放牧和刈割对内蒙古草原土壤磷库和磷转化相关功能菌群的影响

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草原生态系统是重要的陆地生态系统之一。目前由于不合理的草原管理措施导致草原生态系统退化日益严重,包括植被多样性丧失和土壤肥力降低。磷(P)是土壤肥力的重要组成要素,其有效性对草原生态系统生产力和可持续性发展发挥着重要的作用。研究表明过度放牧和刈割作为常见的草地管理方式,可显著降低草地土壤磷含量。然而,目前有关不同放牧强度和刈割下土壤微生物如何参与草地土壤磷转化过程及对土壤磷有效性影响机制尚不清楚。因此,本研究于2019年7月选取了内蒙古地区草原为研究对象,并基于三个长期定位研究站的试验样地开展研究,试验包括两部分:不同放牧强度试验和刈割试验。其中放牧强度试验在典型草原和荒漠草原上进行,分别设有四个放牧强度处理:禁牧(UG)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)、重度放牧(HG)。刈割试验选取了三个地点(谢尔塔拉镇二队、谢尔塔拉镇十二队和白音锡勒牧场)的样地,分别设有两个处理:对照(Control)和刈割(1年1割,Mowing)。采用荧光定量PCR和高通量测序技术研究了不同放牧强度和刈割对土壤有机磷矿化微生物(碱性磷酸酶编码基因pho D)和无机磷溶解微生物(吡咯喹啉醌合成酶编码基因pqq C)丰度、多样性和群落结构的影响。同时,通过土壤化学连续浸提法和酶学方法确定了土壤磷库和磷转化相关酶活性变化。研究结果如下:(1)在典型草原,UG和LG的土壤H2O-Pi(水提取态无机磷)、Na OH-Pi(氢氧化钠提取态无机磷)、Na OH-Po(氢氧化钠提取态有机磷)、D.HCl-Pi(稀盐酸提取态无机磷)、C.HCl-Pi(浓盐酸提取态无机磷)和residual-P(残渣磷)的含量均高于MG和HG,且均以LG处理含量最高。在荒漠草原,放牧对总磷无明显影响,降低总有机磷含量而增加总无机磷含量;其中,UG的土壤C.HCl-Pi和residual-P的含量显著低于LG、MG和HG处理;HG较UG处理显著降低了土壤H2O-Pi含量。此外,在典型草原,放牧对土壤酸性磷酸酶活性没有影响,但在荒漠草原土壤酸性磷酸酶随放牧强度的增加而降低。在典型草原,与UG处理相比,LG土壤碱性磷酸酶显著增加了21.46%,HG显著降低了22.89%。荒漠草原的碱性磷酸酶随放牧强度的增加而降低,较UG处理降低幅度为6.94%~68.17%。土壤磷酸二酯酶活性变化趋势与碱性磷酸酶相似。与UG处理相比,两种草原类型下MG处理的植酸酶活性最高。此外,相关性分析结果显示放牧条件下土壤碱性磷酸酶和磷酸二酯酶活性与H2O-Pi、Na HCO3-Pi和速效磷存在显著的正相关关系。这些结果表明轻度放牧可提高土壤磷素肥力,而重度放牧则显著降低。不同放牧强度可显著影响土壤磷酸酶活性,并主要通过影响土壤碱性磷酸酶和磷酸二脂酶活性调节土壤磷的有效性。(2)在典型草原,与UG处理相比,LG提高了土壤pho D和pqq C的基因拷贝数、Chao1指数和Shannon指数,而HG则显著降低这些指标。在荒漠草原中,仅HG显著降低了pho D和pqq C的基因拷贝数;不同放牧处理对pho D和pqq C群落Chao1指数和Shannon指数差异不明显,仅MG较UG显著降低了pho D群落Shannon指数,LG较UG显著提高了pqq C群落Chao1指数。