分类学特征决定了低地热带森林中冠层树木对氮的固定

Taxonomic identity determines N2fixation by canopy treesacross lowland tropical forests

Impact Factor：8.699

DOI：https://doi.org/10.1111/ele.12543

发表日期：2015-11-20

第一作者：Nina Wurzburger^1*

通讯作者：Nina Wurzburger(ninawurz@uga.edu)^1,2,3*

合作作者：Lars O.Hedin

主要单位：

¹美国佐治亚州乔治亚大学Odum生态学院(Odum School of Ecology, University of Georgia, Athens, GA, USA)

²美国普林斯顿大学生态与进化生物学系(Department of Ecology and Evolutionary Biology, Princeton University, Princeton, NJ, USA)

写在前面

分享标题：EL：固氮能力主要取决于物种分类而不是土壤养分

关键字：丛枝菌根真菌，生物多样性，干扰，钼，氮，营养限制，磷，树倒缺口

点评：对于固氮长期存在的观点是其取决于土壤养分(氮、磷或钼)的含量的多少，本研究通过一系列实验得出，固氮作用在固氮物种之间也可能不同，物种类别是固氮的主要决定因素，而土壤养分对固定没有或只有有限的影响，固氮是由生物群落的生物多样性、进化史和物种特异性特征决定的。并表明一些可能决定物种之间的固定差异的关键特征：生长速度，树冠高度和对干扰的内在反应能力，最终并证明了分类学上的差异——以及由此延伸的生物多样性——对于理解热带森林冠层高度树木之间的固定关系很重要。有反我们的常规认识，值得思考。

摘要

在许多热带森林中，能够固定大气N₂的豆科植物丰富多样，但在固氮过程中决定其生态模式的因素尚未得到解决。一个长期存在的观点是固氮作用取决于土壤养分(氮、磷或钼)，但最近的证据表明，固氮作用在固氮物种之间也可能不同。我们的研究结果表明，物种类别是固氮的主要决定因素，而P(可能还有Mo)只在树木倒下后影响其固氮。虽然44%的树木不能固定N₂，但其他树木的固氮率很高，有两个物种在整个景观中起着“superfixers”(超级固氮者)的作用。我们的研究结果提出了一种可能性，即固氮是由热带生物群落的生物多样性、进化史和物种特异性特征决定的。

背景

在这里，我们研究了土壤养分(N，P和Mo)和丛枝菌根(AM)真菌在确定巴拿马低地森林中固氮方面的作用。我们还通过比较分布在所有三个豆科亚科和四个分枝中的五个物种和一个物种组，评估了分类学的作用。

更广泛地说，我们评估了以下假设，即随着土壤资源和菌根的投入，跨树种的固氮会发生可预测的变化，以致最高的固氮作用发生在低氮、高磷和高钼的条件下，以及植物对菌根真菌的高投入条件下。根据Wurzburger等人的研究，我们利用了分布在广泛的土壤磷梯度上的森林——从热带雨林生物群落报告的最低磷水平到最高磷水平不等。

我们之前对该P梯度的研究发现表明，非共生固氮在富磷土壤中仅受Mo的限制，而在贫磷土壤中受P和Mo的共同限制。因此，我们期望找到类似的土壤共生固氮的P依赖性，在低N(即N限制)和高土壤P和/或Mo有效性的条件下具有最高的固定率。为了捕捉植物氮素利用率的自然差异，我们在最近受到干扰的缺口(即高氮需求-供应比)和原始森林(即低比率)中对树木进行了取样。我们评估了钼对野外冠层高大的树木和荫凉室内幼苗的潜在影响(在荫凉室内我们对钼进行了处理(有或没有P))。

结果

图 1 在干扰条件下六种物种中有结瘤的部分树木的分布

Fraction of trees with nodules distributed among six species and disturbance condition

在干扰条件下六种物种中有结瘤的部分树木的分布(完整的森林vs.树木倒下的缺口)。物种按亚科排序：蝶形目科(LON = Lonchocarpus latifolius, PLA = Platypodiumelegans)，含羞草科(ABA = Abarema barbouriana, ENT = Enterolobiumschomburgkii, ING = Inga spp.)和彩叶科(TAC = Tachigali versicolor)。星号表示森林和缺口条件之间物种内的显着差异。

