人工林土壤有机磷转化对凋落物控制的响应-基于磷酸盐氧同位素方法

In forest ecosystems, litter decomposition plays an critical role in phosphorus (P) cycling. Litter decomposition influences soil P supply not only directly by the release of inorganic phosphate, but also indirectly through its influences on the transformations of soil organic P.In the present study, we will investigate the underlying processes of how forest litter inputs influence the transformations of soil organic P. Mongolian pine plantations established on a poor sandy soil in semi-arid regions were selected as the study site. The concentrations and oxygen isotopic composition of different P fractions, phosphatase activities and microbial properties were analyzed in a field litter mainipulation and a laboratory litter incubation experiment. The aims were (1) to estimate the relative contributions of aboveground fresh litter, partially decomposed litter, and belowground roots to soil available P, and elucidate the different effects and underlying microbiological mechanisms of different types of forest litter inputs (aboveground litter and roots) and different stages of litter decomposition (fresh and partially decomposed aboveground litter) on the transformations of soil organic P ; (2) and to characterize the oxygen isotope effects in soil P transformations and identify their controlling factors, by analyzing the correlations between oxygen isotopic composition of soil P fractions, concentrations of soil P fractions, phosphatase activities and microbial community structure.

凋落物分解在森林生态系统磷循环中起关键作用。凋落物分解不仅直接向土壤中释放可溶性磷，还通过影响土壤有机磷转化来影响有效磷的供应。本项目以半干旱区沙地樟子松人工林为研究对象，通过野外凋落物控制实验和室内凋落物培养实验，采用磷酸盐氧同位素分析方法，结合土壤磷分级、酶和微生物性质分析，研究森林凋落物输入对土壤有机磷转化的影响及其作用过程。本研究目的为：（1）明确在樟子松人工林中不同来源（地上凋落物和根系）和处于不同分解时期（（新凋落和半分解）的凋落物对土壤有效磷供应的相对贡献，并阐明凋落物来源和分解时期对有机磷转化影响的差异性及其微生物学机制；（2）通过分析不同磷组分中磷酸盐氧同位素组成的变化及其与土壤中不同形态磷含量、酶活性和微生物群落结构之间的关系，探讨森林土壤中磷酸盐氧同位素的分异特征及其主要影响因素。

凋落物分解在森林生态系统磷循环中起关键作用。凋落物分解不仅直接向土壤中释放可溶性磷，还通过影响土壤微生物活性和群落结构影响有机磷转化，从而来影响有效磷的供应。本项目以半干旱区沙地樟子松人工林为研究对象，通过地上凋落物移除和加倍，以及地下断根处理实验，测定了土壤微生物群落结构、酶活性，不同形态有机磷含量以及磷酸盐氧同位素值，以分析森林地上和地下凋落物输入对土壤有机磷转化的影响及其微生物作用过程。结果表明：（1）地上凋落物移除和加倍实验处理两年后，凋落物加倍显著提高了土壤中各类群微生物量（42%-80%）和土壤葡萄糖苷酶（57%）和酸性磷酸酶活性（16%），促进了土壤中的有机质和磷的矿化。但由于凋落物分解过程中磷的富集，凋落物加倍使土壤有效磷含量显著下降了26%。凋落物移除对土壤微生物量和酶活性，以及有效磷含量均无显著影响。（2）后续地上凋落物移除和断根处理实验表明，尽管凋落物移除前两年对土壤微生物和有效磷的影响不显著，但随着凋落物移除时间的增加，其影响逐渐加强。地上凋落物移除和断根都显著降低了樟子松人工林土壤各类群微生物量，但断根处理的影响远强于地上凋落物移除。地上凋落物移除使土壤各类群微生物量下降了9%−24%，而断根处理使其下降了83%−86%。地上凋落物移除使真菌/细菌比显著下降了11%，而断根处理对其无影响。凋落物移除使微生物磷和有效磷含量显著下降了53%和43%。断根处理使土壤酸性磷酸酶活性和微生物磷含量显著下降了62%和73%，但对有效磷无显著的影响。树脂磷中的δ18OP同位素值的变化趋势与微生物磷基本一致。可见，在土壤贫瘠的沙地樟子松人工林中，地上凋落物量的增加较凋落物量的下降对土壤微生物活性及有机磷转化的影响更快更强；地上凋落物输入减少时，樟子松能通过增加根系的周转来维持土壤微生物的活动。地下根系是决定樟子松人工林土壤微生物量的主要因素，在维持土壤微生物活性及其主导的有机磷的矿化过程中起主导作用，而地上凋落物控制着土壤微生物的群落结构。