摘要：试验研究了不同N、P、NP施肥处理（4个N水平；4个P水平；4个N+P水平）对植物群落和土壤氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）群落(分别的影响。结果表明，AOA和AOB群落组成分别对NP和N肥较为敏感。AOA丰富度与植物物种丰富度的相关性较弱相比与土壤环境变量的相关性。而AOB丰富度与植物丰富度和土壤有效磷（AP）显著相关。研究表明植物丰富度是AOA和AOB丰富度的重要决定因素。
关键字：氨氧化古菌；氨氧化细菌；植物多样性；氮
文 章 信 息
译名：土壤氨氧化细菌和古菌多样性对N、P和NP施肥的响应：与土壤环境变量和植物群落多样性的关系
发表时间：2020年4月1日
中科院分区：农林科学1区（2023）
期刊影响因子：9.8 (2023)
第一单位：中国兰州大学生命科学学院
通讯单位：中国兰州大学生命科学学院
文 章 亮 点
1.AOA群落组成对氮磷施肥最为敏感；
2.AOB群落组成对氮肥最为敏感；
3.AOA丰富度与植物物种丰富度呈弱相关，而与土壤环境变量无关；
4.AOB丰富度与植物丰富度和土壤有效磷密切相关；
文 章 简 介
1.研究意义
施氮通常会增加植物产量，降低植物物种多样性，并改变土壤微生物群落多样性。氮（N）输入可以缓解生态系统对N的限制，但会导致磷（P）限制，过去几十年经历的高人为N输入导致一些陆地生态系统对P的限制增加，而其他生态系统受到氮和磷的共同限制。
氨氧化通常是硝化的限速步骤，主要由氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）完成。AOB对NH4+可用性的增加尤其敏感。此外，AOA通常在低pH值土壤中更受欢迎。这可能在一定程度上影响氨氧化菌对氮肥的响应，而氮肥通常会导致土壤pH降低。土壤氨氧化菌的一个较少研究的环境驱动因素是磷有效性。有时测量土壤中有效磷浓度来解释AOA和AOB多样性，但独立于N添加的P添加来评估这两种营养素对形成氨氧化菌群落的重要性的研究较少。由于加P可以加速N矿化，它可以通过增加NH4+的可用性间接刺激硝化菌。然而，尽管氮有效性和土壤pH值的变化可能是土壤氨氧化菌响应N/P施肥的群落多样性的重要驱动因素，但植物群落特征变化的可能作用也应考虑在内。事实上，许多机制可以解释植物多样性对土壤微生物群落的影响。不同的植物种类对其根际土壤微生物类群的影响不同，这取决于它们的吸氮能力、根呼吸速率或对土壤pH值的影响。此外，一些植物物种可以通过特定的拮抗或协同作用，如产生抗生素或共生关系，来选择或反选择土壤微生物分类群。一些植物物种可以抑制或刺激硝化菌。因此，AOB和AOA多样性对N/P添加的响应可能受到土壤环境变量和植物多样性的变化的驱动，但这些不同可能驱动因素的相对重要性仍有待检验。
2.研究方法
研究区位于青藏高原东部，位于兰州大学高寒草甸与湿地生态系统研究站玛曲实验站（33°40′N，101°53′E；海拔3650 m）。气候寒冷，属湿润高山气候，年平均气温为1.2℃（1月为-10℃，7月为11.7℃）。年平均降水量670mm，多雨月份为7月和8月。无云的太阳周期约为2580小时，每年霜冻天数少于100天。土壤类型为北极冻土。实验场地于2011年围起来，自2011年起每年5月施肥。
试验设置为：施用氮肥（NH4NO3）、磷肥（Ca(H2PO4)2）和NP肥（NH4NO3+ Ca(H2PO4)2）3种施肥方式。仅施氮时，施氮量分别为0、5、10和15 g N m-2 year-1。单施磷肥时，施磷肥水平分别为0、2、4、8 g P m-2 year-1。NP处理对应于10 g N m-2 year-1 NH4NO3与0、2、4或8 g P m-2year-1 Ca(H2PO4)2。采用随机完全区组设计，每个施肥水平采用10 m ~ 20 m地块，每个施肥梯度采用3个重复。每个地块之间用1m的缓冲带隔开。
3.研究结果
3.1 AOA和AOB群落组成变化及其与土壤环境变量的关系
AOA群落组成沿N、P施肥梯度变化不显著，而NP施肥对AOA群落组成影响显著且强烈(图3，表1)。相比之下，P、NP施肥对AOB群落组成影响不显著。而施N显著改变了AOB群落组成(图3，表1)。
