科研 | Global Change Biol：在草地生态系统中土壤酸化减弱了短期养分添加对植物和土壤生物以及它们的交互作用影响
编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。
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由于增加的工业和农业活动，草地生态系统中氮和磷含量以及土壤酸化程度显著增加。养分增加和土壤酸化作为全世界关注的主要环境和经济问题，会导致植物和土壤群落的多样性和结构发生重要的改变。尽管在不同的生态系统中评估了氮和磷的增加对土壤食物网单独的影响，但是氮和磷的增加对正在经历土壤酸化的半干旱草地多个营养级水平的土壤食物网的联合影响还没有研究。本研究在蒙古高原半干旱草地非酸化和酸化土壤中实施了短期的氮和磷的增加实验。本研究发现，无论是在非酸化的土壤还是酸化的土壤中，单独添加氮或磷对净初级生产力没有影响，但是氮和磷的联合添加在非酸化和酸化的土壤中都导致净初级生产力的增加。在非酸化的土壤中，而不是酸化的土壤中，养分添加降低了大多数微生物群的生物量（在氮和磷的联合添加下降低的趋势最大），并且在非酸化或者酸化的土壤中对大多数线虫变量没有影响。在非酸化的土壤中，而不是酸化的土壤中，养分的添加也改变了植物和微生物群落的结构，并且在非酸化或酸化土壤中对线虫的群落结构没有影响。这些结果表明更高的营养级分类群（线虫）相对于较低的营养级类群（微生物）和初级生产者（植物）对短期养分的添加响应更微弱。这些发现增加了我们对于养分的添加对土壤食物网多个营养级水平影响的理解，并且强调了土壤酸化（作为人为压力源）降低了植物和土壤食物网对养分添加的响应以及削弱了植物-土壤相互作用。
论文ID
原名：Soil acidification reduces the effects of short-term nutrient enrichment on plant and soil biota and their interactions in grasslands
译名：在草地生态系统中土壤酸化减弱了短期养分添加对植物和土壤生物以及它们的交互作用的影响
期刊：Global Change Biology
IF：8.555
发表时间：2020.5
通讯作者：陈迪马
作者单位：三峡大学生物与制药学院
实验设计
野外实验在中国科学院内蒙古草地生态系统研究站（116°42´E，43°38´N，1250 m a.s.l.）开展。该区域是温带半干旱大陆性气候，年平均温度为0.9 ℃，年平均降雨量为334 mm（1982-2009）。研究在自然的草地中进行，该草地自1979年进行围封阻止大型动物放牧。该研究区域自然的大气N和P沉降范围分别是1.5-3 g N m-2 yr-1 和0.5-1 g P m-2 yr-1（Peñuelas et al., 2013; Jia et al., 2014）。从19世纪80年代到20世纪，土壤表层的pH大约每年降低了0.04个单位（Yang et al.,2012）。
实验开始于2016年的5月，是随机区组的实验设计，包括在非酸化（+0 H+ mol m-2 yr-1）和酸化（+3.6 H+ mol m-2 yr-1）的土壤中进行N添加（+N，10.5 g N m-2 yr-1），P添加（+P，14 g P m-2 yr-1），N和P的联合添加（N+P，10.5 g N +14 g P m-2 yr-1）以及对照（C，不添加N和P）。
在2018年8月末进行地上植物生物量的收获和土壤样品的采集。基于生活型，所有的植物分成5个功能群：多年生根茎禾草，多年生丛生禾草，多年生非禾草，灌木或半灌木以及一或者二年生植物。土壤样品采集表层0-10厘米的土壤，每个样方的三钻核心土（2厘米直径）混合成一份土壤样品。采集的土壤样品分成三部分。第一部分保持新鲜用于测定土壤NH4+-N和NO3--N以及土壤线虫群落。第二部分储存在-20℃用于测定土壤微生物群落。第三部分风干用于测定土壤pH，土壤有机碳含量，土壤总氮，总磷和有效磷。
使用PLFA对微生物群落进行分析。从新鲜的土壤样品中取50克使用Baermann漏斗进行线虫的提取，然后使用4%的福尔马林溶液进行固定。借助于显微镜进行线虫的计数，每个样品的前100个个体鉴定到属。根据线虫的取食习惯，线虫可分为4个营养类群：食植物，食细菌，食真菌和杂食或者肉食的。属的数目作为线虫分类单元的丰富度。
