博文

中科院 | SBB：氮添加下化学计量失衡和微生物群落调节微生物元素的利用效率

已有 2412 次阅读 2021-4-28 08:09 |系统分类:论文交流

编译：微科盟清韵，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

微科盟原创微文，欢迎转发转载。

导读

微生物元素利用效率是调控土壤碳、氮矿化过程的重要参数。微生物碳利用效率（CUE）描述了用于生长的碳占总有机碳吸收量的比例。因此，较高的CUE值意味着微生物生物量中相对较少的CO₂排放和更多的碳固持。同样，较高的微生物氮利用效率（NUE）意味着土壤生物量氮的有效固持和较少的氮矿化。然而，森林土壤中氮素富集对微生物CUE和NUE的影响却知之甚少。本研究采用H₂¹⁸O示踪剂方法，通过在温带森林中进行的一项长期氮（N）素添加试验，研究了3个处理中的土壤微生物CUE和NUE，3个处理分别包括对照（大气氮沉降，2.7 g N m⁻² yr⁻¹）、低N添加（大气氮沉降 + 2.5 g N m⁻²yr⁻¹）和高N添加（大气氮沉降 + 7.5 g N m⁻² yr⁻¹）。研究发现微生物CUE对N添加的响应取决于N添加量和土层。具体而言，在有机层土壤中，低N添加显著增加了微生物CUE（45.12%），高N添加却显著减少了微生物CUE（27.84%）。此外，在矿质层土壤中，低N添加处理中土壤微生物CUE没有发生变化，但在高N添加处理中微生物CUE显著增加了133.18%。研究还发现，有机层土壤中微生物NUE随N添加量的增加而降低，而矿质层土壤中微生物NUE却呈现相反的趋势。N添加下，微生物生物量与资源之间磷的化学计量失衡以及微生物群落的变化与微生物CUE和NUE紧密相关。另外，N添加降低了有机层土壤中微生物生物量的周转，却加速了矿质层土壤微生物生物量的周转。综上，本研究结果表明，N添加可以通过影响微生物元素利用效率（即CUE和NUE）来控制土壤碳、氮循环过程，进而影响温带森林土壤碳氮固持。

论文ID

原名：Stoichiometric imbalance and microbial community regulate microbial elements use efficiencies under nitrogen addition

译名：氮添加下化学计量失衡和微生物群落调节微生物元素的利用效率

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5.795

发表时间：2021.3

通讯作者：王超

通讯作者单位：中国科学院沈阳应用生态所

实验设计和数据分析

试验地点位于中国吉林省的天然红松和阔叶混交林，N添加实验开始于2014年。研究地点属于典型温带季风气候，2018年年平均降水量为750 mm，年均温为4 ℃，土壤类型为火山灰发育的暗棕壤。长期氮添加试验由9个试验区组成，每个试验区面积2500 m²（50 m×50 m），且每个试验区之间至少有20 m的缓冲区。9个试验小区被随机分配（n=3）到3个N添加处理，即对照（0 g N m⁻² yr⁻¹），低N添加（2.5 g N m⁻² yr⁻¹）和高N添加（7.5 g N m⁻² yr⁻¹）。目前研究区的氮沉降速率约为2.7 g N m⁻² yr⁻¹，这意味着低N和高N的添加量分别相当于大气氮沉积速率的1倍和3倍。以尿素为氮肥，每年5月或6月份在各试验小区的土壤表层添加一次，以此来模拟氮沉降。

经过6年的试验性处理，于2019年8月进行土壤样本采集。取样前去除凋落物层，对0~10 cm的有机层和矿物层土壤进行采集。采集的混匀土壤样品分成两份，一份用于土壤理化性质分析，一份用于土壤微生物群落组成、微生物碳利用效率（CUE）和微生物氮利用效率（NUE）分析。测定的土壤理化性质有土壤水分、pH、SOC、TP和TP。采用熏蒸提取法对微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）和磷（MBP）进行测定，采用荧光底物微孔板法对β-葡萄糖苷酶、乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶进行测定，采用高通量测序的方法对细菌和真菌群落组成和多样性进行测定，采用¹⁸O-H₂O同位素示踪技术确定土壤微生物生长速率，采用改进的同位素稀释法（¹⁵N-IPD）估算土壤微生物总氮矿化。

双因素方差分析确定了N添加量、土层及其交互作用对土壤元素含量、化学计量学和微生物参数的影响。皮尔逊相关性确定了微生物过程与土壤元素化学计量学以及微生物元素化学计量学之间的关系。冗余度分析(RDA)研究了不同氮添加量下微生物群落与土壤性质之间的关系。分别利用Bray-Curtis dissimilarity和Euclidean distance计算了微生物群落与微生物CUE(或NUE)之间的距离矩阵，以检验它们之间的关系。然后使用Mantel检验分析微生物群落矩阵与微生物CUE和NUE矩阵之间的相关性。

