研究背景
磷是生态系统中不可或缺的营养元素，对于植物生长和生态系统的生产力至关重要，然而，全球陆地生态系统普遍存在磷限制现象，尤其是在草原生态系统中，约37%的区域受到磷有效性的制约。土壤中的磷常以难溶性形态存在，很难被植物直接利用，而土壤微生物在促进不溶性磷组分的释放和提高土壤磷有效性方面发挥着关键作用。土壤团聚体是土壤结构的重要组成部分，不同粒径的土壤团聚体中微生物特性差异显著，这些差异会影响磷组分的微生物驱动机制，从而导致不同团聚体对土壤磷动态的微生物调控作用存在差异。已有研究表明，刈割和施磷可以通过改变土壤团聚体的比例直接影响土壤微生物特性，但关于这些因素（刈割和施磷）如何作用于土壤团聚体及其相关的微生物特性，以及微生物如何调控磷组分的机制，当前的研究仍然较为有限。
基于此，东北师范大学孙伟老师团队以中国东北半干旱草甸草原——松嫩草原为研究对象，进行为期八年的野外控制试验，系统研究了刈割和施磷对土壤磷组分及微生物驱动因素的影响。相关研究成果发表于《Frontiers in Microbiology》期刊。该团队通过长期的刈割和施磷实验，结合土壤团聚体分级、Hedley磷形态连续提取以及微生物生物量、酶活性与群落结构分析，揭示了土壤微生物如何调节磷的动态变化，明确了环境因子如何影响磷的生物可利用性。该研究为草地生态系统中磷循环机制的深入理解提供了数据支撑，并为草地管理提供了重要的科学依据。
图1.田间刈割和施磷工艺，以及干筛法的示意图。
研究方法
研究设计：在2015年开始，以中国东北半干旱区松嫩草原为研究对象，采用随机区组设计，设置 4种处理：对照、刈割、施磷、刈割+施磷，共6个重复，总计24个样方。具体处理如下：
施磷处理：每年按5 g·m⁻²·yr⁻¹的标准施用钙磷肥（Ca₃(PO₄)₂）；
刈割处理：每年8月进行一次；
此外，研究团队还通过干筛法将土壤样品分为大团聚体（LMA，>2000 μm）、小团聚体（SMA，250-2000 μm）和微团聚体（MA，<250 μm），并分别测定团聚体含水量、pH、有效氮、溶解性有机碳及磷组分；同时测定植物地上生物量、地下生物量及物种丰富度。
在该研究中，研究人员采用Smart-Chem 450全自动化学分析仪对微生物生物量磷进行分析。该仪器通过先进的样品管密封技术，有效降低了样品蒸发和交叉污染的风险，同时减少了环境因素对测量参数的干扰，确保了分析结果的准确性和可靠性。
图2.刈割和施磷条件下的土壤团聚体比例。
图3.在刈割和施磷处理下，大团聚体 (LMA)、小团聚体 (SMA) 和微团聚体 (MA) 中磷 (P) 组分的浓度。
图4.LMA、SMA和MA中刈割和施磷对环境因素的影响。
图5.(a) LMA、(b) SMA 和 (c) MA 中磷组分与环境变量的关系。
图6.SEM结果显示了驱动因素对磷组分动态变化的影响(a) LMA模型；(b) SMA模型；(c) MA 模型；
核心发现
（1）磷组分响应具有显著的团聚体尺度异质性
刈割与施磷交互作用显著提高了各粒径团聚体中的总磷含量；
在LMA、SMA和MA中，有效磷分别增加了74.13%、55.01%和9.50%；
（2）微生物驱动因素
在LMA条件下：施磷通过降低微生物生物量碳磷比（MBC:MBP），显著促进中等活性磷（Pi）、中等活性有机磷（Po）和残余磷的累积；碳输入通过激发微生物活性，成为提升土壤磷有效性的关键驱动；
在SMA条件下：植物丰富度、微生物生物量和碱性磷酸酶（ALP）活性共同主导活性磷（Po）、活性无机磷（Pi）和中等活性无机磷（Pi）的变化，较高的植物多样性通过增强微生物活动和酶活性，显著提高了土壤磷有效性；
在MA条件下：施磷一方面通过刺激植物地下生物量（BGB）增加活性有机磷（Po）和中等活性无机磷（Pi），另一方面通过提高碱性磷酸酶（ALP）活性促进残余磷的累积。该条件下虽总磷储量高，但因水分扩散受限抑制微生物活性，有效磷累积速率低。
结语
该研究结合刈割与施磷的田间实验与土壤磷组分分析，揭示了土壤磷循环的微生物驱动机制，并验证了不同土壤团聚体在磷有效性调控中的差异。研究结果为草地生态系统中的磷管理和可持续农业提供了科学依据，具有重要的应用价值。未来可结合宏基因组、功能基因与同位素示踪技术，深入挖掘关键微生物功能群，并开展跨气候区验证与团聚体靶向调控研究，为草原土壤磷循环和肥料管理提供更精确的支持。
发表期刊：Frontiers in Microbiology【影响因子：4.5】
研究单位：东北师范大学、
研究地点：松嫩草原
使用设备：Smart-Chem 450全自动化学分析仪
DOI：10.3389/fmicb.2025.1671636
