《Applied Soil Ecology》：Temporal dynamics of microbial-soil particulate organic matter in response to nitrogen addition in an alpine steppe
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土壤有机碳中颗粒有机物（POM）对氮富集更敏感，本研究通过五年多水平氮添加实验发现，高剂量（≥80 kg N/ha/yr）在第二年显著降低POM，五年后所有剂量均导致POM组分（甲壳素、烷基化合物等）下降。微生物群落多样性（香农指数）和聚类程度（最近邻物种指数）随时间增加，低氮输入也引发群落显著变化。POM与微生物的耦合作用增强，形成复杂协同网络，加速POM降解并影响土壤碳稳定性。
胡一伦|王尚|陈秋雨|胡昂|牛斌|陈翔|徐瑞|张庚新
中国忻州市忻州师范学院地理系，034000
摘要
在高山地区，颗粒有机质（POM）占表层土壤有机碳的绝大部分，并且对氮（N）富集的敏感性高于矿物相关有机质。然而，控制氮诱导的POM减少的机制及其时间动态，特别是其与土壤微生物群落的相互作用，在高山生态系统中仍不甚明了。为填补这一知识空白，我们在高山草原进行了多层次氮添加实验（0、10、20、40、80和160公斤氮/公顷/年），以研究这些机制随时间的变化。仅在较高氮添加剂量（≥80公斤氮/公顷/年）下，第二年观察到显著的POM减少（8.11–39.92%）。相比之下，所有氮添加剂量在第五年都导致POM各组分显著下降（63.27–78.70%），包括几丁质（56.31–81.91%）、烷基化合物（61.37–81.97%）、微生物氮化合物（56.01–74.09%）和多糖（60.66–75.81%）。持续5年的氮添加促进了具有更高分类多样性的微生物群落（Shannon指数）、增强的系统发育聚类（最近类群指数）以及更大的动态更替（物种替换）。这些群落对POM变化更为敏感，甚至对相对较低的氮输入也有反应。五年内POM的持续减少与微生物-POM相互作用的显著增强相吻合。共现网络分析进一步揭示了更复杂和协作的微生物网络的出现。微生物-POM连通性的同时增加和POM含量的下降表明，这是对长期氮富集的共同进化响应。总体而言，在长期氮添加（≥5年）的情况下，微生物群落变化的主要驱动因素似乎从无机氮可用性等非生物因素转变为由POM质量介导的生物反馈。这种转变进一步增强了微生物-POM的耦合，加速了土壤碳的周转，并强化了一个可能影响高山草原土壤碳长期稳定性的反馈循环。
引言
土壤微生物是全球碳（C）循环的基本调节者，它们介导了有机质矿化和固存的关键过程，最终控制着土壤碳储存和温室气体通量（Cavicchioli等人，2019年）。在作为重要全球碳汇的草原生态系统中，这种储存的碳的稳定性日益受到人为氮（N）沉积的威胁（Ackerman等人，2019年）。氮输入的增加破坏了原有的微生物群落及其代谢功能，引发了土壤健康和生态系统-气候反馈的连锁效应（Anthony等人，2020年；Frey等人，2023年）。因此，理解微生物对氮富集的适应性对于预测在持续全球变化下的土壤碳循环的韧性至关重要。
微生物对氮添加的反应并不一致，而是受到添加持续时间和剂量的影响（Wang等人，2019年）。元分析揭示了一种非线性模式：低至中等水平的氮可能会暂时刺激微生物活动，而过量或长期的沉积通常会抑制微生物生物量和呼吸作用（Zhang等人，2018年；Guo等人，2017年；Liang等人，2020年）。这些时间动态由几个相互关联的机制驱动：（1）土壤酸化及其后的金属毒性（Chen等人，2023年），（2）群落从寡营养型向富营养型的转变，使碳的利用转向更易分解的池（Chen等人，2021c；Jia等人，2020年），以及（3）植物-微生物共生关系的破坏，这分离了碳和氮的循环（Feng等人，2022年）。
