Prosopis juliflora入侵对土壤氮和磷动态的影响：干旱生态系统中的养分可用性及氮转化速率

《CATENA》：Soil nitrogen and phosphorus dynamics under Prosopis juliflora invasion: Nutrient availability and nitrogen transformation rates in arid ecosystem

本研究在以色列死亡海沿岸，通过对比入侵物种Prosopis juliflora与本土Acacia tortilis对土壤氮、磷循环的影响，发现两者均提高了表层土壤养分含量，但磷在深层土壤中更多积累于Acacia。研究揭示了植被类型和季节对养分分布的动态影响，以及入侵物种与本土物种在养分循环中的异同。

　　### 土壤氮磷循环与植物入侵的相互作用：以以色列干旱区为例

在干旱和半干旱生态系统中，植物入侵已成为影响生态系统结构和功能的重要因素。以**Prosopis juliflora**（胡杨树）为代表的外来植物，其对氮（N）和磷（P）循环的改变可能对土壤肥力、微生物活动以及植物和微生物的相互作用产生深远影响。本研究探讨了**Prosopis juliflora**入侵对以色列西部死海沿岸干旱区土壤氮磷动态的影响，并将其与本地优势种**Acacia tortilis**（伞状刺槐）以及无植被的土壤进行对比。通过分析不同深度的土壤样品，研究者发现，尽管**Prosopis**和**Acacia**在提升土壤氮含量、微生物生物量以及氮矿化和硝化速率方面有相似的效果，但它们在氮磷分布深度上存在显著差异，这种差异可能影响植物和微生物对营养物质的获取和利用。

#### 植物入侵对土壤营养循环的总体影响

研究结果表明，无论是入侵性的**Prosopis**还是本地的**Acacia**，它们的存在都会在一定程度上提升土壤中的总氮含量、微生物生物量以及氮矿化和硝化速率。这些变化与“肥沃岛屿”效应密切相关，即植物群落通过生物固氮和枯枝落叶输入，在其树冠下形成局部的高营养区。然而，**Prosopis**和**Acacia**在土壤中氮磷分布的深度上表现出不同的模式。在**Acacia**树冠下的土壤中，硝酸盐（NO??）和生物可利用磷（Olsen提取法）在60–100厘米的深层土壤中显著积累，而**Prosopis**树冠下的土壤中，这些营养物质主要集中在表层土壤（0–24厘米）。这种差异可能与两种植物的根系结构、水分利用策略以及微生物群落组成有关。

此外，**Prosopis**的氮矿化和硝化速率在表层土壤中较快，但在深层土壤中相对较低，这可能是因为其根系较深，能够获取深层土壤中的氮资源，从而减少了表层土壤中氮的积累。相反，**Acacia**的根系较为浅层，可能通过根系活动和土壤水分的垂直输送，在深层土壤中形成更多的氮磷积累。这些结果表明，植物入侵不仅改变了土壤的营养状况，还可能通过其根系活动和水分动态影响营养物质在土壤剖面中的分布，从而塑造生态系统中营养物质的可用性。

#### 氮磷动态的季节性变化

研究者还注意到，氮磷的动态变化与季节密切相关。在春季，随着降雨量的增加，土壤中的水分含量上升，促进了微生物活动和氮磷的转化。例如，在春季，**Prosopis**和**Acacia**树冠下的土壤中，硝酸盐含量显著增加，而**Prosopis**树冠下的土壤在深层（60–100厘米）中积累了更多的硝酸盐，而**Acacia**则在该深度范围内表现出更高的生物可利用磷。这种季节性的变化可能与水分输入的频率和强度有关，而不仅仅是降雨总量。

