编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。

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N添加实验在中国宁夏盐池县的一个围封的荒漠草原中建立（37.81°N, 107.44° E）。研究地点位于毛乌素沙地的东南边缘，具有典型的干旱季风气候。平均年降雨量是289.5mm，并且平均蒸散量是2131.8mm。植被稀疏，由一年生和多年生禾草和其它草本植物组成。优势植物物种和土壤属性的详细描叙在已发表的文献中有呈现。

一共有30个样方（6个处理，5个重复）建立于2015年1月。使用了一个完全随机的区组设计，并且N添加梯度（0,1.25,2.5,5.0,10.0和20.0 g m^-2 yr^-1）作为主要的变量。N添加梯度的范围很广，涵盖了该区域所预测的N沉降速率（~2-4 g m^-2 yr^-1）。同时使用了高N含量（即10和20 g m^-2yr^-1）用来检测生态系统对极端条件的响应。N肥以硝酸铵溶液的形式添加，在2015和2016年的生长季（5月-8月），每月添加一次。添加的水量约为15mm降雨量，占该研究区域年平均降雨量的5%。因此，增加的水对植物和土壤微生物生长的影响是可以忽略的。

在2016年8月末对地上植物生物量和地下表层土壤样品进行了采集。本研究测定了植物地上生物量，植物碳，氮以及磷库。测定的土壤生物和非生物属性包括，土壤有机碳（TOC），全氮（TN），全磷（TP），重力含水量（GWC），pH,铵态氮含量，硝酸根含量，有效磷含量（AP），胞外酶活性（EEA）和微生物生物量碳（MBC），氮（MBN）和磷（MBP）含量。并且对土壤基因组DNA进行了提取，采用高通量测序，分析了原核生物的多样性和群落组成。

1 在N添加下土壤属性的变异

线性混合模型（LMM）的结果表明在荒漠草原，TOC，TP，TN，NO₃^--N和NH₄⁺-N的含量，以及C/N和C/P比对N处理是正的响应，而NH₄⁺-N/NO₃^--N对氮处理是负的响应（图1）。对于这些变量，与施氮速率的增加呈线性关系（图1）。除了硝酸根的含量，当N添加速率高于5g m^-2 yr^-1时硝酸根的积累速率加速（图1）。类似的格局，MBN，MBN/TN和MBN/MBP在N处理下也发现了（图2）。此外，在荒漠草原转化酶的活性也受到N添加的线性刺激，而MBC/TOC以及MBC/MBN的比值出现相反的格局（图2）。

图1 在荒漠草原不同的N添加速率下土壤非生物属性的变异。浅灰色代表95%的置信区间。不同的小写字母代表p<0.05水平上统计显著。AP，有效磷；GWC，重力含水量；TN，全N；NH₄⁺-N，铵根；NO₃^--N，硝酸根；TOC，总的有机碳；TP，全磷;

图2 在荒漠草原不同的N添加速率下土壤微生物生物量和EEAs的转变。浅灰色代表95%的置信区间。不同的小写字母代表p <0.05水平上统计显著。APA，酸性磷酸酶；MBC，微生物生物量碳；MBN，微生物生物量氮；MBP，微生物生物量磷；SIA，转化酶活性；UA，脲酶活性。

2 在N添加下植物地上生物量和植物C，N和P库的变异

随着N添加梯度的增加，植物地上生物量和植物地上组织中的碳，氮和磷库含量增加。相反地，植物香浓多样性和植物地上组织碳，氮和磷含量下降。回归分析表明植物地上生物量，磷库，以及植物地上组织中的碳和磷含量随着N添加梯度增加（图3）。当N添加速率高于5 g m^-2yr^-1时，植物地上碳和氮库累积速率加速。

四种植物物种，包括黄耆，牛枝子，猪毛菜，猪毛蒿在每个样方中都能发现（图3）。与此同时，猪毛菜对N处理是正的响应（图3）。然而，牛枝子随着N添加速率下降（图3和）。在两个连续生长季处理之后，对照样方中最优势的物种在N添加速率为20 g m^-2 yr^-1的样方中逐渐被猪毛菜代替（图3）。N添加对黄耆和猪毛蒿的生长调节是负的，但是影响是微不足道的（图3）。其它植物物种地上生物量与N添加梯度呈现反驼峰关系（图3）。PCoA分析结果表明在荒漠草原N添加潜在的改变了植物群落组成。植物群落21.9%的方差能够被N处理解释。

