《Nutrient Cycling in Agroecosystems》：Temporal assessment of N-cycling genes and nutrient-acquiring enzymes under rotational grazing
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尽管微生物活性对放牧系统的可持续性至关重要，但针对土壤微生物对放牧响应的纵向评估仍十分匮乏。研究人员在两种对比鲜明的系统中——原生牧场（Native Rangeland，混合草原植被）与引入牧场（Introduced Pasture，狗牙根[Cynodon d
尽管微生物活性对放牧系统的可持续性至关重要，但针对土壤微生物对放牧响应的纵向评估仍十分匮乏。研究人员在两种对比鲜明的系统中——原生牧场（Native Rangeland，混合草原植被）与引入牧场（Introduced Pasture，狗牙根[Cynodon dactylon (L.) Pers.]）——监测了功能性氮循环基因（N-cycling genes）以及碳（C）、氮（N）、磷（P）获取型胞外酶活性（extracellular enzyme activities）。研究人员比较了两种放牧策略：适应性放牧（Adaptive, AD；较高放牧密度，可变休牧期）与规定性放牧（Prescriptive, PR；较低放牧密度，固定休牧期），监测周期为三年。基因和酶活性均表现出显著的时间变异性，2022年的数值高于2023年和2024年。总体而言，放牧影响了硝酸盐还原和反硝化途径。在原生牧场中，AD处理下napA基因丰度最高增加57%，PR处理下narG基因丰度最高增加至两倍，而nirS基因对放牧处理的响应不一致。在引入牧场中，PR处理下nirS丰度最高增加57%，而nirK基因响应不一致。放牧显著影响了原生牧场AD处理下的酶活性，与PR相比，C获取酶最高增加175%，N获取酶最高增加271%，P获取酶最高增加216%。在引入牧场中，差异最显著的是N获取酶，PR处理的活性是AD处理的两倍。总体而言，研究结果表明，放牧以情境依赖的方式调节微生物的养分获取。这些发现强调了在应用放牧策略和解读土壤微生物响应时，考虑位点特异性条件的重要性。
放牧管理是草地生态系统中土壤微生物功能的关键驱动因素，因为它调控植物生物量移除、动物源养分归还以及土壤物理扰动。放牧管理的特征包括放牧方式、放牧密度、放牧频率和休牧期等因素，这些因素通过控制脱叶、践踏和养分输入的时间与强度来影响微生物活性。与遵循预定日历轮换的连续放牧或规定性放牧方法不同，适应性多围场（adaptive multi-paddock, AMP）放牧根据牧草生长和动物营养需求在围场之间移动畜群。此外，AMP可能涉及在较短时间内采用更高的放牧密度。放牧对微生物活性的影响可能通过直接途径（如践踏、脱叶和排泄物沉积）以及间接途径（如植物群落组成和土壤结构变化）发生，最终改变底物可利用性和土壤微环境。以往研究表明，与传统放牧或连续放牧相比，AMP放牧增加了土壤微生物种群和养分循环以及土壤有机碳储量。
放牧引起的土壤微生物群落变化与功能基因丰度的改变相关，与未放牧系统相比，可增加氮矿化和硝化作用，同时减少反硝化作用。尽管基因丰度可能无法直接反映潜在酶活性（因为只有一部分基因库在特定时间被活跃表达），但土壤微生物功能基因对管理高度敏感，相比传统生化指标能提供更详细和机制性的土壤过程理解。功能基因指示微生物转化的潜力，而胞外酶则提供微生物养分获取的补充度量。由于这些酶直接响应微生物代谢需求，其活性和化学计量比为土壤肥力、养分限制和整体微生物功能提供了有价值的见解。放牧是草地生态系统的重大干扰，可改变酶活性，但影响程度和方向通常取决于植被特征。总体而言，重度放牧减少了植物生物量和凋落物输入，从而限制养分循环和微生物养分供应，耗竭土壤碳氮磷库，限制酶生产的底物。因此，酶活性通常随放牧强度增加而下降；然而，长期放牧可能导致微生物和酶适应性，部分抵消这些负面影响。尽管胞外酶活性作为整体微生物活性指标的可适用性仍有争议，但这些测定可作为放牧管理引起的微生物养分循环转变的早期指标。
