文獻解讀

譯名：

氣候對陸地自然生態(tài)系統(tǒng)土壤磷循環(huán)和有效性的影響

作者：EnqingHou，etal.

期刊：GlobalChange Biology

影響因子/分區(qū)：13.11/1區(qū)

發(fā)表時間：2018年

1.關鍵詞

土壤磷有效性，氣候，磷循環(huán)，土壤特性，全球模式。

2.研究主題和背景

（1）背景：過去21世紀以來，全球平均氣溫和降水量預計都將上升，空間變化幅度較大，持續(xù)的氣候變化會對陸地自然生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分循環(huán)和有效性產生很大的影響，而目前關于P循環(huán)對氣候變化的響應了解很少，提高氣候變化對土壤磷循環(huán)及其有效性影響的認識，有助于將磷循環(huán)納入地球系統(tǒng)模型。

（2）主題：本研究中，我們將假設導向的路徑模型分析應用于一個全球數據庫，其中包括連續(xù)提取的土壤磷組分、氣候變量和關鍵土壤屬性。結合路徑模型分析和全球數據庫，我們可以在全球尺度上量化潛在的直接和間接路徑和土壤性質在氣候對土壤磷有效性的影響中的相對重要性。

3.科學問題或科學假說

科學問題：

A.氣候因素（溫度、降水、干旱程度）在全球尺度上如何影響土壤磷生物有效性？

B.土壤磷素形態(tài)和關鍵土壤性質如何介導氣候影響土壤磷生物有效性？

4.材料與方法

（1）數據源及數據準備：

使用了Hedley（1982）等人的順序分餾浸提法，編制一個土壤磷組分數據庫。我們的調查僅限于未施肥、未開墾和(半自然)自然土壤的研究。之前數據庫包括2015年8月之前發(fā)表的85項研究共626個土壤樣品的HedleyP組分、土壤全磷、土壤類型、土壤深度、植被類型和站點地理位置(緯度和經度)信息，本研究數據庫被更新，包括98項研究的802個土壤樣本。此外，本研究還增加了場地氣候條件(平均年溫度(MAT)、平均年降水量(MAP)和干旱程度)、土壤粒徑測量(沙子(0.05- 0.05)2.00 mm)、淤泥(0.002- 0.05 mm)和粘土(<0.002 mm)含量、3個關鍵土壤化學性質(pH、全有機碳和全氮)以及母質類型。

采用Hedley等(1982)和Tiessen&Moir改進的方法提取土壤磷組分(1993)，將其劃分為5個功能性磷庫：土壤速效磷、次生礦物磷、有機磷、原生礦物磷和閉蓄磷。對于760個土壤樣品，在參考研究沒有報告測量的緯度或經度的情況下，大約的緯度和經度(對于80個樣品)是通過谷歌Earth7.0(免費版本)中的位置名稱進行地理編碼得到的。在參考研究未報告MAT(351樣本)、MAP(299樣本)或海拔(427樣本)的情況下，其值來源于WorldClim。植被類型以森林為主(63.7%)，其次為草地(18.4%)和灌木(6.4%)，其他植被(例如稀樹草原)所占比例相對較小。

（2）數據分析：

在進行海拔高度、土壤深度、土壤全有機碳、全氮、全磷和所有土壤磷素庫的相關性分析之前，進行l(wèi)og10轉換以提高正態(tài)性。采用Pearson相關分析方法，利用spss19.0軟件分析氣候與土壤性狀的二元關系，采用SigmaPlot12.0繪圖技術和回歸方法。利用SPSS19.0進行偏相關分析，以確定MAT對MAP和土壤磷庫相關性的影響程度，或反之，以探索MAT、MAP和土壤磷庫之間的相互關系。SEM結構方程模型定量分析了氣候對土壤速效磷影響的潛在直接和間接途徑和土壤性質的相對重要性。我們計算了氣候和土壤性質對土壤磷素庫的標準化總影響，以顯示氣候和土壤性質對土壤磷素形態(tài)和有效性的相對影響。

5.結果

（1）二元相關關系：

土壤P庫除次生礦物P(即有效磷)外，其余均隨MAT的增加呈線性下降趨勢，土壤次生礦物P與MAT無顯著相關關系。

土壤有效磷庫、原生礦物P庫與MAP呈線性下降，有機P庫、次生P庫和閉蓄P庫均與MAP呈上升關系。除原生礦物磷(有效磷、有機磷、次生礦物磷、封閉磷和總磷)外，土壤磷庫均隨砂含量的增加線性降低，隨土壤有機碳濃度的增加而線性增加。隨著土壤pH的降低，土壤原生礦物磷和總磷呈下降趨勢，有機磷、次生礦物磷和閉蓄磷呈上升趨勢。

（2）氣候對土壤P庫的總體影響：

用MAT和MAP對所有樣品進行SEM分析，可以解釋44%、59%、61%和52%的土壤速效磷、原生礦質磷、有機磷和次生礦質磷的變異率。在土壤磷庫中，土壤有機磷和原生礦物磷對土壤有效磷的正向影響最大，其次是次生礦物P，土壤pH對土壤原生磷有正向影響，對次生磷有負向影響。MAT對土壤中所有磷庫和土壤有機碳均有負向影響，但對土壤砂粒含量有正向影響(圖3b)。MAT對土壤原生礦物磷有直接的負向作用，對土壤次生礦物磷有直接的正向作用。

與MAT相比，MAP通過降低土壤砂粒含量對所有土壤磷庫和土壤有機碳均有正向影響(圖3b)。MAP通過降低土壤pH直接或間接地影響土壤原生礦物P(圖3b)。MAP主要通過對土壤有機C的影響來正向影響土壤有機P，并通過土壤pH、有機C和砂粒含量這3種土壤特性(圖3b)來正向影響土壤次生礦物P(圖3b)。MAP通過降低土壤pH和原生礦磷直接或間接地影響土壤有效磷。

