活性氮通過(guò)大氣沉降的方式進(jìn)入森林生態(tài)系統(tǒng)，可以有效地緩解地上植被的氮限制，促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加植物生物量。但是過(guò)多的氮素則可能引起土壤pH下降，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡，破壞生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前對(duì)氮沉降如何影響地上植物的生長(zhǎng)、多樣性以及群落結(jié)構(gòu)等有比較多的認(rèn)知，但是土壤微生物的多樣性和養(yǎng)分利用效率如何響應(yīng)氮增加還不是十分清楚。
中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所生物地球化學(xué)組，依托在長(zhǎng)白山闊葉紅松林建立的氮沉降模擬平臺(tái)，利用氧同位素標(biāo)記技術(shù)分析了施氮對(duì)土壤微生物碳利用效率（CUE）和氮利用效率（NUE）的影響，發(fā)現(xiàn)土壤微生物CUE和NUE對(duì)氮添加的響應(yīng)受氮添加量和土壤深度的影響，并沒(méi)有明顯的變化規(guī)律（圖1）；微生物CUE與NUE兩者呈現(xiàn)非線性相關(guān)，拐點(diǎn)出現(xiàn)在CUE=0.4處（圖2）；回歸分析顯示，微生物群落結(jié)構(gòu)的變化和磷元素化學(xué)計(jì)量比是影響微生物養(yǎng)分利用效率的主要因子。研究結(jié)果表明氮沉降引起的土壤磷素匱乏可能會(huì)改變微生物的功能以便維持群落的穩(wěn)定。
但是，施氮引起土壤磷素化學(xué)計(jì)量比失衡是如何改變微生物群落結(jié)構(gòu)及潛在的機(jī)制是什么，目前還不清楚。因此，研究團(tuán)隊(duì)利用長(zhǎng)白山闊葉紅松林建立的模擬氮磷增加平臺(tái)，利用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)施氮、施磷和氮磷混施樣地的土壤微生物群落和功能進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：氮添加降低了有機(jī)層土壤微生物多樣性，而磷添加則有效減輕了這種影響；氮添加影響細(xì)菌真菌的代謝功能潛力，降低有機(jī)層土壤的碳固持，而磷添加可以緩解或改變氮添加對(duì)有機(jī)層土壤微生物功能潛力的影響（圖3）。研究結(jié)果闡明了氮素和磷素調(diào)節(jié)溫帶森林土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)理。
研究成果以“Stoichiometric imbalance and microbial community regulate microbial elements use efficiencies under nitrogen addition” 和 “Phosphorus reduces negative effects of nitrogen addition on soil microbial communities and functions”為題分別發(fā)表在Soil Biology & Biochemistry（IF=5.795）和Microorganisms（IF=4.152）期刊上，王超副研究員為兩篇文章的通訊作者，碩士生李靜和夏宗偉助理研究員分別為兩篇文章的第一作者。研究得到基金委重點(diǎn)項(xiàng)目、中科院0-1項(xiàng)目和青促會(huì)項(xiàng)目的資助。
圖1. 氮沉降影響微生物生長(zhǎng)、礦化和養(yǎng)分利用效率
圖2. 不同氮添加處理下微生物碳利用效率和氮利用效率關(guān)系
圖3. 氮磷添加對(duì)土壤細(xì)菌群落功能的影響
