《Soil and Tillage Research》：Priming effect is inhibited by 12-year field nitrogen addition in a boreal forest with the extent depending on substrate carbon type
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土壤有机碳分解的氮添加效应及碳基质类型影响：温带森林长期氮添加抑制纤维素诱导的碳分解 priming效应，平均抑制达150%，与微生物C利用效率（CUE）提升及酶活性变化相关，复杂碳基质（纤维素）的抑制效应强于简单碳（葡萄糖），揭示氮限制下碳分解的调控机制。
冯高|闫国勇|梁超|刘冠城|徐立江|邢亚娟|尹立明|王青贵
曲阜师范大学生命科学学院，中国曲阜273165
摘要
植物碳输入可以影响土壤有机碳（SOC）的分解速率，即所谓的“启动效应”，这一效应可以通过添加氮（N）来调节。然而，长期添加氮对启动效应的影响尚不清楚，尤其是在氮限制较为严重的北方森林中。本研究从中国东北部一个持续12年的野外氮添加实验中采集了土壤样本，并用13C标记的纤维素和葡萄糖进行了培养实验。此外，还进行了全球数据综合分析，以比较氮添加对简单碳类型和复杂碳类型启动效应的影响。结果表明，12年的氮添加平均抑制了150%的纤维素诱导的启动效应。水解酶活性降低，而氧化酶活性增加，这表明微生物在碳限制条件下改变了碳利用策略。随后，氮添加提高了微生物碳利用效率（CUE）。所有处理组中启动效应变化的68.3%可以用微生物碳利用效率、水解酶活性和氧化酶活性来解释，这反映了它们在调节启动效应中的重要作用。与葡萄糖相比，氮对纤维素诱导的启动效应的抑制作用更大，而对底物衍生的CO2-C的抑制作用较小，这广泛支持了微生物利用氮并转化碳的假说。此外，氮对复杂碳类型的启动效应的抑制作用比简单碳类型更显著。我们强调，在评估北方森林中通过启动效应来研究SOC分解时，应考虑底物碳的类型。
引言
在全球范围内，土壤是陆地生态系统中最大的有机碳库（约3500–4800 Pg C）（Lehmann和Kleber，2015）。因此，土壤有机碳（SOC）的分解是地球上最大的碳向大气中的输送过程之一（Bond-Lamberty和Thomson，2010）。作为重要因素，植物碳输入（如凋落物和根系分泌物）可以显著影响SOC的分解，从而引发微生物群落和酶活性的连锁变化，这种现象被称为启动效应（Kuzyakov等人，2000；Fontaine等人，2003）。先前的全球规模研究表明，启动效应平均使SOC分解增加了37%（例如，Xu等人，2024）。将启动效应纳入地球系统模型可以提高对全球变化下SOC损失和储量的预测准确性（Guenet等人，2018；Keuper等人，2020）。总体而言，启动效应可能对SOC分解和全球碳循环产生重要影响（Cheng等人，2014）。
在全球环境变化的背景下，例如由人类活动引起的大气氮（N）沉积，人们更加关注氮沉积对启动效应的影响（Feng和Zhu，2021），这可能是由于碳循环和氮循环之间的密切耦合。多项元分析表明，氮添加抑制了启动效应（Feng和Zhu，2021；Tian等人，2023）。然而，一个关键问题是，当前研究中经常使用的是短暂和脉冲式的氮添加（Feng和Zhu，2021）。需要注意的是，这种操作会迅速影响土壤氮循环，从而代表启动效应的短暂和脉冲式响应。相比之下，长期田间氮肥施用会导致碳和氮循环的持续和慢性变化（以下简称“慢性氮输入”），这可能会引起启动效应的不同响应（Zheng等人，2024）。此外，由于温度较低，北方森林可能比其他森林生态系统更严重地遭受氮限制，从而导致氮矿化和氮可用性降低（Du等人，2020）。因此，迫切需要研究慢性氮输入在北方森林中调节启动效应的程度。
长期以来，人们认识到土壤氮的可用性在调节启动效应的幅度方面起着重要作用（Xu等人，2024）。因此，提出了多种与氮相关的假说来解释氮富集对启动效应变化的影响（Feng等人，2021）。例如，微生物利用氮的假说认为，当土壤氮可用性高时，微生物从难降解有机物中获取氮的酶活性会降低（Craine等人，2007；Dijkstra等人，2013）。另一种假说认为微生物更倾向于利用易降解的碳而不是难降解的碳（Kuzyakov等人，2000）。根据不同的机制，微生物在氮添加条件下可能会利用不同的SOC池（易降解的碳与难降解的碳），这可以通过特定的酶活性及其化学计量比来指示（Fang等人，2018）。