尽管放牧可能对微生物功能产生长期影响，但气候因素是土壤微生物活性和养分循环季节变化的主要驱动因素。土壤温度和湿度的季节性变化改变微生物代谢、生长速率和底物可利用性，从而影响分解、养分矿化和胞外酶生产等关键生物地球化学过程速率。放牧可进一步与这些气候条件相互作用，差异性地影响胞外酶活性和土壤有机质分解。鉴于这些时间和管理效应的交互作用，纵向研究（涉及多个时间点的观测）对于理解放牧如何在动态环境背景下改变微生物功能尤为有价值。这项为期3年的研究评估了不同放牧策略对南部大平原原生和引入系统中氮循环基因丰度和酶活性的影响。由于研究系统在土壤、植被和土地利用历史方面存在差异，放牧效应在每个系统内独立评估。研究人员假设，适应性放牧下更高的放牧密度和更长的休牧期相对于规定性放牧管理会改变微生物功能，导致不同放牧处理间氮循环基因丰度和胞外酶活性的不同模式。
**材料与方法**：研究在俄克拉荷马州南部两个牧场开展：Coffey Ranch（原生牧场，混合草原植被）和Red River Grazing Facility（引入牧场，原农田改种狗牙根）。采用随机完全区组设计，每个牧场设三个重复区组，每个区组为裂区设计，随机分配两种放牧处理：AD（高密度短周期放牧，可变休牧期）和PR（低密度中等周期放牧，生长季固定休牧期）。2022年6月至2024年12月，每年生长季采样3次（春、夏、秋），共8次采样事件。土壤DNA提取后通过定量PCR（qPCR）定量氮循环功能基因（nifH、amoA、napA、narG、nirK、nirS、nosZ），荧光法测定碳获取酶（AG、BG、CB、XYL）、氮获取酶（LAP、NAG）和磷获取酶（PHOS）活性，并计算酶化学计量比。数据采用广义线性混合模型（GLMMs）和距离为基础冗余分析（dbRDA）进行统计分析。
**结果**：
**原生牧场（Native Rangeland）的氮循环基因与酶活性**：放牧、季节、年份及其交互作用显著影响大多数氮循环基因和酶活性。反硝化基因napA、narG和nirS存在放牧×季节×年份三向交互作用。napA丰度在两种处理下随时间下降，AD在夏季2022、秋季2022和夏季2024分别比PR高13%、57%和25%。narG丰度也随时间下降，但PR通常高于AD，夏季2022年PR的narG丰度是AD的两倍。nirS同样随时间下降，2023年春季AD比PR高18%，而2024年春季则低22%，表明处理响应的时间转变。nifH和amoA未检测到显著的放牧处理效应。nirK和nosZ存在放牧×季节二向交互作用，nirK在夏季AD比PR高约8%，nosZ在秋季PR比AD高35%。所有酶活性组均存在显著的三向交互作用。C酶活性在夏季2022（175%）、夏季2023（35%）和春季2024（39%）AD高于PR，而春季2023年PR比AD高425%。N酶活性在夏季2022年AD比PR高271%，夏季2023年高78%，春季2024年高55%。P酶活性在夏季2022年AD比PR高216%，但秋季2022年AD比PR低30%。酶化学计量比随时间变化，AD在秋季2022和夏季2023表现出较低的C:N比，而C:P和N:P比在多数采样期AD高于PR。dbRDA分析表明，pH、SOM、DOC、ON:IN和放牧密度是基因丰度的显著预测因子；土壤呼吸是C酶的显著预测因子，放牧密度是N酶和P酶的显著预测因子。