土壤氮磷比、全氮和pH是AOA群落组成的最佳解释变量(表2)。土壤NH4+和pH值是解释AOB群落沿N施肥梯度变化的最佳解释变量(表2)，而AOB群落与土壤NH4+相关。在NP梯度下，土壤NH4+是唯一与AOB群落组成相关的环境变量(表2)。
3.2amoA序列簇对施肥处理的响应及其与土壤环境变量的关系
优势的16个AOA-amoA OTU(相对丰度>0.1 %)均属于AOA-amoA群Group 1.1b，平均占AOA群落的99.7%。(图S2)。与N0P0相比，N10P8的I簇丰度显著降低。与N0P0和N10P0相比，仅添加P (N0P8)显著降低了II簇的丰度。相比之下，集群III和IV的丰度在N10P0最高，在N0P0居中，在N0P8和N10P8最低(图4)。总体而言，集群I、II、III和IV的AOA-amoA丰度与土壤AP呈负相关，与土壤AN/AP比呈正相关(表S2)。此外，第II和第III簇的丰度与土壤有机碳正相关，第I和第V簇的丰度与土壤pH正相关。
27个优势AOB-amoA OTU，即每个OTU的相对丰度为0.1%，都属于Nitrosospira genus，其中大多数隶属于Nitrosospira amoA clusters 3a，3b和4，较小程度上隶属于clusters 0 and 9 (图S3)。clusters 3a和4的AOB-amoA在所有处理中均占优势，总占AOB群落的75.5%以上。cluster 3b的丰度在N10P0中最高，在N10P8中最低(图4)。cluster 9的丰度在N0P8处理下与其他处理相比显著降低。Clusters 0和9的丰度均与土壤AP呈负相关(表S2)。此外，cluster 0丰度与SOC和AN/AP比值呈正相关。相反，cluster 3a和cluster 4的丰度与任何土壤环境变量无关(表S2)。
3.3 施肥诱导的AOA和AOB群落多样性指数变化及其与土壤环境变量的关系
单施氮磷对AOA群落多样性指数(Shannon指数、OTU丰富度和均匀度)影响不显著(表S3)。相比之下，磷添加和恒定N添加降低了AOA群落多样性的这三个指标(表S3)。Spearman分析表明，AOA群落多样性指数与土壤环境变量之间均无显著相关关系(表S4;图5)。
在N梯度上，AOB OTU丰富度随N的增加而显著降低，而Shannon指数和群落均匀度变化不显著(表S3)。在P和NP施肥梯度上，AOB群落的Shannon指数和OTU丰富度均显著降低，而均匀度不变(表S3)。AOB群落的Shannon指数和OTU丰富度变化与有效P呈弱负相关(表S4;图5)，丰富度也与土壤湿度呈负相关(表S4)。AOA OTU丰富度仅沿N梯度与土壤pH呈正相关(图S4)。
3.4 AOA和AOB OTU丰富度与植物物种丰富度的关系
植物物种丰富度沿施肥梯度递减(表S2)。植物物种丰富度与NO3-呈负相关。综合考虑这三个梯度，忽略其他可能驱动因素的影响，AOA OTU丰富度与植物物种丰富度呈显著正相关(P=0.04)。而AOB丰富度与植物物种丰富度呈边际正相关(P=0.06)(图5)。单独考虑各施肥梯度，AOB丰富度沿N和NP施肥梯度与植物丰富度呈正相关，但沿P梯度不呈正相关。而各处理下AOA丰富度与植物丰富度无关(图6)。
3.5 AOA或AOB群落丰富度、环境土壤变量与植物群落丰富度的总体因果关系
综合考虑三个梯度，土壤有效磷和硝态氮的增加通过降低植物丰富度间接影响AOA和AOB丰富度，植物丰富度与AOA和AOB丰富度呈正相关，而AP对AOB丰富度也有直接的负作用(图7)。
4.讨论
4.1 AOA和AOB多样性分别对NP和N施肥较为敏感
施氮3年后，对AOA群落的丰富度、均匀度和组成没有影响。这与之前的研究报告一致，尽管在低氮水平下，AOA对N有效性的变化很敏感，但与AOB相比，只要pH变化不改变对N有效性本身的响应，AOA对高N添加的响应并不总是强烈的。这可能是由于AOA在低营养浓度下达到最大氨氧化速率的能力，也是由于AOA的代谢多功能性，可以作为混合营养体生长。也有可能通过氮肥提供的高氮不利于AOA，因为AOA通常更喜欢来自土壤有机质的矿化氮源。氮肥处理改变了AOB群落组成，显著降低了AOB丰富度。根据植物物种丰富度-生产力理论，AOB丰富度随着氮有效性的增加而降低。添加氮实际上经常促进少数亲氮的AOB分类群的优势，这些分类群胜过许多适应低氮水平的分类群。即与N0P0处理相比，N10P0处理中cluster 3b AOB的相对丰度有增加的趋势。有研究报道，来自cluster 3b的Nitrosospira菌株对高浓度氨具有耐受性。
