氮磷添加调控微生物化学计量平衡来改变激发效应
作者：海北站 更新时间：2024-07-01
土壤激发效应（Priming effect）在调节土壤有机质（SOM）分解过程中起着至关重要的作用。大量研究表明，氮（N）和磷（P）的添加可显著改变激发效应的方向和强度，这可能会极大地影响草地（尤其是对氮和磷富集敏感的高山草甸）的碳周转。
为了评估PE对氮和/或磷添加的反应，北京大学地下生态学研究组朱彪团队和中国科学院西北高原生物研究所周华坤团队依托青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站，合作创建了土壤养分添加研究平台，对高山草甸采集的土壤中添加了13C标记的葡萄糖和养分添加物（+N、+P和+NP），进行了培养实验。将土壤培养 30 天后，测量土壤/微生物特性和酶活性。
研究结果表明：1.葡萄糖添加在所有处理下均诱导了正激发效应，平均强度为0.61 mg C g-1 soil（差值）或1.35 （比值）。2.N添加显著提高了激发效应强度（图1a），这支持了化学计量分解假说的预测。具体而言，氮添加显著提高了氮有效性，葡萄糖的添加为微生物提供了外源C，能更好地匹配微生物对C和N的需求，根据化学计量分解假设，PE强度显著提高。此外，研究结果发现葡萄糖添加后BG酶和PHO酶活性显著增加，这表明微生物增加了对土壤C和P获取的投资，这可能也解释了PE强度的增加。3. P添加显著降低了激发效应强度。出现这一现象的原因是：首先，在添加磷的情况下，有效磷的大幅增加可能导致了微生物因维持化学计量平衡需要而对有效氮的大量消耗；因此，磷处理土壤中的碳氮不平衡显著增加。然而，葡萄糖添加为磷处理土壤提供了更多的外源C，却没有补充N，这意味着磷处理土壤中的微生物遭受了更强的碳氮不平衡。根据化学计量分解假设，与CT相比，P添加下PE强度降低。4. N、P添加下激发效应强度不变。由于实验添加的氮磷比显著高于自然土壤和微生物的氮磷比，这表明在氮磷添加下土壤中可能会出现磷过量。我们推测，虽然外源葡萄糖和氮为微生物提供了更容易获得的C、N资源，但微生物仍然可能受到C:P和N:P不平衡的抑制。因此，C、N对微生物化学计量平衡的积极作用与P对其的消极作用相互抵消，导致了激发效应强度无显著变化的结果。
综上所述，葡萄糖添加诱导了青藏高原高寒草甸土壤的正激发效应，而氮添加增加了激发效应强度，磷添加则降低了其强度。这可能是因为氮、磷添加通过改变土壤资源与微生物需求之间的C、N、P匹配调控了有机质分解的强度，并且化学计量分解假说在高寒草甸土壤激发效应的调控中占主导地位。我们的结果表明，P有效性可以显著改变微生物的C和N获取，因此未来研究在考虑C、N耦合的基础上要进一步加强对P元素的关注，以综合评估和预测不同情景下激发效应的强度和方向变化。
研究成果于2024年5月27日正式在线发表在《Sci Total Environ》。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.168350
文章链接：https://mp.weixin.qq.com/s/WseWBnvuFGeJ88uUuOmNvQ
原文转载自微信公众号“STOTEN全环境科学”。
图1 氮（N）、磷（P）添加对激发效应、对照土壤（b）或葡萄糖添加土壤（c）的CO2释放、葡萄糖来源（d）或土壤来源CO2释放（e）、葡萄糖矿化百分比（f）的影响
图2 氮（N）、磷（P）添加对酶活性的影响。不同字母表示不同处理间存在显著差异（p < 0.05）。虚线表示该指标对葡萄糖添加的响应比（即添加葡萄糖组的指标与不添加葡萄糖组的指标的比值）等于1.0