相比之下，夏季的土壤水分含量较低，微生物活动受到抑制，氮磷的转化速率下降。尽管**Prosopis**和**Acacia**在表层土壤中均能提升氮磷含量，但深层土壤中**Acacia**的氮磷积累更为显著。这可能是因为**Acacia**的根系活动和土壤水分的垂直分布，在夏季水分不足的情况下，仍然能够维持深层土壤中的营养物质积累。而**Prosopis**则可能由于其根系更深，能够更快地将氮磷从深层土壤中转移到表层，从而减少深层土壤中营养物质的积累。

#### 氮磷动态与微生物活动的关系

氮磷的动态变化不仅受到植物类型的影响，还与土壤微生物活动密切相关。研究发现，**Prosopis**和**Acacia**树冠下的土壤中，微生物生物量和可提取有机碳（WEOC）均显著高于无植被土壤。这表明，植物的存在促进了微生物的生长和活动，从而加速了氮磷的转化和循环。然而，**Prosopis**树冠下的土壤中，微生物生物量的分布更集中在表层，而**Acacia**则在深层土壤中表现出更高的微生物生物量。这种差异可能与两种植物的根系结构和水分利用策略有关，**Acacia**的根系可能更倾向于向深层土壤延伸，从而支持更广泛的微生物活动。

此外，**Prosopis**树冠下的土壤中，氮的转化速率（如氮矿化和硝化）在表层土壤中较高，而在深层土壤中则较低。这可能是因为**Prosopis**的根系能够快速获取深层土壤中的氮资源，从而减少了表层土壤中氮的积累。而**Acacia**的根系可能更集中在表层土壤，导致深层土壤中氮的积累更为显著。这种氮磷分布的差异可能影响植物对营养物质的利用效率，以及微生物对氮磷的转化能力。

#### 氮磷动态与植物生长策略的关系

研究还发现，**Prosopis**和**Acacia**在叶片和枯枝落叶中的氮磷含量存在差异。**Prosopis**的叶片和枯枝落叶中，氮和磷的含量均高于**Acacia**，这可能与其快速生长策略有关。**Prosopis**作为入侵植物，可能更倾向于通过高输入的有机物质来快速提升土壤肥力，从而支持其自身的生长和扩展。而**Acacia**作为本地植物，其生长策略可能更加保守，导致其在深层土壤中积累更多的氮磷。

此外，**Prosopis**的根系活动可能促进了深层土壤中磷的释放和转移，从而在表层土壤中形成较高的生物可利用磷。这种现象可能与**Prosopis**的根系结构和磷获取能力有关，其根系能够深入土壤，获取深层土壤中的磷资源，并将其转移到表层土壤中，以支持其快速生长。而**Acacia**的根系可能更倾向于维持表层土壤中的磷含量，从而在深层土壤中积累更多的磷。

#### 生态意义与研究局限性

研究结果表明，**Prosopis juliflora**的入侵对土壤氮磷循环的影响并不总是负面的，而是与本地植物**Acacia tortilis**相似，可能在一定程度上提升土壤肥力。然而，这种影响可能因生态系统类型和气候条件的不同而有所变化。例如，在某些干旱和半干旱生态系统中，**Prosopis**的入侵可能导致土壤氮磷的增加，而在其他生态系统中，可能对氮磷的可用性产生负面影响。

此外，本研究也指出了其局限性。由于土壤中根系的分布和活动难以直接测量，因此无法完全确定氮磷的分配是否受到根系活动的影响。同时，研究仅限于100厘米的土壤深度，未能捕捉到更深层土壤中的氮磷动态。未来的研究可以结合根系采样、同位素标记以及硝化作用测定，以更全面地理解氮磷在土壤剖面中的分布和转化过程。

综上所述，**Prosopis juliflora**的入侵对干旱区土壤氮磷循环的影响是复杂的，既包括对表层土壤的快速提升，也包括对深层土壤的特定影响。这些变化可能与植物的生长策略、根系结构以及微生物活动密切相关。未来的研究需要进一步探讨这些因素如何相互作用，以更全面地理解植物入侵对生态系统功能的影响。