在酸化和非酸化的土壤中分别使用两因素的方差分析，N和P以及它们的交互作用作为固定因子，区组作为误差项，分析比较N和P添加对土壤非生物变量，植物变量，土壤微生物变量以及土壤线虫变量的影响。方差分析是用R软件基础包中的“aov”函数。进行了三个额外的分析。首先，在非酸化或者酸化的土壤中进行单因素方差分析比较不同养分添加处理之间的差异。对于每个养分添加处理也比较了每个响应变量在酸化和非酸化土壤之间的差异。第二，使用多元置换方差分析（PERMANOVAs）检验处理对植物，土壤微生物和土壤线虫Bray-Curtis距离矩阵的影响。使用主坐标分析（PCoA）从配对的Bray-Curtis距离中可视化处理对植物，土壤微生物和土壤线虫群落结构的影响。配对的多元置换方差分析也用来检验酸化和非酸化的土壤中N和P添加的显著影响，使用vegan包中的“adonis”函数。在结构方程模型中（SEM），使用PCoA的第一坐标轴代表植物，土壤微生物和土壤线虫的群落结构。第三，使用SEM确定养分添加对土壤微生物和线虫的直接和间接影响。SEM使用AMOS 21 软件。其他的统计分析使用版本为3.3.3的R软件。
结果
1 土壤非生物属性的响应
在大多数养分添加的处理中，酸添加降低了土壤pH（平均从6.6-4.46）和NO3--N，增加了土壤NH4+-N和有效P，但是不改变土壤有机C，总N或者总P（图1）。在非酸化的土壤中，N+P添加增加了土壤NH4+-N，并且P添加降低了NO3--N；这些变量不受其他养分添加处理的显著影响。在酸化的土壤中，N，P和N+P添加没有显著影响土壤无机氮（即，土壤NH4+-N或NO3--N）（图1）。在非酸化和酸化的土壤中，P和N+P添加显著增加了土壤有效P和总P，但是养分增加对土壤pH，土壤有机C或者总N没有影响（图1）。
2 植物群落的响应
在所有的养分添加处理中酸添加降低了ANPP（主要通过多年生禾草和一、二年生植物）和植物丰富度（表S1和图2）。在非酸化或者酸化的土壤中N+P添加增加了ANPP，但是N或者P单独添加不改变ANPP（表S1和图2）。在非酸化的土壤中，氮添加增加了多年生丛生禾草和多年生根茎禾草的生物量；P添加没有改变所有植物功能群的生物量；并且N+P添加增加了一年生和二年生植物生物量。在酸化的土壤中，养分添加对大多数植物功能群的生物量几乎没有影响，除了N+P添加增加了多年生根茎禾草的生物量（表S1和图2）。在酸化的土壤中氮添加降低了植物物种丰富度，但是在酸化土壤的其他养分添加处理或者非酸化的土壤中植物物种丰富度不受显著影响（表S1和图2）。多元置换方差分析表明在非酸化的土壤中N，P或者N+P的添加改变了植物群落的整体结构，但是在酸化的土壤中仅仅只有N+P的添加改变了植物群落的整体结构（图5a）。
图2 在非酸化（绿色柱子）和酸化（黄色柱子）的土壤中植物变量对N和P添加的响应。ANPP，地上净初级生产力。
3 微生物群落的响应
在大多数养分添加处理中，酸添加降低了所有微生物分类群的生物量并且增加了真菌与细菌的比值（表S1和图3）。在非酸化的土壤中，N，P和N+P添加通过降低除了真菌以外所有功能群的生物量降低了总的微生物生物量，并且在N+P添加时降低的趋势最大，尽管P和N+P处理增加了真菌和细菌的比值（表S1，图3和图S4）。在酸化的土壤中，N，P和N+P添加没有改变土壤微生物总的生物量或者真菌和细菌的比值，尽管N添加降低了细菌和AM真菌的生物量，P添加降低了AM真菌和放线细菌的生物量（表S1，图3和图S4）。多元置换方差分析表明N，P和N+P添加在非酸化的土壤中改变了微生物的群落结构，但是在酸化的土壤中没有（图5b）。在非酸化的土壤中，SEM分析表明N或者P单独添加通过ANPP的改变间接降低了总的微生物生物量和改变微生物群落结构，P添加通过植物群落结构的改变增加了真菌和细菌的比值（图6a）。在酸化的土壤中，SEM分析表明氮添加通过改变植物变量增加了真菌和细菌的比值以及改变了微生物群落结构，P添加直接改变了微生物群落结构（图6b）。
4 线虫群落的响应
