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摘要：本研究揭示了全球环境下土壤硝化速率、反硝化速率、微生物功能基因丰度以及相应的N2O排放对氮沉降的响应。结果表明，氮沉降对硝化速率、反硝化速率和AOB amoA丰度均有促进作用，但对反硝化相关功能基因丰度无影响。随着施氮时间的延长，硝化速率和AOB amoA丰度以及反硝化速率和narG丰度的显著增加。硝化速率响应率与AOB amoA丰度响应率呈正相关（P < 0.01）。N2O排放响应率与AOB amoA丰度响应率（P = 0.04）和narG丰度响应率（P < 0.01）呈正相关。这些结果表明，AOB、amoA和narG丰度在硝化和反硝化速率对氮沉降的响应以及N2O排放的响应中起关键作用。氮沉降时间越长，AOB amoA和narG基因丰度越高，维持了硝化和反硝化对氮沉降的长期正响应。
关键字：氮沉降；硝化作用；反硝化作用；微生物功能基因
文 章 信 息
译名：土壤微生物AOB amoA和narG丰度的增加维持了硝化和反硝化对氮沉降的长期积极响应
发表时间：2022年1月7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：中国科学院地理科学与资源研究所，生态系统网络观测与模拟重点实验室
通讯单位：中国科学院大学资源与环境学院
文 章 亮 点
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文 章 简 介
1.研究意义
增强的氮沉降增加了土壤氮（N）的有效性，有利于植物生长和生态系统的碳固存。同时，它也会导致大量氮的损失，如硝酸盐（NO3-）的浸出和氧化亚氮（N2O）的排放。硝化和反硝化作用负责NO3-和N2O的产生和消耗，从而调节土壤氮的有效性和N2O的排放。因此，硝化和反硝化对N沉降的响应对于确定N沉降增强背景下土壤有效氮和N2O排放的动态至关重要。已有一些荟萃分析研究在全球范围内调查了N沉降对硝化和反硝化的影响，均发现N添加后刺激了硝化和反硝化速率。这正好符合N沉降后N2O排放量增加的普遍现象。然而，最近在全球范围内的一项研究表明，N沉降对N2O排放的积极影响可能会随着时间的推移而减弱。这就提出了一个问题，即N2O排放的减少是否由于硝化或反硝化对N沉降的正响应随着时间的推移而减少。然而，随着时间的推移，硝化和反硝化速率对N沉降的响应仍不清楚。硝化和反硝化过程是由微生物驱动的。最近发现，土壤微生物活性对长期氮沉降的负响应更为明显。这可能表明随着时间的推移，硝化和反硝化速率对氮沉降的积极响应减弱。硝化和反硝化过程是由不同微生物群内功能基因编码的几种酶催化的（图1）。通过分析这些基因丰度的响应，可以研究硝化和反硝化相关微生物群对N沉降的响应。目前尚不清楚哪些基因通常能有效地指示硝化速率、反硝化速率或N2O排放对N沉降的响应。在本研究中，对全球范围内通过田间施氮试验测得的硝化速率、反硝化速率及相关功能基因丰度进行了汇总。目的在于阐明硝化和反硝化速率及相关功能基因随时间对氮沉降的响应，特别是在全球尺度上确定各功能基因在影响硝化或反硝化速率响应中的作用。![]()
2.研究方法
本研究检索了截至2021年2月23日的同行评审论文，检索了氮沉降对AOA amoA、AOB amoA、hao、nxrA、nxrB、narG、napA、nirK、nirS、norB和nosZ的硝化速率、反硝化速率和基因丰度的影响。论文选择的PRISMA流程图如图S1所示。最后，从171篇论文中提取1266个观测值，这些论文用于通量或基因丰度的测量的土壤是通过田间氮添加操纵实验收集的。除硝化、反硝化和11个功能基因外，在条件允许的情况下，还提取了土壤pH、土壤铵态氮（NH4+）和NO3−含量以及N2O排放量。同时记录了土壤位置、生物群系、N形态、N添加速率、N添加持续时间、年平均气温和年平均降水量等背景信息。![]()
3.研究结果
