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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

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H2O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?2yr?1）、低N添加（大气氮沉降 + 2.5 g N m?2 yr?1）和高N添加（大气氮沉降 + 7.5 g N m?2yr?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
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.795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?2yr?1） ， 低N添加（2.5 g N m?2yr?1）和高N添加（7.5 g N m?2yr?1） 。 目前研究区的氮沉降速率约为2.7 g N m?2yr?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） 。

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