共生土壤真菌缓解实验草地中氮驱动的甲烷排放

《Frontiers in Microbiology》：Symbiotic soil fungi mitigate nitrogen-driven methane emissions in an experimental grassland

　　

甲烷（CH₄）排放是一个关键的自然过程，导致大气温室气体积累，并构成全球碳循环的重要组成部分。丛枝菌根（AM）真菌在调节温室气体排放中发挥重要作用，并参与土壤碳循环。然而，关于AM真菌在调节土壤CH₄排放中的功能和调控模式的认识仍不明确，尤其是在伴随氮（N）沉降增加的非淹水条件下。为填补这一关键知识空白，本研究在实验草地中，在氮沉降增加的条件下，动态监测了AM真菌存在/缺失情况下跨越三个植物生长季的土壤CH₄通量。研究发现，增加的氮沉降刺激了土壤CH₄排放，但这种响应仅在AM真菌缺失时被检测到。AM真菌与土壤CH₄排放显示出显著关联，且这些相关模式依赖于氮沉降水平。具体而言，AM真菌显著缓解了高氮沉降对CH₄排放的刺激效应，但在低氮沉降下，AM真菌与升高的土壤CH₄排放相关，这可能与较高的植物群落多样性有关。此外，植物群落香农-维纳多样性是一个关键因子，它受到增加氮沉降和AM真菌的交互调节，并与土壤CH₄排放存在统计关联。这些发现提供了实验证据，表明AM真菌以依赖于氮沉降的方式参与调节土壤CH₄排放，并进一步强调了植物群落多样性与土壤CH₄排放之间的密切统计联系。同时，这些结果强调了未来研究的必要性，即量化AM真菌诱导的与CH₄产生和氧化过程相关的土壤微生物群落变化，从而为在持续气候变化下减缓全球变暖和确保可持续生态系统管理的循证政策提供信息。

**论文解读：丛枝菌根真菌在氮沉降背景下调控草地土壤甲烷排放的机制研究**

**研究背景与目的**

甲烷（CH₄）是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，其排放过程是大气温室气体积累的关键组成部分，对全球碳循环具有重要影响。传统观点认为，CH₄排放主要发生在严格厌氧条件下（如水稻田和湿地），而草地土壤通常被视为CH₄汇，年吸收量约为1.49 kg CH₄ ha^-1，在减缓全球变暖中发挥关键作用。然而，人为增加的氮（N）沉降已被广泛证实会显著改变陆地生态系统的土壤CH₄排放。尽管氮沉降对生物多样性的影响已有充分记录，但其如何调控草地生态系统土壤CH₄排放的机制仍不清楚。丛枝菌根（AM）真菌是与超过80%陆生植物形成互利共生关系的土壤微生物关键组分，在土壤有机碳形成中贡献巨大。然而，AM真菌在调节土壤CH₄排放中的作用，尤其是在氮沉降增加背景下的研究极少，存在关键知识空白。现有证据表明AM真菌可抑制水稻田、草甸草原等地的土壤CH₄排放，但未明确探究在非淹水条件下AM真菌如何调节氮沉降对土壤CH₄排放的幅度和方向。基于此，研究人员开展本研究，旨在动态监测AM真菌存在与否时，增加氮沉降对实验草地土壤CH₄排放的影响，并解析其潜在机制。本研究假设：（1）增加的氮沉降通过增加矿质氮有效性和诱导土壤酸化刺激土壤CH₄排放；（2）AM真菌缓解增加氮沉降对土壤CH₄排放的刺激效应；（3）在低氮沉降下，AM真菌可能通过促进植物群落生物量和多样性增强土壤CH₄排放。该研究发表在《Frontiers in Microbiology》。

**主要关键技术方法**

本研究采用温室实验模拟典型欧洲草地群落（包含10种植物：4种禾草、4种杂类草、2种豆科植物，共33株个体），土壤来源为瑞士Nenzlingen地区的钙质草地（平均pH 8.1），经灭菌后与石英砂混合（1:1.25）。实验设置两因素完全设计：氮沉降水平（环境氮沉降AN与增加氮沉降IN）和AM真菌处理（无AM真菌NM与有AM真菌M），共4个处理，每个重复8次，共32个微宇宙。AM真菌接种物含四种常见欧洲草地物种（*Claroideoglomus claroideum*, *Funneliformis mosseae*, *Glomus diaphanum*, *Rhizoglomus irregularis*）。整个实验（2018年12月至2019年7月）分为三个植物生长季，每个生长季通过硝酸铵脉冲施加氮沉降，并动态监测土壤CH₄和CO₂通量（使用Picarro G2508温室气体分析仪，每次脉冲后连续监测7天）。同时测定植物群落生物量、香农-维纳多样性、土壤理化性质（pH、Olsen-P、NH₄⁺-N、NO₃^--N、N/P）、土壤微生物生物量（DNA浓度）及AM真菌定殖参数。采用重复测量方差分析、线性回归、随机森林分析和结构方程模型（SEM）进行统计。

