在亚热带地区，树木生长年龄影响了氮沉积条件下根际土壤中无机氮的可用性（以Machilus pauhoi人工林为例）

《Forest Ecology and Management》：Stand age drives rhizosphere soil inorganic nitrogen availability under nitrogen deposition in subtropical Machilus pauhoi plantations

　　• 根据林分年龄调节的根际土壤无机氮有效性对氮添加的反应。• 在氮添加的情况下，根际土壤无机氮的有效性与林分年龄呈非线性变化。• 在23年的林分中，氮添加导致了最大的土壤无机氮积累。• 更高的土壤碳和氮基质与氮添加下的更高无机氮有效性相关。引言自工业革命前以来，由于人类活动（如化石燃料燃烧、农业施肥、工业氨生产和城市排放）的影响，活性氮（N）的人为排放显著增加（Galloway等人，2004年；Melillo，2021年；Tian等人，2024年）。这些活性氮化合物可以长距离传输，并沉积在远离其排放源的生态系统中，使大气氮沉积成为全球环境变化的主要驱动因素（Pan等人，2011年；Clark等人，2017年；Ackerman等人，2019年；Lin等人，2024年）。在森林生态系统中，长期氮沉积可以改变土壤氮库、土壤有机物分解和植物氮吸收，从而影响土壤碳和氮循环（Treseder，2008年；Janssens等人，2010年；Xing等人，2022年；Zhan等人，2023年）。这些问题在亚热带森林生态系统中尤为明显，因为该地区的大气氮沉积率持续上升（Du等人，2019年）。先前的研究表明，长期氮沉积会导致中国南部亚热带地区的森林土壤严重酸化并增强氮淋溶（Fang等人，2008年；Chen等人，2023年）。此外，长期氮添加会减少微生物生物量碳和氮，并降低革兰氏阴性细菌的相对丰度，同时增加碳和氮酶的生物量特异性活性（Wang等人，2018年）。总的来说，这些发现表明，持续的氮沉积会加剧土壤酸化和氮损失，减少微生物生物量，并改变森林生态系统的微生物群落组成。然而，这些反应的程度在不同物种组成的森林生态系统和不同发育阶段的森林中有所不同。这表明，森林对氮沉积的响应不仅取决于外部氮输入，还取决于生态系统内的生物或非生物条件。林分年龄是其中一个可以强烈调节森林对氮沉积响应的条件，因为树木生长速率、凋落物输入量、细根活性、土壤养分供应和养分循环过程在林分发育过程中会发生变化（Gilliam，2021年）。这些变化会改变添加的氮在土壤系统中的处理方式，因为树木生长是森林生态系统中的主要氮汇，而且不同林分年龄的树木对氮的需求也不同（Lin等人，2024年）。这进一步影响了添加的氮是与植物吸收相关、无机氮积累相关还是以生物量的形式被微生物固定（Dirnb?ck等人，2020年；Xing等人，2022年；Zhan等人，2023年）。先前的研究表明，林分年龄会改变森林对氮沉积的响应模式（Smith和Stephan，2021年；Zhang等人，2024年）。例如，较老的森林比年轻的森林失去更多的溶解无机氮和有机氮；氮添加会抑制年轻氮限制森林中的真菌活性和硝化作用，而在氮供应较高的林分中这种效果较弱，甚至在氮和磷同时受限的老年森林中甚至会限制树木生长（Fang等人，2008年；Wang等人，2023年；Blumenthal等人，2025年）。即使在外部氮输入条件相同的情况下，这些与年龄相关的差异也会导致不同的氮循环模式（Guo等人，2017年；Zuccarini等人，2023年）。