博文

科研 | Sci. Total Environ.：在亚热带森林土壤细菌和真菌群落对氮沉降的不同响应

已有 2736 次阅读 2021-5-3 11:56 |系统分类:论文交流

编译：微科盟厚朴，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

由于密集的人类活动导致中国正在经历N沉降，尤其是亚热带森林区域。然而长期N沉降对土壤细菌和真菌丰度，多样性以及群落组成的影响仍然不是很清楚。我们使用定量PCR和高通量测序的方法评估了N沉降在夏天和冬天对亚热带森林土壤微生物群落的影响。随着N沉降速率的增加，土壤细菌和真菌的丰度呈现降低的格局。在夏天和冬天，N沉降增加了细菌的多样性，而对于真菌多样性，在夏天显著降低，但是在冬天在高N添加下显著增加。氮沉降显著增加了放线菌门，绿弯菌门和WPS-2的相对丰度，但是降低了酸杆菌门、疣微菌门的相对丰度。此外，氮沉降显著降低了子囊菌门的相对丰度，但是对担子菌门没有显著影响。细菌和真菌群落组成受N沉降的显著影响，土壤N有效性和土壤pH是两个主要的影响因子。本研究证明了真菌群落相对于细菌群落对N沉降更敏感，也进一步强调了同时评估土壤细菌和真菌群落响应全球环境变化的重要性。

论文ID

原名：Different responses of soil bacterial and fungal communities to nitrogendeposition in a subtropical forest

译名：在亚热带森林土壤细菌和真菌群落对氮沉降的不同响应

期刊：Science of the Total Environment

IF：6.551

发表时间：2020.9

通讯作者：黄志群

通讯作者单位：福建师范大学

试验设计和数据分析

实验地点位于亚热带森林，中国，福建省，武夷山国家自然保护区，氮沉降实验开始于2011年。研究地点属于季风气候，年平均降雨量约为1890mm，年平均温度约为18℃。实验设计在Shi et al., (2018)中有详细的描叙。简而言之，N肥添加开始于2011年的7月，4个氮添加水平，即对照（N0，不添加氮），N50（50 kg N ha^-1 yr^-1），N100（100kg N ha^-1 yr^-1）和N150（150 kg N ha^-1yr^-1）。N肥以硝酸铵水溶液的形式均匀的添加到样方中。

在2017年的8月31号（夏天）和12月12号（冬天）对土壤样品进行采集。在取样之前去除凋落物层，对0-10厘米的土壤样品进行采集。对于采集的土壤样品分成两份，一份用于土壤属性的测定，另一份进行分子分析。测定的土壤指标有土壤pH，土壤无机氮，总氮，总碳以及土壤有效磷。采用定量PCR的方法对细菌和真菌的丰度进行测定，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。

使用SPSS22.0对数据进行单因素方差分析，伴随Duncan’s 检验。使用R3.5.2进行主成分分析（PCA）和冗余分析（RDA）。使用聚合增强树（ABT）分析进一步检验土壤属性对细菌和真菌多样性的贡献。

结果

1 土壤细菌和真菌丰度

细菌16S rRNA基因丰度的范围从1.03 × 10⁹ 到2.58 × 10⁹ (图1a)，数量级高于真菌ITS基因丰度近乎一倍（9.13 × 10⁷ 到2.33 × 10⁸）(图1b)。通常细菌和真菌的丰度都是随着N沉降水平的增加而降低（N100和N150），尽管这仅仅对夏天的土壤细菌显著（P<0.05）。

图1 在夏天和冬天，在不同的N沉降水平下基于qPCR分析的土壤细菌（a）和真菌（b）的丰度。

2 土壤细菌和真菌多样性

生态指标，包括Shannon, Chao1, 和OTU的实际观测数目，对于土壤细菌多样性在不同的N沉降水平下显著不同（表1）。Shannon 和Chao1指数随着N沉降而增加，对于细菌无论是在夏天还是冬天，在N150处理下的显著高于对照土壤中的。类似地，证明了在6年的高N处理之后细菌多样性增加了，在冬天相对于对照样方，在N150处理中有相对较高的PD和观测的OTU数目。此外，在冬天，Faith指数和所观测的OTUs观测数目相对于对照，真菌多样性在N50和N150处理中显著较高，这与细菌多样性的结果一致。然而，在夏天，Shannon和Faith指标和所观测的OTUs数目在N150处理中最低（P<0.05）。

