摘要：

增強巖石風(fēng)化（ERW）被認(rèn)為是提高土壤固碳潛力和肥力的一種措施。增強巖石風(fēng)化對土壤磷庫的影響以及影響微生物磷循環(huán)和植物磷吸收的機制尚不清楚。通過在熱帶橡膠林2年的硅灰石田間添加試驗，探討了ERW對土壤磷有效性、微生物磷循環(huán)官能團(tuán)和根系磷獲取性狀的影響。結(jié)果表明，ERW通過促進(jìn)根際羧酸鹽和磷酸酶活化和礦化有機磷，顯著提高了土壤微生物的碳利用效率和全磷含量，并間接提高了土壤磷有效性。此外，ERW還刺激了磷增溶酶（gcd、ppa和ppx）和礦化酶（phoADN和phnAPHLFXIM）的活性，從而促進(jìn)了無機磷的增溶和有機磷的礦化。隨著土壤磷有效性的提高，橡膠細(xì)根的磷獲取策略由根自身獲取向依賴菌根協(xié)同作用和根系分泌物釋放轉(zhuǎn)變。此外，ERW對根系磷獲取性狀（如根徑、比根長和菌根定植率）的直接影響也可能與植物地下碳投入模式的變化有關(guān)。綜上，ERW增加了熱帶森林的固碳潛力和磷有效性，并顯著影響了地下植物資源利用策略。

研究背景：

氣候變暖是目前影響人類的主要環(huán)境挑戰(zhàn)之一，它與大氣中二氧化碳（CO₂）濃度的增加密不可分?？茖W(xué)家們提出了一系列技術(shù)來吸收大氣中的CO₂，以減輕全球變暖的負(fù)面影響研究表明，增強的巖石風(fēng)化（ERW）可以有效地從大氣中去除CO₂并將其儲存在土壤中。具體來說，ERW是通過在土壤表面添加粉末狀硅酸鹽巖石（例如硅灰石、玄武巖和橄欖石）來實現(xiàn)的，在土壤表面，硅酸鹽顆粒與溶解的CO₂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳酸氫鹽離子。這些離子可以由河流輸送到海洋，有可能被儲存數(shù)千年或更長時間，這取決于碳酸鈣沉積過程。迄今為止，ERW做法主要用于農(nóng)業(yè)，較少用于林業(yè)，偶爾用于自然生態(tài)系統(tǒng)和正在恢復(fù)的生態(tài)系統(tǒng)。    

在熱帶或亞熱帶森林中，磷（P）等巖石來源的營養(yǎng)物質(zhì)有效性較低，可能會限制二氧化碳升高對樹木生物量生產(chǎn)的積極影響，并可能影響土壤中的微生物過程，可以影響地上和地下的碳（C）固存潛力。研究指出，微生物碳利用效率（CUE）與微生物P代謝限制之間強烈負(fù)相關(guān)，且在溫帶草原生態(tài)系統(tǒng)中尤為明顯。微生物CUE也是全球土壤有機碳（SOC）變化的主要驅(qū)動因素，較高的CUE可能導(dǎo)致較高的SOC。因此，微生物CUE及其固碳效應(yīng)與土壤磷庫有著千絲萬縷的聯(lián)系。另一方面，ERW通過釋放添加的礦物質(zhì)中所含的磷、土壤pH、微生物CUE和磷酸酶活性的變化，影響植物和土壤微生物對磷的可利用性。ERW具有顯著的P介導(dǎo)效應(yīng)，但仍需在田間試驗中進(jìn)行驗證。因此，ERW是否可以通過提高土壤微生物CUE來增加土壤磷素有效性？目前缺乏明確的證據(jù)。

在磷貧瘠地區(qū)，土壤無機磷和有機磷組分之間的生化轉(zhuǎn)化對磷有效性和植物對磷的吸收有重要影響。這些轉(zhuǎn)化包括風(fēng)化、礦化、吸附和增溶過程。土壤溶液中的磷，在極低濃度（<10 μM）是植物容易獲得的土壤磷的唯一來源，當(dāng)它耗盡時，其他成分（特別是中溶性磷）的補充變得尤為重要。通過明確土壤磷組分和微生物轉(zhuǎn)化過程（如有機磷礦化、無機磷增溶和吸附等），有助于了解土壤磷庫的動態(tài)及其有效性。參與溶解無機磷的一個典型基因是gcd，它直接控制葡萄糖的氧化途徑和周質(zhì)空間的酸化。此外，含有編碼酶基因的微生物，如堿性磷酸酶（phoD和phoA）、植酸酶（appA）和C- P裂解酶（phn），具有很強的礦化土壤中有機P化合物的能力。因此，通過將土壤微生物CUE與磷庫轉(zhuǎn)化及其基礎(chǔ)微生物過程聯(lián)系起來，可以闡明ERW如何通過增強土壤碳固存進(jìn)一步影響土壤磷庫動態(tài)及其有效性。

