【原】科研 | Ecosystems：28年长期施氮对土壤微生物的影响

编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

极地和亚极地土壤中较低的养分会限制植物和微生物的生长。气候变暖会导致有机质的分解从而增加土壤中的有效养分。无机氮的添加通常会对微生物的活性产生直接抑制作用，但是增加的有效氮还会通过刺激植物生产力对微生物的生长产生间接的促进作用，然而在氮限制的土壤，微生物如何响应还不清楚。

本研究使用亚极地地区长期施肥（28年后）的土壤研究长期施氮对微生物生长、土壤碳和氮矿化、微生物生物量和群落结构的影响。尽管长期的高水平氮添加显著增加了初级生产力，但是本研究发现其对土壤微生物活性的影响相对较小。细菌生长对长期施肥的响应最强，在施肥土壤中生长速率更高，然而真菌的生长不受影响。土壤基础的碳和氮矿化速率在施肥的土壤中较对照的土壤有所增加，此外施肥对微生物生物量和微生物群落结构没有影响。总而言之，本研究的结果表明，在亚极地土壤中微生物对长期施肥的响应主要受不稳定的植物来源的不稳定碳的驱动，而不是受微生物群落和土壤物理化学属性改变的驱动。

论文ID

原名：Soil microbial responses to 28 years of nutrient fertilization in a subarctic heath

译名：在亚北极荒原土壤微生物对28年养分添加的响应

期刊：Ecosystems

IF：4.55

发表时间：2019.11.14

通信作者：Lettice C. Hicks

通信作者单位：隆德大学

实验设计

本研究使用野外施肥处理的土壤，自1989年起（除了1993年和1998年）每年的6月份将无机氮和磷以及钾添加到为1.2 m x 1.2 m的样方（6个重复）中。氮磷钾每年添加的量分别为100 kg ha^-1，26 kg ha^-1，90 kg ha^-1，分别以硝酸铵，磷酸二氢钾以及氯化钾的形式添加。另外六块同样大小但没有养分添加的养分作为对照。

在2016年的7月对已经施肥了28年的土壤进行取样。对于采集的土壤样品进行土壤物理化学属性、细菌和真菌生长、土壤呼吸和微生物生物量、总氮矿化和硝化以及微生物群落组成的分析。使用SAS分析结果，评估了施肥处理和取样时间以及它们的交互作用对土壤物理化学属性、微生物过程速率以及微生物生物量的影响。同时使用主成分分析了处理之间PLFA组成的差异。

结果

1 土壤物理化学属性

施肥处理对土壤含水量、土壤有机质以及土壤pH没有影响（表1）。土壤铵态氮和硝态氮含量在对照和施肥处理的土壤中没有差异（表1）。

2 总生态系统生产力和生态系统呼吸

在2014年测定的总的生态系统生产力在施肥的土壤中较对照处理大约高4倍（图1A；p<0.001），并且三次测量之间没有差异，处理和时间也没有显著的交互作用。在施肥处理的土壤中生态系统呼吸也较高（图1B; p<0.001），但是时间对其有显著影响，并且处理和时间也有显著的交互作用（p=0.04）。

图1 施肥样地和对照样地总的生态系统生产力（A）和生态系统呼吸（B）。

3 细菌和真菌的生长速率

施肥的土壤较对照的土壤细菌生长速率约高70%（图2A; p=0.01），然而真菌生长速率在施肥和对照土壤之间没有显著差异（图2B）。最终，真菌和细菌的生长速率之比在施肥土壤中约低于对照处理50%（图2C; p=0.03）。

图2 施肥样地和对照样地细菌生长速率（A），真菌生长速率（B）以及真菌和细菌生长速率之比（C）。

4 土壤碳和氮矿化

较对照土壤，施肥土壤中的土壤呼吸（也就是土壤碳矿化; p=0. 10）和总的氮矿化速率更高（图3）。碳和氮矿化速率之比在对照土壤和施肥土壤中没有显著差异。总而铵态氮消耗在对照和施肥处理中没有显著差异（图4A），但是总的硝化速率在施肥的土壤中约低（图2B; p=0.04）。

图3 施肥样地和对照样地碳矿化速率和总氮矿化速率。

图4 施肥样地和对照样地总氮消耗速率（A）和总硝化速率（B）。

5 微生物生物量和群落结构

总的微生物PLFAs，细菌PLFAs以及真菌PLFAs含量在施肥和对照土壤中均没有显著差异（图5）。施肥对总的微生物生物量（通过底物诱导的方法）和麦角固醇的含量没有显著影响（表1）。

施肥对微生物PLFA组成没有显著影响，尽管沿着PC1和PC2轴对照组相对于施肥处理组的得分都较低（图6A）。这一趋势似乎与真菌标记物18:2x6,9向负变量加载的相对丰度较高以及与革兰阳性细菌相关的PLFA标记物（i15:0、a15:0、16:0、i17:0和a17:0）向正变量加载的相对丰度较高有关（图6B）。革兰氏阴性细菌PLFA cy17:0对正向PC评分和cy19:0对负向评分的相对丰度也较高。

图5 施肥样方和对照样方总微生物PLFA（A），细菌PLFA（B）以及真菌PLFA（C）。

图6 施肥样方和对照样方微生物群落组成。

讨论

本研究的试验地施无机NPK已经28年，氮添加速率为100 kg N ha^-1yr^-1。与苔原生态系统中植物生长所需的氮相比，这是一个高氮添加。氮添加水平也远超过该研究区域的大气氮沉降水平。然而，尽管在本研究中，长期以来土壤中氮的供应量显著增加，但是施肥土壤中铵态氮和硝态氮含量于对照组没有显著差异（表1）。该结果表明添加的硝酸铵可能被微生物或者植物快速的固持或通过挥发、反硝化或者淋溶丢失。