3.1 氮沉降对硝化作用及相关基因的影响
硝化率的总体加权响应比为0.52，95%可信区间不与零重合(图2)。AOB amoA的总体加权响应比为1.09，其95%置信区间也不与零重合(图2)。hao的整体加权响应比为- 0.05，与零有显著差异，而AOA amoA、nxrA和nxrB均不受N沉降的显著影响。![]()
硝化速率响应比与N添加时间呈正相关(图3，表S2)，长期N添加组的加权响应比更大(图3，表S1)。AOB amoA的反应率也与N添加时间呈正相关(表S2)，长期N添加组的加权反应率更大(图4，表S1)。然而，其他与硝化相关的功能基因丰度与加氮时间没有正相关关系(表S2)。不同加氮时间组对N沉降的响应不显著(图4)。AOB amoA的响应率与硝化速率和N2O排放的响应率呈正相关(图5，表S3)。![]()
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3.2 氮沉降对反硝化作用及相关基因的影响
反硝化的总体加权响应比为0.58，其95%置信区间不与零重合(图2)。narG、napA、nirK、nirS、norB和nosZ的总体加权响应比分别为0.15、0.43、0.03、- 0.03、- 0.04和0.06，其95%置信区间与零重合(图2)。反硝化反应率与N添加时间呈正相关(图3，表S2)，长期N添加组的加权反应率更大(图3，表S1)。narG的反应率与N添加时间呈正相关关系(表S2)，较长N添加时间组narG的加权反应率较大(图4，表S1)。nosZ的反应率与N添加时间呈负相关(表S2)；nosZ在不同持续时间组的加权响应比均不显著(图4)。N2O排放的响应比与narG的响应比呈正相关，但与其他反硝化相关基因的响应不相关(图5，表S2)。4.讨论
4.1 硝化作用及相关功能基因的响应
与以往的研究一致，氮沉降对硝化作用有深刻的刺激作用，但与早期的研究相比，这里的刺激作用要小得多，其加权响应比大于0.9。通过纳入更多的观测结果，本研究中较低的加权响应比（约0.5）暗示氮沉降对硝化的积极作用可能被高估了。此外，我们还发现，这种刺激效应并没有像之前预期的那样随着时间的推移而衰减，而是随着时间的推移而增强(图3)。这种趋势发生在所有生物群系(农田、草地和森林)(图S4)，以及所有不同的硝化测量方法和不同的孵化场合(图3)。S4和S6)。![]()
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N添加刺激硝化作用导致NH4+供给增加，这得到了硝化反应比与土壤NH4+响应比呈正相关关系(图S7)的支持。随着时间的推移，土壤NH4+含量略高(图S7)，加之时间越长，硝化作用的正响应越强。受刺激的AOB amoA以及硝化速率响应比与AOB amoA丰度响应比的正相关关系表明，AOB amoA是硝化对N沉降正响应的关键基因(图2和图5)。氨单加氧酶催化硝化的第一步，这是一个限速步骤硝化作用。因此，编码氨单加氧酶的AOA amoA和AOB amoA基因更有可能影响硝化速率的响应。而氨氧化细菌（AOB）对氨（NH3）的亲和力低于氨氧化古菌（AOA）。N添加后的高NH3环境有利于AOB的生存，使AOB对N沉降的响应强于AOA。因此，AOB amoA基因与N沉降后刺激的硝化作用关系最为密切。特别是，随着N添加时间的延长，AOB amoA的丰度增加(图4)，随着时间的推移，硝化作用对N添加的正响应更强。![]()
4.2 反硝化作用及相关功能基因的响应
