: 温带多年生草本生态系统中定量固氮的原位证据

《Ecosystems》：In Situ Evidence for Quantitative Nitrogen Fixation in a Temperate Perennial Grass Ecosystem

　　

生物氮固定是陆地生态系统的重要氮输入途径，发生于与植物的共生和非共生联合体中。非共生固氮（NSNF）在许多地方都有记录，包括土壤，但由于方法学上的挑战，其输入量以及NSNF速率的驱动因素仍不确定。研究人员通过向田间中宇宙施加¹⁵N₂示踪剂来测量NSNF，这些中宇宙包含重组的土壤剖面（深75 cm）以及位于美国密歇根州西南部某地点的成熟柳枝稷。研究人员在生长季早期和中期测量了NSNF。研究人员发现整个土壤剖面均有固定氮，但固定氮含量随深度下降而降低，土壤碳氮比也是如此。在生长季早期，最近固定的氮主要积累在根部，但在后期的培养中，固定氮在根部和地上组织中同等积累。按年缩放的NSNF速率与质量平衡估计值在一个数量级范围内一致。根据中宇宙测量和质量平衡计算，研究人员估计该研究地点柳枝稷的NSNF输入量为2–12 kg N ha^-1 yr^-1，占年度植物氮需求的27–68%。

【研究背景与意义】
生物固氮是陆地生态系统反应性氮进入生物圈的主要自然途径。在多年生草本生态系统中，非共生固氮是潜在的氮来源。已有研究表明，未施肥的多年生草本作物地块产量有时与施氮肥地块相当，暗示NSNF加上大气沉降可能足以满足植物的氮需求。然而，以往对年度NSNF输入量的估计范围极广，从不可检测到满足草地80%的氮需求不等。这主要是因为方法学上的挑战限制了评估的准确性：实验室方法改变了土壤结构、环境条件和植物根系效应，通常只能测量固氮潜力而非实际输入量。此外，由于NSNF由多种适应不同环境的分类群执行，其驱动因素尚不明确，且在田间原位条件下的规律难以预测。为解决这些不确定性，研究人员开展了一项原位中宇宙研究，以准确评估田间条件下的实际NSNF速率及其环境驱动因素。该研究对于理解草地生态系统氮循环具有重要意义，论文发表在《Ecosystems》上。

【关键技术与方法】
样本队列来源为美国密歇根州西南部凯洛格生物站长期生态研究样地中种植于2016年的未施肥成熟柳枝稷。研究人员主要采用了一种田间原位中宇宙方法，在不破坏原状土和植物系统的前提下，通过向深达75 cm的重组土壤剖面注入¹⁵N₂气体示踪剂来直接测量NSNF，并结合同位素比值质谱法（IRMS）追踪固定氮在植物和土壤各层中的积累。同时，研究人员在相同样地采用质量平衡法进行间接估算以交叉验证。利用简单线性回归模型分析了气温、相对湿度及土壤碳氮比等环境因子对NSNF速率的驱动作用，并根据降雨与固氮的关系将测量结果缩放至年度速率。

【研究结果】
¹⁵N₂示踪剂
研究人员通过用氩气和氧气冲洗中宇宙以降低¹⁴N₂浓度，随后添加¹⁵N₂气体。气体采样表明¹⁵N₂成功渗透至整个土壤剖面，同位素富集水平足够高，能够在几乎所有隔室和重复中检测到固氮现象。

中宇宙内的环境条件
测量期间，中宇宙内部环境略暗、较热且湿度较高，但光照条件仍足以保证柳枝稷正常的光合作用。中宇宙内的土壤碳氮比随深度增加而下降，无机氮含量也随深度降低。

植物组织中固定氮的积累
研究发现，在生长季后期的培养中，地上部分组织的固氮积累速率显著高于早期。尤其是叶片中的积累速率大幅增加。在早期培养中，新固定的氮主要积累在根部；而在后期培养中，固定氮在根部和地上组织中的积累量趋于均等。

土壤中固定氮的积累
在所有土壤层和采样日期均检测到了固定氮。在后期培养中，土壤固氮积累随深度呈指数下降。土壤碳氮比能够有效预测固氮积累速率，碳氮比越高，固氮积累越多。

NSNF的驱动因素
气温和相对湿度是预测中宇宙固氮速率的最佳指标。NSNF速率随平均气温升高呈指数下降，且随最低气温升高而降低。相对湿度与温度高度相关，其对固氮的预测作用主要反映了温度的影响。光照可用性则无预测作用。

中宇宙整体固氮速率
后期培养的整体固氮速率几乎是早期培养的两倍。在面积基础上，由于土壤质量远大于其他隔室，大部分固定氮（约90%）积累在土壤中。

缩放至年固氮速率
将¹⁵N₂掺入法测量结果基于降雨记录缩放至年度速率后，其估算值与质量平衡法计算结果在数量级上一致。

【讨论与结论】
研究人员讨论了两种方法的一致性，指出中宇宙测量和质量平衡计算得出了相似的生态系统氮输入估计值，尽管两者可能都是保守估计。质量平衡法忽略了淋溶和气态损失，而在未施肥的多年生草地中这些损失通常很小，因此质量平衡是估算总固氮输入的可靠且低成本方法。固氮积累位置的季节性变化反映了植物物候和固氮发生位置的综合影响，早期植物依赖根部储存氮，后期转向吸收土壤氮。温度和土壤碳氮比是关键驱动因素，高温可能通过抑制光合作用减少根分泌物碳供应或直接超出固氮微生物的最适温度，从而抑制固氮；而高碳氮比则通过提供能量克服限制促进固氮。深层土壤较低的固氮量与其较低的碳氮比和根密度有关。
研究结论部分翻译如下：研究人员使用一种新颖的中宇宙方法和质量平衡，证明了在一个草地生态系统中，NSNF提供了年度植物氮需求平均45%的量。中宇宙测量和质量平衡计算得出了相似的生态系统氮输入估计值，尽管两者可能都是保守估计。固定氮在75 cm土壤剖面、微生物以及植物组织的所有层中均可检测到；NSNF是草地生态系统中的关键氮输入。