图 2 低地热带森林中99棵豆科植物的N₂固定率

N2 fixation rate of 99 leguminous trees in lowland tropical forests

低地热带森林中99棵豆科植物的N₂固定率，(a)按等级排列,(b)随土壤总磷(ppm)含量的变化，及(c)总土壤P (log10转化)和扰动条件下N₂的固定(log10转化) (完整的森林vs.树木倒下的缺口)。44棵树没有结瘤。

图 3 六种豆科植物的固氮率

N2 fixation rates among six species of leguminous trees.

六种豆科植物的固氮率。值是经过逆变换的均值和标准误。不同字母之间的物种之间存在显著差异。物种按亚科排序：蝶形目科(LON = Lonchocarpus latifolius, PLA = Platypodium elegans)，含羞草科(ABA = Abarema barbouriana, ENT = Enterolobium schomburgkii, ING = Inga spp.)和彩叶科(TAC = Tachigaliversicolor)。物种间的显着差异用不同的字母表示(α=0.05)。

图 4 细根的AM定殖

AM colonisation of fine roots

细根的AM定殖：(a)在豆科树种中(转换后的均值和标准误)，用不同的字母表示的树种之间存在显著差异(α=0.05)，虚线表示森林平均值(Gigante控制区)；(b)AM定殖(平方根转换)vs. N₂固定(log10转换)(无显著的固定作用，固定种也无相互作用)；及(c)vs.树脂P，其中ING spp.的AM定殖的 根与树脂P负相关。物种按亚科排序：蝶形目科(LON = Lonchocarpus latifolius, PLA = Platypodium elegans)，含羞草科(ABA = Abaremabarbouriana, ENT = Enterolobium schomburgkii, ING = Inga spp.)和彩叶科(TAC = Tachigali versicolor)。

图 5 荫棚中的Inga punctata苗对实验营养物添加的响应

Response of Inga punctata seedlings in the shadehouse to experimental nutrient addition

荫棚中的Inga punctata苗对实验营养物添加的响应表现为幼苗(a)生物量、(b)根瘤生物量、(c) N₂固定率和(d)根瘤总Mo含量。值是经过逆变换的均值和标准误。

讨论

我们的研究解决了控制N₂固定的因素，这一过程对维持热带森林的生物地球化学功能非常重要。尽管对固定的潜在控制已引起广泛关注，但总体上我们缺乏来自热带森林，尤其是来自不同物种的林冠高度树木的野外证据。

我们的研究结果表明，单独或与干扰结合的物种和物种组一级的分类学同一性是影响N₂固定的最重要变量，包括固定者何时结瘤和何时不结瘤，结瘤和N₂固定的速率，以及固定者被AM真菌定殖的程度。我们的物种分布在三个豆科亚科之间，这三个亚科在植物-根瘤菌共生的进化史上是不同的，但低重复性阻止了我们在更高的分类学水平上分析我们的结果。

与我们的预期相反，我们未能找到土壤P梯度上N₂固定均匀变化的支持。取而代之的是，P仅影响扰动缺口中的固定，在该缺口中树木通常生长迅速，并且对P和N的需求都很高。物种也影响了AM真菌对根的定殖，但是我们没有发现证据表明固定者(无论是作为一个整体还是作为单个物种)都随着固氮的增加而增加了AM真菌对C的分配。大体来说，我们的研究结果表明，共生固氮受个体树木和物种的调节，受生长和当地养分有效性的影响。

个体和物种对N₂的固定

N2 fixation by individuals and species

我们发现以下观点的支持：共生固氮在冠层高的豆科树中是容易的。在我们的研究期间，只有56%的树木主动固定N₂，固定率在个体和物种之间差异很大。尽管研究很少考虑结瘤或固定的种间差异，但对结瘤存在与否的调查通常支持我们对种间差异的发现。

