长期施用氮肥条件下，中国杉人工林中维持土壤磷稳定性的微生物机制

《European Journal of Soil Biology》：Microbial mechanisms maintaining soil phosphorus stability in Chinese fir plantations under long-term nitrogen addition

长期氮添加显著降低土壤pH和微生物生物量，增加硝态氮含量，但维持了不同形态磷的稳定性。微生物群落功能重组，以解磷真菌（如青霉属、曲霉属）数量激增（138.5%-552.2%）补偿细菌减少，通过有机酸分泌和磷酸酶活性增强促进磷活化，实现氮磷耦合调控下的磷循环稳定性。

　　

朱立勤|李静凯|应恩宇|肖玲莉|刘平宇|黄志军|沈芳芳|范厚宝|黄荣臻

江西省水资源与电力大学水土保持学院，流域生态系统智能监测与综合修复重点实验室，中国南昌

摘要

长期氮（N）沉积可能会加剧森林生态系统中的磷（P）限制，但土壤磷循环对慢性氮输入的响应机制及其背后的微生物过程仍不清楚。为了解决这个问题，我们在2004年建立的一个中国杉人工林中进行了长期氮添加实验，设置了四个氮添加水平（0、60、120和240公斤氮/公顷·年，以尿素溶液的形式每月施用）。2024年8月，我们收集了表层土壤（0-10厘米矿物层）样本，并通过磷脂脂肪酸分析和高通量测序对其基本化学性质、磷组分、微生物生物量、水解酶活性以及微生物群落结构进行了分析。结果表明，长期氮添加显著降低了土壤pH值（在高氮处理下降低了7.7%），以及微生物生物量中的碳和氮含量（分别降低了43.9%和38.9%），同时显著增加了硝酸盐氮含量（增加了277.7%）。相比之下，微生物生物量中的磷、所有测量的磷组分（易分解磷、中等可分解磷和被封存的磷）以及酸性磷酸酶活性保持稳定。微生物群落分析显示，在高氮条件下，革兰氏阴性细菌和丛枝菌根真菌受到抑制。重要的是，在磷酸盐溶解菌群中观察到了明显的功能重组：虽然磷酸盐溶解细菌的结构保持稳定（主要由慢生根瘤菌等菌类主导），但关键的磷酸盐溶解真菌，特别是曲霉菌和木霉，其数量分别增加了138.5%–552.2%和216.3%–310.4%。冗余分析表明，磷酸盐溶解真菌和细菌解释了磷组分变化的42.2%和62.7%，其中青霉菌、曲霉菌、Paenibacillus和Rhodoferax被确定为关键驱动因素。总之，长期氮添加下土壤磷循环的稳定性并非通过整个微生物群落的稳定性来维持，而是通过微生物的功能重组实现的，其中特定磷酸盐溶解真菌的补偿性增加起到了关键作用。这突显了微生物功能群内部的一种生态位补偿机制，支持了森林生态系统对慢性氮沉积的适应。

引言

磷（P）在陆地生态系统中的能量流动和物质循环中起着关键作用[1,2]。土壤中的磷主要来源于含磷矿物的风化和外部肥料的施用[3]。然而，由于磷容易与金属离子（如Fe、Al、Ca）形成不溶性复合物，导致其移动性低（扩散系数为10^-13–10^-15米²秒^-1）且生物可利用性差，因此磷常常成为限制植物生长和生态系统初级生产力的关键因素[[4], [5], [6]]。同时，由于农业活动和化石燃料燃烧导致的大气氮（N）沉积量在近几十年持续增加，共同促进了活性氮的产生[7]。预计到2050年，全球氮沉积量将比1995年的水平翻倍[8]。这种持续的氮输入会导致土壤酸化，并破坏氮与磷的比例，从而影响土壤养分的生物地球化学循环，可能加剧生态系统中的磷限制[[9], [10], [11]]。然而，元分析表明，长期氮负荷可能在某些生态系统中缓解磷的限制[12]，这表明可能存在以前未被认识的适应机制。

