氮素抑制剂通过微生物网络增强了青藏高原高山草甸生态系统的多功能性

青藏高原高山草甸通过尿素与抑制剂NBPT/DCD协同应用，显著提升土壤碳氮库存储量（p<0.05）和细菌α多样性（p<0.001），增强生态系统多功能性（SEMf）。研究证实抑制剂通过调控无机氮形态与微生物网络拓扑结构（模块度+0.12，负向连接占比+8.3%）促进功能稳定性，为高原可持续氮管理提供机制依据。

　　

杨芳坤|王鹏阳|刘泽阳|牛富英|谢成义|高一鸣|马彦梅|王玉星|郭家成|王文英

青海省师范大学生命科学学院，西宁，810008，中国

摘要

青藏高原的高山草原是重要的牧区，也是关键的生态安全屏障，然而氮限制和人为氮输入的增加可能会加速土壤功能的退化。同时施用尿素与脲酶抑制剂NBPT和硝化抑制剂二氰二胺（DCD）是一种提高氮利用效率的潜在策略，但其对土壤生态系统多功能性（SEMf）和微生物网络的影响仍不清楚。我们在典型的人工和自然草原上进行了田间实验，设置了五种处理方式，包括不施肥的对照组、单独施用尿素以及施用NBPT和/或DCD的尿素。细菌α多样性受到施肥方式的影响，在人工草原上，双抑制剂处理下的α多样性最高（p < 0.05）。基于NBPT的施肥方式显著增加了土壤碳氮储存量和DNA浓度，这是SEMf变化的关键因素，且SEMf与细菌α多样性呈正相关（p ≤ 0.001）。此外，SEMf还与微生物共现网络中模块性的提高和负边比例的增加有关（p < 0.05）。从机制上讲，这些抑制剂可能调节土壤中的无机氮形态并重塑共现模式，从而增强群落层面的资源互补性和功能稳定性，最终提高土壤生态系统的多功能性。本研究阐明了氮管理在连接微生物网络与生态系统功能中的作用，并为青藏高原的高效氮利用和可持续草原管理提供了科学依据。

引言

青藏高原是世界上最高和最大的高山地区，对全球气候调节、水资源保护和碳储存起着关键作用（Liu et al., 2025; Ding et al., 2025; Xiao et al., 2025）。草原生态系统覆盖了其陆地面积的60%以上，对维持地表碳氮循环和生物多样性稳定性至关重要（Luo et al., 2023; Jing et al., 2015）。由于寒冷潮湿的气候、贫瘠的土壤以及有机物分解缓慢，氮已成为高原上草原生产力和生态功能的主要限制因素（Jing et al., 2015; Yang et al., 2022）。近年来，气候变暖和人为氮输入的增加改变了养分循环模式，导致土壤酸化、微生物退化和功能下降（H. Zhang et al., 2024; Lu et al., 2014; Li et al., 2022）。因此，了解氮输入的调节机制并建立精确的氮管理策略对于维持这一敏感地区的生态系统稳定性和确保生态安全至关重要（Xiao et al., 2025; H. Zhang et al., 2024）。

氮肥是提高草原生产力的主要农业投入（Li et al., 2022），但在青藏高原的环境条件下，传统的尿素容易挥发、淋溶和反硝化，导致氮利用效率低和生态风险增加（Lu et al., 2022; Zhang et al., 2017）。为了解决这个问题，人们广泛使用尿素与抑制剂（如脲酶抑制剂N-(n-丁基)硫磷酰胺（NBPT）和硝化抑制剂二氰二胺（DCD）结合使用，以减缓氮释放、减少损失并提高养分效率（Liu et al., 2024; Kawakami et al., 2012）。先前的研究已经证实这些抑制剂可以有效减少农业系统中的氨挥发和N₂O排放（Zheng et al., 2023），但这些证据主要来自温带农田，对于它们在青藏高原寒冷、缺氮环境中的生态作用和潜在风险了解不足（Ang et al., 2024）。特别是，很少有研究从微生物多样性、网络相互作用和碳氮储存的综合角度系统地评估它们的生态后果。鉴于青藏高原高山草原中氮循环的独特微生物调控机制（Liu et al., 2025; Ding et al., 2025），这些抑制剂可能同时影响氮转化过程和微生物微域相互作用。因此，有必要全面评估它们对土壤微生物群落和生态系统功能的综合影响，以确定这项技术是否适合生态脆弱的地区。