**引入牧场（Introduced Pasture）的氮循环基因与酶活性**：放牧处理、季节和年份显著影响nirS和nirK基因丰度以及N酶和化学计量比。nirS丰度在PR下持续高于AD，春季2023年AD比PR低38%，此后差异范围为9%~57%。nirK在夏季2022年AD是PR的两倍，但春季2024年AD比PR低56%。nifH、narG和nosZ未检测到显著的放牧处理效应。amoA和napA存在放牧×年份交互作用，amoA在2023年AD比PR低65%~70%。C酶活性未受三向交互作用影响，但存在季节性变化，AD在春季和秋季低于PR。N酶活性在秋季2022年PR接近AD的两倍，此后保持21%~24%的差异，但夏季2024年AD比PR高18%。C:P和N:P比在秋季2022年AD比PR低15%~16%，但夏季2024年高10%~17%。P酶存在放牧×年份交互作用，2022年PR比AD高68%，此后无显著差异。酶化学计量比整体显示C:P和N:P比低于0.8，表明该系统持续存在磷获取优势。dbRDA分析显示SOM、IN、IP和OP是基因丰度的显著预测因子；SOM和C:N是C酶和P酶的显著预测因子，土壤呼吸是N酶的显著预测因子。
**讨论**：从2022年夏季到2024年秋季，氮循环基因丰度和酶活性总体下降，这与研究期间经历的严重干旱条件一致。长期干旱可能导致微生物进入深度休眠状态，群落恢复力降低。放牧对N基因丰度的影响主要体现在异化硝酸盐还原和反硝化途径（napA、narG、nirK、nirS）。napA在原生牧场AD下持续较高，可能与AD处理下更大的根系和凋落物输入刺激微生物呼吸和瞬时氧消耗有关。narG在PR下较高，可能反映PR处理更频繁的放牧事件导致更多养分输入，特别是在植物吸收受限时期，导致硝酸盐积累。nirS和nirK对放牧的响应具有位点特异性，可能与土壤质地、碳氮可利用性和生态位分化有关。nifH是唯一未检测到放牧效应的基因，表明固氮潜力对放牧引起的变化的敏感度低于硝酸盐还原和反硝化途径。酶活性和化学计量比的变化显示放牧以情境依赖方式调节微生物养分获取策略。原生牧场中AD促进碳氮磷获取酶活性，可能与高放牧密度和长休牧期促进底物输入和周转有关。引入牧场中PR的N酶活性更高，表明其土壤氮可利用性较低，微生物增加氮获取酶生产以获取氮源。引入牧场持续的磷获取优势（C:P和N:P比低于0.8）表明该系统微生物过程受磷可利用性限制，与四年未施化肥的管理历史一致。
**结论**：研究人员监测了AD（较高放牧密度和较长休牧期）和PR（较低放牧密度和固定休牧期）两种放牧策略下的氮循环基因和碳氮磷获取酶。通过对比原生牧场和引入牧场两种系统，评估了微生物对放牧的响应及位点特异性条件的影响。关于放牧管理会改变氮循环基因丰度的假设得到部分支持。影响最明显的是参与异化硝酸盐还原和反硝化的基因（napA、narG、nirK、nirS），表明氮可利用性的变化，但响应具有基因依赖性和位点依赖性。这些基因间的对比响应表明反硝化菌群占据不同的生态位或对底物可利用性的敏感性不同。在各模型中，SOM、氮和磷组分是基因丰度的显著预测因子，将底物可利用性与微生物功能响应联系起来。酶活性模式强化了这些发现。N酶在两种系统中表现出最一致的放牧响应，在原生牧场AD下活性更高，在引入牧场PR下活性更高。原生牧场接近1.0的化学计量比表明微生物在养分获取方面投入均衡。相比之下，引入牧场的C:P和N:P比保持在0.8以下，反映了以磷矿化活性为主导和持续的微生物磷需求。总体而言，研究结果表明氮循环基因和养分获取酶作为管理对土壤功能影响的指标具有强大潜力。然而，它们对环境变异的高度敏感性既是挑战也是机遇：虽然适当的重复和气候背景对解读至关重要，但这些微生物参数为追踪管理功能响应提供了有价值的分辨率。
