氮添加改变半干旱草原AMF-土壤细菌网络但不促进磷矿化的生态机制研究

本研究针对氮沉降加剧背景下，半干旱草原生态系统AMF（丛枝菌根真菌）及其关联微生物组的响应机制这一关键科学问题，通过11年氮添加梯度实验，结合18S/16S rRNA扩增子测序和宏基因组学分析，揭示了氮输入通过降低AMF α多样性但增加β多样性形成负关联模式，并发现AMF-细菌-功能基因网络协同响应土壤磷有效性的新机制。该成果发表于《Communications Biology》，为全球变化下土壤微生物互作网络调控养分循环提供理论依据。

　　

随着全球氮沉降速率持续突破环境安全阈值，土壤微生物组如何响应氮输入已成为生态学前沿课题。半干旱草原作为敏感生态系统，其丛枝菌根真菌(AMF)与土壤细菌的互作网络对氮添加的响应机制尚不明确。中国科学院植物研究所（原文第一作者单位Inner Mongolia Grassland Ecosystem Station的所属机构）的研究团队通过11年氮添加控制实验（0-50 g N m^-2 yr^-1），结合多组学技术揭示了AMF群落与微生物功能网络的协同演变规律。

研究采用18S rRNA基因测序解析AMF群落结构，16S rRNA测序分析细菌组成，配合宏基因组功能注释和土壤理化测定。样本来自内蒙古半干旱草原7个氮添加梯度（N0-N50）的70份土壤样品，覆盖2017-2019两个生长季。

AMF群落的负关联响应模式

通过PCoA和Mantel检验发现，氮添加显著改变AMF群落结构（Jaccard/Bray-Curtis指数P<0.05），与土壤有效磷、有效氮和pH密切相关。阈值分析显示Glomus、Paraglomus等属丰度下降。α多样性（OTU丰富度和Shannon指数）随氮添加显著降低，而β多样性（距离-质心分析）呈上升趋势，形成独特的负关联模式（图1）。这种"α降β升"现象支持了"氮缓解限制但不引发磷限制"的生态假说。

多组学协同响应机制

多惯性分析（MCo）揭示AMF-细菌-功能基因网络对氮添加的协同响应，其中第一轴（44.56%变异）与土壤有效磷极显著相关（R²=0.905）。NMDS分析证实三组学数据均受氮添加显著影响（图2）。SPIEC-EASI网络构建显示30个AMF OTUs与1823个KEGG功能基因（KOs）、823个细菌OTUs存在复杂关联。

磷矿化功能的非富集现象

在1823个AMF关联功能基因中，11个涉及磷代谢的基因未显示系统性上调（图3）。氮添加使有机磷水解基因phoN（编码酸性磷酸单酯酶）丰度下降10倍，而olpA基因略有增加。酸性磷酸酶活性测定验证了磷矿化功能未增强（图3c），表明土壤磷有效性提升主要源于酸化作用而非微生物调控。

功能与类群的特异性响应

差异分析发现N50处理中AMF正相关菌群富集ABC转运蛋白、组氨酸代谢等通路（图4a），Actinobacteria相对丰度显著增加（图4d）。这些功能与氨基酸合成、DNA修复相关，但未涉及酸胁迫耐受，暗示AMF菌丝体可能作为中性pH微生境庇护酸敏感菌群。

该研究首次系统揭示了半干旱草原AMF-微生物网络对氮添加的级联响应：氮输入通过改变资源限制状态驱动AMF群落重构，形成α-β多样性负关联；微生物功能重组以转运代谢为核心，但未激活磷矿化功能。这一发现突破了"微生物介导磷活化"的传统认知，为全球变化背景下土壤养分循环模型的优化提供了新视角。论文提出的"资源限制-网络重构"框架，对预测生态系统功能稳定性具有重要科学价值。