土壤无机氮的有效性，主要以铵态氮（NH4+–N）和硝酸盐氮（NO3-–N）的形式存在，是土壤氮供应的关键组成部分，通常被认为是植物发育最直接的氮来源之一（Zayed等人，2023年）。然而，尚不清楚氮添加是否以相同的方式影响不同林分年龄的无机氮有效性。在森林土壤中，根际土壤普遍被认为是根际微生物与外部氮输入相互作用的热点（Kuzyakov和Blagodatskaya，2015年）。这些氮输入促进了根际微生物的繁殖，并刺激了相关胞外酶的活性，从而影响土壤有机氮的分解、矿化、硝化和反硝化，进一步改变了植物的氮吸收方式和途径（Phillips等人，2011年；Burns等人，2013年）。因此，根际土壤无机氮的有效性不仅取决于添加的氮量，还取决于根际系统转化、分解和吸收可用氮的能力。土壤的基本基质，包括总碳、总氮和溶解有机氮，通过支持微生物生长、酶生产和微生物氮转化途径进一步调节无机氮的积累（Sinsabaugh等人，2009年；Cao等人，2025年）。这些与无机氮相关的生物过程会随着林分年龄的变化而变化，因为微生物变得越来越活跃，对养分的需求也会增加，这反过来又推动了酶介导的资源获取策略的变化（Song等人，2023年；Zhuang等人，2025年）。因此，理解这些相关过程对于解释为什么根际土壤无机氮的有效性对氮添加的反应在不同林分年龄中有所不同是必要的。当微生物养分获取的有效性发生变化时，微生物会调整其对获取这些资源的酶的投资。同时，通过生态酶学计量学中的酶载体分析，进一步结合了与碳、氮和磷获取相关的酶活性，以评估微生物碳限制以及氮和磷限制之间的相对平衡（Sinsabaugh等人，2008年；Moorhead等人，2016年）。此外，根据土壤基质的状态和微生物养分需求，减少微生物氮限制并使微生物需求转向碳或磷。这些酶分配的变化通过改变有机氮分解、微生物固定和氮转化过程来影响根际土壤无机氮的有效性。此外，微生物生物量可以暂时固定部分可用氮，而微生物群落结构对氮添加的反应变化可以进一步影响微生物氮的固定和转化（Sawada等人，2015年；Fonseca等人，2018年）。参与硝化和反硝化的功能基因，如细菌氨氧化基因nirS和nosZ，提供了有关微生物无机氮转化潜力的信息（Levy-Booth等人，2014年；Gineyts和Niboyet，2023年；Zhang等人，2023年）。这些过程表明，根际土壤无机氮的有效性是由土壤基质供应、微生物养分获取、微生物群落属性和氮循环潜力的共同变化引起的。然而，先前的研究很少全面考察土壤物理化学性质、胞外酶活性、微生物群落特征和氮循环功能基因。此外，许多研究集中在特定的林分年龄上，或者忽略了从幼年到成熟阶段的森林种植园的发育过程。这些限制使得难以完全理解氮添加下根际土壤无机氮有效性随林分变化的土壤和微生物过程。整合这些视角可以进一步揭示大气氮沉积条件变化与种植园发育过程中根际土壤无机氮有效性之间的机制联系。Machilus pauhoi是一种常绿阔叶树种，由于其高经济价值，在中国亚热带地区广泛种植，该地区的大气氮沉积通常相对较高（Lin等人，2024年）。先前的研究表明，M. pauhoi能够适应不同的环境条件，包括在幼苗期和成熟期的氮沉积（Zou等人，2022年；Yang等人，2025年）。然而，大多数研究将M. pauhoi种植园视为具有相同发育阶段的系统。因此，人们对林分年龄是否改变无机氮对氮添加的响应关注较少，这种不确定性限制了我们预测氮沉积如何随时间影响亚热带种植园土壤氮过程的能力。在这项研究中，我们在四个不同林分年龄（7年、11年、23年和35年）的亚热带M. pauhoi种植园进行了模拟氮添加实验。