《Journal of Environmental Management》：Microbial regulation of phosphorus cycling under soil amendments and shrub selection in arid limestone mine restoration
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磷素有效性受難溶鈣磷束縛，本研究通過有機/無機改良與耐旱灌木組合試驗，揭示土壤水分、微生物生物量及群落結構對無機磷分餾（活化態、緩效態、難溶態）的影響機制，發現有機改良顯著提升活化態磷10.73%，且微生物生物量與難溶態磷呈正相關，功能菌群差異驅動磷形態轉化。
何明珠|郭元尚|秦慧軍|周靜|辛春明|杜勝忠|張曦|吳文進|韓國軍
中國科學院西北生態環境資源研究院干旱地區生態安全與可持續發展重點實驗室，中國蘭州，730000
摘要
在干旱的石灰巖礦區，磷（P）的限制制約了生態恢復，因為無機磷主要以難利用的形式存在。我們研究了土壤改良劑和耐旱灌木種類是否通過改變土壤性質和早期恢復階段的微生物群落結構，影響無機磷（IP）各組分的比例。在一個基于微環境的種植條件下，我們進行了一個結合四種基質改良策略和七種耐旱灌木種類的田間實驗。實驗結果表明，與對照組相比，有機改良劑使有效磷增加了10.73%，并伴隨著更高的土壤含水量（SWC）和微生物生物量。偏最小二乘結構方程模型（PLS-SEM）分析顯示，SWC與活性磷（LP）呈正相關，而微生物生物量指標與難利用磷（RP）組分有統計學關聯。微生物群落分析表明，放線菌門和擬桿菌門與LP和RP組分顯著相關，而變形菌門與中等循環磷（MP）有關，這表明不同微生物群體之間存在潛在的功能分化。因此，我們提出了一個“功能特化-動態平衡”的概念框架，即土壤理化條件和微生物群落組成共同影響微環境尺度上的IP分布模式。這些發現強調了局部改良策略和灌木選擇如何在早期恢復階段提高磷的有效性，但需要長期和多季節的驗證來評估其時間穩定性和野外普遍性。
引言
磷（P）是調節陸地生態系統初級生產力的基本大量營養元素（Elser等人，2007年；Hu等人，2016年；Fu等人，2020年）。在干旱和半干旱地區，磷的有效性特別受到土壤條件的限制，尤其是普遍存在的富含碳酸鈣的石灰巖土壤（He和Dijkstra，2014年）。在堿性條件下，磷容易沉淀為難溶解的鈣-磷酸鹽復合物，大大限制了植物可利用的形式（Tunesi等人，1999年；Barrow，2015年）。盡管無機磷（IP）可能占土壤總磷的50-90%（Jiang和Gu，1989年），但其在不同化學組分中的分布決定了其生態有效性。根據Hedley的分級框架，IP通常被分為活性磷（LP；含有Ca2-P）、中等循環磷（MP；含有Ca8-P、Al-P、Fe-P）和難利用磷（RP；含有Ca10-P），它們在溶解度和周轉潛力上存在顯著差異（Cross和Schlesinger，1995年；McDowell和Stewart，2006年；Zhao等人，2019年）。盡管在濕潤農業系統中對土壤磷循環有大量研究（Yan等人，2017年；Fu等人，2020年；He等人，2021年），但對于干旱、高度擾動的石灰巖礦區中IP組分的調控知之甚少，因為極端的養分耗竭、低水分保持能力和土壤結構破壞給磷的轉化帶來了額外的限制。這一知識空白限制了我們設計生態上可行且可擴展的退化干旱礦區恢復策略的能力。
在干旱的礦區環境中，磷的稀缺性因嚴重的表土侵蝕、物理基質退化以及難利用磷形式的主導而進一步加劇，這些因素共同限制了植物的生長和生態系統的恢復（Hedley等人，1982年）。為了緩解這些限制，經常采用綜合改良策略，如添加細質材料和有機或礦物肥料，以改善土壤結構、增強水分保持能力并改變磷的吸附-解吸動態（Chen等人，2021a；Ruehlmann和K?rschens，2020年；Han等人，2021年）。特別是有機改良劑，與增加的微生物生物量、有機酸產生和磷酸酶活性有關，這可能在堿性條件下有助于鈣結合磷的釋放（Richardson等人，2009年；Zhou等人，2022年）。基于植被的恢復方法，尤其是那些涉及耐旱灌木種類的方法，在干旱系統中也起著重要作用。灌木可以通過根系分泌物、養分吸收和與微生物群落的相互作用影響根際化學（Rao和Tak，2002年；Fu等人，2020年）。然而，不同物種在根系結構、分泌物組成（例如檸檬酸、草酸）、菌根關聯以及與磷酸鹽溶解微生物的兼容性方面存在差異，可能導致磷轉化過程的不同效果（Shi等人，2020年；Wan等人，2020年）。盡管取得了這些進展，大多數研究都是獨立考察土壤改良劑或植被的影響，關于它們對干旱石灰巖礦區無機磷組分分布和轉化的共同影響的證據仍然有限。因此，了解基質改良和灌木選擇如何相互作用以重塑微生物介導的磷動態對于設計既生態合理又實際可行的恢復策略至關重要。
