文献解读：土壤磷有效性改变了秸秆碳对微生物介导的磷转化的影响

摘要：

作物秸秆还田促进微生物介导的土壤磷循环，从而提高土壤磷有效性。然而，秸秆碳（C）调控有机磷（Po）转化是否受土壤磷有效性的影响尚不清楚。本研究在不同速效磷含量的土壤中，研究了秸秆对土壤微生物生物量、胞外酶化学计量、细菌群落组成和磷组分的影响。秸秆添加增加了中磷（MP）土壤有机磷（Po）矿化，降低了低磷（LP）和高磷（HP）土壤有机磷（Po）矿化。土壤碳磷有效性共同调控微生物养分限制和群落组成。LP和HP土壤分别具有最高的磷和碳限制。在高磷土壤中，微生物磷和碳的限制介于低磷土壤和高磷土壤之间。秸秆添加降低了中、低磷土壤的微生物磷限制，而高磷土壤的变化不大。此外，中磷土壤的物种数量、多样性和微生物群落的协同作用都很高。与低磷和中磷土壤相比，秸秆添加诱导中磷土壤中溶磷微生物（如根瘤菌和缓生根瘤菌）的相对丰度增加更大。综上所述，当土壤Olsen-P含量为8.1 ~ 18.9 mg kg^-1，MBC:P比值为25.6 ~ 36.9时，秸秆添加促进了土壤Po矿化。结果表明，秸秆添加引起的微生物营养限制和群落组成的变化驱动了不同土壤磷的转化。

研究背景：

由于磷肥的大量施用，磷（P）积累农业生态系统中的一个全球性现象。磷易被金属阳离子沉淀或被微生物合成为有机磷（Po），限制植物吸收。重新激活土壤中已经存在的磷储量是缓解磷矿资源减少的重要措施。Po占土壤总磷的很大一部分（全世界占30%-65%），是植物和微生物必需的磷源。Po可以通过微生物调控的矿化转化为植物可利用的磷酸盐。因此，提高土壤Po的周转和利用对作物生产具有重要意义。

土壤微生物是磷转化的关键驱动因素，并主导着Po和P_i组分的组成，可以调动和固定P。微生物生物量是土壤磷的重要资源库之一，其生物量磷周转对磷循环至关重要。由于微生物群落对养分需求的差异，生物通常对养分的可用性做出不同的反应。添加不稳定碳（C）是刺激微生物活性的有效方法，通常会导致矿物元素的动员。此外，土壤磷的有效性对微生物群落有很大的影响。土壤微生物群落具有丰富的生物多样性，是生态系统功能的重要调节者。由于不同物种的C:P不同，微生物群落组成的变化可能会改变微生物生物量的碳磷比（MBC:P）。因此，土壤C和P有效性的差异可能会改变MBC:P比率，从而驱动微生物生物量P（MBP）周转。土壤微生物可以利用磷酸化化合物作为碳源，并通过细胞外磷酸酶生产矿化Po。土壤微生物生产磷酸酶需要大量的能量和养分。一些报道表明，添加C源可以增强溶磷微生物群落和磷酸酶活性，从而影响土壤Po矿化。这些发现说明了碳磷营养在土壤微生物群落中对土壤磷动员的重要性。微生物生物量中元素的分配和转化是调节化学计量的重要因素，这可能会改变微生物活性并影响细胞外酶的产生。土壤胞外酶化学计量学可用于从酶活性模式估计土壤生态系统中微生物代谢限制。酶计量模型基于酶活性计算，使用矢量模型的长度和角度量化相对微生物C和P的获取。研究表明，生态酶化学计量对土壤资源和微生物生物量化学计量都有响应。微生物可以通过释放C和P降解酶来满足其化学计量要求。因此，胞外酶活性反映了微生物群落的功能，这取决于微生物代谢需求和C和P的有效性。

作物秸秆还田可以作为一种环境友好型策略，减少对环境的负面影响，增加土壤有机碳，从而影响土壤养分循环。研究表明，秸秆投入可以改变溶磷微生物群落，增加MBP库和周转。作者之前的工作表明，秸秆添加通过增加MBP周转量，在高磷和低磷土壤中分别降低和增加了Po含量。在磷限制下，土壤微生物可以快速固定磷，从而影响土壤磷含量。此外，微生物对磷的需求可以驱动Po矿化，并可能消耗大量有机C。新矿化的磷可能被微生物固定化或吸附在土壤上。当细胞死亡或捕食发生时，微生物生物量P进入土壤Po库。而在高磷土壤中，微生物磷循环受到破坏，这主要是由于有效磷和吸附磷的快速交换和对C的较低需求。这些结果表明，在不同土壤磷有效性条件下，秸秆对土壤微生物磷转化的响应可能不同。因此，需要进一步探讨不同土壤磷效度下秸秆加施后土壤微生物养分限制和群落组成对磷转化的影响。

