2020年8月31日，黑龍江大學和東北林業大學在《Microbial Ecology》上發表了「氮沉降對紅松人工林氮礦化酶活性和土壤微生物群落結構的影響」的研究成果。該研究通過模擬氮沉降增加實驗，揭示了土壤微生物群落結構和礦化酶活性對氮沉降的響應機制，為預測人工溫帶林土壤氮礦化酶活性和微生物群落結構隨氮沉降增加的變化提供了更多的數據。
隨著工業化、化石燃料消費、化肥施用、固氮豆類種植和畜牧業的快速發展，自工業革命以來，全球陸地生態系統中活性氮的含量增加了兩倍多，預計全球許多地區的活性氮含量還將進一步增加。中國已成為世界第三大氮沉降增加地區，缺氮森林生態系統中，增加氮沉降可以緩解系統中的氮素限制，提高植物生產力。然而，當氮沉降量超過生態系統閾值時，也會對生態系統造成一些負面影響。氮沉降可以通過改變土壤的物理化學性質來影響微生物群落的組成和多樣性，土壤酶活性的測定可以間接了解某些物質在土壤中的轉化情況。
紅松(Pinus Koraiensis)為針葉樹，是國家二級重點保護野生植物，紅松林是我國東北典型的溫帶森林類型，被稱為「第三紀森林」，由於森林採伐，大量天然林被改造成人工林，中國黑龍江省伊春市命名紅松為市樹。在已發表的文獻中有大量關於紅松氮素沉降對紅松影響的報導。然而，紅松人工林土壤微生物群落結構對氮沉降的響應卻知之甚少。
該研究通過模擬氮沉降增量試驗，研究了紅松人工林土壤微生物群落結構和礦化酶活性對氮沉降的響應，確定了土壤微生物群落結構和礦化酶活性對氮沉降的響應，確定了驅動土壤微生物群落結構和礦化酶活性變化的關鍵土壤因子，以確定增加氮沉降是否會改變土壤氮素含量並導致土壤酸化，從而影響紅松人工林土壤微生物群落結構和礦化酶活性，旨在進一步闡明森林土壤微生物在全球氣候變化背景下的響應機制提供數據。
研究地點：黑龍江伊春市涼水國家級自然保護區紅松人工林
實驗設計：共設4個處理，12個小區，3個重複。將硝酸銨(NH4NO3)溶液作為氮肥添加到4個氮肥水平：對照組(WN：不加氮)、低氮(LN：20kg N ha−1year−1)、中氮(MN：40 kg N ha−1year−1)和高氮(HN：80kg N ha−1year−1)。
土壤樣本採集：用土壤取樣器從每一樣地的5個隨機點採集土壤樣本，然後混合在一起，每塊地產生一個複合樣本。每個處理都採集了3個樣本，共採集了12個土壤樣本。
通過單因素方差分析確定氮沉降對土壤性質的影響如表1所示。不同氮沉降水平對紅松人工林土壤pH、速效磷、速效鉀和全磷無顯著影響。土壤有機質和NO3--N含量均隨施氮量的增加而降低，但隨著施氮量的增加，土壤有機質和NO3--N含量呈上升趨勢。HN處理土壤有機質含量顯著高於LN處理，HN處理的NO3--N含量顯著高於MN處理，土壤全鉀含量隨施氮量的增加呈下降趨勢，HN組TK含量顯著低於WN組。
表1.氮沉降對紅松人工林土壤性質的影響
紅松人工林在不同氮素沉積處理下的氮礦化酶活性變化不一致(圖1)。與WN處理（不加氮肥）相比，隨著氮素沉降量的增加，土壤中的脲酶和蛋白酶活性均呈下降趨勢，其中MN處理（中氮）處理的脲酶活性顯著降低(P<0.05)，降低了39.58%。此外，LN、MN和HN處理的蛋白酶活性均顯著低於WN處理(P<0.05)，分別降低了76%、84%和56%。但氮沉降對L-天冬醯胺酶和L-穀氨醯胺酶活性無顯著影響。Pearson相關分析發現，蛋白酶活性與土壤NO3--N和AP呈顯著正相關，穀氨醯酶活力與TK呈顯著負相關。
對原始數據進行質控後得到細菌有效序列498,600條，真菌有效序列385,030條。通過繪製稀釋曲線(圖S1)，確定各處理的測序量均已達到飽和，測序深度完全滿足測試要求。根據97%的序列相似性閾值對質控後的有效序列進行OTU聚類，結果如圖2所示。在四個處理中，4個分組中，細菌共有OTU數為2788個(圖2A)，真菌為76個(圖2B)。
圖2.四種氮沉積處理的OTU數
根據OTU分類地位鑑定的結果，各處理組細菌在門水平上的相對豐度分別為變形菌門(30.0-46.0%)、酸桿菌門(22.8%-31.9%)、綠彎菌門(4.3-14.3%)、疣微菌門(2.3-19.6%)、放線菌門(4.8-8.7%)、芽單胞菌門(2.8-5.3%)、Rokubacteria(1.4-4.2%）。