盡管人們普遍認為土壤改良劑通過理化途徑影響磷的有效性，但它們與微生物調控過程的相互作用仍不完全清楚（S?nmez等人，2016年；Hu等人，2018年）。微生物群落通過多種生化機制參與土壤磷的轉化，包括細胞外磷酸酶的產生、有機酸的分泌、微生物周轉和根際改變化（Rana等人，2020年；Fu等人，2020年）。據報道，磷酸鹽溶解細菌和真菌通過局部酸化和酶促水解增強礦物磷的釋放，從而在某些條件下增加活性磷的量（Lopes等人，2021年）。這些微生物過程對土壤改良措施和植物來源的輸入敏感，可以改變微生物群落組成、活動模式和養分獲取策略。然而，改良引起的微生物變化與IP組分分布和轉化的變化之間的關聯程度——特別是在磷受限的石灰巖礦區土壤中——仍缺乏定量研究（Hinsinger，2001年）。現有的土壤磷循環框架歷來強調非生物的吸附-解吸平衡和礦物沉淀過程，往往將微生物的貢獻視為次要因素（Geisseler等人，2011年；Maltais-Landry等人，2014年；He等人，2021年）。最近的研究表明，微生物群落結構的變化可能與特定磷組分的變化相對應（Azeez和Van Averbeke，2010年；Ahmed等人，2017年；Chen等人，2021b）。一些微生物類群與特定磷組分有優先關聯，可能表明在磷獲取策略上的生態位分化（Bergkemper等人，2016a；Zhou等人，2022年）。然而，這些關聯是否在各種恢復背景下都是一致的，尤其是在基質改良和灌木建立的共同影響下，仍不清楚。因此，需要更清晰地理解微生物群落如何響應恢復干預以及這些響應如何與IP組分的重新分配相關聯，以便改進退化石灰巖生態系統中的磷管理。
在這項研究中，我們旨在量化在基于微環境的恢復單元中，結合粘土和有機或復合肥料的四種基質改良方案下LP、MP和RP組分的變化。我們進一步使用偏最小二乘結構方程模型（PLS-SEM）評估了非生物因素（如土壤理化性質和團聚體結構）和生物因素（如微生物生物量指數-MBC、MBN、MBP）與P組分分布之間的相對關聯。此外，我們通過高通量測序和隨機森林分析探索了與IP組分變化統計相關的微生物類群，認識到這些關系反映了相關性模式而非直接的功能驗證。我們假設：（1）有機改良劑將優先增加LP和MP組分，可能是通過改善土壤濕度和生物活性增強鈣結合磷的溶解；（2）基質改良主要通過土壤基質中的理化變化（包括團聚體動態和pH緩沖效應）改變IP分布；（3）微生物群落組成將與特定IP組分表現出不同的關聯，這與推斷出的磷獲取策略的功能分化一致。
實驗地點描述和設計
田間實驗在中國西北部寧夏回族自治區中衛市的一個廢棄露天石灰巖礦場進行（37°10′59″N，105°16′56″E）。該地區具有典型的大陸性干旱氣候，年平均降水量約為200毫米，潛在蒸發量在1500至2000毫米之間。降水具有強烈的季節性，70%以上的降水發生在7月至9月，這與植物生長高峰期相吻合。
本地
無機磷組分的分布和變化
在所有處理中，難利用無機磷（RP）是主要形式，占總無機磷（IP）池的約80%（表2）。雙向ANOVA表明，土壤基質處理、灌木種類及其相互作用對AP、TP和所有測量的IP組分都有顯著影響（所有因素的P < 0.001）。在基質處理中，土壤：有機肥料處理的AP、LP和MP濃度最高。相比之下，難利用磷的主導地位及其對磷限制的影響
我們的結果表明，在研究的干旱石灰巖礦區土壤中，磷的有效性受到難利用磷（RP）的主導，它占總IP池的約80%。這種分布模式與其他石灰巖系統的觀察結果一致，在高土壤pH值、碳酸鹽飽和度和有限有機物輸入的條件下，鈣結合的磷組分（如Ca10-P）和被遮蔽的磷往往占主導地位（Barrow，2015年；Liu等人，2019年）。這樣的RP組分限制和未來展望
應承認幾個方法學上的限制。首先，這項研究基于在生長高峰期（2023年10月）進行的一次采樣。石灰巖土壤中的磷循環具有季節性動態，受土壤濕度、溫度和植物物候的影響。因此，我們的結果代表了早期恢復階段的季節性快照，而不是長期磷動態的時間積分評估。多季節和多年監測將是
結論
本研究探討了基質改良和灌木種類選擇如何影響嚴重退化的干旱石灰巖礦區中的IP分配和土壤-微生物相互作用。我們發現，磷的有效性主要受到難利用磷（RP）組分的主導，這突顯了早期生態系統恢復的一個關鍵生物地球化學障礙。在基于微環境的恢復條件下，有機改良劑和灌木種類與IP組分的顯著變化有關
作者貢獻聲明
何明珠：撰寫——審稿與編輯、監督、軟件使用、資源管理、項目管理、方法論、資金獲取、概念化。郭元尚：撰寫——初稿撰寫、可視化、軟件使用、方法論、調查、數據管理、概念化。秦慧軍：驗證、調查、正式分析。周靜：監督、調查、正式分析。辛春明：驗證、監督、調查。杜勝忠：驗證、監督、調查。
寫作過程中生成式AI和AI輔助技術的聲明
聲明：在準備這項工作時，作者沒有使用生成式AI或AI輔助技術。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文報告的工作。
致謝
本項目得到了甘肅省自然科學基金[項目編號24JRRA081]和寧夏回族自治區重點研發項目[項目編號2021BEG02008]的支持。
