添加磷和秸秆对磷含量不同的土壤中磷转化的影响

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磷是动植物生长发育过程中必不可少的元素物质。土壤环境中,高达95%的磷为较难利用的磷化合物,磷对于生物的有效性取决于其存在形态、含量及其相互转化。土壤磷的转化过程包括无机难溶性磷酸盐的化学转化和有机磷的矿化。驱动有机磷矿化的磷酸酶受控于相关微生物区系的组成和多样性,而微生物的组成结构受到土壤养分含量和比例的反馈和调节。虽然施肥对土壤磷素转化和微生物结构组成的影响已有大量研究,但肥料添加对不同养分含量土壤磷的有效性和基于生态化学计量学的微生物学、酶学机制尚待进一步明确。为此,本研究选取长期不施肥(B)、施化肥(C)和施有机肥(O)的三种旱地黄棕壤作为研究对象,分别设置了对照(CK)、加秸秆(S,小麦秸秆)、中磷(P,30mg·P·kg-1,KH2PO4)、秸秆+中磷(SP)、高磷(PP,150mg·P·kg-1,KH2PO4)以及秸秆+高磷(SPP)6个处理,在25℃恒温条件下进行为期50天的室内培养实验,观测土壤速效磷、磷形态、土壤碳氮转化、土壤酶以及磷转化相关微生物群落组成和多样性的变化,探究磷和秸秆添加对长期不同施肥土壤中磷素转化和相关微生物驱动机制。主要研究结果如下:(1)长期不同施肥土壤中全磷含量和速效磷存在显著差异。B、C、O土中的全磷含量分别是67.5、163.1及912.7 mg·kg-1,其中速效磷含量分别是17.7、58.9及398.2 mg·kg-1。C土和O土的总磷较B土高2.4倍和13.5倍;O土的土壤总磷是B土的5.6倍。土壤β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶、酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性均是O>C>B,且差异显著(P<0.01)。(2)磷添加显著提高了土壤速效磷和土壤活性、中活性磷组分的含量。培养期间,三种土壤速效磷随磷添加水平的上升而上升。磷添加显著提高了Resin-Pi/Po、Na HCO3-Pi、Na OH-Pi、c HCl-Po、Residual-P的含量(p<0.05)。磷添加降低了B、C土中有机磷含量、而升高了O土有机磷含量。PP处理的活性磷Resin-Pi、Na HCO3-Pi和中活性磷Na OH-Pi的含量显著高于P处理。(3)磷配施秸秆相对于单加磷处理提高了B土、C土中的速效磷含量,O土中则相反。磷配施秸秆处理中Na HCO3-Po显著升高(p<0.05),d HCl-Po显著降低(p<0.05)。秸秆添加显著提高了土壤可溶性有机碳含量以及土壤二氧化碳和氧化亚氮的排放通量。(4)三种土壤中均是酸性磷酸酶占主导,秸秆是影响土壤磷酸酶活性的显著因子(P<0.01),加秸秆处理磷酸酶活性显著高于不加秸秆处理。磷酸酶对于磷添加的响应不显著,但土壤β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性显著升高(p<0.05)。磷配施秸秆处理中,酸性磷酸酶和碱性磷酸酶活性的升高与β-1,4-葡萄糖苷酶、β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶活性升高保持一致,表明磷矿化在一定程度上与碳氮矿化内在耦合,磷酸酶活性由微生物对碳氮的需求驱动。(5)添加秸秆以及秸秆和磷肥配施均显著提高了phoC和phoD基因的绝对丰度和物种多样性。phoC和phoD基因细菌群落的优势物种主要分布在变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria),添加秸秆和外源磷会增加嗜铜菌属(Cupriavidus)和慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)的相对丰度,在物种组成上趋向于发展碳氮代谢相关的微生物类群。长期不同施肥改变了土壤微生物组成和功能,长期施有机肥有利于形成稳定多功能的的微生物区系。综上所述,磷和秸秆的施入会通过改变养分可利用性来影响phoC和phoD基因微生物群落丰度、多样性和组成,进而调控酸性磷酸酶和碱性磷酸酶的活性,影响土壤磷的转化,最终影响土壤速效磷水平。
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