氮磷添加对青藏高原高寒草甸土壤微生物代谢功能的重塑作用及其生态意义

《Journal of High Energy Astrophysics》：Nitrogen and phosphorus additions reshape soil microbial metabolic functions in Qinghai-Tibetan Plateau alpine meadows

本文系统阐述了氮(N)和磷(P)添加如何通过改变土壤理化性质、功能基因表达（如amoA、phoD）和微生物群落结构（如向富营养型细菌转变），进而影响碳(C)代谢途径（如促进蛋白质合成而非芳香化合物合成），最终导致土壤有机质稳定性下降。研究揭示了营养输入对高寒生态系统碳循环的关键调控机制（metagenomic analysis显示微生物代谢功能重组），为全球变化下草地管理提供科学依据。

　　

Highlight

氮磷添加通过改变土壤化学性质和植物群落，重塑微生物代谢功能，影响碳稳定性。

Section snippets

Site description and experimental design

本研究在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站附近的长期养分调控平台进行。实验点详细描述见补充说明1。实验样地于2018年6月采用双因子随机区组设计建立。该实验为氮磷添加的双因子全因子设计，其水平基于区域沉降速率和前期研究确定。

Effects of nitrogen and phosphorus additions on soil chemical properties and plant characteristics

在分析主效应前，我们检验了氮磷交互作用。由于所报告变量的交互项均不显著，我们将分析和呈现重点放在氮磷梯度的主效应上。经过四年施肥处理，土壤pH在N100处理中从6.8显著下降至N200的6.5，而高磷添加相对于对照使土壤pH升高了3.9%（图1a，P < 0.05）。尽管两个水平的氮添加对土壤有效磷无显著影响，但磷添加显著提高了土壤有效磷含量（P50: +81.6%; P100: +143.2%）。氮添加使土壤铵态氮（NH₄⁺）和硝态氮（NO₃^-）含量分别增加了2.1倍和10.3倍（图1b, c）。植物群落方面，氮添加导致物种丰富度下降44.3%，而磷添加使其下降33.6%，同时禾本科植物优势度增加（图1d, e）。

Effects of nitrogen and phosphorus additions on soil chemical properties and plant characteristics

在土壤养分层面，氮添加增加了土壤NH₄⁺和NO₃^-含量（图1）。这可直接归因于尿素水解（产生NH₄⁺）及后续硝化（产生NO₃^-）的连续过程（Clough et al., 2017）。高通量测序显示氨氧化细菌Nitrosomonas和Nitrosospira的相对丰度显著增加（表S2），为硝化过程增强提供了微生物学证据（图S9）。

Conclusion

本研究阐明了氮磷添加对青藏高原高寒草甸土壤-微生物-植物系统的调控效应。我们发现氮磷富集提升了土壤养分水平，但引发了微生物和植物群落的均质化，导致富营养型微生物类群（如变形菌门Proteobacteria）增加和植物群落中禾草与莎草占优势，这损害了生态系统稳定性。同时，代谢资源向生长相关合成过程（如蛋白质生物合成、ATP合酶）的重新分配，削弱了复杂化合物（如芳香化合物）的合成，可能危及土壤有机质的长期稳定性。