文摘

低分子量有机酸(LMWOAs)由植物根系分泌增强无机P的释放(π)和有机P (Po)进入土壤溶液,从而增加plant-availableπ在土壤。不是LMWOAs的影响诱导有机P (Po)释放到土壤溶液通过土壤微生物在不同的温度下是知之甚少,但P变换机制分数也不能很好地解释道。本研究采用三个实验,确定P的释放和P分数的转换机制引起的草酸、柠檬酸、苹果酸在酸性森林土壤。结果表明,LMWOAs,作为微生物的碳源,比葡萄糖更有效地动员Po。无机P和有机P LMWOAs随后被释放 如果P的基质和LMWOAs足够了。可能有一个关键阈值浓度的柠檬酸和草酸10毫米和25毫米之间需要解决吸附和沉淀P,分别。,LMWOAs增加不稳定P的浓度减少的浓度稳定P .结果表明,LMWOAs可以显著促进酸性森林土壤中P的可用性,以及微生物对土壤速效磷的影响比葡萄糖更倾向于使用LMWOAs。

1。介绍

磷(P),作为植物生长的必需元素,往往限制了全球陆地生态系统的初级生产力(1]。虽然土壤中总磷(TP)的含量非常高(通常在50到1500毫克/公斤),可用形式的土壤无机磷、由植物直接吸收和利用,只占一小部分的土壤TP在大多数土壤(2- - - - - -4]。例如,尽管无机P的平均可用的形式提取树脂在全球自然土壤是17.2毫克/公斤(TP)的占4.12%,其比例不是不变的5,6]。因此,有必要探索土壤P溶解度的变化及其驱动因素进一步了解植物的策略应对缺P的空间变化和陆地生态系统的初级生产力(P限制7,8]。

当土壤中P的内容不足,植物可以释放低分子量有机酸(LMWOAs)通过他们的生理策略来增加土壤可利用P (Bio-P) (9]。以前的研究已经表明LMWOAs可以有效地增加无机P的释放(π)在土壤,因此,增加土壤中Bio-P的浓度(10,11]。广泛推测LMWOAs提高土壤无机磷的动员通过(1)直接促进谨慎的溶解可溶性矿物质含有π,(2)改变pH值和土壤溶液化学平衡,(3)改变矿物颗粒的表面特征或占领表面配体交换,和(4)与铁形成复合物^{2 +},艾尔。^{2 +},Ca^{2 +}因此,阻止P在土壤颗粒吸附站点(12- - - - - -14]。此外,LMWOAs可能提高有机P的释放(Po)绑定到土壤矿物质。不过,阿宝LMWOAs引起的释放机制并没有很好的解释,尤其是对土壤理化性质对比(如酸碱度,Fe - / Al-oxide和Ca-carbonate)类似于无机P,这可能会影响订单释放从土壤,因为铁、铝、钙氧化物是主要土壤矿物质影响土壤P .铁、铝氧化物的溶解在酸性土壤中起主导作用,而Ca氧化物在碱性土壤中起主导作用4]。虽然需要矿化有机P被植物吸收,这是一个重要组成部分,TP和Bio-P的潜在来源15,16]。巧合的是,LMWOAs微生物的重要碳源,扮演着重要的角色在矿化的有机p .因此,动员的有效性取决于土壤类型和LMWOAs的化学结构和浓度(17]。因此,知识的不同P分数可以直接用来确定池受到LMWOAs和演绎P转换的机制。

解决这些问题,更好地研究的影响LMWOAs P分数的变化和土壤中生物可利用磷的动员,本研究建立了三组实验来研究这些现象。首先,LMWOAs和葡萄糖影响P分数的转换机制作为微生物的碳源,考虑是否微生物发挥作用的有机P在这个机制在不同的温度下。第二,验证不同浓度的能力LMWOAs激活无机P和阈值不同LMWOAs之间影响的能力。最后,本研究的目的是研究三种常见的影响LMWOAs(草酸、柠檬酸、苹果酸)的动力学π,阿宝释放在酸性的土壤中。总之,我们假设LMWOAs和葡萄糖作为碳源会影响P分数通过微生物矿化的变换。此外,我们的假设是LMWOAs将增加两个π的动力学和阿宝释放比水,最有效的试剂和柠檬酸将增加的速度Pi和阿宝释放到土壤溶液的酸性土壤。

