科研 | SBB：氮引起的酸化在驱动生态系统功能上扮演重要角色：来自于青藏高寒草甸6年的氮添加实验的视角
编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。
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人为的氮输入已经超过了自然的氮固定，并且潜在的改变了陆地生态系统的结构和功能。氮输入通过改变非生物的（例如，土壤养分和pH）以及生物的（例如，生物群落组成）属性改变生态系统功能，但是这些生物和非生物影响的相对重要性还尚不清楚。在青藏高寒草甸我们进行了一个6年的N添加（0,5,10和20 g N m-2 yr-1）实验来评估氮添加引起的生物和非生物变化对生态系统功能的影响。我们也进行了一个酸添加（0,0.66,2.65,4.63和7.28 mol H+ m-2yr-1）的补充实验来检验酸化的直接影响。我们发现N添加显著增加了植物生产力但是降低了土壤微生物呼吸。然而增加的生产力与增加的N的有效性相关联，土壤微生物呼吸的减少主要可以通过降低的土壤pH来解释。在酸添加的实验中，由于增加的质子浓度，增加的土壤酸化显著减少了土壤微生物呼吸。这些结果表明N引起的土壤pH的变化代表着一种驱动生态系统功能的重要机理，表明为了理解和预测未来N添加的情形下的生态服务，N引起的酸化应当得到更多的关注。
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实验设计
实验在高寒草甸开展，位于兰州大学的湿地生态系统研究站（33°38´N,105°53´E）。研究地点的海拔高度为3550m，年平均温度为1.2℃，范围从一月的-10℃到7月11.7℃。年平均降雨量约为620mm，主要集中在夏季（6-8月）。土壤类型被定义为Cambisol（形成土）。
氮添加实验包括4个氮输入水平（即0,5,10和20 g N m-2 yr-1，分别是N0,N5,N10和N20）。实验开始于2009年，在每年生长季开始的时候均匀的添加N肥（硝酸铵）。为了更好的理解N引起的酸化对生态系统功能的影响，在2016年，在N添加实验附近进行了一个酸添加的补充实验。酸添加水平为，每30L水中稀释98%的硫酸溶液分别为0,72,288,504和792ml，分别即为对照，Acid1,Acid2,Acid3和Acid4，然后均匀的喷洒到样方中（2m x 2m）。
在2015年8月末，对N添加平台进行地上和地下样品的采集。地上生物量按照植物功能群进行划分，即非禾草，禾草，莎草和豆科。对于采集的土壤样品按照测定指标的要求进行保存，测定的指标包括土壤全碳，全氮，土壤pH，无机氮，微生物生物量碳，微生物呼吸（室内培养）以及微生物群落（高通量测序）。在2017年，在酸添加实验中也测定了相同的指标。
结果
土壤pH在N输入（表1）和酸添加（表2）下显著降低。N添加显著增加了土壤可提取的N（硝态氮和铵态氮），但是对总的土壤有机碳，总氮，和它们的比值没有显著影响（表1）。相反地，酸添加不影响土壤可提取的N（表2）。通过硫酸添加获得的土壤pH的范围与N添加实验获得的土壤pH范围是具有可比性的。
2 N和酸添加对植物和微生物生物群落变量的影响