与土壤碳氮相互作用相比，对土壤碳磷循环耦合机制的研究有限。作者之前对不同土壤类型的研究结果证实，秸秆添加下土壤磷组分的转化受土壤磷水平控制。然而，除磷有效性外，土壤性质和环境因素也会影响秸秆添加后微生物介导的磷转化。因此，本研究通过不同施磷肥量的田间试验，考察了秸秆添加对三种磷有效性条件下土壤微生物驱动的磷组分转化的影响。本研究观察了培养过程中土壤CO₂排放、微生物量、胞外酶、细菌群落结构和磷组分的变化。此外，采用土壤微生物生物量和胞外酶化学计量学相结合的方法确定微生物养分代谢限制。假设不同水平的土壤磷会有不同的微生物养分限制和群落结构。秸秆添加可引起不同土壤磷水平下微生物群落结构、养分限制和CO₂排放的不同变化，并改变微生物变量与磷组分转化的相关性。

材料与方法：

土壤采集于中国湖北省武雪市（30°28′N,114°21′E）的田间试验田。该试验田于2016年建立，实行水稻和油菜轮作。设置3种不同施肥处理试验田：不施磷肥（P0）；90 kg P₂O₅ ha^-1（P90）；180 kg P₂O₅ ha^-1（P180）。定义为低磷（LP）、中磷（MP）和高磷（HP）土壤。2019年夏季，油菜收获后，从三个磷肥处理地块收集土壤。土壤基本理化性质如表1所示。

表1 土壤基本理化性质

培养试验采用三种土壤磷水平（LP、MP和HP）的土壤，施用三种秸秆添加量。秸秆（油菜秸秆）添加量为0 g kg^-1（无秸秆：NS）、3.5 g kg^-1（低秸秆率：LS）和7 g kg^-1（高秸秆率：HS）。试验油菜秸秆碳磷浓度分别为356.1 g kg^-1和0.2 g kg^-1。所有处理重复三次。土壤水分调整在60%含水量，在25℃的黑暗条件下培养2周。然后，在培养瓶中加入350 g培养土（相当于280 g干土），并均匀加入油菜秸秆。各土壤再次在25°C下孵育，土壤水分保持在60%含水量。在此期间，测定CO₂排放量，以评估微生物呼吸作用。并在7、33和78天进行了破坏性土壤取样。

主要研究结果：

1、 土壤磷组分

秸秆添加对不同磷效度土壤中磷组分的影响不同。具体而言，秸秆添加促进了中磷土壤中Po矿化，促进了低磷和中高磷土壤中Po积累。在MP土壤中，与不添加秸秆相比，添加秸秆在培养33天和78天后使P_i/Po比提高了12.7-17.3%（图1）。相反，在LP和HP土壤中，添加秸秆使P_i/Po比分别降低了12.7-18.0%和6.7-9.8%。

图1 不同处理土壤Pi / Po在培养33和78 d后的比值

2、 土壤微生物生物量

土壤MBP随磷有效性和秸秆添加量的增加而增加（图2）。MP（1.0~3.2 mg kg^-1）和HP（1.1~3.4 mg kg^-1）土壤中秸秆添加引起的MBP增加量高于LP（0.3~2.5 mg kg^-1）土壤。秸秆添加增加了MBC含量，中磷土壤MBC含量的增加（平均为88.2 mg kg^-1）高于低磷土壤和高磷土壤（平均为55.9 mg kg^-1）。此外，秸秆的添加增加了CO₂的排放，且中磷土壤的累积CO₂排放量高于低磷土壤和高磷土壤（图3）。低、中、高磷土壤MBC:P比值分别为33.0~40.9、29.0~33.6和19.5~24.3。秸秆添加对低磷和中磷土壤MBC:P比值的提高（2.2和2.3）高于高磷土壤（0.9）。