主坐标分析结果显示,与UG处理相比,典型草原LG和HG处理显著改变了土壤pho D和pqq C群落结构和组成,而荒漠草原MG和HG显著改变了土壤pho D和pqq C群落结构和组成。此外,在典型草原,pho D基因优势类群和低丰度类群均受到放牧的显著影响,而pp C群落仅低丰度类群受放牧的显著影响;在荒漠草原,放牧仅显著影响pho D和pqq C群落的低丰度和稀有类群。这些结果表明放牧可显著改变pho D和pqq C基因丰度、多样性和群落结构,且典型草原土壤磷转化功能菌群对放牧强度的响应比荒漠草原更敏感。(3)线性回归分析结果表明,典型草原放牧条件下土壤生物有效磷(速效磷、H2O-Pi和Na HCO3-Pi)与土壤pho D基因拷贝数存在显著的正相关关系,而与pqq C基因拷贝数无相关性;荒漠草原放牧条件下土壤pho D和pqq C基因丰度与土壤生物有效磷有显著正相关关系。因此,在典型草原,放牧主要通过影响pho D菌群调节土壤磷的有效性,而在荒漠草原,放牧可通过影响pho D和pqq C群落调节土壤磷的有效性。此外,相关性分析结果表明放牧条件下,典型草原pho D菌群对Na OH-Po较敏感,荒漠草原pho D菌群对Na HCO3-Po较敏感;荒漠草原pqq C菌群对C.HCl-Pi和residual-P较敏感。(4)与对照相比,各地点的刈割处理显著降低土壤H2O-Pi、Na HCO3-Pi、Na OH-Po以及Residual-P含量。此外,与对照相比,刈割下土壤磷酸二脂酶活性分别降低63.1%和13.1%(地点2和地点3),而土壤植酸酶活性分别增加39.0%和12.0%(地点1和地点2)。刈割降低了土壤酸性磷酸酶活性,而对碱性磷酸酶活性无影响。土壤各磷酸酶活性与生物有效磷均有显著的关系,但因地点而异。这些结果表明刈割降低了土壤磷素肥力,对土壤磷组分和磷酸酶活性的有显著的影响,但因地点而异。(5)三个地点的刈割处理较对照均显著增加了土壤pho D和pqq C基因拷贝数,并改变土壤pho D和pqq C群落结构和组成,而对Chao1指数和Shannon指数无影响。三个地点的刈割处理对pho D群落的丰富类群和低丰度类群均有影响,而土壤pqq C菌群的仅低丰度类群对刈割较为敏感。线性回归分析结果表明刈割下土壤pho D基因拷贝数与土壤H2O-Pi、Na HCO3-Pi和总有机磷含量呈显著负相关。皮尔森相关性分析发现土壤慢生根瘤菌属和红色杆菌属的相对丰度与pho D基因拷贝数呈显著正相关,与土壤总有机磷、C.HCl-Po和residual-P有显著负相关关系。由此表明,刈割可提高pho D和pqq C基因丰度,改变其群落结构和组成。此外,刈割造成土壤生物有效磷的缺乏,诱导了土壤pho D基因表达和菌群的生长,参与土壤C.HCl-Po和residual-P的矿化以缓解磷限制状况。(6)随机森林分析结果表明放牧条件下土壤总CNP养分和可利用氮(NH4+和NO3-)是影响土壤pho D和pqq C基因丰度和群落结构变化的关键因子。刈割下土壤TP、TN和NH4+含量是pho D群落结构变化的关键因子,土壤p H、NH4+和TN是影响土壤pqq C群落结构变化的主要因子。总体而言,不同放牧强度均显著改变了pho D和pqq C菌群群落结构。重度放牧降低了土壤磷素肥力,导致pho D和pqq C基因多样性丧失和抑制磷转化功能微生物生长。刈割降低了土壤磷素肥力,改变了pho D和pqq C菌群群落结构,促进磷转化功能微生物生长,但对pho D和pqq C菌群α-多样性无明显影响。
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