（3）氣候因子對土壤磷庫相對于其他生態(tài)系統(tǒng)特性的影響：

選擇氣候、植被、土壤和母質因子作為預測因子的BRT分析解釋了82%-91%的土壤磷庫變化(表2)。一般來說，氣候因子占土壤磷庫總變化的比例(即MAT和MAP)與土壤類型、母質所占比例相當。

其中，土壤有機C占土壤有效磷總解釋變異的比例最大(22.5%)，其次是MAT(16.5%)和MAP(16.1%)、母質類型(14.6%)、土壤類型(13.3%)、pH(14.6%)和含沙量(3.9%)和植被類型(2.0%)。在預測因子中，土壤有機C對土壤有機P的影響最為顯著(53.3%)；MAT、土壤類型和土壤pH對土壤原生礦物P的影響最大(分別為29.7%、25.8和23.8%)；土壤pH對土壤次生礦物P的影響最大(22.6%);土壤類型、pH、有機碳濃度和砂粒含量對土壤閉蓄磷的影響最大(總和為69%;表2)

6.討論

研究結果表明，MAT、MAP和干旱都影響全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的土壤磷循環(huán)和有效性，其影響主要取決于土壤顆粒大小。土壤有機磷和原生礦物磷是土壤有效磷的主要來源，氣候對土壤速效磷的影響主要通過對土壤有機磷和原生礦質磷的影響。普遍認為炎熱潮濕的熱帶地區(qū)土壤磷有效性低于寒冷的溫帶地區(qū)，在全球尺度上，土壤有效磷含量隨MAT和MAP的升高而顯著降低，這與該假說一致。然而，由于MAT和MAP具有典型的空間自相關性，兩者對土壤磷素有效性的影響往往沒有很好地分離。以往的研究表明，MAT通過增加土壤風化程度和植物對磷的吸收，對土壤磷素有效性產生負面影響。與這些研究一致的是，MAT通過降低土壤原生磷直接或間接地對土壤有效磷產生負面影響，但這種直接影響在統(tǒng)計上并不顯著。MAT通過降低土壤有機磷和有機碳含量，增加土壤沙粒含量，對土壤速效磷也有負向影響。土壤磷素礦化對溫度變化的敏感性高于植物磷產量。土壤有效磷通過增加土壤沙粒含量對土壤有效磷產生負面影響，這可能是由于土壤有效磷含量高增加了土壤富集細顆粒的風致?lián)p失風險。

氣候對土壤磷形態(tài)和有效性的影響模式在全球尺度上普遍適用于表土和底土，在干旱和非干旱環(huán)境中也適用，盡管氣候對表土的影響主要大于底土，在干旱環(huán)境中也大于非干旱環(huán)境。預計氣候對土壤性質的影響在干旱環(huán)境中通常比在非干旱環(huán)境中更大。這是因為土壤水分供應在干旱環(huán)境中比在非干旱環(huán)境中起著更重要的決定生態(tài)系統(tǒng)性質的作用，它可以被氣候變化所改變。氣候對土壤速效磷的影響在低沙和高沙土壤間存在差異。結果表明，氣候與土壤顆粒大小相互作用，影響土壤磷素有效性。與低沙土壤相比，在經歷大量降水時，高沙土壤更容易通過淋濾和徑流失去包括磷在內的養(yǎng)分。因此，MAP對高沙土壤速效磷含量有顯著負向影響，而對低沙土壤速效磷含量無顯著影響。持續(xù)的全球降水變化對高沙土速效磷的負面影響可能比僅基于降水量的研究結果更強。與MAP一樣，MAT也與土壤顆粒大小相互作用，從而影響土壤速效磷。首先，溫度的升高可能會降低高沙質土壤的含水量，但對低沙質土壤的含水量影響相對較小。溫度升高引起的土壤含水量降低可能會抵消溫度對植物生長和磷吸收的積極影響。

氣候可能會影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中的若干磷循環(huán)。然而，與植物特征和其他環(huán)境條件(如植被、土壤和母質類型)相比，氣候因素在決定土壤磷有效性方面的重要性尚不清楚。結果表明，在全球尺度上，氣候因子(MAT和MAP)解釋的土壤速效磷變化比例與土壤類型、pH、有機碳濃度和母質類型解釋的土壤速效磷變化比例大致相當。

7.結論

綜上，MAT對土壤磷素有效性的影響主要表現為降低土壤原生磷和有機磷庫，增加土壤沙粒含量。MAP與土壤磷素有效性也呈負相關，但這主要是由于MAP與MAT的空間自相關所致。MAP對土壤磷有效性的總體影響較小，主要是MAP對土壤有效磷的直接負向作用和對土壤原礦磷的負向作用與對土壤有機磷的正向作用以及對土壤粒徑的正向作用相互抵消。干旱程度主要由MAP決定，干旱對土壤速效磷總體影響較小。這些全球模式通常適用于土壤深度或場地干旱指數，也適用于低沙土壤。但高砂土P有效性受MAT和干旱的正向影響，MAP的負向影響。這些結果表明，氣候對土壤磷素有效性的影響主要取決于生物磷素循環(huán)和土壤顆粒大小的響應。全球變暖與降水量變化對土壤磷有效性的影響差異顯著。干旱對土壤磷素有效性的影響取決于干旱的驅動因素(溫度變化，降水，或兩者兼而有之)。我們的研究結果對氣候智能型土壤保持和管理具有重要意義，有助于將土壤磷動力學納入地球系統(tǒng)模型。

END

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