2。材料和方法

2.1。土壤和有机酸

表面一层(0-20厘米,清除枯枝落叶层)的土壤收集在2018年8月在Gongga山海拔3000米(29°20 - - - - - -30°20N, 101°30 - - - - - -102°15E),位于中国的西南西南青藏高原边缘的海拔7556米a.s.l。父材料以花岗岩为主,排序 (18]。特定类型的土壤和植被的高度已经被Bing et al。19和周et al。18),同样的植被类型(冷杉属织物Mt)和基石。Gongga被发现从2700米到3600米a.s.l。收集土壤样本被风干,通过实验设计之前2毫米筛。LMWOAs选择本研究草酸、柠檬酸、苹果酸,因为它们普遍自然发生在土壤太Gongga [20.]。

2.2。实验设计

2.2.1。温度的影响在动员Bio-P LMWOAs土壤

土壤(2 g)放置在50毫升离心管和加去离子水(控制)、有机酸、和葡萄糖的解决方案是添加到每个管(含10更易公斤¹土壤的柠檬酸、苹果酸、草酸或葡萄糖)。结合三种LMWOAs浓度的土壤,动员实验的Bio-P LMWOAs进行了在不同的温度下(4°C, 14°C,和24°C)。在这项研究中,实验温度梯度是在14°C在3022年的生长季节(八月)。最低温度设置在4°C progrowing季节(5月)抑制微生物的新陈代谢活动,和最高温度是24°C到验证的动员效果LMWOAs p的释放和微生物代谢活动的土壤含水量是其最大田间持水量的70%。在相应的温度条件下15天,每天都是重保持土壤含水量不变。孵化后15天,土壤收集离心管和干的烤箱72 h (40°C)为后续P成分分析。

2.2.2。浓度的影响由LMWOAs Bio-P的动员

根据现有的研究,LMWOAs的浓度越高,能力越强激活P在土壤中。结合LMWOAs观察原位的浓度,浓度梯度的LMWOAs在这个实验中设置为6梯度(0、5、10、25、50和100毫米)研究P动员的数量在1小时。因此,土壤(2 g)被放置在50毫升离心管,然后20毫升的去离子水(控制)或20毫升的有机酸的解决方案是添加到每个管。同时,添加了两滴甲苯抑制微生物活动在限制管。动摇了停赛一个端到端的瓶(200 -周期最小¹在24°C)为1小时,在12000 g离心10分钟,和绘画纸滤纸过滤(没有。42)。过滤悬浮液是用来测量LMWOAsπ的释放。

2.2.3。LMWOAs的影响在不同的时间在Bio-P的动员

与100毫米LMWOAs公斤¹被选作实验浓度2.2.2根据实验设计。的原因是,与其他低浓度的LMWOAs相比,录得超过100毫米的LMWOA浓度土壤中可以更好地反映动员LMWOAs从土壤p .土壤(2 g)被放置在50毫升离心管,然后20毫升的去离子水(控制)或20毫升的有机酸的解决方案是添加到每个管。同时,添加了两滴甲苯抑制微生物活动在限制管。动摇了停赛一个端到端的瓶(200 -周期最小¹在24°C) 5、10、15、30、60、120、240, 480, 960, 1440,或2880分钟,在12000 g离心10分钟,和绘画纸滤纸过滤(没有。42)。残留物与去离子水清洗三次,完全去除残留的低分子量有机酸。悬浮液是用来测量π和阿宝LMWOAs的释放。土壤收集离心管,动摇了2880分钟,洗净,晒干72 h (40°C)为后续P分离分析。三个复制我们所有实验治疗的研究。

2.3。土壤P分数

P的抽取,分数是由使用修改后的空气方法(21]。简单,大约0.5克干土被阴离子交换膜,先后提取0.5 NaHCO₃( ),0.1 M氢氧化钠和盐酸1米。提取P分数被指定为一个resin-Pi, NaHCO₃- p、NaOH-P HCl-P。0.5 M NaHCO₃( )和0.1 M氢氧化钠提取,总P (NaHCO₃pt和NaOH-Pt)是衡量消化解决方案拥有0.9 H₂所以₄和过硫酸铵。NaHCO₃阿宝和NaOH-Po测量未消化的和消化的区别。P的浓度测定的紫外可见分光光度计(日本岛津公司UV 2450)使用钼磷酸盐蓝法(22]。NaHCO resin-Pi的总和₃-π,NaHCO₃阿宝被定义的一部分可利用P (Bio-P)。最后,剩下的残余土壤P是由消化在沸腾集中H₂所以₄重复添加30% H₂O₂。