在本研究的实验地长期施肥会引起较高的植物生产力已经被很好的记录。例如，在最近的一次评估中，施肥22年后，在施肥的样方中，维管植物盖度、灌木茎直径和细根生物量都显著较高。本研究也发现了施肥提高植物生产力的证据，因为施肥26年后测得的生态系统总生产力在施肥样方中大约是对照样方的四倍（图1A）。因此，我们猜想植物生产力的提高将导致施肥土壤中微生物的生长速度加快。我们也猜想施肥会增加碳和总的氮矿化速率。尽管养分添加量很高，且长期添加，但本研究观察到的唯一明显影响是施肥土壤中的细菌生长更高（图2A），而施肥对真菌生长没有影响（图2B）。本研究的结果与一些已发表的研究结果不一致，他们的研究结果表明在实验室微观体系中添加无机氮，会抑制细菌生长，有利于真菌生长。在无植物的实验室微观环境中细菌对土壤无机氮添加的响应与在野外研究的完整生态系统中对氮施肥的响应之间的对比，说明长期施肥对微生物生长速率没有直接影响，而土壤中细菌生长的增强是由植物的间接作用引起的。具有更多生产力的生态系统通常与更多以细菌为主导的能量通道相关。这也许可以解释本研究的结果，如果细菌在施肥的土壤中使用更多的来自植物源不稳定C，会支持更高的细菌生长速率。细菌对氮的需求量高于真菌对氮的需求量，细菌也表现出化学计量稳态，这将导致固氮对细菌生长的明显依赖性。尽管施肥土壤中的氮消耗量有增加的趋势（图4A），但细菌生长率与氮消耗量之间没有显著关系（数据未呈现；p=0.23）。

本研究猜想在氮贫瘠的生态系统施肥可能会增加有机质矿化速率。本研究还猜想与碳矿化速率相比施肥会较高的增加氮矿化速率从而导致碳氮矿化速率之比降低，正如之前亚极地森林生态系统中添加无机氮后出现的结果一致。相反，我们观察到施肥土壤中的C和N矿化率都略高（图3），尽管有矿化C/N比下降的趋势，但差异不显著（p=0.32）。然而，这一发现与我们对施肥土壤中较高细菌生长速率的解释一致，这是由较高的初级生产力驱动的（图1A），因此这些土壤中更不稳定的植物源C，会导致较高的呼吸速率。之前的测量结果表明，施肥土壤中土壤呼吸相对于对照处理提高了133%。尽管在施肥土壤中发现根生物量几乎是对照处理的两倍高，但这种呼吸的增加不太可能仅仅归因于根呼吸的增加。¹³C的信号没有改变，表明新碳固定产生的二氧化碳和有机质分解产生的二氧化碳的比例没有差异。本研究中与土壤呼吸不同的是，在施肥处理中土壤碳矿化速率仅仅高于对照一点点。这表明植物固定的碳输入增加可以解释野外呼吸速率增强的现象。结合这些早期的结果，我们的发现表明施肥可能通过对植物生产力的影响（驱动土壤呼吸的变化即通过增加植物C源输入的响应），而不是由于土壤有机质性质或微生物群落结构的变化引起的。

一些研究表明随着氮肥的增加总硝化速率增加。然而，在本研究中在施肥土壤中总硝化速率较低（图4B）。在原始和管理的农业土壤以及北极苔原土壤中，氨氧化古菌比氨氧化细菌的丰度更高以及更活跃。有研究表明，施氮肥较低了氨氧化古菌的相对丰度及其对硝化作用的贡献。如果氨氧化古菌在亚北极土壤中主导硝化作用，则添加无机肥料对氨氧化古菌的抑制作用可能会导致硝化速率的降低。

微生物生物量对长期施肥的响应在研究的实验地点已经被测量了一段时间。在早期评估中，施肥5年和6年后，对照土壤和施肥土壤的微生物生物量C没有显著差异。然而，经过15年的长期施肥，发现微生物生物量的一些指标更高，包括施肥土壤中微生物PLFA浓度高16%。施肥18年后，施肥效果进一步提高，土壤微生物PLFAs含量提高31%。这些后来的研究表明，施肥对微生物生物量的影响可能需要时间才能显现出来，这可能反映了植物生产力的长期增长。因此，我们预计在28年的施肥后，微生物生物量会有更显著的差异。然而，我们在这里确定的微生物生物量的测量值在对照土壤和施肥土壤之间没有显著差异，甚至没有显示出差异的趋势（表1和图5）。施肥对微生物生物量不连续的影响可能的原因是年际间温度和降雨的差异，施肥在更有利的环境条件下会促进植物的生长—进而增加微生物生物量。施肥处理中微生物生物量较高的年份可能是由于生长季更高的降雨量和温度。与此同时取样时间也可能会导致不连续的研究结果，本研究取样时间是在7月份，而之前的研究取样时间是在8月中旬或者8月末。如果施肥影响植物生产力进而影响微生物生物量，那么植物生物量在生长季逐渐累计，那么取样时间推迟更有可能会检测处施肥和对照之间的差异。

在研究地点施肥15年后，报告了微生物群落结构的变化（Rinnan等，2007），而在这里，施肥28年后，对照土壤和施肥土壤中的微生物PLFA组成在统计上难以区分（图6A）。微生物群落组成通常对植物群落的变化作出响应，这可能是由于不同植物的凋落物和根系输入物的理化性质的变化。在研究地点施肥减少了苔藓和地衣的丰度，但是增加了维管植物的丰度。然而，尽管维管植物的丰度增加，但是功能类型却没有发生显著的变化。因此，植物群落组成在施肥作用下的有限变化可以解释为什么微生物PLFA组成没有发生更显著的变化。

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