作为反硝化的基质，土壤NO3−含量的增加被认为可以促进反硝化。氮沉降后土壤NO3−含量较高，土壤NO3−响应率与反硝化速率响应率呈正相关关系(图S3和S7)。长期N沉降的土壤NO3−含量越大(图7)，长期N沉降的反硝化正响应越强。尽管反硝化相关基因中没有一个对氮沉降有平均响应，但随着时间的推移，narG对氮沉降的正响应逐渐增加(图4)。因此，narG可能是反硝化作用对N沉降的正响应相关的重要基因，因为它编码执行反硝化第一步的酶(图5)。同时，随着时间的推移，它对反硝化作用对N沉降的正响应更强。据报道，土壤碳随长期氮沉降而增加。这确保了在长期N沉降下有一致的碳源来提供硝酸盐还原剂的生长，因为碳的缺乏会限制硝酸盐还原剂的生长。与narG相比，由于NO2被认为是反硝化过程中的限速步骤，因此通常更频繁地研究氮沉降还原过程中的nirK和nirS。然而，这两个基因似乎对N沉降不太敏感(图2和图4)，这两个基因的响应比与N2O排放的响应比无关(表S3)。nosZ对N沉降的响应也经常被研究，因为它编码执行反硝化最后一步的酶(图1)。nosZ丰度的降低被认为会导致由于反硝化不完全而释放更多的N2O。然而，这种全球综合表明nosZ的响应比与N2O排放的响应比没有很好的相关性(表S3)，并且nosZ对N沉积的敏感性较低(图2和图4)。4.3 影响和限制
本分析发现AOB amoA和narG丰度分别对硝化速率和反硝化速率对N沉降的响应起关键作用，并与全球尺度上N2O排放的响应具有良好的相关性。随着N沉降时间的延长，AOB amoA和narG丰度的增加有助于维持硝化和反硝化对N沉降的积极响应(图6)。随着N沉降时间的推移，这也可能导致更高的N2O排放。这挑战了传统的认知，即长期N沉降通过抑制微生物活动来减弱N2O排放对N沉降的积极响应。这种矛盾可能是由于那些关注氮沉降对N2O排放响应的研究大多采用短期加氮处理。在以往的研究中，几乎90%的研究加氮时间不超过3年，没有加氮时间超过10年的研究。然而，本研究的N添加时间要长得多。另一方面，通常认为微生物活性的抑制是由于长期加氮或高N沉降速率的显著酸化造成的。然而，长期施氮并没有显著降低土壤pH值(表S1和图S8)。当数据按N添加速率分组时，低N添加组和高N添加组的硝化或反硝化速率或基因丰度随长期N添加而增加的趋势相似(图S9和S10)。长期加氮可使土壤酸化对硝化菌或反硝化菌的抑制作用可检测到。然而，到目前为止，更强的正响应显然是显著的，并且至少在N沉降的几十年内发生。总的来说，这一发现在很大程度上推进了目前对土壤N通量与微生物特性之间关系的理解，并暗示N沉降对硝化、反硝化和N2O排放的积极作用可能被短期研究低估了。![]()
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此外，目前的模型通常根据土壤性质的变化来预测硝化速率、反硝化速率或N2O排放。过度简化的微生物特性导致对这些通量的预测存在很大的不确定性。硝化速率响应比与AOB amoA的响应比呈正相关，N2O排放响应比与AOB amoA和narG的响应比呈正相关，说明考虑这两个基因可以更好地预测硝化速率。5.主要讨论
本研究综合了全球尺度下土壤硝化速率、反硝化速率及相关功能基因丰度随时间变化对N沉降的响应。研究发现，随着时间的推移，氮沉降对硝化速率和反硝化速率有更强的正响应，氮添加时间越长，AOB amoA和narG丰度也越大。这可能随着N沉降时间的延长而导致N2O排放量的增加，并表明AOB amoA和narG丰度在硝化和反硝化速率对N沉降的响应中起关键作用。考虑AOB amoA和narG丰度对N沉降的响应有助于更好地预测N沉降增强背景下硝化速率、反硝化速率和N2O排放的动态。Reference:
Lei Song., Shuli
Niu. (2022). Increased soil microbial AOB amoA and narGabundances sustain long-term positive responses of nitrification and
denitrification to N deposition. Soil Biology and Biochemistry, 166, 108539.
DOI：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108539
本期分享来自2023级草学专业硕士研究生叶靳