各處理組真菌相對豐度分別:擔子菌門(12.5-80%)、子囊菌門(7.9-62.4%)、Mortierella(2.0-26.9%)、隱真菌門(0.5-5.3%)和未鑑定真菌(0.3-6.9%)，佔真菌總豐度的90.6%。(S2B)。上述5個門的相對豐度如圖3B所示。擔子菌相對豐度隨氮沉降量的增加呈先下降後上升的趨勢，且MN和LN處理間差異顯著。與WN處理相比，LN處理的擔子菌平均相對豐度提高了85.98%，而子囊菌、Mortierella和隱真菌門的平均相對豐度分別降低了35.78%、29.98%和19.37%。
採用Lefse分析和LDA分析相結合的方法研究了氮沉降對類群(從門到屬)的影響。結果表明，細菌群落中有7個類群區分了4個處理，其中LDA得分大於2(圖7A)。在屬水平上，共檢測到6個分支，包括來自WN的Ramlibacter和來自MN的Serratia, Tardiphaga, Massilia, Bdellovibrio和Metanome。只有HN處理具有Berkelbacteria，可作為紅松人工林土壤細菌對高氮沉降響應的指示類群。在真菌群落中，只有一個真菌分類群區分了四個處理(圖7B)，LDA得分大於4。只有HN處理具有多孔菌目，可作為紅松人工林土壤真菌對氮沉降響應的指示類群。根據FUNGuild功能預測，多孔菌目是一種典型的木腐菌，與本研究中的四種礦化酶沒有顯著相關性。因此，腐生真菌豐度的變化是由氮沉降增加引起的，並不影響土壤氮素礦化。
對於細菌群落(圖8A)，X軸將LN和MN處理分開，而Y軸將不同的處理與對照分開。從分離距離來看，LN和MN對細菌群落的影響大於HN處理。通過計算各分類群的VIP值，發現變形桿菌中的Tardiphaga(VIP1=2.38，VIP2=1.94)是對處理間差異貢獻最大的細菌屬。
對於真菌群落(圖8B)，X軸將不同處理與對照分開，Y軸的結果與X軸的結果相似，MN的群落結構更接近於HN的群落結構。計算各分類群的VIP值表明，子囊菌中的Taeniolella(VIP1=2.09，VIP2=1.63)是對處理間差異貢獻最大的真菌屬。
對差異顯著的20個細菌屬和20個真菌屬進行了土壤因子的冗餘分析，結果如圖9所示。圖9a中的雙序列RDA圖顯示，土壤因子可解釋細菌群落總變異的54.57%，RDA1可解釋總變異的29.03%，RDA2可解釋總變異的25.54%，RDA1可解釋總變異的29.03%，RDA2可解釋總變異的25.54%。圖9B所示的雙序列RDA圖表明，土壤因子可以解釋真菌群落總變異的58.55%，RDA1總變異佔32.58%，RDA2解釋總變異的25.97%。對不同處理下土壤化學因子和土壤細菌、真菌群落結構的Mantel檢驗分析表明，土壤細菌群落結構的變化與任何土壤因子均無顯著相關性，真菌群落結構的變化僅與土壤NH4+-N含量顯著相關。
本研究的測序和部分分析工作由武漢菲沙基因信息有限公司完成。
本研究結果表明，在全球氮沉降量增加的背景下，高氮沉降量(80 kg N ha−1year−1)並未導致東北紅松人工林土壤酸化，但顯著影響了土壤中有機質、銨氮和硝態氮的含量。氨態氮含量是引起紅松人工林土壤真菌群落結構變化的關鍵因素。氮沉降量的增加抑制了脲酶和蛋白酶的活性，隨著未來氮沉降量的增加，紅松人工林土壤細菌豐富度可能會增加，真菌的豐富度和多樣性可能會降低。
氮沉降量的增加對細菌和真菌群落結構產生了顯著影響。Tardiphaga是對不同處理間細菌群落結構差異貢獻最大的一個重要屬，Taeniolella對真菌群落結構的貢獻也最大。Berkelbacteria和Polyporales可作為紅松人工林土壤細菌和真菌群落在氮沉降增加條件下的指示類群。
本研究的測序和部分分析工作由武漢菲沙基因信息有限公司完成。
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參考文獻：
He W, Zhang M, Jin G, et al. Effects of Nitrogen Deposition on Nitrogen-Mineralizing Enzyme Activity and Soil Microbial Community Structure in a Korean Pine Plantation[J]. Microbial Ecology, 2020: 1-15.
https://doi.org/10.1007/s00248-020-01595-6