我们最令人惊讶的结果是，物种成为固定的主要决定因素，并且总体而言，物种比土壤养分更重要。某些物种，例如T. versicolor 和Inga spp.支持较高的结瘤和固着率(当以每公顷为单位表示时，相当于其冠层下≥ 200 kg N year^-1)，而L. latifolius和P. elegans的固定则少得多。事实上，11种最活跃的固氮树是 T. versicolor和Inga spp. 这表明T. versicolor和Inga spp. 对N₂固定的贡献不成比例，因此可以定义为此环境中的超级固定者。

这些发现提出了一个问题，即热带豆科植物的固定能力是否取决于物种特有的在生长速度，功能性状或树形方面的差异。我们的结果确定了固定能力和物种生长速度之间的联系。在BCI森林动态图的95个物种中，作为大型树种的T. versicolor和Inga spp的生长速度最快(T. versicolor占4%，Inga spp10%)。T. versicolor作为一棵被遮荫的幼苗生长缓慢，但随着它从树冠间隙的光照限制中释放出来，迅速成长为一棵树冠优势树。相比之下，在我们的森林中，L. latifolius和P. elegans 表现出较低的固定能力。另外，这种差异可能是由于豆科植物群中结瘤的独立进化起源所致。对这一想法的评估将需要对进化枝中的物种进行更严格的重复。

T. versicolor和Inga spp.的高固定率可能是由于它们共同的快速生长策略和对光隙和干扰的响应而进化的结果。这些事件为高的潜在的生物量增长创造了暂时条件，但氮和磷的供应量却很低。因此，有理由推断一些固氮物种已经进化为占据这一生态位，但也受到磷的限制。快的生长速度和上调的固定能力之间的这种潜在联系可能会进一步解释以前的温室和田间的观测，在相似的土壤条件下，不同种类的固氮者在固氮能力方面差异很大。

物种类别、干扰与土壤养分的相互作用

Interaction of taxonomy, disturbance and soil nutrients

与固定主要依赖于土壤磷的观点相反，我们发现在整个土壤磷梯度中固定没有统一的趋势或明确的阈值 (图. 2b)。但是，当我们考虑单个树木是生长在原始森林中还是在树丛的间隙中(物种作为随机效应)时，仅在间隙中出现了趋势，在最低和最高磷水平之间固定增加了13倍(图. 2c)。相比之下，我们发现固着与土壤总体氮或钼，或存在或不存在干扰之间没有显著的关系。这些结果表明，磷实际上可能会影响固氮，但是仅在树木通常生长迅速且净氮和磷生物量需求率较高的受干扰的环境中。能够固定的树在这种环境下可能不会缺少氮，但是其固定和生长的能力可能对磷的供应敏感。物种还影响树木是否因干扰而结瘤(图.1)。尽管Inga spp.和A. barbouriana(都为含羞草科)在扰动间隙中比在完整的森林中更频繁地结瘤，但T. versicolor却显示出相反的模式。这些差异可能是由于这些物种的高度和生长策略不同所致。作为属，Inga受到主要作为完整林中的中层树木持续的基本约束。因此，Inga spp.可以通过快速生长和上调固定来响应，因为它在干扰后可以从遮荫抑制中释放出来。另一方面，T. versicolor是冠层的优势种，即使在冠层闭合后仍继续生长(在我们的研究中，我们将其归类为完整森林)。

固定和菌根定殖

Fixation and mycorrhizal colonisation

尽管在我们的研究中，Inga spp.和T. versicolor的个体显示出最高的N₂固定率，但他们在菌根真菌的分配上表现出截然不同的反应。T. versicolor的细根被AM真菌大量定殖(约占根长的90％)，但该定殖对固定率或土壤养分(包括有效磷)的变化不敏感(图.4)。这种模式表明，T. versicolor不断投资于AM真菌以获取土壤P(可能还包括N)。相比之下，Inga spp.根的AM定殖率较低(〜根长的60％)，对固着率同样不敏感，但随着土壤有效磷增加而降低(图.4a,c)。这种模式表明， Inga spp.可能会增加对贫磷条件下AM真菌的投资，但我们的数据太有限，无法确定这是由物种之间还是物种内部的差异造成的。