在大多数养分添加处理中，酸添加降低了所有线虫分类群的丰度但是没有改变线虫分类单元的丰富度（表S1和图4）。N，P和N+P添加在非酸化或者酸化的土壤中没有显著影响土壤线虫变量，除了在非酸化的土壤中N+P添加显著降低了植物为食的线虫的生物量和氮添加显著降低了杂食性和肉食性线虫的丰度。多元置换方差分析表明在非酸化或者酸化的土壤中N，P和N+P添加没有显著影响线虫群落的总体结构（图5c）。SEM分析表明，在非酸化的土壤中，N添加通过降低总的微生物生物量降低了总的线虫的丰度和通过ANPP改变了线虫的群落结构（图6a）。在酸化的土壤中，N添加通过土壤pH降低了总的线虫丰度和改变了其群落结构，并且通过改变土壤无机氮降低了线虫分类单元的丰富度；P添加在酸化的土壤中没有改变线虫变量（图6b）。
讨论
通过在半干旱草地非酸化和酸化土壤中开展N和P添加的实验，本研究确定了土壤酸化对植物群落和土壤食物网对养分添加响应的影响。本研究的结果表明N或者P添加对植物群落和土壤食物网单独的影响弱于N和P联合添加的影响，并且较高营养级的类群（线虫）对养分添加的响应弱于哪些较低营养级的类群（微生物和植物）。在某种程度上，土壤酸化降低了植物，土壤微生物和土壤线虫对养分添加的响应，并且也削弱了植物-土壤相互作用。这些结果增加了我们对未来土壤酸化的情形下养分添加对多水平的土壤食物网的了解，并且表明土壤食物网与生态系统功能的联系可能会被人为的压力削弱。
1 在酸化和非酸化的土壤中植物对氮和磷添加的响应
本研究发现在半干旱草地中在非酸化的土壤中N和P添加对植物生产力的联合效应强于非酸化土壤或者酸化土壤中N或者P添加的单独效应。这与之前证明的N或者更P添加对植物生产力有正的效应的研究不一致，本研究表明N或者P单独添加没有改变植物生产力，但是N和P的联合增加显著增加了植物生产力，主要通过增加多年生根茎禾草和一或二年生植物的生物量。该结果表明在半干旱草地植物群落受N和P的共同限制，这支持陆地生态系统广泛受N和P共同限制的观点。有研究表明氮沉降的加强可能会导致草地生态系统从氮限制转向N和P共同限制（Craine et al.,2008; Yan, 2014），因为土壤中P的供给不能平衡增加的N供给。本研究也发现养分增加对植物生产力的影响在非酸化的土壤中强于酸化的土壤中。在酸化的土壤中植物生产力对N或者P减弱的响应可能被酸化对土壤养分有效性的正效应所解释（Stevens et al., 2010; Shen et al., 2011）。在本研究中，土壤酸化引起了土壤中NH4+-N的增加，可以解释为土壤酸化会抑制硝化作用以及土壤NH4+-N转化为土壤NO3--N（Van Den Berg et al., 2005; Aciego Pietri &Brookes, 2009）。土壤酸化引起的有效P增加可以解释为酸化对石灰性土壤中磷与钙结合的影响，即酸化可能降低磷与钙的结合，从而提高磷的有效性（Curtin & Syers, 2011; Zhang et al., 2004）。另一种可能的解释是在本研究中耐酸植物（例如，羊草，寸草，羽茅）在酸化土壤中对N和P添加的响应弱于非酸化的土壤中的。
N和P添加对植物群落结构的影响在非酸化的土壤中也强于酸化的土壤中，这种响应可能与植物功能群的影响有关。本研究发现，在非酸化的土壤中，N的添加增加了多年生丛生禾草的生物量并且N+P的添加增加了一或二年生植物的生物量。相反地，在酸化的土壤中，养分的添加对植物功能群几乎没有影响，N+P的添加增加了多年生根茎禾草的生物量。这些结果表明不同的植物功能群和物种对养分添加或者酸添加的响应不同，这可能是由于它们养分利用策略或者功能特征不同（Bai et al., 2010; Wu et al., 2015）。例如，酸添加显著改变了所有植物功能群的生物量，除了多年生根茎禾草，这可能是因为大多数多年生根茎禾草是深根的并且对酸的忍受能力强于其它的植物功能群。在现如今的研究中，土壤酸化增加了多年生丛生禾草和多年生根茎禾草的优势度（高碳氮比以及高根冠比）但是降低了多年生非禾草、一年生或二年生植物的优势度（低碳氮比以及低根冠比）（Wu et al., 2015）；结果是生态系统可能会降低有机质分解速率和土壤肥力。总而言之，在半干旱草地中植物生产力受N和P的共同限制，并且养分添加对植物生产力和群落结构的影响在非酸化的土壤中强于酸化的土壤中。这些结果表明在被研究的半干旱草地中植物生产力和群落结构对养分添加的响应受土壤酸化的影响，并且在一般的草地中也可能存在。
2 在酸化和非酸化的土壤中土壤微生物对氮和磷添加的响应
