàn)象，尤其是在草原生態(tài)系統(tǒng)中，約37%的區(qū)域受到磷有效性的制約。土壤中的磷常以難溶性形態(tài)存在，很難被植物直接利用，而土壤微生物在促進(jìn)不溶性磷組分的釋放和提高土壤磷有效性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。土壤團(tuán)聚體是土壤結(jié)構(gòu)的重要組成部分，不同粒徑的土壤團(tuán)聚體中微生物特性差異顯著，這些差異會(huì)影響磷組分的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制，從而導(dǎo)致不同團(tuán)聚體對(duì)土壤磷動(dòng)態(tài)的微生物調(diào)控作用存在差異。已有研究表明，刈割和施磷可以通過改變土壤團(tuán)聚體的比例直接影響土壤微生物特性，但關(guān)于這些因素（刈割和施磷）如何作用于土壤團(tuán)聚體及其相關(guān)的微生物特性，以及微生物如何調(diào)控磷組分的機(jī)制，當(dāng)前的研究仍然較為有限。

　　基于此，東北師范大學(xué)孫偉老師團(tuán)隊(duì)以中國東北半干旱草甸草原——松嫩草原為研究對(duì)象，進(jìn)行為期八年的野外控制試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了刈割和施磷對(duì)土壤磷組分及微生物驅(qū)動(dòng)因素的影響。相關(guān)研究成果發(fā)表于《Frontiers in Microbiology》期刊。該團(tuán)隊(duì)通過長期的刈割和施磷實(shí)驗(yàn)，結(jié)合土壤團(tuán)聚體分級(jí)、Hedley磷形態(tài)連續(xù)提取以及微生物生物量、酶活性與群落結(jié)構(gòu)分析，揭示了土壤微生物如何調(diào)節(jié)磷的動(dòng)態(tài)變化，明確了環(huán)境因子如何影響磷的生物可利用性。該研究為草地生態(tài)系統(tǒng)中磷循環(huán)機(jī)制的深入理解提供了數(shù)據(jù)支撐，并為草地管理提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

圖1.田間刈割和施磷工藝，以及干篩法的示意圖。

　　研究方法

　　研究設(shè)計(jì)：在2015年開始，以中國東北半干旱區(qū)松嫩草原為研究對(duì)象，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置 4種處理：對(duì)照、刈割、施磷、刈割+施磷，共6個(gè)重復(fù)，總計(jì)24個(gè)樣方。具體處理如下：

　　施磷處理：每年按5 g·m?2·yr?1的標(biāo)準(zhǔn)施用鈣磷肥（Ca?(PO?)?）；

　　刈割處理：每年8月進(jìn)行一次；

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過干篩法將土壤樣品分為大團(tuán)聚體（LMA，>2000 μm）、小團(tuán)聚體（SMA，250-2000 μm）和微團(tuán)聚體（MA，<250 μm），并分別測定團(tuán)聚體含水量、pH、有效氮、溶解性有機(jī)碳及磷組分；同時(shí)測定植物地上生物量、地下生物量及物種豐富度。

　　在該研究中，研究人員采用Smart-Chem 450全自動(dòng)化學(xué)分析儀對(duì)微生物生物量磷進(jìn)行分析。該儀器通過先進(jìn)的樣品管密封技術(shù)，有效降低了樣品蒸發(fā)和交叉污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減少了環(huán)境因素對(duì)測量參數(shù)的干擾，確保了分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖2.刈割和施磷條件下的土壤團(tuán)聚體比例。

圖3.在刈割和施磷處理下，大團(tuán)聚體 (LMA)、小團(tuán)聚體 (SMA) 和微團(tuán)聚體 (MA) 中磷 (P) 組分的濃度。

圖4.LMA、SMA和MA中刈割和施磷對(duì)環(huán)境因素的影響。

圖5.(a) LMA、(b) SMA 和 (c) MA 中磷組分與環(huán)境變量的關(guān)系。

圖6.SEM結(jié)果顯示了驅(qū)動(dòng)因素對(duì)磷組分動(dòng)態(tài)變化的影響(a) LMA模型；(b) SMA模型；(c) MA 模型；

　　核心發(fā)現(xiàn)

　?。?）磷組分響應(yīng)具有顯著的團(tuán)聚體尺度異質(zhì)性

　　刈割與施磷交互作用顯著提高了各粒徑團(tuán)聚體中的總磷含量；

　　在LMA、SMA和MA中，有效磷分別增加了74.13%、55.01%和9.50%；

　?。?）微生物驅(qū)動(dòng)因素

　　在LMA條件下：施磷通過降低微生物生物量碳磷比（MBC:MBP），顯著促進(jìn)中等活性磷（Pi）、中等活性有機(jī)磷（Po）和殘余磷的累積；碳輸入通過激發(fā)微生物活性，成為提升土壤磷有效性的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)；

　　在SMA條件下：植物豐富度、微生物生物量和堿性磷酸酶（ALP）活性共同主導(dǎo)活性磷（Po）、活性無機(jī)磷（Pi）和中等活性無機(jī)磷（Pi）的變化，較高的植物多樣性通過增強(qiáng)微生物活動(dòng)和酶活性，顯著提高了土壤磷有效性；

　　在MA條件下：施磷一方面通過刺激植物地下生物量（BGB）增加活性有機(jī)磷（Po）和中等活性無機(jī)磷（Pi），另一方面通過提高堿性磷酸酶（ALP）活性促進(jìn)殘余磷的累積。該條件下雖總磷儲(chǔ)量高，但因水分?jǐn)U散受限抑制微生物活性，有效磷累積速率低。

　　結(jié)語

　　該研究結(jié)合刈割與施磷的田間實(shí)驗(yàn)與土壤磷組分分析，揭示了土壤磷循環(huán)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制，并驗(yàn)證了不同土壤團(tuán)聚體在磷有效性調(diào)控中的差異。研究結(jié)果為草地生態(tài)系統(tǒng)中的磷管理和可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供了科學(xué)依據(jù)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。未來可結(jié)合宏基因組、功能基因與同位素示蹤技術(shù)，深入挖掘關(guān)鍵微生物功能群，并開展跨氣候區(qū)驗(yàn)證與團(tuán)聚體靶向調(diào)控研究，為草原土壤磷循環(huán)和肥料管理提供更精確的支持。

　　發(fā)表期刊：Frontiers in Microbiology【影響因子：4.5】

　　研究單位：東北師范大學(xué)、

　　研究地點(diǎn)：松嫩草原

　　使用設(shè)備：Smart-Chem 450全自動(dòng)化學(xué)分析儀

　　DOI：10.3389/fmicb.2025.1671636