植物根系對磷的吸收和根系獲取策略通常通過根系P獲取特性來表征。這些性狀通常包括菌根定植率、比根長（SRL）、根徑（RD）和根際磷酸酶和羧酸鹽。除了菌根真菌的細(xì)根和菌絲對無機磷的積極吸收外，根分泌的羧酸鹽和磷酸酶對有機磷的動員和礦化是植物獲取磷的最有效途徑。事實上，在極低的磷有效性下，叢枝菌根共生通常受到抑制。目前，ERW對植物根系P-獲取策略的潛在影響尚不清楚。

因此，本研究在中國西南部的熱帶橡膠林進(jìn)行了為期2年的硅酸巖（硅灰石）添加田間試驗。檢驗了以下假設(shè):（1）ERW會增強土壤微生物的CUE和C固存；（2）ERW通過釋放添加的礦物質(zhì)中所含的磷而增加土壤全磷濃度，提高磷有效性主要基于間接效應(yīng)，即通過影響根系P獲取特性（如根系釋放的羧酸鹽和磷酸酶）和微生物P循環(huán)（如無機磷增溶、有機磷礦化）；（3）ERW中的硅或其他礦物質(zhì)可能會促進(jìn)橡膠生長，因此對磷的需求超出了清除細(xì)根所能提供的水平，因此植物的磷獲取策略轉(zhuǎn)向依賴菌根協(xié)作。

材料與方法：

在中國西南地區(qū)的中國科學(xué)院西雙版納植物園橡膠園進(jìn)行了硅灰石添加田間試驗，共有9個樣地（每個樣地為20 m × 20 m），樣地與樣地之間間隔20 m。本試驗包括三種硅灰石施用量：對照（無硅灰石添加，n = 3）、低硅灰石添加（2.5 t ha^-1，相當(dāng)于0.25 kg m-2, n = 3）和高硅灰石添加（5 t ha-1，相當(dāng)于0.5 kg m-2, n = 3）。硅灰石粉通過撒播的方式均勻噴灑到森林地面一次，對照地塊不添加任何物質(zhì)。2年后采集植物和土壤樣品。研究橡膠樹的根生物量。細(xì)根采樣采用根跟蹤法，細(xì)根在0-20 cm的土壤剖面上去除，輕輕搖動，收集根系周圍黏附松散的土壤（視為非根際土壤），緊附細(xì)根表面（<5 mm）的土壤視為根際土。因此，每個樣地分別獲得3個根際土、3個非根際土和3個根樣。用于進(jìn)行土壤和植物指標(biāo)分析。分析了土壤磷分級、土壤磷功能基因、土壤碳利用效率、菌根定植等。同時，從每個植物樣上取下8-10片完整的成熟葉片用于分析植物磷吸收。    

主要研究結(jié)果：

1、ERW對土壤土壤因子、微生物CUE和細(xì)根生物量的影響

與對照相比，硅灰石增加了有機碳濃度，低施量對根際有機碳的影響顯著，高施量對根際有機碳的影響顯著（圖1）。高硅灰石處理的根際和非根際土壤溶解有機碳和微生物生物量C濃度均高于對照，其中微生物生物量C濃度比對照提高了至少80%。此外，添加硅灰石顯著增加了根際土壤微生物CUE，添加硅灰石的細(xì)根生物量顯著大于對照。

圖1 采用線性混合效應(yīng)模型比較不同硅灰石施用量下土壤微生物碳利用效率(a)、有機碳(b)、溶解有機碳(c)、土壤微生物生物量碳(d)和細(xì)根生物量(e)。

2、ERW對土壤磷含量的影響

添加硅灰石顯著提高了橡膠林土壤磷有效性（圖2）。具體來說，根際和非根際土壤中有效磷和次生礦物磷濃度隨著硅灰石的添加而逐漸增加，而原生礦物磷濃度則相反。土壤有機磷在高硅灰石添加處理中明顯大于對照組，而根際土壤中沒有顯著影響。在根際和非根際土壤中，高硅灰石添加量的總磷濃度均顯著高于對照。    