**研究结果**

**Responses of soil CH₄ and CO₂ emissions to increased N deposition and AM fungi**
通过动态监测三个生长季的土壤CH₄通量发现：增加的氮沉降在整个实验期间显著刺激了土壤CH₄排放（平均增加36.7%，p<0.01），但仅在AM真菌缺失时检测到这种效应（在无AM真菌处理下，增加氮沉降使累积CH₄排放分别增加60.7%和78.1%）；在AM真菌存在时，增加氮沉降对CH₄排放无显著影响。AM真菌本身在第一个生长季显著增加了CH₄通量（60.6%，p=0.004）。对于CO₂排放，AM真菌和增加氮沉降均显著促进，且两者存在交互作用（AM真菌的促进效果在高氮沉降下更明显）。t检验进一步证实，增加氮沉降对CH₄排放的促进作用仅在无AM真菌时显著。

**Underlying mechanisms of increased N deposition and AM fungi on soil CH₄ and CO₂ emissions**
通过分析植物群落参数、土壤理化性质与气体排放的关系发现：线性回归显示，累积CH₄排放与植物群落香农-维纳多样性呈正相关（p<0.05），与土壤pH呈负相关（p<0.05），且这些相关模式受氮沉降水平调节。随机森林分析表明，土壤pH是影响CH₄和CO₂排放的主要土壤预测因子，而植物群落香农-维纳多样性是CH₄排放的主要植物参数预测因子。SEM模型进一步证实：植物群落香农-维纳多样性作为核心关联变量，受到AM真菌和增加氮沉降的交互调节，并与土壤CH₄和CO₂排放存在统计关联；AM真菌通过降低土壤pH（间接促进微生物活性）和增加土壤DNA浓度（指示微生物生物量）与CH₄排放相关联；增加氮沉降则直接与增强的CH₄和CO₂排放相关。

**讨论与结论**

讨论部分指出，本研究首次在实验草地中揭示了AM真菌以氮沉降水平依赖的方式调控土壤CH₄排放。增加的氮沉降刺激CH₄排放，但此效应只在AM真菌缺失时出现，支持了假设（1）。AM真菌缓解了高氮沉降对CH₄排放的刺激作用，与假设（2）一致，可能机制涉及AM真菌改变土壤氮有效性（如降低NO₃^--N），进而影响甲烷氧化菌活性。在低氮沉降下，AM真菌促进了CH₄排放，与假设（3）部分一致，这可能与AM真菌降低土壤pH（增加微生物活性）和提高植物群落多样性有关。SEM分析强调植物群落多样性是连接AM真菌、氮沉降与CH₄排放的核心因子。研究局限性包括：使用人工植物群落和灭菌土壤可能低估了自然土壤微生物过程；未直接测定产甲烷古菌和甲烷氧化菌群落，导致机制解释缺乏直接证据；土壤灭菌导致系统从CH₄汇转变为源，需谨慎外推至自然草地。尽管如此，本研究为理解AM真菌在全球变化下调节土壤CH₄排放的角色提供了新见解。

**结论翻译**：研究假说得到验证：增加的氮沉降促进了土壤CH₄排放，但这种效应仅在AM真菌缺失时被检测到。AM真菌在不同氮水平下对土壤CH₄排放显示出不同的关联效应，这些模式可能与其调节土壤养分循环和植物群落多样性的作用有关。具体而言，在低氮沉降下，AM真菌增强了土壤CH₄排放，这与较高的植物群落多样性同时发生；相反，AM真菌显著缓解了增加氮沉降对土壤CH₄排放的刺激效应。此外，基于香农-维纳指数的植物群落多样性成为一个关键关联因子，它与增加氮沉降和AM真菌在统计上交互关联，进而与土壤CH₄排放相关。这些发现对于预测在全球变化情景下AM真菌如何调节土壤CH₄排放具有重要意义，并为AM真菌在全球碳循环中的功能角色提供了新的见解。