结果

1 微生物元素的利用效率和周转率

与对照相比，有机层土壤的微生物呼吸速率在低N添加下显著降低，而矿质层的微生物呼吸速率没有明显变化（图1a）。高N添加抑制了有机层土壤微生物的碳生长效率，但极大地促进了矿质层微生物的碳生长速率（图1b）。有机层土壤微生物碳利用效率（CUE）在低N添加下显著增加，在高N添加下却减少，矿质层土壤微生物CUE在高N添加下最高（图1c）。有机层土壤微生物总氮矿化速率（GNM）并没有随N添加量增加而表现出明显变化，而矿质层土壤微生物GNM却明显下降（图1d）。高N添加显著减缓了有机层土壤微生物的氮生长速率，却促进了矿质层微生物的氮生长速率（图1e）。N添加减少了有机层土壤微生物氮利用效率（NUE），高N添加却显著增加了矿质层微生物NUE（图1f）。综合考虑有机层和矿质层土壤，微生物CUE与NUE呈多项式相关，且在CUE=0.40时NUE最大（图2）。

图1 N添加对土壤有机层和矿质层微生物呼吸速率（a）、微生物碳生长速率（b）、微生物碳利用效率（c）、微生物总氮矿化速率（d）、微生物氮生长速率（e）和微生物氮利用效率（f）的影响。

图2 不同N添加量和土层下土壤微生物碳利用效率和微生物氮利用效率的多项式相关性。

此外，微生物CUE随着有机层土壤中微生物生物量呼吸速率（qCO₂）的增加而显着减少，与矿质层土壤微生物生物量碳生长速率（qGrowth C）呈正相关。土壤中微生物NCU与微生物生物量氮生长速率（qGrowth N）呈正相关，与微生物生物量总氮矿化速率（qGNM）呈负相关（图3）。由微生物生长的阈值元素比（TER_C:N）可知，N添加降低了有机层土壤TER_C:N值，高N添加却增加矿质层土壤TER_C:N值（图4）。另外，有机层土壤微生物生物量周转率在高N添加下显著降低，而矿质层土壤微生物量周转率在低N和高N添加下均显著增加（图5）。

图3 微生物碳利用效率与微生物生物量呼吸速率（a）和微生物生物量碳生长速率（b）之间的回归，微生物氮利用效率与微生物生物量总氮矿化速率（c）和微生物生物量氮生长速率（d）之间的回归。

图4 N添加对有机层和矿质层土壤微生物生长的阈值元素比（TER_C:N）的影响。

图5 N添加对有机层和矿质层土壤微生物生物量周转的影响。

2 土壤元素含量和微生物生物量

在低N和高N添加下，土壤pH在有机层降低而在矿质层没有变化，SOC和TP含量没有显著变化（表S2）。低N添加显著增加了土壤中TP含量，使得TN/TP比值显著下降。另外，N添加对本研究中土壤可溶态C、N、P之间的比值没有影响。土壤MBC和MBN含量在高N添加下的有机层中显著下降，在低N添加下的矿质层中也呈下降趋势（表S3）。在高N添加下，有机层和矿质层土壤MBC/MBP和MBN/MBP值均显著降低。矿质层土壤中亮氨酸氨基肽酶活性分别从对照的1.01 nmol h⁻¹ g⁻¹下降到低N添加下的0.55 nmol h⁻¹ g⁻¹和高N添加下的0.25 nmol h⁻¹ g⁻¹。此外，有机层土壤酸性磷酸酶的活性在低N添加下增加了46%。

3 微生物化学计量失衡

与低N添加相比，有机层土壤中有机物与微生物生物量之间的C:N或N:P的化学计量失衡在高N添加下更严重（表1）。这种现象在矿质层土壤中也存在，但在统计学上差异不显著。另外，高N添加加剧了有机层可浸提性土壤组分与微生物生物量之间的C:P或N:P失衡。在矿质层中，高N添加显著加剧了可浸提性土壤组分与微生物生物量之间的C:N和C:P失衡。

表1 N添加下有机层和矿质层土壤微生物元素化学计量失衡。

4 微生物群落组成

RDA分析表明矿质层土壤中的细菌群落结构在N添加的作用下发生了轻微的变化（图S2，PERMANOVA test，R²=0.38，P=0.08）。土壤N:P、C:P和DN:DP值是调控矿质层土壤细菌群落的3个最重要变量。然而，N添加并没有改变有机层土壤中的细菌群落结构。另外，N添加显著改变了矿质层土壤中的真菌群落结构（图S3，PERMANOVA test，R²=0.34，P<0.05），且高N添加下的真菌群落和对照的真菌群落被明显分为两类。N添加对有机层土壤中的真菌多样性影响不显著（R²=0.31，P=0.08）。有机质层土壤中的优势菌门在N添加下没有发生变化，但矿质层土壤中Proteobacteria，Acidobacteria和Actinobacteria的相对丰度发生了变化（图S4）。在真菌群落中，高N添加显著增加了有机层和矿质层土壤中优势类群的相对丰度（图S5）。