同时，土壤有机碳库本身由不同的颗粒有机质（POM）和矿物相关有机质（MAOM）组成，对氮的反应也不同。越来越多的共识表明，主要来源于植物残体的POM对氮富集的敏感性高于更稳定的MAOM（Lavallee等人，2020年；Chen等人，2021a；Wu等人，2023年）。这是由于氮增加了植物生产力，从而提高了POM的输入量，以及POM本身易分解的特性，有利于富营养型微生物的利用（Feng等人，2022年；Manzoni等人，2017年）。事实上，氮富集已被证明会重塑微生物群落，某些特定类群如酸杆菌科和杆菌科会对土壤碳化学的变化作出反应（Li等人，2018年；Jeewani等人，2020年）。尽管取得了这些进展，但在将土壤碳底物组成的改变与氮富集下微生物群落的演替机制联系起来方面仍存在关键空白。
高山生态系统以生物缓冲能力低和养分贫瘠的土壤为特征，特别容易受到氮沉积的影响（Wang等人，2022年）。在青藏高原，大气氮沉积量已上升至8.7–13.8公斤氮/公顷/年（Jia等人，2014年），并且仍在增加。鉴于POM在高山表层土壤碳储量中的主导地位（García-Palacios等人，2024年）及其在长期碳持久性中的作用（Witzgall等人，2021年），我们在纳木错站建立了一个多层次氮添加实验（0–160公斤氮/公顷/年），结合了高通量测序、热解-GC–MS/MS和共现网络分析。为了捕捉真实的氮富集梯度，实验设计包括了较高水平的添加量（80–160公斤氮/公顷/年）。这些高剂量处理旨在模拟未来大气氮沉积和人为氮输入在高山系统中可能加剧的情况（Liu等人，2013年），测试生态系统响应阈值和土壤碳及微生物过程中的潜在非线性（Chen等人，2021b），并保持与经常使用类似高水平氮的全球氮添加实验的方法学可比性（Midolo等人，2019年）。我们测试了两个假设：（1）微生物群落对氮添加的反应具有时间依赖性——两年后，只有高剂量才会改变群落组成；五年后，即使是低剂量也会引起显著变化；（2）长期氮添加增强了微生物类群与POM组分之间的正相关关系，导致更复杂的共现网络和加剧的微生物POM降解，从而加速POM的损失。
实验设计与采样
野外实验设计与采样
氮添加野外实验于2009年5月在位于青藏高原中部的纳木错多学科观测与研究站进行（纬度30°46.4′N，经度90°59.31′E，海拔4730米）。该站的主要植被包括Kobresia pygmaea、Stipa purpurea、Androsace tapete和Leontopodium pusillum（Liu等人，2013年）。近几十年来，年平均温度为-0.6°C，年平均降水量为414.6毫米，其中约80%来自...
结果
氮添加的剂量和持续时间引起了土壤和植物参数的变化（表S2）。氮添加剂量显著改变了WSON、NO??、NO??和PR（p < 0.05）。氮添加持续时间显著影响了WSON、NO??、NH?+、TOC/TN和AGB（p < 0.05）。它们的相互作用显著影响了WSOC、NO??、TOC/TN、PR和AGB（表1）。效应大小进一步显示，在第五年，N40、N80和N160处理下的WSOC显著更高（0.27 ± 0.09；0.52 ± 0.22；0.36 ± 0.33）。
讨论
研究发现，微生物群落和POM对氮添加的敏感性取决于氮添加速率和持续时间。尽管在早期阶段（2年）需要高剂量才能引起POM损失和改变微生物多样性，但这些效应在后期阶段（5年）也出现在所有氮添加处理中，包括低剂量。这表明长期氮暴露具有累积效应。这些发现与先前研究的结果一致，这些研究报道了氮添加的放大效应。
结论
我们的结果证实了两个提出的假设，表明微生物群落对氮富集的反应强烈依赖于时间，并且持续的氮输入逐渐增强了微生物与POM的关联。经过两年的处理后，低至中等水平的氮添加速率（≤40公斤氮/公顷/年）仅引起微生物组成的微小变化和POM含量的轻微变化，而高氮输入（≥80公斤氮/公顷/年）则导致POM减少了8.11–39.92%。
作者贡献声明
胡一伦：撰写——初稿、方法学、调查、数据分析。
王尚：撰写——审稿与编辑、数据分析。
陈秋雨：方法学、数据分析。
胡昂：方法学、数据分析。
牛斌：方法学、调查、数据分析。
陈翔：撰写——审稿与编辑、调查。
徐瑞：方法学、调查、概念化。
张庚新：撰写——审稿与编辑、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（U23A2043、41871066、41471055）、山西省基础研究计划（自由探索类）青年项目（编号20240302122332）和山西省科技创新计划（编号2024L325）的支持。我们还要感谢纳木错高山草原生态系统国家野外科学观测与研究站的支持。相关数据可在支持文件中找到。