图3 回归分析展现了植物地上生物量和植物α多样性随着N添加速率增加的转变。浅灰色代表95%的置信区间。不同的小写字母代表p <0.05水平上统计显著。

3 施氮条件下土壤原核生物群落的变化

10个最优势的原核生物门是Actinobacteria, Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, Gemmatimonadetes,Thaumarchaeota, Planctomycetes, Thermomicrobia,Firmicutes 和 Bacteroidetes，占所有分类群的95.4%。然而，N处理对这些原核生物门相对丰度的改变在统计上没有显著影响。在添加20 g m^-2yr^-1的样方中，Planctomycetes, Thermomicrobia 和 Bacteroidetes的相对丰度相对于对照样方平均增加了44.9%，40.0%和45.7%，而Firmicutes相对于对照减少了50.4%。

广义线性混合模型（GLMM）的结果表明在100个优势原核生物属中，只有12个属的相对丰度随施氮速率的变化而变化。此外，Pseudonocardia, Kribbella 和Alysiosphaera对N处理有线性并且正的响应（图4）。相反地，Lysobacter和 CL500-29轻微的受到抑制（图4）。Nocardioides, Roseiflexus, Nitrosococcus, Altererythrobacter,Nitrospiraceae, Nitrosospira 和Actinomycetospora的相对丰度与N添加速率之间呈现单峰关系（图4）。

图4 在荒漠草原在不同的N沉降速率下不同的原核生物属相对丰度的变异。浅灰色代表95%的置信区间。

土壤细菌的α多样性指数（包括香浓指数，Chao-1,Pielou和Hill numbers, 图5）和群落组成（在门和OTU水平）对N处理没有响应（图6A和B）。成对的adonis检验分析表明在20 g m^-2 yr^-1的样方中的原核生物群落结构与1.25, 2.5, 5 g m^-2 yr^-1的样方中的原核生物群落结构显著不同（图6C）。方差分割检测分析发现土壤非生物属性，微生物生物量和植物地上生物量在不同的N添加速率下对原核生物群落变异的解释贡献率为14.5%。此外，在荒漠草原，土壤pH和铵根对原核生物群落结构的改变联合有贡献，而MBP和植物生物量P的贡献可以忽略。

图5 荒漠草原土壤原核生物群落α多样性指数随施氮量的变化。

图6 在荒漠草原N沉降对土壤原核生物群落组成的影响。基于Bray-Curtis距离原核生物群落组成（在门（A）和OTU水平（B））的主坐标分析。在门水平上处理间的平均成对Bray-Curtis相异和成对Adonis检验的热图。

结构方程模型的结果表明，N添加对土壤铵根含量，植物地上N库以及土壤硝酸根的含量的解释度分别为60%，69%和91%（图7）。植物地上N库和硝酸根含量的变化对土壤pH的变化有贡献（图7）。模型对原核生物群落结构的变化解释了44%。土壤pH对原核生物群落结构的变化是唯一的显著变量（图7）。

图7 利用结构方程模型分析了施氮对荒漠草原植物地上生物量和土壤原核生物群落的影响。红色箭头代表正相关关系；黑色箭头代表负相关关系。用箭头连接的值表示标准化的路径系数。与响应变量相对应的百分比代表其他变量的解释率。

1 在荒漠草原N添加相对于非固氮植物物种减弱了固氮植物物种的竞争优势

在荒漠草原检测出来了植物物种对N添加的不同响应格局（图3）。植物群落组成从牛枝子占优势的群落在处理之后转向了猪毛菜占优势的群落（图3）；这些结果表明在N限制的生态系统中植物获取N的能力决定了它们对N沉降的响应。作为豆科的一员，牛枝子通过形成根瘤在不受干扰的情况下获得额外的氮。由于牛枝子生物固氮的能力，它们在N限制的荒漠草原中占优势，但是当硝酸铵添加时这种优势改变了（图3）。随着N添加速率的增加，牛枝子的固氮能力可能会中断，猪毛菜在水分利用效率和生长速率方面的优势可能会抵消在荒漠草原中牛枝子在固氮方面的竞争优势。另一种优势豆科植物物种，黄耆在氮添加下没有显著的改变，表明这个物种微弱的固氮能力。由于豆科植物物种的固氮能力和对干旱的敏感性存在差异，就目前的研究结果可以看出牛枝子在荒漠草原可能是最重要的固氮植物。

2 在荒漠草原放线菌门对N处理的响应

在荒漠草原有12个属对N处理有响应，并且其中5个属于放线菌门（图4）。这个结果表明放线菌门的物种对N添加的敏感性高。此外三个属，包括Nocardioides, Kribbella 和 Pseudonocardia对N添加有正的响应，然而Actinomycetospora和CL500-29呈现相反地格局（图4）。极端放线菌已经从很多极端的生境中分离出来，其中Nocardioides, Kribbella 和Pseudonocardi在荒漠土壤中繁荣。此外，在荒漠草原中发现极端放线菌种群的增加表明在连续两个生长季20 g m^-2 yr^-1的处理下土壤条件在恶化。