5 微生物元素利用效率的影响因素

在有机层土壤中，微生物CUE随着MBC:MBP和MBN:MBP值的增加而增加，随着失衡的CP_SOM、NP_SOM、CP_extr和NP_extr的增加而减少（表2）。而且，微生物CUE与真菌群落呈正相关。在矿质层土壤中，微生物CUE随着MBC:MBP值的增加而减少，随着BG:(NAG+LAP)值和失衡的CP_extr的增加而增加。而且，细菌群落组成对微生物CUE有积极的影响。矿质层土壤微生物NUE与土壤、微生物、酶活性的化学计量比和化学计量失衡之间没有显著的相关性。矿质层土壤微生物NUE与MBC:MBP值呈负相关，与失衡的CP_SOM、CN_extr、CP_extr和细菌群落组成呈正相关。

表2 有机层和矿质层土壤中微生物元素利用效率（CUE和NUE）与土壤元素化学计量比、微生物元素化学计量比、元素化学计量失衡、酶化学计量比和微生物群落结构之间的相关系数。

讨论

1 氮添加对微生物碳利用效率的影响

微生物CUE对N添加的响应受到氮肥添加量和土层的强烈影响。在低N添加下，有机层土壤微生物CUE增加了0.16%（图1），这支持了本研究的第一个假设，即N添加可以增加微生物CUE，这与之前的研究结果一致。微生物CUE增加的主要原因是N添加导致微生物呼吸速率下降。但是有机层土壤微生物CUE在高N添加下却大幅度下降。在北美草原的研究中，也报道了N添加对土壤微生物CUE有负面影响。我们猜测在N添加下，微生物CUE的减少可能是由于具有较低CUE的微生物的群落组成逐渐占主导地位。研究结果还表明，不同土层间土壤微生物CUE对N添加量的不一致反应表明，土壤氮素状况的变化会显著影响森林土壤中微生物碳在生长和呼吸之间的分配。

研究结果表明，土壤中氮素有效性的增加可能会使微生物的呼吸和生长过程脱钩。N添加对土壤微生物呼吸的负面影响已有文献充分报道，且本研究中有机层微生物呼吸在低N添加（−51%）和高N添加（−23%）下降低的幅度不同。微生物生长在低N添加下（−8%）变化不大，但在高N添加下(−53%)表现出较大的下降趋势。N添加下微生物呼吸的变化可能归因于微生物生物量的变化，这是由于微生物生物量和微生物呼吸之间存在正相关性。N添加造成的土壤酸化、阳离子减少和胞外酶活性抑制会减少微生物生物量，进而导致微生物对碳的获取利用减少。然而，微生物生长对N添加的响应不能被微生物生物量的变化所解释。

微生物生物量的变化可能不能解释微生物对氮素添加的生长响应。现存的微生物生物量并不一定代表微生物生长速率，一些研究甚至发现N添加对微生物的生长速率有积极影响，但没有改变现存微生物生物量。总体而言，在养分有限的矿质层土壤中，微生物的生长和呼吸过程是脱钩的。生物量特定生长率（q_Growth）和微生物CUE之间的正相关关系也支持了这一点（图3b）。对于有机层土壤，单位生物量的微生物呼吸速率（q_CO2）与微生物CUE呈强烈的负相关（图3a），这表明N添加下土壤中发生溢出代谢，导致了微生物生长、呼吸和CUE之间的权衡。

2 氮添加对微生物氮利用效率的影响

低N和高N添加分别使有机层土壤中的微生物NUE降低了25％和46％（图1f）。这一结果支持了我们的假设，并与观察到的微生物NUE从植物凋落物到有机层和矿质层的N有效性梯度而减少的研究一致。然而，高N添加可以促进矿质层土壤微生物对氮的吸收，从而使微生物NUE增加297.76%。由于N添加没有改变两个土壤层中微生物对氮的吸收（图S7），因此生长氮与总氮矿化之间的相对转移意味着微生物只是重新分布，分配有机层中较少的氮用于生长（或更多的氮矿化为NH₄⁺）。相反，高N添加使得矿质层土壤中分配给生长的氮素更多。这些结果表明，有机层土壤微生物不受氮的限制，N添加后微生物GNM的增加不是为了满足微生物对氮的需求，而是为了刺激碳。因此，在温带森林中，N添加使得有机层土壤的氮素循环更加开放，而矿质层土壤会保留更多的氮素。