2.4。统计分析

土壤P分数数据受到正常和同质性试验方差分析之前使用SPSS(方差分析)。显著差异( )在每个P的浓度分数与每个治疗前后摇晃的解决方案(水、柠檬酸、草酸、苹果酸、葡萄糖)进行评估与单向方差分析(方差分析)为每个土壤进行了研究。所有统计分析在这项研究是由软件包SPSS 19.0和起源为Windows 2017。

3所示。结果

3.1。温度的影响由LMWOAs磷的动员

结果表明,不同种类的LMWOAs对P分数在不同的温度下有不同的影响。LMWOAs提拔、不变或抑制P分数在不同的温度下(图的过程1)。结果表明,LMWOAs改变其他P的浓度分数通过减少残余在4°C(图P1(a))。例如,只有草酸的浓度显著增加resin-P与去离子水相比,葡萄糖,和其他两个有机酸在4°C。草酸NaHCO的浓度增加₃阿宝和NaOH-Po,从而,增加NaHCO的浓度₃pt和NaOH-Pt。柠檬酸Bio-P的浓度增加和减少的浓度NaOH-Pt, HCl-P,和残余P .然而,苹果酸并没有改变Bio-P和其他P的分数分数与草酸、柠檬酸。LMWOAs抑制土壤中的resin-P的浓度在14°C,但增加的浓度Bio-P通过增加NaHCO的浓度₃pt(图1(b))。草酸NaHCO的浓度增加₃阿宝和NaOH-Po,从而,增加NaHCO的浓度₃pt和NaOH-Pt。柠檬酸主要NaOH-Pt的浓度降低,HCl-P,剩余P在14°C。苹果酸的浓度降低NaHCO₃阿宝和HCl-P,因此,增加Bio-P分数。三种LMWOAs显示类似的特征改变P分数在24°C(图1(c))。所有三个LMWOAs显著增加的浓度Bio-P NaOH-Po的浓度下降,NaOH-Pt, HCl-P。总之,LMWOAs Bio-P的浓度增加主要是通过增加NaHCO的浓度₃-π。和重大变化的有机P被观察到更高的温度。

3.2。由LMWOAs土壤无机磷浓度的影响

无机P的动员能力不同于LMWOAs各种浓度的土壤,表明LMWOAs更高浓度的大动员土壤中无机P(图的能力2)。LMWOAs浓度的增加,释放无机P显示一个线性增加的趋势(图2)。草酸具有强大的动员能力,其次是柠檬酸和苹果酸。然而,LMWOAs不同浓度,不同种类的LMWOAs有不同的能力解放土壤P在1小时。结果表明,当LMWOAs的浓度低于10毫米,柠檬酸和苹果酸的动员能力大于草酸,草酸的动员能力显著增强时的浓度LMWOAs高于25毫米与柠檬酸和苹果酸(图2)。

3.3。π,阿宝释放动力学和LMWOAs P分数的变化的影响

结果表明,土壤中无机P和有机P被释放的影响LMWOAs随着时间的增加(图3)。三种LMWOAs迅速释放无机P和有机P在很短的时间内,但释放速率减慢时间的增加。特别,草酸动员速度最快,柠檬酸和苹果酸无机P动员率低于草酸,和去离子水没有明显的动员率为无机无机P P .由去离子水和LMWOAs随后被释放 48小时后。的变异LMWOAs动员无机P,这三个LMWOAs还发布了阿宝迅速在短时间内,然后释放速率减慢时间的增加。有机P由去离子水和LMWOAs随后被释放 48小时后。

结果表明,NaHCO的顺序₃-π是紧随其后的是 ,而NaHCO的顺序₃pt是 (图4)。NaOH-Pi的浓度、NaOH-Pt HCl-P下降与柠檬酸的样品,但只有HCl-P减少草酸的样本,而NaOH-Pi的浓度和HCl-P下降与苹果酸样品。与此同时,有机P明显观察到的变化比无机P .因此,我们认为无机P柠檬酸主要来自NaOH-Pt动员,即。P绑定到铁和铝,而P动员草酸、柠檬酸主要来自HCl,即。,P绑定到Ca。

