镁添加部分逆转覆盖对早竹林根际氮循环的负面影响：机制与调控路径

本研究揭示了覆盖栽培导致雷竹林退化的新机制：根际氮循环功能紊乱与镁元素限制的耦合作用。通过野外调查与添加实验，发现覆盖通过降低土壤pH和加速Ca、Mg淋溶，诱导根际微生物群落功能重组（如提升AOB、napA、nirK相对贡献），导致铵盐（NH4+）积累、硝酸盐（NO3-）减少及亚硝酸盐（NO2-）异常累积。镁添加通过特异性调控硝化过程关键基因nxrA，逆转氮循环功能群组成和代谢物失衡，为竹林可持续经营提供理论依据。

　　

研究背景

雷竹（Phyllostachys praecox）作为亚洲重要的笋用竹种，其冬季覆盖栽培模式虽能提高产量，却导致竹林在3年后出现快速退化。前期研究表明覆盖引发土壤钙（Ca）、镁（Mg）的严重淋失，但其对根际氮循环功能的影响机制尚未明确。本研究聚焦于覆盖诱导的Ca-Mg缺乏如何通过改变根际氮循环功能（包括微生物群落结构、功能基因表达及代谢物动态），进而影响雷竹氮利用效率的生态过程。

方法设计

研究在江西省抚州市东乡区雷竹种植区展开，采集了覆盖0–3年（M0–M3）及恢复1–2年（R1–R2）的根际土壤样本。通过定量PCR（qPCR）分析16S rRNA及10个氮循环功能基因（如ureC、gdhA、AOA-amoA、AOB-amoA、nxrA、narG、napA、nirS、nirK、nosZ）的丰度变化，并测定土壤呼吸、氨氧化潜力（AOP）、反硝化潜力（DNP）等功能活性。利用网络分析揭示功能基因共现模式，并通过钙镁添加实验（CaCO₃、MgO单独及联合施用）验证其调控效应。

结果分析

土壤理化性质与氮代谢物动态

覆盖导致土壤pH从5.45（M0）降至4.25（M3），总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量翻倍，但交换性Ca、Mg分别下降49%和42%。氮代谢物呈现铵积累（M3较M0增加113%）、硝酸盐减少（下降56%），以及亚硝酸盐异常升高（M3达64.53 μg kg^-1，为M0的4.8倍）。恢复期（R2）部分指标回调但未完全恢复。

微生物功能活性与基因丰度响应

覆盖显著提升微生物整体活性：16S rRNA基因拷贝数增加3.7倍，土壤呼吸速率提高2.5倍。氮循环功能潜力同步增强，其中DNP增幅最大（8.3倍），AOP提高2倍。功能基因中AOB、napA、nosZ对覆盖响应最敏感，增幅分别达140倍、32倍和52倍。基因共现网络分析显示，覆盖后氮循环路径从以AOA→nxrA→narG为核心转向以AOB→nxrA→napA为主导，gdhA、nirK的相对贡献显著提升。

镁的核心调控作用

环境因子相关性分析表明，TOC、TN和pH是氮循环功能的主要驱动因子，但镁（Mg）的影响显著高于磷（P）、钾（K）及钙（Ca）。尤其值得注意的是，镁与硝化过程功能群组成（如nxrA/AOB、AOA/AOB）的相关性最强。添加实验进一步证实：单施镁（MgO）使AOP提升60%，nxrA基因丰度增加2.03倍，并显著降低土壤亚硝酸盐含量（降幅超50%）。同时，镁添加逆转了覆盖导致的功能群比例失衡（如AOA/AOB从1.30升至1.96，nxrA/AOB从0.35升至0.36）。

机制探讨

覆盖通过输入大量有机质和酸化环境，促进微生物增殖与氮转化活性，但同步诱导Mg2?淋失导致微生物代谢受限。亚硝酸盐积累主要源于nxrA/AOB比率下降（从5.06降至0.35），暗示硝化过程第二步（亚硝酸盐氧化）受阻。镁添加通过缓解微生物Mg限制，提升能量代谢效率（如ATP酶活性），并特异性增强nxrA编码的亚硝酸盐氧化还原酶功能，从而优化氮转化路径。此外，镁可能通过减轻活性氮物种（RNS）的氧化胁迫，改善微生物细胞代谢环境。

研究意义

本研究首次系统阐明了镁缺乏在雷竹覆盖退化中的核心作用，揭示了根际氮循环功能群重组与镁生物地球化学循环的耦合机制。发现nxrA基因对镁调控的高度敏感性，为通过镁肥管理优化氮循环提供了新靶点。成果对酸性土壤区农林生态系统的养分调控具有普适性参考价值。