原名：Alkaline phosphatase activity mediates soil organic phosphorus

mineralization in a subalpine forest ecosystem.

译名：碱性磷酸酶活性调控亚高山森林生态系统土壤有机磷矿化

作者：Jiabao Li，et al.

期刊：Geoderma

发表时间：2021.06

一、关键词

磷矿化；碱性磷酸酶；酸性磷酸酶； 磷有效性；phoD相关细菌群落。

二、研究主题和背景

（1）背景：微生物在土壤有机磷矿化中起着至关重要的作用。然而，在亚高山森林中，微生物和环境特征如何介导这一过程仍然是未知的。

（2）主题：本研究以青藏高原贡嘎山沿海拔梯度的暗针叶林为研究对象，综合研究了碱性磷酸酶(ALP)和酸性磷酸酶（ACP）活性对土壤磷有效性的影响，探讨了两种磷酸酶活性的微生物和环境驱动因素。

三、科学问题或科学假说

（1）科学问题：酸性和碱性磷酸酶对土壤P有效性有什么影响？这两种磷酸酶活性的环境和微生物作用机制？ 

（2）科学假说：

A. 碱性磷酸酶（ALP）对亚高山森林土壤中磷的有效性具有重要的调节作用。

B. 碱性磷酸酶活性与酸性磷酸酶相似，主要受土壤TN调节，土壤N：P也可能影响其ALP的活性。

C.  N:P比驱动的含磷微生物种群有助于碱性磷酸酶活性的变化。

四、以往研究和研究现状

在陆地生态系统中，酸性磷酸酶主要来源于植物根系和微生物，碱性磷酸酶主要来源于微生物，因此，ALP被认为是微生物周转的重要驱动因素。一些研究已经在农业生态系统中进行，以阐明酸性磷酸酶活性与N和P添加之间的相互作用。然而，森林生态系统中碱性磷酸酶活性的研究较少，可能是由于酸性磷酸酶比碱性磷酸酶在酸性条件下的有机磷矿化中起着更重要的作用。但是最近有研究表明，与酸性磷酸酶相比，酸性土中碱性磷酸酶中编码基因个更多，因此了解它们如何调节土壤有机磷矿化，特别是在亚高山森林生态系统中，可以提供微生物群落与磷循环之间的联系。农业生态系统中酸性磷酸酶活性的调节因子已进行了许多研究，土壤有机质，土壤成土作用，岩石以及生物气候因子被认为是最重要的驱动因素。

五、材料和方法

A.样地与土壤样品采集与保存：在2017年的两个季节(8月和10月)，分别亚高山森林-贡嘎山于4个海拔高度(2800m、3000m、3200m、3500m)的地点采集了土壤样品。主要是冷杉。 在每个海拔梯度，分别选取三棵间距大于15m的树进行根际和非根际土的采样，每个新鲜土壤样品通过2mm筛分，分为两个子样品，其中一个样品储存在4^◦C测量土壤理化性质和磷酸酶活性，另一部分储存在-20^◦C提取DNA。

B.土壤理化性质和磷酸酶活性的测定

土壤pH；NO^3- -N和NH⁴⁺-N；TP；AP

C.DNA提取和基因定量

利用PowerSoil®DNA分离技术提取土壤基因组DNA试剂盒(MOBIO, CA, USA)，并使用NanoDrop分光光度计评估分离的DNA的质量和数量.

D.phoD基因扩增子测序

利用F733/R1083对引物对phoD基因进行扩增，可获得最高的phoD微生物群落多样性和覆盖度。

E.数据分析

采用置换多元方差分析(PERMANOVA)方法，研究了海拔、季节和地理位置(根际和根际体积)对土壤碱性和酸性磷酸酶活性、无机磷含量、磷含量和磷含量的影响。非参数检验用于描述不同季节/时间上海拔和地理位置的差异。主坐标分析(PCoA) 确定所有样品中含有phod的细菌群落结构的变化。采用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)进一步揭示了不同因素影响土壤碱性磷酸酶和酸性磷酸酶活性及磷有效性的可能途径。

六、结果

（1）图1：土壤有效无机磷含量和碱性、酸性磷酸酶活性。10月的土壤无机有效磷含量显著高于8月，最高含量出现在海拔3000m处；相反，土壤酸性和碱性磷酸酶活性在8月更高，相对较高含量出现在海拔2800m和3000m。普遍来说，根际的无机有效磷，酸性和碱性磷酸酶活性都高于非根际土壤。

（2）图2、图3：微生物丰度、多样性及组成。phoD和phoC基因的丰度在8月显著高于10月，但在根际和非根际中无显著差异。phoD细菌群落的结构在根际土和非根际土中也无显著差异。

（3）图4：无机磷含量与环境及微生物性状的关系。在8月，无机磷与碱性磷酸酶活性之间存在显著的正相关关系（p<0.05），而有效无机磷含量与酸性磷酸酶在两个季节上均无显著相关关系。与无机磷含量不同的是，土壤碱性磷酸酶和酸性磷酸酶与TN和TC显著相关(p < 0.001)

七、讨论

（1）碱性磷酸酶活性对土壤磷有效性具有重要调节作用：虽然酸性磷酸酶的活性是碱性磷酸酶活性的1-2倍，但phoD基因丰度比phoC基因丰度高1-2个数量级。因此，假设在亚高山森林中，酸性磷酸酶可以促进有机磷矿化，无论土壤无机磷储量是否低，而碱性磷酸酶则可以释放无机磷。从而为微生物和植物提供磷提供了另一种途径。

（2）碱性磷酸酶活性与相对较少的属紧密相关，而与phoD基因的丰度无关。N:P比驱动的含磷微生物种群对碱性磷酸酶活性的变化有一定的影响，但是，含磷细菌群落组成与碱性磷酸酶活性无显著相关性。因此，这倾向于表明磷酸酶活性可能与细菌群落组成没有直接关系。并发现碱性磷酸酶的合成仅在相对少数的phod细菌中被高度诱导；磷酸酶活性与C:N呈负相关关系，表明磷酸酶可为植物和微生物提供额外的N源。

八、总结与思考

目前关于土壤有机磷矿化调控机制的研究大多局限于农业生态系统，以及磷酸酶活性、N和P添加之间的相互作用。本研究重点关注亚高山森林生态系统土壤磷矿化的环境和微生物驱动因素。结果表明，碱性磷酸酶活性较酸性磷酸酶活性更好地解释了土壤无机有效磷含量的海拔和季节动态，说明碱性磷酸酶活性在山地森林生态系统土壤无机磷释放中起着关键作用。颠覆了传统观点认为的酸性磷酸酶在有机磷矿化过程中较碱性磷酸酶起着更为重要的作用。此外，土壤TC、TN对这两种磷酸酶活性起着重要的作用，碱性磷酸酶活性受土壤N:P比例的调节，并非酸性磷酸酶，这可能是由于ALP编码基因的转录受磷饥饿反应调节的控制。通过整合微生物群落数据集，我们的结果显示，尽管phoD基因的丰度和多样性不高，但碱性磷酸酶活性与相对较少的含phoD细菌密切相关。本研究重点关注根际和非根际土壤磷酸酶活性以及与N、P等的关系，但是对于海拔梯度上酸性和碱性磷酸酶的差异及其与微生物群落等的相互作用关系还有待研究。