4所示。讨论

符合我们的第一个假设,我们发现LMWOAs几乎没有影响分数的有机P在较低温度时微生物的作用被忽视在我们的研究中(图1())和显著改变P分数较高的温度(图1(c))。温度的变化发挥了重要作用P分数由微生物。众所周知,LMWOAs可以为微生物提供能源,影响生物可利用磷的矿化有机P .结果表明,有机P的浓度随着温度降低的过程中LMWOAs改变P分数,和NaHCO₃阿宝和NaOH-Po减少最24°C比另两个温度。主要原因可能是LMWOAs促进了土壤微生物的活动在更高的温度,和部分有机P可以转化成可用无机P微生物矿化,导致无机P的分数的增加(23]。从有机P转变成无机P被矿化的主要原因resin-P和NaHCO的浓度增加₃-π(24,25),符合本研究P分数的转换机制。与其他两个酸相比,苹果酸有较弱的影响在P分数相同的温度。与此同时,尽管葡萄糖还可以作为微生物碳源,葡萄糖P分数的变化机制的三个温度是一致的。葡萄糖的浓度没有显著改变有机P在土壤与柠檬酸和草酸,也就是说,柠檬酸和草酸的比苹果酸和葡萄糖更容易使用的微生物影响有机P的释放26]。

温度会影响有机P的释放不仅通过微生物。我们的研究结果表明,不同种类的LMWOAs有不同影响P分数较低的温度通过自己的(表1;数据1(一)和1(b))。例如,草酸的机制不同于柠檬酸在我们的研究中。我们发现草酸减少HCl-P (Ca-P)和残余P在4°C和14°C,而柠檬酸主要减少NaOH-P (Fe / Al-P)在两个温度下增加Bio-P的浓度。因此,这些结果表明,草酸、柠檬酸变化的影响在碱性和酸性土壤P分数的不同,分别。尽管一些研究已经表明,解散机制的有机无机P (P是类似于25,27),魏等人表示,10毫米柠檬酸浓度显著增加有机P的浓度在亚热带和热带森林土壤澳大利亚(表1),但是没有显示的有效动员无机P [10]。相比之下,LMWOAs似乎有效的释放阿宝π在我们的研究中。不同基质的有机P可能开始这一现象的主要原因(表1)[24),温度的变化会影响吸附/解吸和沉淀/溶解的P。

符合我们的第二个假设,LMWOAs将增加两个π的动力学和阿宝释放,这是支持的π和阿宝动力学参数在LMWOAs高于水在我们的研究数据2和3)。许多研究已经证明的潜力LMWOAs溶解矿物P在土壤8,9,28],LMWOAs显著改变了P分数和改进Bio-P在酸性、中性和碱性土壤。土壤P的溶解度主要是由吸附/解吸和沉淀/溶解(2),受土壤理化性质(如土壤pH值)和生物活动(如生物固定、分泌物LMWOAs,和磷酸酶)(4,29日- - - - - -31日]。柠檬酸、苹果酸和草酸可以从植物根系和土壤微生物获得应对缺P [9,31日,32]。LMWOAs在土壤的重要物质提高可溶性P和Bio-P浓度的土壤。

的不同类型和浓度LMWOAs主导P释放通过羧基团体在大多数研究中,和不同类型的LMWOAs有不同的土壤中P(表的动员能力1)。LMWOAs可能通过直接影响土壤中P的溶解度与磷酸配体交换,和配体促进矿物溶解10,28,32,33]。因此,LMWOAs随后的动员能力 。三元羧酸(如柠檬酸)一般都能溶解无机磷比二元羧酸(如草酸)和一元羧酸33,34]。虽然草酸的羧基数量(二羧酸)低于柠檬酸(三元羧酸),现有的研究表明,草酸比柠檬酸P动员的过程中由于森林土壤的缓冲能力。草酸的动员能力也强于柠檬酸和苹果酸在我们的研究中草酸的浓度足够高时(数据2和3)。因此,土壤溶液中的羧基数量的决定性因素,以确定转换P分数。因此,更高浓度的LMWOAs意味着多个羧基组可以由金属阳离子交换。溶解无机磷的浓度分数通常由LMWOAs LMWOAs增加浓度的增加。然而,可能有一个关键阈值所需的LMWOAs浓度溶液的吸附和沉淀P [26,35]。在我们的研究中,柠檬酸能动员更多P比草酸浓度较低。然而,当LMWOAs的浓度超过25毫米,草酸能动员更多Ca-P,而柠檬酸Ca-P疲软的动员能力,而草酸。在其他的研究中,动员Ca-P草酸是更重要的在碱性土壤或高磷灰石土壤(35]。因此,结果表明P动员的顺序 在我们的研究中当LMWOAs的浓度超过25毫米。这个结果也解释了为什么柠檬酸显著影响Bio-P太Gongga根际土壤,但草酸不是重要的在酸性土壤20.]。总之,浓度和类型的LMWOAs影响无机P的浓度和转换分数。