本研究发现N或者P添加在非酸化的土壤中都显著降低了大多数微生物分类群的生物量并且在N+P添加下其下降的趋势最大。本研究的结果表明在非酸化的土壤中短期养分添加由于细菌，AM真菌和放线细菌生物量的下降，减少了总的微生物生物量。本研究的研究结果赞成很多已经发表的结果即N或者P添加改变了草地生态系统中土壤微生物的群落组成。在半干旱草地或者牧场中也有一些研究证明养分添加没有显著影响微生物的生长。本研究发现短期N的添加降低了土壤微生物的生物量与之前长期的N添加的实验结果一致，后者微生物生物量的减少可以由N添加引起的土壤pH降低来解释。然而，与长期实验土壤中的pH不同，现如今短期实验中养分的添加没有显著改变土壤pH，表明长期和短期N添加都会导致类似的土壤微生物群落，但是潜在的机理似乎是不同的。在短期实验中，SEM分析结果表明在非酸化的土壤中养分添加减少了微生物生物量可能是通过减少地下C的分配或者通过增加微生物与植物之间争夺其他大量和微量元素的竞争性（Kuzyakov & Xu, 2013）。本研究的结果表明养分的添加增加了高碳氮比的植物生产力，例如多年生丛生禾草，并且N+P的添加在非酸化的土壤中显著增加了植物生产力，这也解释了为什么在N+P的添加微生物生物量对养分添加的响应最小。
本研究发现养分的添加对微生物生物量和群落结构的负影响在酸化的土壤中弱于非酸化的土壤中的。本研究猜测在酸化土壤中对养分添加减弱的响应可能由以下几点来解释：1）由SEM的结果推测，土壤酸化可能改变了植物和土壤微生物之间的关系，即土壤酸化可能减弱了植物对土壤微生物的抑制作用；2）在酸化土壤中微生物群落可能已经被高度抑制，因此不能对养分添加做出响应（Rousk et al., 2010）；3）对压力有抵抗的土壤微生物，即对养分添加没有响应的，可能在酸化的土壤中存活（Massey et al., 2016）。有趣的是，本研究发现养分添加无论是在非酸化还是酸化的土壤中都没有显著改变真菌的生物量，可能是因为真菌有菌丝网络，对环境干扰有很强的抵抗力。一些研究已经表明真菌相对于细菌对养分添加的响应更耐受（Kuperman & Edwards, 1997; Rousk et al., 2010）。本研究发现养分的添加在非酸化的土壤中增加了真菌和细菌的比值。总而言之，本研究的结果表明养分的添加对微生物生物量和群落结构的负效应被土壤酸化削弱，并且土壤酸化在半干旱草地能改变植物群落和土壤微生物群落之间的相互作用。
3 在酸化和非酸化的土壤中土壤线虫对氮和磷添加的响应
本研究发现土壤食物网较高营养级（线虫）对养分添加的响应弱于那些较低营养级的（微生物）和植物。养分添加在非酸化和酸化的土壤中对土壤线虫的丰度和群落结构没有影响，除了在非酸化土壤中食植物的线虫和杂食和肉食性线虫对N添加的负响应和食植物线虫对N+P添加的负响应。在半干旱生态系统的一个长期实验中，N的添加降低了细菌和真菌的生物量，导致食细菌和食真菌的线虫丰度降低（Chen et al., 2015;Chen et al., 2019a）。在现如今的研究中食细菌和食真菌的线虫的丰度在非酸化和酸化的土壤都不受短期N添加的显著影响，即使N添加降低了土壤细菌生物量。然而，本研究发现N+P的添加降低了食植物线虫的丰富度，尽管初级生产力是增加的，这与之前放牧草地中的研究结果一致（Sarathchandra etal., 2001）。相反地，也有研究表明增加的植物生物量增加了食植物线虫的丰度和多样性。在现如今的研究中，食植物线虫丰度的降低可能由减少的植物根的数量和质量来解释（Keith et al., 2009;Fanin et al., 2019），因为N+P处理显著增加了低碳氮比和低根冠比的一和二年生植物的生物量。
在非酸化和酸化的土壤中P的添加没有显著影响土壤线虫群落。土壤线虫在非酸化的土壤中对P的添加没有响应，在某种程度上是令人惊讶的，因为在非酸化的土壤中土壤微生物群落对P的添加有响应。之前草地土壤中的一些其他研究结果表明，P的添加增加或者减少了食细菌，食真菌和杂食的线虫的丰度。也有研究表明，P的添加对土壤线虫的影响是有限的。因为在土壤食物网不同营养级水平生物有机体的氮磷比不同，在本研究中氮磷比的不同可能可以帮助解释线虫和微生物对养分添加的不同响应。通过比较非酸化和酸化土壤中SEM的结果，本研究发现在土壤食物网中土壤酸化可能降低了微生物的丰度并且削弱了土壤微生物对土壤线虫从下到上的影响。这表明在现如今酸沉降下生态系统的健康（包括可持续性和恢复性）可能不能维持。
结论
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