合成牛尿对根际与非根际土壤微生物群落结构及其磷素活化潜能的差异化影响

本研究通过实验室模拟实验，探讨了合成牛尿在碳富集（根际）与碳贫瘠（非根际）土壤中对微生物生物量（MBC、MBN、MBP）、群落结构（PLFA）及酶活性（酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶）的差异化调控机制。结果表明，牛尿输入通过改变微生物化学计量比（C:N:P）和磷矿化酶活性，显著影响土壤养分循环，尤其在根际环境中，植物根系分泌物对微生物功能的调控作用远超牛尿的短期效应，为草地生态系统中微生物响应养分输入的策略提供了新的机理认知。

　　

1 引言

草地生态系统覆盖地球陆地面积的40%以上，是土壤生物多样性的重要栖息地。放牧活动中的牛粪尿沉积是草地养分输入的关键途径，其中牛尿可形成高浓度养分热点，但其对土壤微生物群落结构、化学计量特征及磷矿化潜力的调控机制尚不明确。本研究通过对比根际（碳富集）与非根际（碳贫瘠）土壤，探讨合成牛尿对微生物生长策略的影响，重点分析微生物生物量碳氮磷 stoichiometry、DNA 含量及酶活性（酸性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶）的动态变化，以揭示微生物在资源异质性环境下的适应性机制。

2 材料与方法

实验采用德国 Relliehausen 地区的 Vertic Cambisol 土壤，种植鸭茅（Dactylis glomerata）构建根际土壤，以无植物土壤作为非根际对照。合成牛尿按 5 L m^?2 剂量添加，分别于第1、4、14天取样。测定指标包括微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）、磷（MBP）（氯仿熏蒸提取法）、磷脂脂肪酸（PLFA）谱、总DNA含量及酶动力学参数（V_max、K_m）。数据通过三因素方差分析（时间、植物存在、牛尿添加）及主成分分析（PCA）处理。

3 结果

3.1 植物生物量与元素组成

牛尿处理14天后，植物地上生物量显著增加71%，但根系生物量降低20%。根系C:N比在牛尿处理下从47.2降至27.1，表明植物优先吸收尿源性氮素，与微生物竞争养分。

3.2 微生物生物量与DNA动态

根际土壤DNA含量是非根际土壤的2倍。牛尿添加后，非根际土壤中DNA:MBC比值下降166%，表明微生物转向碳储存而非复制生长；而根际土壤中该比值上升，显示根系分泌物促进微生物增殖。MBN:MBC比值在非根际土壤中上升23%，但在根际土壤中稳定，印证植物对氮的强竞争作用。

3.3 酶活性与底物亲和性

根际土壤酸性磷酸酶V_max活性随植物生长显著升高，牛尿处理进一步强化此趋势。β-葡萄糖苷酶活性在根际土壤中持续上升，但在非根际土壤中下降。酸性磷酸酶与β-葡萄糖苷酶活性比值在根际土壤中从0.76升至1.1，反映微生物磷矿化需求增强。

3.4 微生物群落结构

PCA分析显示，牛尿显著改变非根际土壤微生物群落，革兰氏阳性菌（如GP1）、革兰氏阴性菌及放线菌（Actinobacteria 2）丰度增加。相反，根际土壤中微生物群落主要受根系分泌物主导，牛尿影响被掩盖。细菌:真菌比值在牛尿处理下从1.2升至2.9，表明氮富集促进细菌优势。

4 讨论

4.1 碳源与养分输入对微生物生理状态的调控

非根际土壤中，牛尿引发微生物碳储存策略（DNA:MBC下降），而根际土壤中根系分泌物驱动复制生长。植物对尿源性氮的快速吸收导致微生物氮竞争加剧，MBN:MBC比值在根际环境中保持稳定。

4.2 酶活性响应与磷矿化策略

根际土壤中酸性磷酸酶活性升高与磷限制密切相关，牛尿输入未缓解该限制，反而通过改变资源化学计量比（C:N:P）激发微生物磷矿化酶合成。β-葡萄糖苷酶活性对氮添加的响应进一步验证了微生物碳获取的 stoichiometric 调控。

4.3 微生物群落重构的环境驱动因素

牛尿在非根际土壤中快速筛选出富营养型细菌类群，但根际环境的生物互作（如根系分泌物、酶及次生代谢物）成为群落构建的主控因子。空间异质性（根际vs.非根际）是预测尿液斑块生态效应的关键尺度。

5 结论

牛尿输入通过改变资源化学计量比调控微生物生长与酶活性，但根际碳流的主导作用超越尿源性养分的影响。研究强调了根际与非根际土壤微生物功能分异对草地养分循环预测的重要性，为优化放牧管理及土壤固碳增汇提供理论依据。