土壤中的磷化学形态复杂多样，不同的磷组分直接决定了磷的生物可利用性、转化途径和生态功能[13,14]。在各种分离方法中，Hedley等人[15]开发的顺序提取程序根据磷的化学活性和溶解性对其进行分类，该方法因其能够精确揭示不同磷库的动态和潜在生物可利用性而被广泛采用。该方法通常将土壤磷分为易分解磷、中等可分解磷和被封存的磷。其中，易分解磷是能够被生物直接快速吸收的主要形式，被视为土壤磷可用性的直接指标[16,17]。中等可分解磷是一个重要的潜在磷库；在特定条件下它可以转化为易分解磷，作为磷供应的储备，但也容易被铁和铝氧化物固定[18,19]。相比之下，被封存的磷由于转化成本高，通常难以被生物直接利用，占土壤磷的最大比例，代表长期的磷汇[18]。当引入外部养分时，微生物优先利用并消耗最不稳定的易分解磷库[20]，而较难获取的有机磷组分可能以稳定有机物的形式在土壤中积累[21]。

作为关键的环境因素，氮的添加通过改变土壤的物理化学性质和微生物过程，影响上述磷组分的平衡和生物可利用性，从而调节植物的磷吸收效率[22,23]。然而，目前关于氮添加对土壤磷组分影响的研究结果仍存在争议。例如，在落叶松人工林中，九年的氮添加增加了中等可分解无机磷的含量，但减少了易分解磷的含量[24]，而其他研究则报告了相反的趋势，即氮输入增加了易分解磷并减少了中等可分解磷[25]。此外，一些研究表明氮添加显著增强了被封存的磷库[26]，或者对亚热带森林中的有效磷没有显著影响[27]。这些不一致的结论可能源于生态系统类型、氮添加水平和实验持续时间的差异。目前，大多数证据来自中期或低水平氮添加实验，其结果往往反映了氮对磷转化的即时刺激或抑制效应[[28], [29], [30]]。相比之下，长期氮富集作为一种持续的环境压力源，可能会对土壤磷库的组成和生物可利用性产生更复杂和深远的影响。因此，需要进一步深入研究各种土壤磷组分对长期氮添加的长期响应。

微生物是土壤中高度动态的组成部分，通过三种主要机制影响土壤磷循环：（1）与植物根系形成菌根共生关系以增加磷吸收面积；（2）改变土壤吸附平衡以促进磷的扩散；（3）通过诱导的代谢过程溶解无机磷和矿化有机磷[[31], [32], [33], [34], [35]]。在参与磷转化的各种微生物中，磷酸盐溶解微生物起着特别关键的作用，它们通过包括通过有机酸分泌溶解无机磷和通过产生磷酸酶矿化有机磷在内的互补机制，作为不可溶性土壤磷库和生物磷需求之间的关键功能纽带，从而满足植物和自身的营养需求[36,37]。在亚热带酸性森林土壤中，微生物群落与有机磷含量之间存在动态的共适应关系[38,39]。研究表明，氮添加改变了土壤微生物群落结构和细胞外酶活性，从而影响土壤磷的迁移能力[[7], [39], [40], [41]]。重要的是，微生物对长期氮添加的响应可能比短期响应更为显著[42]。这是因为土壤系统具有相当的缓冲能力，可能在短期氮添加下暂时稳定土壤性质和酶活性[43]。相比之下，长期氮添加会导致土壤酸化，改变微生物群落结构和酶活性，引起磷组分转化效率的变化，进而导致磷循环的动态调整[[44], [45], [46], [47], [48]]。在长期氮添加引起的酸化压力下，仍存在一些关键问题：整个土壤微生物群落（例如在生物量方面）和特定功能群（例如磷酸盐溶解细菌）将如何响应？此外，这种响应与不同生物可利用性的土壤磷组分的转化和稳定性有何关联？