草原生态系统功能的复杂性要求对管理影响进行多维度评估。传统的指标往往只反映单一养分或生物过程，难以捕捉系统层面的多功能响应（Fan et al., 2023）。最近出现的土壤生态系统多功能性（SEMf）概念为此提供了一个有价值的框架，通过整合多种生物和非生物指标来定量评估生态系统的稳定性和恢复潜力（C. Wang et al., 2024; Wagg et al., 2019）。在这个背景下，SEMf包括多种功能，如植物生产力、土壤物理性质的稳定性、碳氮储存和分解以及微生物活性（P. Wang et al., 2024; Zhao et al., 2024）。由于氮管理措施通常会在提高草原生产力和养分保持与环境风险之间产生协同效应或权衡（Yang et al., 2025; Davies and Williams, 1995），SEMf可以更全面地反映管理系统对整个生态系统的响应（Li et al., 2023）。重要的是，SEMf为识别关键限制因素和优化管理策略提供了综合和可比的基础，从而有助于评估长期的生态系统可持续性（Fan et al., 2023; Wagg et al., 2019）。因此，SEMf的变化有效地代表了氮管理对养分储存和生物功能的整体生态效应。此外，越来越多的证据表明，作为维持生态稳定性的关键连接器的微生物共现网络在SEMf中起着重要的预测和调节作用（de Vries et al., 2018; Luo et al., 2023; Wagg et al., 2019）。尽管SEMf已被广泛用于评估高山草原的多功能性，但将SEMf评估与微生物网络分析相结合以阐明尿素与抑制剂组合效果的研究仍然很少。

基于这些考虑，我们在青藏高原典型的人工和自然草原上建立了田间实验，以研究尿素及其抑制剂组合的效果。通过监测土壤物理化学性质、碳氮储存、微生物群落组成、酶活性和共现网络特征，我们全面评估了不同施肥方式对草原生态系统功能和SEMf的调节作用。我们假设：（1）尿素与抑制剂结合使用通过延迟氮释放和优化氮形态来促进微生物多样性和提高多功能性；（2）土壤微生物共现网络结构的变化是氮管理与SEMf改善之间的关键机制。通过这一框架，我们的研究旨在填补关于氮管理、微生物网络和高山草原多功能性之间关系的知识空白，为在生态脆弱地区制定高效氮利用策略提供科学依据。

研究地点描述

本研究在青海省海北藏族自治州西海镇的金银滩草原进行（36°44′N–37°39′N, 100°23′E–101°20′E，海拔约3150米）。该地区是青藏高原典型的山地草原，具有高原大陆性气候，年平均气温为1.5°C，年平均降水量为400毫米。研究地点包括两种相邻的草原类型：人工草原和自然草原。

施肥方式对土壤微生物群落组成的影响

在人工草原中，施肥方式显著影响了土壤细菌群落的α多样性（p = 0.001）。A_UND处理的细菌α多样性最高（p < 0.05），而A_U处理显著降低了其α多样性（p < 0.05）。在自然草原中，土壤细菌群落的α多样性表现出边缘显著趋势（p = 0.068）。N_CK处理的细菌α多样性高于N_UD处理（p < 0.05），其他处理之间没有显著差异（图1a）。

土壤微生物群落对尿素与抑制剂组合的适应性变化

本研究证实，尿素与抑制剂结合使用引发了细菌和真菌α-及β多样性的显著特异性响应（图1，图2）。草原类型在一定程度上调节了响应强度，但并未改变由施肥处理主导的核心机制，即调节土壤氮的可用性和供应节奏，从而影响群落多样性（Kamaa et al., 2011; Ding et al., 2025; Dang et al., 2022）。在细菌群落中，两种草原类型

结论

本研究揭示，尿素与抑制剂结合使用通过调节氮释放动态和形态转化，显著重塑了草原土壤中的微生物群落结构、共现网络和生态系统多功能性。结果表明，抑制剂联合使用保持了或增强了细菌多样性，并提高了群落稳定性，导致β多样性差异增大和碳氮储存量增加，优于单独使用尿素的情况。

作者贡献声明

杨芳坤：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，项目管理，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。王鹏阳：撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件使用，资源获取，调查，数据管理，概念化。刘泽阳：撰写 – 原稿，方法学，调查，概念化。牛富英：撰写 – 原稿，方法学

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本项目得到了青海省自然科学基金（2025-ZJ-969T）、国家自然科学基金（NSFC）的国际（区域）合作与交流（ICE）项目（W2412148）、111项目（D23029）以及中央高校基本科研业务费（lzujbky-2025-it22）的支持。