N输入和酸添加降低了植物物种丰富度（表1和2）。N添加没有显著改变植物组成（图2a）。在细菌群落中，主要的细菌门是Proteobacteria (相对丰度：38%), Acidobacteria (18%), Actinobacteria (16%), Verrucomicrobia(13%), Bacteroidetes (5%) 和 Planctomycetes (4%)。细菌丰富度随着N输入的增加而降低（表1）。在真菌群落中，主要的科是Tricholomataceae (20%), Tremellomycetes (16%), Agaricomycotina (7%), Trematosphaeriaceae(7%), Herpotrichiellaceae (4%) 和 Leotiomycetes (2%)。真菌丰富度随着N的添加而增加（表1）。正如NMDS排序图中展现的，细菌群落组成在不同的N添加处理中表现不同（图2b）。相反地，真菌群落的组成不受N速率的显著影响（图2c）。而且，土壤微生物生物量碳在氮添加处理之间没有差异（表1）。
图2 氮添加下生物群落的非度量多维标度排序。a)植物群落组成；b)细菌群里组成；c)真菌群落组成。不同颜色的椭圆代表每种处理95%的置信区间。
3 N和酸添加对植物生产力和土壤微生物呼吸的影响
在最高的N添加下植物生产力显著增加（图3a），然而在最高的酸添加下降低（表S2）。土壤微生物随着N的添加（图3b）或者酸的添加（表2）降低。
图3 N添加对生态系统功能的影响。a)植物生物量；b)土壤微生物呼吸。小写字母代表处理之间显著的差异（P<0.05）。
4 生物和非生物变量，植物生产力和土壤微生物呼吸之间的关系
植物生物量与土壤可提取的N，细菌和真菌群落组成正相关，但是与土壤pH，植物物种丰富度以及细菌丰富度负相关（图S1a）。土壤微生物呼吸与土壤pH，植物丰富度和细菌丰富度正相关，但是与土壤可提取N，细菌组成，真菌丰富度以及真菌组成负相关（图S1b）。而且，植物生物量与土壤微生物呼吸负相关（图S1a）。土壤微生物呼吸，在N添加和酸添加实验中，都随着减少的土壤pH降低（图4b）。然而，在N添加实验中植物生物量与土壤pH负相关，但是在酸添加实验中与土壤pH正相关（图4a）。
图4 在N添加（蓝色点）和酸添加（红色点）处理下植物生物量（a），土壤微生物呼吸（b）和土壤pH的线性回归。
SEM揭示了N添加通过非生物和生物的变量影响生态系统功能。在这些变量中，N引起的土壤pH和可提取N的变化能分别解释总的方差的94%和84%（图5）。N添加能解释植物丰富度总的方差的77%（图5）。N的直接效应以及由于变化的可提取N，植物生物量以及丰富度的直接效应能解释土壤微生物群落（细菌丰富度和群落组成，以及真菌丰富度）总的方差的85%。相比之下，土壤pH和可提取N能够解释植物生物量总的方差的58%（图5），而N引起的pH和植物生物量能解释土壤微生物呼吸总的方差的81%（图5）。
图5 氮添加对土壤非生物属性，生物群落，植物生产力和土壤微生物属性影响的结构方程模型。黑色和红色箭头分别代表显著的正和负的路径。灰色虚线箭头代表变量之间不显著的关联。加粗的数字代表标准化的路径系数。箭头的宽度代表相关性的强度。R2代表方差被模型中独立变量解释的比例。
讨论
我们的结果表明增加的可提取N直接促进了植物生产力（图5）。然而，N引起的酸化没有显著改变土壤群落指标（细菌丰富度和群落组成以及真菌丰富度），它显著抑制了土壤微生物呼吸，并进一步被我们的酸添加实验所确认（图4b）。这些结果表明活性N输入可能通过不同，甚至相反的效果影响两种主要的生态系统功能（植物生产力和微生物呼吸）。
1 增加的N养分有效性对植物生产力和土壤微生物呼吸的影响