另一方面，SOC的可用性可以通过影响微生物代谢来调节氮添加对启动效应的影响（Fang等人，2018）。微生物碳利用效率（CUE），定义为用于微生物生长的碳占吸收总碳的比例，是微生物碳代谢和碳循环的重要参数（Manzoni等人，2012）。有研究表明，启动效应与微生物CUE呈负相关，这可以通过能量成本的降低（例如营养物质的获取）和/或呼吸作用的增加来解释（Zeng等人，2025）。长期氮添加还可以降低资源碳氮比，这可能导致土壤微生物从氮限制转变为碳限制（Mooshammer等人，2014）。因此，微生物碳代谢可能会从分解代谢转向合成代谢，这也可能提高CUE（Fu等人，2026；Liang等人，2017）。迄今为止，土壤碳和氮的可用性、微生物CUE以及酶活性之间的相互作用在慢性氮输入条件下如何调节北方森林中的启动效应仍不清楚。
添加的碳底物的质量（和数量）是影响启动效应的另一个关键因素（Yan等人，2023；Xu等人，2024）。根据聚合物结构，碳底物可以分为两类：简单碳（例如简单糖类和氨基酸）和复杂碳（例如植物凋落物和纤维素）（Luo等人，2016；Sun等人，2019）。关于简单碳类型和复杂碳类型之间启动效应差异的研究结果并不一致（Sun等人，2019；Xu等人，2024）。此外，关于氮添加诱导的复杂碳类型启动效应的研究远少于简单碳类型的研究（Feng和Zhu，2021）。这种知识空白可能会导致在氮沉积情景下预测SOC分解的启动效应时存在较大不确定性，因为以复杂碳形式存在的植物碳输入（例如凋落物）对陆地净初级生产力的贡献相对较高（Neumann等人，2018）。此外，长期氮添加对不同碳类型启动效应的影响程度尚不清楚。
本研究从中国东北部一个持续12年的氮添加实验中采集了土壤样本，该实验采用了不同的氮添加速率。样本与13C标记的纤维素一起进行了70天的培养实验，纤维素是植物凋落物的主要成分，也是用于研究启动效应的常用复杂碳模型（Fontaine等人，2007；Fontaine等人，2011）。通过测量土壤和微生物变量（如可利用氮含量、微生物生物量、CUE和酶活性），以更好地了解长期氮添加条件下纤维素诱导的启动效应与土壤-微生物相互作用之间的关系（目标1，图1）。结合我们最近关于葡萄糖诱导的启动效应的研究结果（Gao等人，2026），我们进一步进行了全球范围内的数据综合分析，以探讨简单碳类型和复杂碳类型对氮添加响应的潜在差异（目标2，图1）。我们提出了以下假设：（1）长期氮添加会抑制纤维素诱导的启动效应（H1），这可能是由于土壤氮可用性的增加导致微生物酶活性降低和CUE增加（即微生物利用氮的假说，Feng和Zhu，2021）；（2）复杂碳（纤维素）对启动效应的抑制作用大于简单碳（葡萄糖）（H2），这可能是由于化学结构的复杂性更高，从而导致氮添加对难降解碳分解的酶活性降低更多（Di Lonardo等人，2017；Fontaine等人，2011）。
站点描述
研究地点位于中国东北部大兴安岭山脉的南翁河国家自然保护区（北纬51°05′–51°39′，东经125°07′–125°50′），海拔高度为420–430米。该地区位于大兴安岭山脉北端的南坡，地形以低山和丘陵为主，坡度小于3°。该地区具有大陆性寒温带季风气候，冬季极冷，夏季短暂。
12年氮添加处理过程中累积的纤维素衍生CO2-C、启动效应以及土壤和微生物变量的变化
12年的氮添加对累积的纤维素衍生CO2-C有轻微显著影响（p = 0.07；图2a），对累积的土壤衍生CO2-C有显著影响（p = 0.01；图2b），以及绝对和相对意义上的启动效应也有显著影响（p < 0.05；图2c和2d）。MN处理组的累积纤维素衍生CO2-C低于0N和HN处理组。然而，MN和HN处理组的累积土壤衍生CO2-C显著低于其他处理组。长期田间氮添加对纤维素诱导的启动效应的抑制作用
第一个假设（H1）即12年氮添加抑制纤维素诱导的启动效应得到了普遍支持（图2c和2d）。我们的结果显示，氮添加对启动效应的平均抑制率为150%，这一结果在最近的元分析中也有报道（例如，Feng和Zhu，2021；Tian等人，2023）。这可能是由于在控制条件下脉冲式氮添加迅速增加了土壤氮的可用性，从而导致启动效应的降低。CRediT作者贡献声明
冯高：撰写——初稿、方法学、调查、数据分析、概念化。闫国勇：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、数据分析。梁超：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、数据分析。刘冠城：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、数据分析。王青贵：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法学、调查、资金获取、数据分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。致谢
本研究得到了
国家自然科学基金的支持（编号：42230703、42377477、32171636）。
