驯鹿放牧如何调控北极苔原磷吸附与养分限制格局？——基于60年围栏实验的土壤生物地球化学机制解析

《Oikos》：Impacts of reindeer grazing on phosphorus sorption and nutrient availability in a tundra site

本研究通过分析超过60年围栏实验的土壤样本，首次揭示高强度驯鹿放牧通过提升土壤铝铁(Al+Fe)含量增强磷(P)吸附能力，导致苔原生态系统从氮(N)限制转向磷(P)限制。研究发现草甸(meadow)和灌丛(heath)植被类型对放牧的响应机制存在差异：草甸主要表现为无机N有效性提升（N:P从21升至30），而灌丛则呈现PO4-P显著降低与P吸附指数正相关Al+Fe浓度的现象。该成果为理解大型食草动物如何通过改变土壤地球化学过程调控高纬度生态系统养分循环提供了新视角。

　　

引言

大型食草动物是全球植被动态和养分循环的重要驱动者。作为环北极分布的大型食草动物，驯鹿（Rangifer tarandus）能够影响苔原植物群落中氮（N）或磷（P）何者成为主要限制性养分。已有研究表明，在驯鹿放牧刺激无机N有效性的条件下，可能驱动生态系统转向P限制，但其对苔原土壤P生物地球化学的影响机制尚不明确。本研究利用挪威北部存在60年以上放牧强度差异的围栏系统，探究驯鹿放牧如何调节土壤无机N和P浓度，特别是P有效性与土壤P吸附能力的关系。

材料与方法

研究区域位于挪威北部雷萨达伦（69°30'N, 21°30'E），该地区在1960年代建立的围栏形成了鲜明对比的放牧制度：一侧为轻度放牧，另一侧在夏末经历为期2-3周的高密度驯鹿放牧。研究人员在灌丛和草甸植被中各设置5对样方，分别采集有机层和矿质层土壤样本（共40份）。测定指标包括水提取无机N（NH₄-N和NO₃-N）、水提取P（PO₄-P）、P吸附指数以及P吸附元素铝（Al）和铁（Fe）浓度。采用线性混合效应模型分析放牧制度、植被类型和土壤层次对土壤性质的交互影响。

结果

土壤基本性质显示，有机层的碳含量显著高于矿质层，灌丛植被的有机层厚度大于草甸。高强度放牧使草甸有机层水提取无机N浓度显著提升，同时显著提高了两种植被类型的土壤P吸附指数。在灌丛植被中，高强度放牧导致有机层提取性PO₄-P降低624%，而草甸的P浓度保持稳定但N:P比从21增加至30。Al+Fe浓度在有机层中显著高于矿质层，且与P吸附指数呈强正相关（R²=0.68）。特别值得注意的是，放牧对土壤全量C、N、P含量无显著影响，但显著改变了土壤C:P比。

讨论

研究结果部分验证了初始假设：高强度放牧确实提高了土壤P吸附能力，并与Al+Fe浓度增加相关。这种变化可能源于驯鹿践踏导致的矿物土壤混入有机层过程，其中灌丛植被表现出有机质含量降低的支持证据。然而，机制存在植被类型分异：灌丛主要通过P吸附增强导致P有效性下降，而草甸则表现为N有效性提升驱动的P相对限制。这种差异可能与草甸本身较高的Al+Fe本底值和较浅的有机层特性有关。研究还发现，放牧引起的Al+Fe重分布可能通过溶解有机碳（DOC）介导的淋溶过程实现，这得到该区域溪流化学监测数据的间接支持。

结论

长达60年的高强度驯鹿放牧通过提升土壤P吸附能力显著改变了苔原养分限制格局。草甸生态系统主要经历N有效性增加导致的P相对限制强化，而灌丛则直接受P吸附增强的调控。这些发现揭示了大型食草动物通过改变土壤地球化学过程影响高纬度生态系统养分循环的重要机制，对理解全球变化背景下北极生态系统响应具有重要启示意义。