GCB Meta分析 | 微生物驱动全球土壤氮循环
Info
原名：Microbes drive global soil nitrogen mineralization and availability
译名：微生物驱动着全球土壤氮矿化和可用性
期刊：Global Change Biology
通讯作者：牛书丽
通讯作者单位：中国科学院地理科学与资源研究所
原文链接: https://doi.org/10.1111/gcb.14557
Introduction
土壤净氮矿化（Nmin）对于土壤氮素有效性和植物生长至关重要，普遍认为其主要受气候和土壤特性影响。Nmin速率随年均气温增加而增加。土壤的物理或化学性质对Nmin的影响不一致。Nmin一般受到土壤酸化的抑制，但随着有机质和土壤底物的添加而增加。除气候和土壤性质外，土壤生物因子也直接影响土壤Nmin。土壤微生物生物量的变化对Nmin产生了巨大影响，Nmin的变化主要归因于土地利用变化后土壤微生物生物量的变化。然而，以往的实验研究通常侧重于这些非生物和生物因素的个体效应，尽管它们最终是相互作用的。此外，陆地生态系统在气候、土壤物理性质、土壤有机质和土壤微生物生物量等方面存在差异，这些因素对Nmin的影响可能因生态系统的不同而不同。然而，这些因素在不同生态系统中的不同作用仍不清楚。
Methods
作者收集了198篇已发表文献中关于陆地生态系统的1565个观测数据进行了整合研究。并解决了三个具体问题:1.与全球范围内的气候、土壤特性和基质相比，土壤微生物生物量在确定全球Nmin方面的作用是什么? 2.微生物生物量模型能否显著提高全球范围内预测土壤Nmin及其有效性的能力? 3.不同生态系统类型的微生物对Nmin的调节作用是否不同？
图1 全球范围内净Nmin变化的概念框架
Results
1. 土壤Nmin随全球尺度年平均降水量显著增加(图2 a)。土壤Nmin与土壤pH呈负相关(图2b)，与土壤总氮正相关(图2c)。在全球尺度上，土壤Nmin随微生物量的增加而显著增加(图3)，其中，Nmin随微生物生物量碳的增加而增加，随微生物生物量氮的增加而增加。Nmin的变化更多地归因于微生物生物量碳(图2和图3)。
图2 全球尺度土壤净Nmin与年平均降水量(MAP)、土壤pH和土壤全氮含量(TN)的关系
2. SEM表明,Nmin与年平均降雨量或土壤pH值没有重要关系(图4)。相反，Nmin与土壤总氮之间存在显著的相关关系。此外，土壤总氮含量与年均降水量显著相关，与pH值无显著相关。
图3 全球土壤Nmin与土壤微生物生物量碳(MBC)和氮(MBN)的关系
3. 当土壤微生物量加入SEM时，Nmin随土壤pH值降低。在全球尺度上，年均降水量、土壤pH和土壤总氮对土壤微生物生物量的影响显著。而土壤微生物量的增加则显著提高了Nmin。包含土壤微生物生物量的SEM模型显著提高了全球范围内Nmin的可预测性，因为固定因素解释的Nmin总方差从16%(图4a)提高到35%(图4b)。
图4 结构方程模型(SEM)揭示了年平均降水量(MAP)、土壤pH、土壤全氮(TN)、MB对Nmin和氮有效性(NH4+N)的影响
4. 各生态系统类型中，土壤Nmin随微生物生物量碳显著增加。农田Nmin随年均降水量、土壤总氮、微生物生物量碳和微生物生物量氮的增加而增加，随土壤pH的增加而减少。此外，Nmin对微生物生物量碳的响应比对土壤总氮的响应更敏感，说明土壤微生物生物量在Nmin的确定中比底物更重要。农田Nmin对微生物生物量碳的响应与对微生物生物量氮的响应相似。在森林和草原中，Nmin也随着年均降水量、土壤总氮、微生物生物量碳和微生物生物量氮的增加而显著增加，但随着pH的增加而减少。Nmin对土壤微生物量的响应比其他变量更敏感。湿地Nmin随微生物量碳显著增加，随土壤pH值降低。
图5 线性混合效应模型分析不同生态系统Nmin与MAP、pH、TN、MBC、MBN的关系
5. 全球尺度上，随着Nmin的增加，土壤氮有效性与土壤铵含量的关系显著增加(图6a)。这种关系在所有生态系统类型中都是一致的(图6b)。较高的土壤总氮水平显著增加了土壤微生物量，进而增加了Nmin，从而提高了土壤氮的有效性(图4b)。此外，自然生态系统(如森林、草原)土壤氨态氮含量对Nmin的响应比农田更敏感。
图6 土壤铵态氮含量(NH4+N)和Nmin之间的关系(a)以及各生态系统铵态氮和Nmin之间的归一化数据回归得到的加权斜率(b)
Conclusion
综上所述，Nmin随土壤微生物生物量、全氮和年平均降水量显著增加，但是随土壤pH值而降低。年平均降水量、土壤pH和土壤全氮通过土壤微生物显著影响Nmin。结构方程模型(SEM)表明，在不考虑微生物量的情况下，土壤基质是控制Nmin的主要因素。当将微生物纳入SEM分析时，微生物成为主要驱动因素。加入土壤微生物量对Nmin的预测比无微生物量时提高了19%。与气候和土壤性质相比，Nmin的变化对全球土壤氨态氮变化的贡献最大。本研究揭示了气候、土壤性质和微生物对Nmin的复杂相互作用，并强调了土壤微生物生物量在全球范围内决定Nmin和氮有效性的重要性。