中国杉（Cunninghamia lanceolata）是中国南部的一种本土木材物种，因其高经济和生态价值而受到重视[49]。其种植面积为990万公顷，占全国人工林总面积的17.33%，蓄积量为7.56亿立方米，占全国人工林总蓄积量的22.3%，在中国各类人工林树种中无论是面积还是蓄积量均排名第一[50]。然而，该地区高度风化的酸性土壤固有地磷可用性低，这已成为维持中国杉人工林长期生产力的关键营养限制因素[51]。为了应对磷缺乏，中国杉表现出较高的磷利用效率，但严重依赖菌根关联来获取磷[52]，使其营养动态对外部营养扰动特别敏感。同时，该地区的大气氮沉积量正在增加，可能会进一步加剧磷的限制。基于一项为期20年的氮添加实验（0、60、120和240公斤氮/公顷·年），我们研究了土壤化学性质、微生物生物量、磷组分、酶活性和磷酸盐溶解微生物群落的变化，旨在阐明长期氮添加下土壤磷循环的响应特征及其背后的微生物调控机制。我们提出以下假设：（1）长期氮添加通过诱导的土壤酸化和营养失衡减少了活性土壤微生物生物量；（2）长期氮添加将驱动磷酸盐溶解微生物群落的功能重组，这种功能调整将是连接微生物动态与不同生物可利用性土壤磷组分转化的主要机制，从而在慢性氮沉积下维持磷的生物可利用性。

实验地点描述

研究地点描述

本研究在中国福建省三明市沙县官庄国家森林公园的Baixi工作区进行（26°30′N, 117°43′E）。该地区属于亚热带季风气候，年平均温度为18.8–19.6°C，年平均降水量为1606–1650毫米，无霜期为271天[53,54]。实验地点位于低山丘陵地带，平均海拔200米，朝向南方，坡度为31°。

长期氮添加对基本土壤化学性质的响应

随着氮施用量的增加，土壤pH值降低（图1A），而硝酸盐氮含量增加（图1C）。具体来说，与对照组（N₀）相比，高氮处理（N₃）使土壤pH值降低了7.7%，硝酸盐氮含量增加了277.2%。相比之下，不同处理水平下的铵氮和有效磷含量没有显著差异（图1B和D）。

长期氮添加对土壤磷组分的响应

易分解磷的含量没有显著差异，

长期氮添加对土壤环境、微生物生物量和群落结构的响应

我们发现，长期高剂量氮添加显著降低了土壤中的MBC和MBN（图3A和B）。这一结果与该研究区域早期施肥实验的观察结果一致[63]，也与一项全球范围元分析的结论一致，该分析报告称氮添加通常会抑制微生物生长[64]。在20年高氮处理下，MBC和MBN减少了约40%，进一步证实了氮添加的强烈抑制作用

结论与局限性

基于为期20年的氮添加实验，本研究表明，在持续氮输入的情况下，中国杉人工林中的土壤磷循环保持了相当的稳定性。这种稳定性主要是由磷酸盐溶解微生物群落内的功能重组驱动的，而不仅仅是组成的变化。尽管氮添加导致了土壤酸化并降低了MBC和MBN，但各种土壤磷组分及相关水解酶的活性仍然保持

作者贡献声明

朱立勤：撰写——初稿、方法学、调查、资金获取、正式分析。李静凯：方法学、调查、正式分析、数据管理。应恩宇：撰写——审稿与编辑、概念化。肖玲莉：调查。刘平宇：调查。黄志军：调查。沈芳芳：资源支持。范厚宝：资源支持、资金获取。黄荣臻：撰写——审稿与编辑、监督、概念化。

资金信息

本研究得到了江西省自然科学基金（编号：20242BAB25348、20232ACB205007）和国家自然科学基金（编号：32460297）的支持。

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

我们感谢莫明敏在野外工作中的帮助。