在全球氮限制的草地生态系统中N输入会促进植物生长并且增加植物生产力。这种增加会伴随着植物植物群落组成的改变。在我们的研究中，禾草类的植物生物类在最高N输入水平下显著增加，可能是因为相对于其它物种（非禾草，莎草科和豆科），禾草类植物有更强的能力吸收养分（图S2a）。此外，N输入导致的植物生产力的增加会增加植物对光的竞争，并且减少下层植物光的有效性，进而减少植物丰富度并且驱动形体矮小的物种走向灭绝。在我们的生态系统中，植物密度高，并且禾草物种更高，且相对于其它物种拥有较大的种子质量，可能会战胜较小的植物。更有趣的是，植物生产力在低和中等的N输入下没有呈现显著的变化，但是在最高的N添加下显著增加（图3a）。之前在青藏高寒草甸的另一项研究也曾发现植物生物量仅仅在最高的N添加下显著增加。植物在低或者中等N添加水平下没有响应的潜在机理还不清楚。一种可能的原因或许是土壤微生物较高的固持或者土壤表层中的较高的有机质。
在N输入下增加的禾草生物量暗示着新输入的有机质残体很有可能是含有较高的纤维和半纤维含量以及较高的CN比，这些对于土壤微生物而言代表着较低的底物质量。因为真菌相对于细菌对高CN比的有机质分解的更快，在我们的研究中增加的禾草生物量很有可能对真菌生长和丰富度有贡献。此外，土壤中有效氮的积累对不同的微生物类群也有不同的影响（例如，革兰氏阳性或者革兰氏阴性细菌，富营养或者寡营养的细菌），改变了细菌群落组成。较高的土壤N可能会促进一些快速生长的细菌，对细菌丰富度的减少可能有贡献（表1）。此外，N添加可能会通过改变植物资源的分配策略，通过减少植物对根的投入来间接影响细菌。
2 N引起的酸化对植物生产力和土壤微生物呼吸的影响
N添加会引起土壤酸化，对植物生长产生负的影响（图5），因为增加的H+对植物生长是有害的。尽管酸化有负的影响，N添加会显著增加植物生物量，表明当N丰富时占主要的养分效应。酸化可能会支持那些耐酸的植物物种，并且改变植物物种组成，因此会潜在的驱动植物生产力的改变。然而，植物生产力仅仅在最高水平的酸添加下显著降低（表2，图4a），表明植物，尤其是禾草，对低酸的添加具有耐受性。然而，随着时间的推移植物生产力是否能持续维持稳定还尚不清楚。在我们的研究中，在高N和高酸添加下土壤pH的快速减少（表1和2）表明土壤有较低的酸缓冲能力，并且N肥的添加可能会促进阳离子的丢失。因为青藏草甸草地通常有较浅的土壤层，阳离子的丢失随着时间的推移会对植物生产产生负的影响。此外，在我们的研究地点，酸添加增加了莎草植物的丰富度，这对于群落生物量是有贡献的，对于牦牛和羊而言可能会影响饲料的质量。总而言之，这些结果表明，在青藏草甸草地引入化学N肥之前需要更长的调查研究。
在氮添加下土壤酸化对土壤微生物呼吸的抑制也有显著贡献（图5）。低的土壤pH限制了在分解土壤有机碳限制步骤的胞外酶活性，尤其是对于酚氧化酶和过氧化物酶，它们在微弱碱性的土壤中活性最佳，而氮输入通常抑制了微生物生物量，N引起的酸化会改变土壤微生物群落组成，支持真菌超过细菌。我们的结果表明微生物呼吸对N输入的响应强于酸添加，可以从更陡的回归斜率中看出（图4b），表明N-养分以及N引起的酸化对微生物呼吸的抑制有贡献。
理论上，在N添加下，土壤微生物呼吸的减少，会伴随着地上植物凋落物质量的增加，土壤碳库的增加。在本研究中，土壤C随着N的输入倾向于增加，但是这种变化在统计上不显著（表1）。然而，从长远来看，土壤酸化而能会促进土壤阳离子的损耗，并且对植物生产力和输入到土壤中的残体产生负的影响。此外，土壤pH值的降低可能通过改变有机碳与钙和/或镁与有机碳和铁和/或铝矿物之间的结合而改变矿物相关碳的稳定性。这些结果表明在青藏草地需要长期的实验来更好的评估N输入对土壤有机碳的影响。
结论
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