我们找不到支持以下观点的证据：固定者(无论是作为一个整体还是作为单个物种)都通过增加固定或结瘤来系统地增加其对AM真菌的C分配(图.4b)。此外，在N₂‐固定者和整个树群落(非固定者和固定者)之间，AM定殖似乎没有差异:AM在我们的N₂固定物种 (平均值=67%, 图. 4a) 中的定殖与在Gigante地的4个重复的完整森林地块中观察到的定殖相似(平均值= 68％，图.4a中的虚线，范围65–75％)。

我们的发现不同于在Costa Rican 森林混合物种根核中观察到的AM定殖和根瘤丰度之间的正相关。不同的结果可能反映出，随着固定率的提高，本地固定N₂的物种向AM真菌按比例分配更多C的能力确实存在差异。或者，差异可能是由物种优势效应而不是生理反应引起的。例如，即使AM定殖独立于固定，对根瘤和AM定殖都做出不成比例贡献的物种也会在混合物种的根样品中诱导这些因素之间的相关性。这些问题进一步强调了分类学特征对理解热带森林中固定者和固定的潜在重要性。

钼的限制？

Constraints of molybdenum?

虽然我们在野外条件下没有发现固定和可用Mo之间的联系，但我们的荫棚实验表明P和Mo可以相互作用来限制固定者的生长和/或固定过程。这一结果不同于先前的研究，在墨西哥和圭亚那的当地土壤中，热带豆科植物对Mo没有反应。本研究中，固定和根瘤生物量均受磷的单独限制，而植物生物量和根瘤中的Mo含量则受P和Mo的联合共同影响。这些发现表明，在高固定率下，钼的消耗可能达到限制(或限制与磷的配合)固定者生长的程度。

结论

也许最令人惊讶的是我们的发现:在一个大尺度土壤P梯度上，分类特性是固定的主要决定因素，而土壤养分对固定没有或只有有限的影响。我们对99棵冠层树的分析表明，Tachigali versicolor和Inga spp.在景观中起着超级固定者(冠层以下> 200 kg N ha⁻¹ year⁻¹)的作用，并表明一些关键特征可能决定物种之间的固定差异：生长速度，树冠高度和对干扰的内在反应能力。虽然我们没有发现养分对所有树木的固定有全面的影响，但随着树木倒下的干扰，土壤磷对固定有强烈的影响。因此，即使在P贫瘠的土壤中，未受干扰的植物-土壤P循环可能足以满足植物的P需求，但干扰可能会触发对固定者或固定的P(可能还有Mo)限制。更广泛地说，我们证明了分类学上的差异——以及由此延伸的生物多样性——对于理解热带森林冠层高度树木之间的固定关系很重要，而土壤养分(N、P和/或Mo)在扰动事件后植物生物量迅速增加期间可能尤其重要。

材料与方法

固氮酶活性

Nitrogenase activity

对于38棵树(占总数的38％和能结瘤树的69％)，我们开挖了带有根瘤的细根，并按照Batterman等人的方法测定了每个根瘤的质量乙炔还原活性(ARA)。为了扩展到树级的N₂固定率，我们用根瘤生物量乘以固氮酶活性。尽可能使用特定树木的平均固氮酶活性，否则我们使用附近树木的特定物种的固氮酶活性。

我们测定了C₂H₄:N₂的转换因子，方法是以10%体积的原子含量纯度为99%的¹⁵N₂培养来自9棵树的瘤子30分钟，同时进行ARA测定。将瘤子干燥，研磨成细粉，并通过同位素比光谱测定法分析¹⁵N。我们使用ARA样品中的根瘤组织作为对照，估计了¹⁵N₂：ARA的转换因子(3.75±1.1;n=9)。

Reference

Nina Wurzburger,Lars O. Hedin. Taxonomic identity determines N₂ fixation by canopy trees across lowland tropical forests.Ecology Letters, (2016) 19: 62–70 https://doi.org/10.1111/ele.12543

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