氮添加驱动罗浮栲林土壤微生物碳氮利用效率的深度响应模式及其生态意义

《Journal of Plant Ecology》：Parallel patterns of microbial carbon and nitrogen use efficiency in response to nitrogen addition across soil depths in a Castanopsis faberi forest

本研究针对氮沉降背景下土壤微生物碳氮代谢耦合机制不清的问题，通过设置不同氮添加梯度，系统探究了罗浮栲（Castanopsis faberi）林表层（0-10 cm）和亚表层（20-30 cm）土壤微生物碳利用效率（CUE）和氮利用效率（NUE）的响应规律。结果表明氮添加显著降低微生物CUE和NUE，且亚表层土壤的负效应较弱；微生物CUE与NUE呈显著正相关，其变化与土壤碳组分数量和质量密切关联。该研究揭示了氮沉降对微生物资源利用效率的深度依赖性影响，为森林生态系统碳氮耦合过程预测提供了新视角。

　　

随着工业化进程加速和农业化肥用量增加，全球氮沉降持续加剧，中国东南部地区年氮沉降量高达30-50 kg N ha^-1 yr^-1。氮过量输入深刻影响陆地生态系统生物地球化学过程，其中土壤碳氮循环的相互作用尤为关键。微生物作为土壤养分转化的引擎，其碳利用效率（CUE）和氮利用效率（NUE）直接决定有机质的分解速率和土壤碳汇功能。然而，现有研究多聚焦表层土壤，对亚表层土壤微生物代谢效率的响应规律认知薄弱，这严重制约了全球变化背景下土壤碳氮循环的准确预测。

为破解这一难题，福建师范大学研究团队在戴云山国家级自然保护区的罗浮栲林开展了为期三年的氮添加控制实验。研究人员设置了对照（CT，0 kg N ha^-1 yr^-1）、低氮（LN，+40 kg N ha^-1 yr^-1）和高氮（HN，+80 kg N ha^-1 yr^-1）三个处理，分别采集0-10 cm表层和20-30 cm亚表层土壤样品，采用¹⁸O-H₂O标记法和¹⁵N同位素稀释技术精准量化微生物CUE和NUE，同步测定土壤碳组分、微生物生物量、酶活性及群落组成等指标。

关键实验方法

研究采用¹⁸O-H₂O标记法测定微生物生长速率，结合¹⁵N同位素稀释技术计算总氮矿化速率；通过酸水解分级法分离活性碳库（LP-C）和惰性碳库（RP-C），采用物理分散-湿筛法分离颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MAOC）；利用荧光底物法测定水解酶和氧化酶活性；通过16S rRNA和ITS扩增子测序解析微生物群落结构。

微生物CUE和NUE对氮添加的深度响应

氮添加显著降低微生物CUE和NUE，且表层土壤的降幅更大。在表层土壤中，低氮和高氮处理使CUE分别降低6.5%和11.2%，NUE降低20.4%和38.0%；而在亚表层土壤中，CUE降幅为5.3%和15.6%，NUE降幅为3.4%和44.2%。回归分析显示微生物CUE与NUE存在显著正相关（P<0.01），表明微生物碳氮代谢具有协同调控特征。

土壤碳组分与微生物代谢的关联机制

氮添加显著改变土壤碳组分分布：表层土壤中活性碳库（LP-C）和颗粒有机碳（POC）含量增加，而亚表层土壤中矿物结合有机碳（MAOC）和惰性碳库（RP-C）显著减少。相关性分析表明，微生物CUE和NUE与溶解性有机碳（DOC）、MAOC、RP-C含量呈正相关，与POC、LP-C含量呈负相关。亚表层土壤较高的碳氮比（C/N）和较低的DOC含量提示其碳源质量较差，迫使微生物增加酶活性以获取养分，导致能量分配向分解过程倾斜，从而降低生长效率。

微生物群落与酶活性的深度分异

氮添加未显著改变细菌群落多样性，但使亚表层土壤中真菌K策略者（如担子菌门）相对丰度降低。亚表层土壤的β-葡萄糖苷酶（βG）和N-乙酰葡萄糖苷酶（NAG）活性显著高于表层，氧化酶活性与微生物NUE呈正相关。微生物周转率随氮添加增加而下降，进一步印证了资源限制对微生物生长的制约。

讨论与结论

本研究通过多维度证据链揭示：氮添加通过改变土壤碳组分数量和质量，引发微生物代谢策略调整，最终降低CUE和NUE。亚表层土壤因具有较高的物理缓冲性和较低的碳有效性，其微生物代谢效率对氮添加的响应较弱。该研究首次系统证实了微生物CUE与NUE在土壤垂直剖面中的协同变化规律，深化了对森林土壤碳氮耦合机制的理解。研究成果发表于《Journal of Plant Ecology》，为准确预测氮沉降背景下土壤碳汇功能提供了重要的理论依据和数据支撑。