氮沉降对外生与丛枝菌根人工林根际土壤磷有效性影响机制

Phosphorus is the most important limiting nutrient for plant and microbe growth in red soil. Nitrogen deposition increases plant and microbe phosphorus demanding, and rhizosphere is the hot spots of plant-soil microbe nutrient competing area. However, it is not well understood the mechanisms behind nitrogen deposition on rhizospheric soil phosphors availability in ectomycorrhizal and arbuscular mycorrhizal fungal plantation forests in red soil. In this study, we choose ectomycorrhizal fungal (Pinus massoniana, Pinus elliottii) and arbuscular mycorrhizal fungal (Cunninghamia lanceolate) plantation forests in subtropical red soil. By field investigation, nitrogen addition-rhizospheric box planting, 13CO2 labeling-rhizospheric box planting experiments, together with 13C-DNA stable isotope probing, functional gene sequencing, enzyme kinetics, in situ fluorescence zymography techniques, we analyze soil phosphors availability, phosphatase kinetics, phosphatase zymography, phosphatase functional gene abundances and community diversities, 13C lablling microbial diversity, and environmental factors in rhizospheric soils. The major objectives are: 1) to reveal the main affecting factors of rhizospheric soil phosphors availability in ectomycorrhizal and arbuscular mycorrhizal fungal plantation forests; 2) to clarify the mechanisms behind nitrogen deposition on rhizospheric soil phosphors availability in ectomycorrhizal and arbuscular mycorrhizal fungal plantation forests in red soil. This study has significant implications for an understanding of phosphorus maintenance and nutrient management under nitrogen deposition increasing scenario in subtropical red soil plantation forests.

磷是红壤中植物和微生物生长最重要的限制养分，氮沉降加剧了磷的限制作用。根际是植物和土壤微生物养分竞争最激烈的区域。氮沉降对红壤不同菌根类型人工林根际土壤磷有效性影响机制还不清楚。本研究选择亚热带红壤人工针叶林中的外生菌根(马尾松、湿地松)、丛枝菌根(杉木)植物，采用野外调查、氮添加-根箱培养、13CO2标记-根箱培养控制实验，利用13C-DNA的稳定同位素探针(SIP)、功能基因测序、酶动力学、酶谱监测等技术，分析根际土壤磷有效性、磷酸酶动力学、磷酸酶酶谱、磷酸酶功能基因丰度与种群多样性、13C标记的微生物种群特征等。主要目的：1)揭示红壤外生菌根、丛枝菌根人工林根际土壤磷有效性的影响因素；2)阐明氮沉降对红壤外生菌根与丛枝菌根人工林根际土壤磷有效性影响机制。为氮沉降增加背景下，南方红壤人工林土壤磷维持机制、养分管理提供理论依据。

氮沉降加剧了土壤磷对亚热带植物生长限制，而根际是植物和土壤微生物养分竞争激烈的区域，氮沉降对红壤不同菌根类型人工林根际土壤磷有效性影响机制还不清楚。本研究选择亚热带红壤人工林中的外生菌根、丛枝菌根植物，采用野外调查、氮磷添加控制实验、原位酶谱根箱培养实验，利用土壤酶动力学参数、原位酶谱、土壤磷矿化功能微生物、根系功能性状等分析技术，揭示外生与丛枝菌根人工林根际土壤磷有效性的特征及其对氮沉降响应机制。结果表明：1）丛枝菌根树种根际土壤磷有效性高于外生菌根树种，这与磷酸单酯酶活性有关，且丛枝菌根树种叶片磷回收率和吸收根磷含量均高于外生菌根树种，这表明与外生菌根树种相比，丛枝菌根树种通过回收更多的地上磷，并通过矿化和吸收更多的地下磷，来提高土壤磷的有效性和缓解土壤磷限制。2）建立了原位酶谱与微生物多样性相结合的分析技术，在该技术在喀斯特土壤玉米、苜蓿、莎草根箱培养实验中，发现根际磷酸酶热点区酶活性与固氮菌的相对丰度正相关，与磷酸酶功能基因丰度、微生物群落丰度和多样性负相关，这表明关键种微生物对磷有效性的潜在促进作用，揭示了土壤氮磷养分循环的重要耦合关系。3）随着土壤深度的增加，外生菌根树种马尾松人工林土壤总磷含量基本维持不变，而总磷储量有增大的趋势，这受土壤容重的影响。丛枝菌根树种杉木土壤磷酸酶催化效率影响土壤剖面磷有效性，这表明土壤微生物通过分泌具有高底物亲和力的高效酶，使其在不同土层保持对有效磷的供应能力。4）外源氮磷添加降低杉木人工林土壤磷酸酶活性和编码碱性磷酸酶功能基因丰度，表明外源氮磷添加可导致土壤磷有效性增加，缓解了杉木林土壤磷养分限制。随着土层加深，土壤氮、磷含量的降低导致土壤微生物活性降低所产生的作用可能被微生物产生更加高效率的酶活性所抵消。本研究结果可为红壤人工林磷素管理及对氮沉降响应提供科学依据。