關(guān)鍵詞

高寒草原；全球變暖；低分子量有機(jī)酸；菌根；磷溶解細(xì)菌；植物養(yǎng)分獲取策略；P形態(tài)。

研究主題和背景

（1）背景：磷是高寒草地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的限制性因素，高寒草地生態(tài)系統(tǒng)對(duì)全球變暖十分敏感。相對(duì)于碳、氮循環(huán)而言，關(guān)于高寒草地生態(tài)系統(tǒng)變暖后植物有效磷的主要來(lái)源的認(rèn)識(shí)極其有限。

（2）主題：青藏高原高寒草甸(海拔4635 m) 8年增溫試驗(yàn)。地上生物量和地下生物量中磷的濃度顯著增加，表明增溫條件下植物對(duì)磷的活化和同化作用增強(qiáng)。

科學(xué)問(wèn)題或科學(xué)假說(shuō)

（1）科學(xué)問(wèn)題：全球變暖背景下高寒草甸植物P獲取策略與土壤磷活化之間存在著怎樣的協(xié)同關(guān)系？

（2）科學(xué)假說(shuō)：

A. 鈣結(jié)合態(tài)磷是高寒草甸堿性土壤長(zhǎng)期增溫后植物有效磷的主要來(lái)源。

B. 鈣結(jié)合態(tài)磷的活化與氣候變暖下高效的植物P獲取策略有關(guān)，如釋放大量羧酸。

C. 鈣結(jié)合態(tài)磷的活化也與植物N獲取的策略有關(guān)。

材料與方法

本研究是在北麓河凍土觀測(cè)站，采用隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，五個(gè)區(qū)組，每個(gè)區(qū)組都有成對(duì)的控制和升溫處理。

A.?樣地與土壤樣品采集與保存

該實(shí)驗(yàn)于2017年9月28日和2018年6月27日開(kāi)展，用土鉆分別在0 - 10,10 - 20,20 - 30和30 - 50cm深度采集土壤樣品(直徑5厘米)；ANPP；蓋度，Mn、C、N、P的濃度。采用生長(zhǎng)核心法對(duì)地下凈初級(jí)生產(chǎn)力(BNPP)進(jìn)行測(cè)量。

B. DNA提取，PCR和DNA測(cè)序

使用PowerSoil從0.5 g土壤樣品中提取DNA，用納米滴分光光度計(jì)測(cè)定提取的DNA的質(zhì)量和數(shù)量。采用16S rRNA和Hiseq 2500 PE 100測(cè)序。

C.?土壤和植物分析

土壤樣品過(guò)2mm篩；pH；土壤有機(jī)C、N；氨態(tài)氮、硝態(tài)氮；MBP：氯仿熏蒸，使用0.5mol碳酸氫銨提取液浸提；酸性和堿性磷酸酶活性：對(duì)硝基苯酚磷酸鹽法；TP；P組分。

D.數(shù)據(jù)分析

原始FASTQ是環(huán)狀共識(shí)測(cè)序，經(jīng)過(guò)篩選、聚類(lèi)和解復(fù)用，在生物標(biāo)記平臺(tái)(https://international.biocloud.net/)上使用QIIME獲得操作分類(lèi)單元(OTU)。根據(jù)Bergkemper et al.(2016)的數(shù)據(jù)集，本研究將與磷循環(huán)相關(guān)的細(xì)菌順序分配給OTUs。采用方差齊性檢驗(yàn)對(duì)土壤性質(zhì)和磷形態(tài)、植物C、N、P、Mn、ACP、ALP、ANPP、BNPP、NPP以及與磷循環(huán)相關(guān)的微生物相對(duì)豐度進(jìn)行了檢驗(yàn)。然后對(duì)他們進(jìn)行單因素方差分析，以檢驗(yàn)增溫區(qū)和對(duì)照區(qū)之間的差異。三個(gè)變量殘差的正態(tài)性通過(guò)Q-Q圖進(jìn)行檢驗(yàn)。如果方差不均勻，則采用Kruskal Wallis檢驗(yàn)分析這些變量的差異。采用Spearman相關(guān)分析檢驗(yàn)土壤磷形態(tài)與生物變量的相關(guān)性。采用IBM SPSS Statistics 21軟件進(jìn)行方差分析、Q-Q圖、Kruskal Wallis檢驗(yàn)和Spearman相關(guān)分析。

結(jié)果

（1）?土壤磷和土壤性質(zhì)

土壤全磷平均濃度約為206 mg kg?1，鈣結(jié)合態(tài)P占41%-69%；有機(jī)磷占31%；殘?jiān)黀占2%；有機(jī)磷中高抗性有機(jī)磷占84%；植物有效磷僅占總磷的1.5%；鈣結(jié)合態(tài)磷含量在2017、2018增溫條件下顯著低于對(duì)照；而高抗性有機(jī)磷和殘?jiān)讋t呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。

（2）?植物性能

在增溫條件下莎草科、草本科和禾本科植物的ANPP、BNPP、NPP都呈增加趨勢(shì)；增溫后，植物生物量C、N、P總體呈上升趨勢(shì)，而地下生物量C、N變化不顯著。

莎草科和草本科植物的葉片[Mn]含量顯著高于禾本科植物；7-8年的持續(xù)增溫顯著增加了草本科植物的葉片[Mn]含量，而莎草的葉片[Mn]含量?jī)H在增溫7年后有顯著增加。增溫對(duì)禾本科植物葉片[Mn]含量并沒(méi)有顯著影響。

討論

（1）氣候變暖增加鈣結(jié)合態(tài)磷的周轉(zhuǎn)：暖化使植物生物量磷顯著增加；地上生物量P與鈣結(jié)合態(tài)P呈負(fù)相關(guān)，由此可見(jiàn)，植物吸收了部分鈣結(jié)合態(tài)P。

地下生物量磷的增量大于地上生物量磷的增量。增溫通過(guò)增加高原某一部位的堿性磷酸酶(ALP)和酸性磷酸酶(ACP)活性，促進(jìn)了有機(jī)磷的礦化。

（2）?土壤磷轉(zhuǎn)化的機(jī)制：相比不能釋放磷活化化合物的植物而言，向根際釋放大量羧酸鹽的植物具有更高的葉片[Mn]含量。

總結(jié)與思考

在高原中部的高寒草甸試驗(yàn)增溫8年，土壤Ca-Pi顯著降低；Ca-Pi活化主要與植物磷獲取策略的增強(qiáng)作用有關(guān)；莎草和forbs分泌羧酸，而不形成獨(dú)特的特化根來(lái)調(diào)動(dòng)鈣結(jié)合態(tài)磷；我們不排除其他養(yǎng)分獲取策略對(duì)植物磷吸收的貢獻(xiàn)，但強(qiáng)調(diào)了羧酸釋放型磷獲取植物策略在調(diào)動(dòng)土壤磷有效性方面的主要作用，在長(zhǎng)期變暖的高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，植物對(duì)磷的需求不斷增加；本研究結(jié)果表明，植物營(yíng)養(yǎng)獲取策略可能決定了植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)貧乏高寒生態(tài)系統(tǒng)全球變化的響應(yīng)，并可能支持高寒草甸的管理和恢復(fù)。