LMWOAs的动员能力随着时间的增加,P是动员责任分数更稳定。我们的结果表明,LMWOAs往往动员稳定责任P P分数分数(图4)。释放π,阿宝从稳定的浓度土壤中P分数迅速增加在第一次5到240分钟的动力学研究作为一个明显的维持着平衡。这两阶段的最初模式快速P释放其次是缓慢释放被其他报告(报告36- - - - - -38),是归因于溶解和解吸过程的结合。在这项研究中,NaHCO的分数₃-π倾向于增加后将π释放到土壤溶液的LMWOAs。有一个快和慢反应过程释放的Bio-P LMWOAs nonlime土壤中(24,27]。因此,土壤中的Bio-P也发布后一小时内迅速LMWOAs被添加到土壤,然后释放速度逐渐慢了下来在我们的研究中(图2)。

LMWOAs可以稳定P分数(Fe / Al-P和Ca-P)转换为P (NaHCO责任₃- p和resin-P)。我们的研究结果表明,pH值在解决方案增加逐渐随着时间的增加,P的释放,这意味着H⁺在解决方案减少(图2)。原因是H⁺LMWOAs占领了吸附网站的原始铁/铝或钙与铁/铝反应或Ca的土壤,与羧基复合物^{- - - - - -}或螯合物,因此,实现mineral-bound P分数和Bio-P浓度的增加。当 ,柠檬酸可以与铁形成稳定的化合物^{3 +}从磷,促进P的释放。当pH值小于4.0,LMWOAs能有效地动员Ca-P。在这项研究中,LMWOAs添加后的pH值小于或等于4.0。因此,Gongga山的土壤可能有效地解放土壤中的磷和Ca-P 10毫米LMWOAs后补充道。pH值的显著变化草酸在快速的初期阶段进一步确认π的来源和阿宝在解决方案HCl-P (Ca-P)或NaOH-Pi (Fe / Al-Pi)的动力学实验,表明mineral-bound P化合物的溶解时发生的土壤LMWOAs对待。

尽管LMWOAs可以稳定P分数(Fe / Al-P和Ca-P)转换为P (NaHCO责任₃- p和resin-P),我们发现,这条规则并不完全与转换过程一致。可能的原因是,尽管LMWOAs可以解放稳定P的一部分,还有吸附在颗粒表面,使P的一部分固定又因为土壤有机质高(24,39]。此外,我们发现resin-P的浓度显著增加LMWOAs被添加后,resin-P是最容易被吸收和利用植物在土壤中。这也证明了LMWOAs由根分泌增加Bio-P根据其增长需求(31日,40]。因此,生产LMWOAs通过植物根际土壤中是一个重要的机制来提高Bio-P,主要是因为LMWOAs显著增加的浓度resin-P然后Bio-P被植物吸收的浓度增加。总之,Bio-P的浓度土壤中增加是由于偏磷酸螯合和解散在主铁/铝绑定。释放Bio-P LMWOAs在酸性土壤主要是通过减少和解散Fe / Al和Ca, P的后续版本绑定或封闭的铁/铝和Ca (5,39]。

5。结论

低分子量有机酸的浓度和速度的增加无机P和有机P释放的动力学在酸性森林土壤。低分子量有机酸比葡萄糖更容易使用的微生物影响P的释放通过更多的矿化有机P .然而,去除微生物的影响,发布的阿宝在治疗低分子量有机酸总量的一半P代表释放,这促进了有机P释放的机制的理解在低分子量有机酸的存在,而增强无机P释放可能是由于加速解吸和溶解过程。分数的无机P和有机土壤草酸处理时比其他有机酸在低分子量有机酸的浓度大于25毫米。未来的研究应该突出低分子量有机酸的来源和消费对可用性的影响和转换的土壤P更好地理解的生物地球化学循环和底层机制在不同的生态系统。

数据可用性

我们提供补充信息文件中的数据来支持我们的研究的结论。

的利益冲突

所有作者在这个手稿直接参与规划、执行、和/或数据分析的研究,和我们没有利益冲突的工作。我们宣布手稿不是发表或正在审查。我们还声明,我们没有任何商业或关联利益代表的利益冲突与提交的工作。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(41630751),青年科学基金山地灾害与环境研究所,中国科学院(sds - qn - 2105),和四川的关键研究和发展项目,中国(2018 jz0075)。

补充材料

图S1: P的浓度分数与去离子水添加后(ck)、有机酸,葡萄糖溶液在酸性森林土壤。图S2:悬浊液pH值的变化与去离子水添加后(ck)在酸性森林土壤和有机酸。(补充材料)