图2 土壤微生物生物量（MBC和MBP）及MBC:P比

图3 不同处理下土壤CO₂排放速率和累积排放量

3、 土壤胞外酶活性与化学计量比

土壤碳、氮、磷获取酶活性主要随着秸秆的添加而增加。根据酶化学计量学特征（图4），通过矢量长度和角度量化微生物C和P限制。第7天，随着磷水平的增加，微生物C限制（长度）逐渐增加，P限制（角度）逐渐降低。在第33天和第78天，MP土壤的C和P限制明显降低。添加秸秆改善了低磷和中磷土壤的微生物C限制，降低了微生物P限制（分别降低了3.2 ~ 12.4%和2.5 ~ 10.0%）。相关分析显示，向量长度与角度呈极显著负相关，且与P分数呈极显著相关（P < 0.01；图5）。C限制、P限制、MBP、MBC、MBC:P比和CO₂排放量与胞外酶活性显著相关（P < 0.05）。

图4 胞外酶化学计量学

图5 土壤生物变量与P分级和胞外酶活性的关系

4、 土壤微生物群落组成与多样性

不同土壤磷有效性主要改变放线菌门、厚壁菌门和绿菌门的相对丰度（图6）。秸秆添加水平主要改变了变形菌门、厚壁菌门、绿杆菌门和酸杆菌门的相对丰度。添加秸秆后，MP土壤中酸性细菌的相对丰度（57.6%）高于LP和HP土壤（4.9%和36.2%）。在PCoA分析中，群落组成因磷有效性和秸秆添加量而发生差异。在中磷土壤中，细菌的Chao1指数和Shannon指数更大。秸秆的添加降低了LP和HP土壤中细菌的丰富度和HP土壤的多样性。RDA分析显示，P组分、微生物生物量和酶化学计量显著影响细菌群落组成（图7）。RF分析确定MBP和Olsen-P是解释Chao1和Shannon指数的最重要变量（图8）。MBC、MBP、Olsen-P、MBC:P比值、C限制和P限制预测了优势菌门的相对丰度。秸秆添加导致MP土壤中细菌数量的增加更大。MP土壤微生物网络较为简单，网络节点最多，边缘最少（节点数为113，边缘数为402），但正负相关比较高（图9）。随着秸秆添加量的增加，土壤微生物网络节点和边缘数量逐渐增加，且在LS水平上具有较高的正负相关比。

图6 土壤细菌组成和多样性

图7 冗余分析（RDA）评估了细菌群落组成与土壤性质之间的关系

图8 相对重要性分析

图9 土壤细菌网络图

5、 P组分变化的驱动因素

SEM显示，土壤微生物生物量和养分限制对微生物多样性、AP活性和Po矿化有影响（图10）。土壤MBC和MBP分别对角度和长度有显著影响。角度和长度显著影响微生物多样性，MBP和角度影响磷酸酶活性。MBP对Po矿化有显著的正向影响，而角度（P限制）和磷酸酶对Po矿化有显著的负向影响。此外，土壤微生物生物量和酶化学计量量驱动了土壤细菌活性和群落的变化，细菌类群的富集显著影响了Po矿化（图8）。在环境变量中，MBP、磷酸酶活性和角度（P限制）是最重要的Po矿化解释因子。Olsen-P被用作描述符合生物变量的土壤磷水平的基础（图11）。当土壤Olsen-P含量在8.1~18.9 mg kg^-1之间时，秸秆添加促进了Po矿化；当土壤Olsen-P含量小于8.1 mg kg^-1或大于18.9 mg kg^-1时，秸秆添加促进了Po积累。相应的，MBC:P比值在25.6~36.9之间表现为Po矿化。在适宜磷有效性和MBC:P比值范围内，微生物具有较低的C和P限制，较高的群落多样性和CO₂排放率。

图10 SEM显示了土壤微生物生物量（MBC和MBP）、养分限制、群落结构和磷酸酶活性对Po矿化的直接和间接影响

图11 秸秆添加对不同磷水平下磷转化的影响及其与生物变量的关系

结论：

本研究揭示了秸秆添加对微生物磷转化的调控作用受土壤磷有效性的影响。随着磷有效度的增加，微生物对碳的限制逐渐增加，对磷的限制逐渐降低。秸秆添加引起的微生物生物量和养分限制的变化改变了微生物群落组成，促进了磷组分的转化。研究表明，秸秆C促进磷矿化的效果与土壤磷有效性有关。这些结果强调了微生物养分限制和细菌群落组成在土壤磷循环过程中的重要性。此外，高量秸秆添加对土壤微生物生物量、养分限制、微生物群落组成、磷酸酶产生和CO₂排放的影响更大，但对土壤磷转化的影响较小。