摘要
磷是植物生长的必需营养元素，也是陆地生态系统的限制性元素。土壤中的磷分为无机磷和有机磷两种，其中有机磷需要在磷酸酶的作用下水解为无机磷酸盐才能被植物和微生物利用。土壤中磷酸酶包括酸性磷酸酶(如phoC)和碱性磷酸酶（如phoD、phoA），酸性磷酸酶由植物和微生物分泌，而碱性磷酸酶主要来源于土壤微生物。因此，研究土壤磷酸酶活性、磷酸酶基因丰度及其相应的微生物群落的变化，对调控土壤磷的有效性有着重要作用。近年来，关于农田土壤中通过施肥改变土壤磷酸酶活性及微生物群落来提高土壤磷有效性的研究受到广泛关注。然而，对山地生态系统中时间和空间尺度上土壤磷酸酶活性及其微生物群落变化如何影响土壤有效磷知之甚少。 本研究以贡嘎山暗针叶林带（2800m-3500m）冷杉根际土壤与非根际土壤作为研究对象，通过酶活性测定、荧光定量PCR及对碱性磷酸酶基因phoD高通量测序，结合生物信息学分析及各种统计方法，探讨了土壤磷酸酶活性、磷酸酶基因丰度以及编码碱性磷酸酶基因phoD的微生物群落在时间和空间尺度上的变化模式，及其对土壤有效磷的调控，主要研究结果如下: (1)通过分析磷酸酶活性和有效磷、总磷在时间和空间尺度以及根际与非根际中的分布模式发现，土壤酸性和碱性磷酸酶活性、有效磷含量均呈现显著的海拔和季节变化差异，在海拔3200m区域最低，有效磷夏季含量最低，而磷酸酶活性在夏季最高，根际均高于非根际土壤。总磷含量在中海拔(3000m-3200m)区域最高，无显著季节变化和根际与非根际的差异。相关性分析表明，根际与非根际土壤中，影响碱性磷酸酶活性的因素也有所不同，根际土壤中碱性磷酸酶活性主要受硝态氮、土壤温度及C/N和C/N/P影响，而非根际土壤中与多种环境因素相关。酸性磷酸酶活性在根际与非根际土壤中影响因素相同，除了与土壤养分显著相关，还受pH显著影响。酸性和碱性磷酸酶活性在海拔上的分布模式与有效磷一致，在季节上的分布模式与有效磷相反，而与总磷的分布模式无显著相关。进一步分析表明，酸性和碱性磷酸酶活性与有效磷相关不显著。 (2)磷酸酶基因丰度无显著海拔变化模式，而夏季基因丰度最高，其季节变化模式与有效磷相反，根际与非根际无显著差异。通过对三种磷酸酶基因丰度比较发现，碱性磷酸酶phoD基因丰度在所研究区域最高。Spearman相关分析表明，基因丰度主要受土壤温度、总磷和C/N/P比显著影响，与磷酸酶活性无显著相关关系。回归分析表明，phoD、phoC基因丰度与有效磷显著负相关，phoA基因丰度与有效磷无显著相关关系。 (3)碱性磷酸酶基因phoD微生物群落结构在不同海拔之间存在显著差异，季节之间群落结构差异不显著，根际与非根际无显著差异。进一步根据Adonis分析，空间因素对phoD微生物群落结构影响显著，季节因素和根际效应不显著。phoD微生物群落α-多样性和β-多样性在海拔之间呈递减模式，且随着海拔升高多样性降低，即在高海拔3200-3500m区域群落结构相似，在较低海拔区域2800到3000m群落结构差异较大，无显著季节变化。Spearman相关分析表明，α-多样性与碳氮比、总磷、土壤温度显著相关，而与有效磷无显著相关性。基于距离的冗余分析和Mantel检验表明phoD微生物群落β-多样性与多种环境因素相关，其中土壤pH、总碳、总磷、碳磷比、氮磷比相关性较高，与土壤有效磷也有一定的相关性。 (4)phoD微生物主要由Proteobacteria、Planctomycetes、Cyanobacteria三个门类组成，其中变形菌门相对丰度最高占89％，不同海拔和季节间主要微生物组成不变。相对丰度大于1％的10个主要属中，Rhodoplanes、Isosphaera的相对丰度在海拔3200m区域最低，与有效磷变化一致，而Bradyrhizobium、Methylobacterium、Pirellula、Pseudomonas的相对丰度在海拔3200m区域最高，与有效磷变化相反。Spearman相关性分析表明，Pseudomonas、Bradyrhizobium、Methylobacterium的相对丰度与大多数环境因子呈负相关，而Planctomyces、Isosphaera的相对丰度与大多数环境变量呈正相关，仅有Bradyrhizobium、Methylobacterium的相对丰度与土壤有效磷显著负相关。 (5)PLSPM路径分析表明，所选择的因素能够解释土壤有效磷78％的变异，主要受环境因素调控，其中总磷、总氮、土壤温度直接影响土壤有效磷，而pH和总碳分别通过改变微生物群落和磷酸酶活性间接影响有效磷。此外，微生物群落、磷酸酶活性和磷酸酶基因丰度对有效磷也有一定的作用。
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