青藏高原高寒草地非共生固氮作用对氮平衡的重要贡献及其驱动机制解析

本研究针对青藏高原高寒草地氮限制问题，通过多方法整合分析了非共生生物固氮（ANF）的组成、多样性与活性，发现Mesorhizobium为关键固氮微生物，年固氮量达0.50 Tg N（占氮输入25%），土壤钼含量是主要驱动因子，揭示了ANF在维持高原氮平衡中的关键作用。

　　

氮素是生态系统生产力与碳汇潜力的关键限制因子，尤其在青藏高原高寒草地系统中，氮匮乏问题长期困扰着生态学家与气候预测模型研究者。尽管大气沉降提供部分氮源，但缺乏人工施肥与豆科植物的自然草地如何维持氮平衡仍是未解之谜。非共生生物固氮（Asymbiotic Biological Nitrogen Fixation, ANF）作为潜在氮输入途径，其贡献程度与调控机制在青藏高原尚未被系统揭示。

为破解这一难题，由Ke Zhang、Feng Zhang等来自北京林业大学草地科学与技术学院的研究团队，在《Journal of Integrative Agriculture》发表论文，综合运用样带采样、¹⁵N同位素标记与DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）、扩增子测序、随机森林算法建模及数字制图等技术，对青藏高原全域高寒草地的ANF固氮微生物群落展开多维度解析。

研究团队通过跨高原尺度的样带采样获取代表性土壤样本，结合¹⁵N₂标记培养与DNA-SIP技术精准捕获活性固氮微生物，利用高通量测序解析群落结构，并基于随机森林模型识别关键环境驱动因子，最终通过空间插值估算区域氮输入总量。

固氮微生物群落以Skermanella和Mesorhizobium为优势属

通过16S rRNA基因测序分析发现，Skermanella和Mesorhizobium是青藏高原草地中最丰富的固氮菌属，其群落结构与多样性主要受土壤pH和总磷浓度调控。

Mesorhizobium被证实为最具活性的固氮微生物

DNA-SIP技术结合¹⁵N₂标记实验明确显示，Mesorhizobium在原位条件下表现出最高的氮固定活性，打破了该属传统仅与豆科植物共生的认知框架。

ANF年固氮量约占高原氮输入的25%

实测固氮速率范围为0–18.1 kg N ha^-1 yr^-1，经空间推算得出整个青藏高原高寒草地年固氮总量约为0.50 Tg N，相当于年氮输入量的四分之一。

钼元素是ANF速率的关键限制因子

随机森林模型表明，土壤微量元素钼（Molybdenum）对固氮速率的解释度达24.64%，其为固氮酶（Nitrogenase）的关键辅因子，直接制约生物固氮效率。

该研究首次量化了非共生固氮在青藏高原氮循环中的贡献，揭示了Mesorhizobium在非共生环境中的重要作用，深化了对高寒生态系统氮平衡机制的理解。研究结果提示，未来气候变暖与人为干扰可能通过影响土壤钼有效性与微生物群落结构，进一步调控高原草地的氮输入与碳汇功能，为全球变化背景下的生态系统管理提供了理论依据。