3 土壤细菌和真菌群落组成

在所有的N沉降水平和季节，细菌最占优势的门分别是变形菌门，酸杆菌门，放线菌门和绿弯菌门（图2a）。在夏天，变形菌门，放线菌门和WPS-2的相对丰度随着N沉降水平而增加，然而疣微菌门在N150处理中显著低于对照中的。在冬天，绿弯菌门和WPS-2的相对丰富随着N添加水平而增加（P<0.05），而变形菌门的相对丰度呈现下降的趋势。此外，综合考虑所有的N添加处理，最占优势的10个目（>1%）也确定了，酸杆菌目，根瘤菌目，粘球菌目以及棒状菌目的相对丰度在N添加下显著减少，然而Frankiales在两个季节都增加。

图2 在不同的N沉降水平下细菌（a）和真菌（b）门的相对丰度。“S”和“W”分别代表夏天和冬天。

考虑所有的N处理，最丰富的真菌门分别是担子菌门（37.9-55%），子囊菌门（31.6-54.2%）和孢霉菌门（4-13.1%）（图2b）。在两个季节，N添加显著增加了孢霉菌门和罗兹菌门的相对丰度，然而子囊菌门显著降低。担子菌门的相对丰度在处理之间没有显著差异。此外，也确定了10个最占优势的纲。在两个季节Eurotiomycetes和 Rozellomycotina_cls_Incertae_sedis在N添加下显著降低，而Geminibasidiomycetes显著增加。

通过基于weighted UniFrac 距离的PCA分析评估了N添加和季节对微生物群落组成的影响。在对照样品中的微生物群落与那些在N添加处理下的样品清晰的分离开，表明6年连续N添加的影响（图3）。季节而不是N添加水平导致细菌群落分离（图3a）。相反地，就N添加水平而言，真菌群落明显聚类，主要是在N50和N150处理下（图3b）。PCA第一二主坐标分别代表了细菌和真菌群落57.7%和79.9%的变异。

图3 基于可操作的分类单元（OTU）表格，在不同的N沉降水平下细菌（a）和真菌（b）群落的主成分分析（PCA）。“S”和“W”分别代表夏天和冬天。

4 微生物群落和土壤属性之间的关系

使用RDA分析了土壤属性对土壤微生物群落的影响（图4）。土壤硝态氮和pH对微生物群落变化的贡献最大，RDA第一和第二轴总共分别解释了细菌和真菌群落57.4%和56.9%的变异（图4）。相关分析表明，细菌纲Acidobacteriales和Caulobacterales与土壤pH负相关，与土壤铵态氮含量负相关（图5a）。相反地，Rhizobiales, Elsterales, 和 Corynebacteriales与土壤pH正相关，但是与土壤铵态氮和硝态氮含量负相关（图5a）。Corynebacteriales与土壤总碳，总氮，碳氮比正相关（图5a）。就真菌而言，Agaricomycetes, Mortierellomycetes,和 Rozellomycotina_cls_Incertae_sedis与土壤pH负相关，但是与土壤铵态氮和硝态氮含量正相关（图5b），而Sordariomycetes, Eurotiomycetes,和Leotiomycetes与土壤pH正相关，但是与土壤铵态氮和硝态氮含量负相关（图5b）。

图4 基于可操作的分类单元（OTU）表格，在不同的N沉降水平下细菌（a）和真菌（b）群落和土壤属性之间的冗余分析（RDA）。

图5 在N沉降条件下土壤属性和主要的细菌（a）和真菌（b）之间的相关性。主要的细菌和真菌值得是，细菌目和真菌纲的丰度分别>2%。根据皮尔森相关系数评估相关性。蓝色代表负的相关性，红色代表正的相关关系，颜色的深度代表相关性的强度。

土壤属性对微生物多样性的相对贡献通过ABT分析确定。影响土壤细菌多样性最重要的土壤属性是土壤铵态氮，有效磷，总碳，土壤碳氮比以及土壤硝态氮。土壤总碳，铵态氮，pH以及硝态氮是影响真菌多样性最重要的土壤参数。

讨论

1 N添加对细菌和真菌丰度和多样性的影响

生物地球化学过程和生态系统功能与土壤微生物群落丰度，多样性和组成的变化直接相关联。为了预测生态系统功能对潜在的全球环境变化的响应，有必要掌握环境因子怎样形成微生物群落。不管季节，N添加（N100和N150）降低细菌和真菌群落的丰度，这与之前的研究结果一致。在增加的N沉降下，微生物丰度的减少可能归因于地下碳分配的减少。植物为土壤微生物提供碳，用来交换其它土壤养分，例如N。然而，由于N沉降N的有效性增加，植物释放更少的碳给土壤微生物，因为通过植物获取N的需求减弱。最终，随着N输入的增加，更少的碳将会分配到地下，导致土壤碳库的降低。之前有篇基于站点的研究表明在N添加下土壤总碳含量显著降低。此外，细菌和真菌丰度的降低可能与土壤pH的显著降低相关联。在亚热带和热带森林中，土壤pH是影响土壤细菌和真菌丰度关键因子。土壤pH的降低会驱动铝毒害，这对微生物生长是有害的。本研究中，由于6年的N添加，土壤pH显著降低。