3 植物通过吸收部分补偿了N添加对原核生物群落的影响

Metabarcoding分析表明，氮处理对荒漠草原土壤原核生物群落α多样性和组成的影响不明显（图5）。本研究的结果也支持之前在美国西南干旱生态系统的研究结果。与我们之前的研究结果一致，在对照样方中我们也观测到了非常高的MBC/MBN比值（图2）。2年氮处理后，MBN的含量大量积累，并且MBC/.MBN的比值降低（图2），表明土壤微生物不能充分利用N，并不是造成土壤对N缺乏响应的原因。通过比较之前在不同生态系统的研究结果，我们发现土壤原核生物群落对N输入增加的响应格局不一致可能与土壤pH的变化有关。与这些研究相反，在本研究中没有观测到N沉降对土壤酸化的影响，即使是在最高的N添加速率下（图1）。作为驱动土壤原核生物群落变化的最关键的驱动因子之一，荒漠草原土壤原核生物群落对N处理的抗性可能归因于土壤pH的抗性（图5）。

SEM的结果表明在荒漠草原植物群落可能参与抵抗N添加引起的土壤酸化（图7）。基于植物地上N库的改变（图3），我们计算了植物地上N库/N添加速率的净增加比值，并且发现在2.5,5.0, 10.0和20.0 g m^-2yr^-1的硝酸铵处理中植物地上N分别增加了17.3%，21.6%，13.1%和14.7%。考虑到在干旱生态系统中地下植物生物量高于地上生物量，在荒漠草原样方中多于三分之一的N添加可能会被植物吸收，当N添加速率高于2.5gm^-2 yr^-1时。因此，除了维持土壤中总N含量，植物通过N的吸收对土壤pH的缓冲（图7）以及土壤有机质的输入（图1）也有贡献，由于有机质高的盐离子交换能力，在荒漠草原会增加土壤的缓冲能力。

除了被植物吸收，荒漠草原的干旱通过抵消N添加引起的土壤酸化对原核生物群落的敏感性也有贡献。该研究点低的年平均降雨量（285.9 mm）和高的蒸散速率（2131.8 mm），导致了一个脱水的土壤条件（图1），通过抑制金属阳离子的淋溶进一步增加了荒漠草原碱性土壤的缓冲能力，并且减少了排水速率。此外，P的有效性可能也限制了土壤原核生物的生长，因为土壤有效P和微生物生物量P不受N处理的影响（图1,2）。进一步的实验结合改变降水量、氮磷处理和间伐植物来检测原核生物群落多样性的变化有助于验证这一假设。

4 在荒漠草原偏向于消耗铵根

在荒漠草原，随着N添加速率的增加，土壤全N含量轻微累积（图1），表明输入到土壤中的N主要被植物吸收，并且通过氨气，氮气或者氧化亚氮释放。有趣的是，在荒漠草原铵态氮和硝酸根的含量随着N添加速率大幅增加，但是有不同的累积速率（图1）。因为铵态氮和硝态氮添加的量相等，减少的铵根/硝酸根比值表明在荒漠草原可能倾向于消耗铵根。使用硝酸铵作为N源，导致了荒漠草原植物对铵根的优先吸收。碱性土壤可能会进一步加强铵态氮的消耗（pH~8，图1），然而硝酸根的吸收速率会严重抑制，而铵根的吸收会受到刺激。铵态氮含量的结果相对于硝态氮更多的解释了植物群落和原核生物的变异，间接的证明了这种推论。

除同化作用外，氮处理下荒漠草原的土壤条件还可能重建硝化与反硝化的平衡。由于土壤通气和碱性土壤pH值有利于硝化过程，硝化作用在荒漠土壤中可能占主导，对铵根和总N的积累有负的贡献（图1）。在硝酸铵处理下亚硝酸盐氧化菌（即，Nitrospiraceae, Nitrosospira, 和Nitrosococcus）的增加或许进一步证实了这个假说，即在荒漠草原土壤中硝化过程占主导作用。总之，非生物和生物条件在荒漠草原中决定了铵态氮和硝态氮的消耗格局以及N速流失。偏向于消耗铵根，不仅会对N丢失有贡献，也是植物和土壤微生物的一种保护机制，用于缓解氨氮产生的毒害。

总而言之，我们的研究结果表明干旱生态系统的特征，包括植物抗旱和总的土壤条件，可能会抵消N沉降对土壤原核生物群落的影响。换句话说，原核生物对N缺乏响应可能是旱地生态系统的一个典型特征。这种没有响应的行为，对生态系统功能及其提供服务的影响有待今后进一步的研究。

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