圖2 線性混合效應(yīng)模型比較了不同硅灰石施用量對根際和非根際土壤磷含量(mg kg^?1)的影響。

3、ERW對P-獲取策略的影響

根磷獲取性狀對添加硅灰石的反應(yīng)不同（圖3）。具體而言，對照的根磷單酯酶活性、葉片[Mn]和RTD顯著低于硅灰石處理（P < 0.01）。相比之下，對照中SRL和根全氮濃度最高。PCA顯示了三種硅灰石添加濃度的多維根經(jīng)濟學(xué)譜。對照樣品一般分布在第1軸“自己做”側(cè)，說明未添加硅灰石的橡膠樹更傾向于通過細(xì)根吸收P，而不是通過共生（SRL和面積更高）。硅灰石添加量較大的處理樣品主要分布在第1軸的“外包”側(cè)，菌根定植與葉片[Mn]和RPA之間存在較強的正相關(guān)關(guān)系，表明橡膠樹不僅依賴菌根真菌的配合，還依賴根分泌物（即增強Po的動員和礦化）來吸收P。這些結(jié)果表明，硅灰石的添加改變了橡膠根的磷獲取策略，即從細(xì)根自己吸收磷轉(zhuǎn)向通過菌根伴侶和根滲出物獲取磷。    

圖3硅灰石添加對橡膠林根系功能性狀及磷吸收策略的影響。

4、ERW對P循環(huán)功能微生物的影響

在宏基因組中共檢測到37個參與磷溶化、磷礦化、磷轉(zhuǎn)運和調(diào)控的功能基因，利用這些基因來確定微生物參與土壤磷循環(huán)的機制。結(jié)果顯示，參與微生物磷增溶和磷轉(zhuǎn)運的功能基因的豐度更高（圖4）。參與磷增溶的三個關(guān)鍵基因（ppa, ppx, gcd）在添加硅灰石的根際和非根據(jù)和土壤中都更豐富（P < 0.05）。高硅灰石處理根際土壤中大部分磷礦化基因（如appA、phoADN、phnAPHLFXIM）和磷轉(zhuǎn)運基因（ugpABCE和phnCDE）比對照更豐富。硅灰石添加過程中磷循環(huán)的基因豐度，根際土壤中除磷饑餓反應(yīng)基因外，其余基因均比對照豐富。    

圖4采用線性混合效應(yīng)模型比較不同硅灰石施用量根際和非根際土壤中磷循環(huán)微生物功能基因豐度的差異

5、P利用的驅(qū)動因素

除土壤閉蓄態(tài)磷外，其余4個磷組分均與根系磷獲取性狀、磷循環(huán)功能基因和微生物CUE有很強的相關(guān)性（圖5）。例如，有效磷和磷獲取性狀（如RP、RPA、[Mn]和RMC）與微生物磷循環(huán)功能群（如參與磷溶解、磷礦化和磷運輸?shù)幕颍┲g存在很強的相關(guān)性。同時，預(yù)測模型（解釋了68.7%的變化）表明，上述因素也是影響磷可用性的最重要驅(qū)動因素。此外，PLS-PM分析顯示，ERW主要通過影響根系磷獲取特性和微生物磷循環(huán)間接增加土壤磷有效性。然而，在該模型中，微生物CUE的作用減弱了。這些結(jié)果表明，ERW通過促進(jìn)根系分泌物（羧酸鹽和磷酸單酯酶）的釋放、根系性狀（菌根定植和SRL）之間的協(xié)同作用以及微生物P循環(huán)（P_i增溶和P_o礦化過程）提高了土壤P的有效性。    

圖4 添加硅灰石處理下土壤土壤因子、根系磷獲取性狀、磷循環(huán)功能基因和微生物碳利用效率對土壤磷有效性的多重相關(guān)性的Mantel檢驗

結(jié)論：

本研究表明，ERW通過提高植物根際羧酸鹽和磷酸酶對磷的動員和礦化，以及土壤磷循環(huán)微生物群落及其相關(guān)編碼酶參與磷的溶解和礦化，提高了土壤微生物CUE和全磷濃度，提高了土壤磷的有效性。土壤全磷濃度及其有效性的增加伴隨著熱帶橡膠林根系磷獲取策略的響應(yīng)性改變，即從細(xì)根獲取逐漸轉(zhuǎn)向依賴菌根真菌和根系分泌物的釋放。結(jié)果進(jìn)一步表明，ERW對植物根系P-獲取性狀（RD、RTD、SRL和RMC）有直接影響，這可能與植物地下C-資源分配模式的改變有關(guān)。研究表明，ERW可以顯著提高熱帶森林土壤磷有效性，并調(diào)節(jié)根系的磷獲取策略。因此，應(yīng)考慮將其應(yīng)用于熱帶生物質(zhì)人工林系統(tǒng)中，以去除非生物CO₂，穩(wěn)定或提高土壤肥力。