前人的研究发现P添加不影响AOA群落结构和丰富度。这可以解释为这些西藏草原土壤中的大多数古细菌，其中大多数是AOA，似乎受到P以外的其他资源的限制。相反，P的添加降低了AOB群落丰富度和Shannon指数。连续施P肥可能导致氮矿化增加，从而引发更高的氮有效性，可能对AOB丰富度产生级联效应(即减少)。该研究进一步评估了施肥引起的土壤环境变量的变化或植物多样性的变化是否可以解释AOA和AOB丰富度对N、P和NP添加的响应。
4.2 影响AOA丰富度的因素不是土壤环境变量，而是植物物种丰富度
在N梯度上，AOA群落结构主要依赖于AN/AP、TN和pH，土壤pH的重要性低于其他研究，可能是因为在我们的研究中土壤pH值的变化很弱(最多从5.10到5.45)。此外，土壤水分也解释了P梯度下AOA群落组成的变化。土壤湿度可能对土壤氧含量有影响，而土壤氧含量会影响AOA的多样性，因为AOA种群之间的氧Km值不同。各处理AOA群落丰富度与植物物种丰富度呈显著正相关，土壤环境变量对AOA丰富度无额外影响。这可以解释为较高的植物丰富度可能与较高的植物功能性状多样性有关，有研究报道AOA对特定的植物性状，特别是与植物N经济相关的性状敏感。然而，该研究观察到的关系很弱。
4.3 植物物种丰富度是AOB丰富度的主要驱动因素
在3个施肥梯度中，土壤NH4+是AOB群落组成的重要驱动力。先前的研究表明，氨的半饱和常数(Ks)值在不同的AOB系统发育簇中是不同的。相比之下，AOB丰富度与土壤NH4+之间没有明显的关系，这表明土壤NH4+的有效性并没有直接控制AOB丰富度。此外，AOB丰富度与土壤pH无关。这可能是由于在三个施肥梯度上，土壤的pH值范围不足以影响AOB丰富度(从5.1到5.4)。
土壤AP降低了所有梯度上的AOB丰富度，而总AOB丰度在低磷添加中最高。这表明过高的P输入可能对AOB产生负面影响。例如，使用过量的常规磷肥来提高农业生产力可能会导致土壤中有毒元素的积累，如高浓度的硒和砷。结构方程模型表明，AP对AOB丰富度的影响部分是间接的。AOB丰富度主要与植物物种丰富度呈正相关，特别是沿N和NP梯度。即植物多样性可能是AOB丰富度的重要驱动因素。先前的一些研究报道了土壤硝化和氨氧化菌群落的变化与植物群落多样性密切相关。许多过程可以解释植物如何影响土壤氨氧化菌群落的组成和丰富度。例如，不同的植物物种可以改变不同的土壤性质，如氮有效性、氧和pH值，并影响土壤有机化合物。研究结果表明，植物物种丰富度和土壤磷有效性变化是影响AOB丰富度的主要因素。值得注意的是，土壤矿质氮有效性的变化没有直接影响，但通过植物物种丰富度的变化产生了强烈的间接影响。
5.主要讨论
植物物种丰富度在一定程度上决定了AOA丰富度，但AOA丰富度在不同施肥梯度下变化不大。相反，氮有效性通过植物物种丰富度间接影响AOB丰富度，仍观察到AP对AOB丰富度的直接影响，AOB丰富度与植物物种丰富度的变化有关。这项工作有助于建立一个完整的画面施肥做法如何同时影响植物和土壤氨氧化群落的多样性在高寒草地生态系统。
Reference:
Kena Yang., Shuaiwei Luo., Linggang Hu., Beibei Chen., et al. (2020). Responses of soil ammonia-oxidizing bacteria and archaea diversity to N, P and NP fertilization: Relationships with soil environmental variables and plant community diversity.Soil Biology and Biochemistry, 145, 107795.
DOI：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107795
本期分享来自2023级草学专业硕士研究生叶靳