3 化学计量失衡与微生物元素利用效率

与我们的预期相反，N添加并没有影响土壤的C:N和土壤溶解性C:N值（表S2和表S3）。然而，高N添加显著降低了土壤N:P和微生物量N:P和C:P值，这意味着土壤磷的有效性和循环过程在N的添加下发生了改变，这与先前的研究结果一致。土壤磷有效性改变的可能原因包括土壤pH和酶活性变化、溶解磷的微生物固定、植物对磷的吸收和凋落物分解等。本研究结果表明，土壤pH的降低和酸性磷酸酶的增加可能是磷循环变化的原因。土壤有机质与微生物生物量的N:P或C:P失衡在低N添加下减小，在高N添加下增大（表1），这与有机层微生物CUE呈显著负相关，与矿质层微生物NUE呈正相关（表2）。一方面，磷的高有效性可以缓解微生物化学计量限制，减少用于酶产生的碳和能量投入，提高微生物对碳的利用效率；另一方面，磷的有效性可能改变了某些微生物功能（比如，芳香化合物和几丁质的降解），这可能会改变微生物底物，间接地影响微生物的生长和CUE。综上，我们的研究结果表明，相对于微生物碳和氮的失衡，微生物磷的失衡对富碳土壤（有机层）微生物CUE和贫碳土壤（矿质层）微生物NUE的发生起着更重要的作用。

4 微生物群落和微生物元素的利用效率

本研究中，N添加会改变有机层和矿质层土壤中真菌和细菌的群落结构（图S2和图S3），这些改变与微生物CUE和NUE有关（表2）。在有机层土壤中，N添加下真菌的生长速率快于呼吸速率，导致真菌群落与微生物CUE之间存在显著的正相关性。对于矿质层土壤，细菌群落与微生物CUE和NUE呈正相关，这可能是由于6年的N添加使得微生物组成的细菌变得更具有优势。矿质层土壤中细菌群落组成和微生物生长速率之间的正相关支持了这种可能性。最近的一项研究表明，细菌群落和多样性是微生物CUE的最佳驱动因素。由于不同的微生物菌株的CUE不同，因此，N添加下微生物群落的变化可能会改变微生物CUE，从而影响土壤呼吸、分解和反硝化等功能。综上，我们的研究结果提供了微生物群落结构与微生物CUE和NUE之间的经验联系，这有助于解释微生物群落组成与土壤碳、氮循环之间的相互作用。

5 土壤碳、氮循环的意义

我们探讨了微生物CUE与NUE的关系，发现当CUE<0.40时，微生物CUE与NUE呈正相关，当CUE超过0.40时，微生物CUE与NUE呈负相关。这种模式表明，微生物对碳和氮的吸收在CUE<0.40（或NUE<0.70）之前可耦合。在这个阈值之后，即使微生物生物量增加，土壤中的微生物群落也可以矿化更多的氮，这可能会促进氮的损失。微生物氮的高释放意味着植物对氮的高利用率，可能会增加植物的初级生产力和根部的碳分泌，从而缓解微生物的碳限制。本研究中有机层土壤C:N的阈值元素比（TER_C:N）在N添加后有所下降，但矿质层土壤TER_C:N在高N添加后有所上升（图4）。通过对各处理土壤的C:N与TER_C:N值进行比较，可以推测N添加缓解了有机层微生物的碳限制，矿质层微生物的限制由氮限制转变为氮和碳共同限制。此外，矿质层土壤中微生物周转量的增加还表明，通过向土壤中泵入微生物残留物，土壤在N添加下将储存更多的碳。总之，了解微生物CUE和NUE对氮素添加的反应可以提供一种有效的方法，将微生物代谢途径的变化整合到生态系统碳和养分交换的模型中。

结论

本研究基于一种新的不依赖底物的方法测定了温带森林土壤微生物CUE和NUE，发现微生物CUE和NUE对N添加的响应取决于氮素添加量和土层。微生物生长和呼吸作用的解耦是微生物CUE变化的主要原因。微生物CUE和NUE与元素化学计量失衡（如C:P和N:P值失衡）密切相关，表明磷元素可能是本研究中调节微生物生长、呼吸和氮矿化速率的重要预测因子。另外，微生物群落的变化会影响微生物CUE和NUE。本研究表明，N添加可以控制温带森林土壤微生物的活动，从而调节土壤的碳和氮储量。

----------微科盟更多推荐----------

免费生信作图平台——生科云

长按左侧二维码

进入生科云

生科云所有分析工具可以免费使用，不收取任何直接或间接费用；您还可以在微信上联系微生态老师，随时获取免费的指导，帮助您解决分析时遇到的问题；专业的生信分析团队，持续添加、更新、优化生信云上的分析工具，集成多种生信分析流程，一键批量生成主流科研图，帮您节省时间，有更多的时间探究生物学意义。

微文推荐阅读

微生态科研学术群期待与您交流更多微生态科研问题

（联系微生态老师即可申请入群）。