我们测量了根际土壤的物理化学性质、基于磷脂脂肪酸（PLFA）的微生物群落组成、胞外酶活性、氮循环功能基因以及细根、小枝和叶片中的氮浓度。本研究旨在确定氮添加是否根据林分年龄改变根际无机氮的有效性，并识别这一响应背后的关键生物和非生物途径。我们假设：（1）氮添加会在不同林分年龄之间以不同的方式改变根际无机氮的有效性，而不是在四个林分年龄中引起 uniform 响应（H1）；（2）根际土壤无机氮对氮添加的响应受到土壤养分基质中的非生物因素和与胞外酶活性、微生物属性及氮循环功能基因相关的生物因素的共同调节，它们的相对贡献在不同林分发育阶段有所不同（H2）。我们预计这些因素的相对贡献会在不同林分年龄中显示出年龄特异性变化；（3）随着林分的发展，调节根际无机氮有效性的主要过程会发生变化（H3）。具体来说，我们预计较年轻的林分对添加的氮有更强的生物需求，从而限制其作为无机氮的积累。随着林分的发展，当土壤基质供应、酶活性和微生物氮转化潜力足以支持活跃的氮转化时，我们预计无机氮的积累将变得更加明显。这项研究提供了关于不同林分年龄的亚热带种植园如何调节氮添加下根际无机氮有效性的机制的见解。研究结果将有助于阐明林分年龄如何调节氮添加下的根际土壤无机氮有效性，并为不同发育阶段的亚热带M. pauhoi种植园的精准养分管理和高效栽培提供新的见解（图1）。研究地点本研究在中国东南部江西省安福县贵园山森林站进行（27°17′N, 114°32′E）。该地区亚热带森林的大气氮沉积率约为50 kg N ha?1 yr?1。研究区域具有亚热带湿润季风气候，年平均气温为18.3 °C，年平均降水量为1584.9 mm。该地区每年大约有155个雨天，无霜期约为...土壤性质对氮添加的响应土壤物理化学性质因林分年龄和氮添加处理而异。总体而言，23a龄林分的总碳（TC）、总氮（TN）和溶解有机氮（DON）高于其他林分年龄（P < 0.05）。与对照组（CK）相比，氮添加降低了7a龄和11a龄林分的总碳和总氮，但增加了23a龄林分的总氮（图2b, c）。此外，氮添加显著增加了23a龄林分的硝酸盐氮（NO?-–N）和铵态氮（NH??–N），而在其他林分中的效果较弱（图2e, f）。讨论林分的发展可以通过改变根际系统保留、转化和积累外部氮的能力来改变亚热带种植园对增加的大气氮沉积的生态响应。处于不同发育阶段的种植园对氮输入的响应并不统一，而是表现出不同的根际无机氮有效性模式，反映了氮保留、转化和积累过程之间的平衡变化（Cheng等人，2019年...结论本研究量化了氮添加对亚热带M. pauhoi种植园四个不同林分年龄根际土壤无机氮有效性的影响，结果表明氮添加并没有导致沿种植园年龄序列的可用无机氮均匀增加。相反，添加氮的趋势受到林分年龄的强烈影响，表明外部氮输入可以通过不同的根际途径进行处理。23a龄林分显示了最强的有机碳积累...作者贡献声明杨斌锋：概念化、数据管理、调查、方法论、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。刘尧：数据管理、调查。程东亮：数据管理。徐朝斌：资金获取、调查、方法论、监督、审稿与编辑。梁凤娜：数据管理、调查、方法论、初稿撰写。钟全林：概念化、资金获取、调查、方法论、监督...利益声明作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。致谢我们感谢郑新杰、周云若、姚淑淑、陈远旺和唐磊在收集实验样本和进行实验方面的协助。我们还要感谢在江西省吉安市安福县桂园山林林业站工作的全体工作人员所提供的慷慨帮助。本项工作得到了国家自然科学基金（项目编号：32371859、31971643）以及中央引导地方科技发展基金项目的资助。