之前的研究已经报道了在森林生态系统中，增加的N沉降会减少细菌和真菌多样性。然而，其它的研究没有报道长期N添加对细菌多样性的影响，而在森林土壤中观测到了真菌多样性的增加。在夏天，N添加降低了真菌多样性，然而在冬天，氮添加增加了真菌多样性；相反地，在夏天和冬天，N添加都增加细菌多样性（表1）。该结果表明氮沉降对微生物多样性的影响依赖于季节，所以未来研究应该考虑季节的影响。一些研究已经报道了细菌和真菌群落呈现出季节动态，就它们的丰度，群落组成和酶活性而言。

2 N添加对细菌和真菌群落组成影响

N添加显著影响细菌和真菌群落组成，这与之前在森林生态系统的研究结果一致。N沉降会影响不同的土壤属性，受影响的土壤属性会直接或者间接的影响土壤微生物群落。土壤有效氮含量与微生物群落组成相关。之前的基于站点的研究报道了N沉降会直接影响土壤无机氮的有效性，是细菌和真菌群落组成的主要贡献因子。土壤pH也是影响微生物群落组成的重要因子，与之前的研究一致。N沉降对真菌群落的影响强于季节（图3），表明土壤真菌对长期氮沉降的敏感性更强。而且，土壤真菌群落组成的改变，例如内生菌根真菌，会影响土壤酚氧化酶，蛋白酶和酸性磷酸酶活性，因此会调节受N沉降影响的森林生态系统中的土壤碳，氮和磷循环。

占优势的变形菌门，酸杆菌门，放线菌门和绿弯菌门与之前亚热带和热带酸性森林土壤中的研究报道的一致。我们的结果证明了在氮添加下放线菌门，绿弯菌门以及WPS-2的相对丰度增加，而酸杆菌门和疣微菌门的相对丰度降低（a和表S1）。这与一个事实相一致，即随着氮有效性的增加，共营养的类群，放线菌门和变形菌门会增加，而寡营养的类群，例如酸杆菌门会呈现相反的格局。然而，当将细菌门概括为共营养或寡营养时，应特别小心，这主要是由于单个微生物门内具有高代谢可处理性和广泛的生理特性。当记录微生物群落的响应以推断微生物的生命策略时，高度鼓励关注更精细的系统发育和分类学分辨率。以往的研究表明，氮沉降可以抑制生物固氮，主要是因为沉降的氮足以满足土壤固氮者对氮的需求。与此一致地，细菌根瘤菌目，附属于变形菌门并且构成了潜在的固氮者，与土壤铵态氮和硝态氮负相关（图5），在本研究中它的相对丰度在高N添加下显著降低。Caulobacterales目，属于变形菌门，在凋落物转化方面扮演重要的角色。Caulobacterales的相对丰度在低水平的N沉降下显著增加。Caulobacterales的相对丰度与土壤铵态氮的正相关关系解释了在N沉降下它们丰度的增加。

对氮沉降引起的真菌群落组成变化进行了对比研究。随着氮沉降量的增加，子囊菌的丰度显著降低，而担子菌的相对丰度没有显著增加（图2b）。之前的研究在温带森林土壤中的研究表明N沉降增加了子囊菌纲的相对丰度并且减少了担子菌门的相对丰度。最丰富的真菌纲，Agaricomycetes随着N沉降的增加显著增加。之前的研究表明在衰退初期细菌根瘤菌可以与木腐真菌竞争。因此根瘤菌相对丰度的减少可能与木腐真菌（属于Agaricomycetes和Dothideomycetes）的增加相关。

结论

本研究证明了在亚热带森林连续6年N添加导致了细菌和真菌丰度的降低。N添加对微生物多样性的影响取决于季节，在夏天引起了真菌多样性的降低，但是在冬天引起了真菌多样性的增加，然而细菌多样性在夏天和冬天均增加。N添加对细菌和真菌群落组成呈现了深远的影响。真菌群落在N沉降水平下相对于季节更聚集，表明土壤真菌相对于细菌对N添加更敏感。这些结果表明未来的研究应该考虑季节，为了更高的预测全球环境变化对地下微生物群落的潜在影响。

微科盟推荐阅读

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）。