文献解读：氮和磷的添加通过影响高山草甸中微生物的化学计量平衡来调节土壤的启动效应

摘要：

启动效应（PE）在调节土壤有机质（SOM）分解中起着至关重要的作用。多个实证结果表明，氮（N）和磷（P）的添加可以显著改变草地PE的方向和强度，从而显著影响草地，特别是对氮、磷富集敏感的高寒草甸的碳循环。为了评估PE对N和/或P添加的响应，在高寒草甸土壤中添加13C标记的葡萄糖和养分添加（对照，+N，+P和+NP）进行了培养实验。土壤培养30 d，测定土壤微生物特性和酶活性。通过偏相关分析和线性回归分析，探讨其与PE的相关性。结果表明，各处理的平均PE强度为0.61 mg C g−1土壤或1.35（比值）。添加氮增加了PE强度，这是由于土壤资源与微生物需求的匹配更好，酶活性增强所致。加磷土壤的PE强度低于对照土壤。这种差异可能与磷引起的氮有效性降低和微生物C/N失衡加剧有关。PE强度对NP添加的响应不显著，这可能是正氮效应和负磷效应对微生物分解的抵消。在这项试验中，添加N或P通过调节土壤C:N:P比与微生物需求之间的匹配而改变PE强度，支持化学计量分解假说。总的来说，本研究强调了考虑C、N和P耦合在调节PE中的重要性，并强调需要进一步研究土壤P对微生物活性和SOM分解的影响。    

研究背景：

土壤不仅拥有比植物和大气碳储量总和更多的有机碳（C），而且含有植物和微生物所需的必需营养素。土壤有机质分解（SOM）是碳和养分循环的重要过程，在很大程度上影响着陆地对气候变化和人为管理的反馈。外源C（如植物残体、根系分泌物）输入的增加可以通过一个被称为“启动效应（PE）”的过程诱导SOM分解的加速或减少。PE是一个普遍存在的过程，但在方向和强度上变化很大，范围从-14%到+122%。如此大的PE变化可能导致地球系统模型中SOM分解的估计不准确，给未来预测土壤有机碳（SOC）动态如何响应气候变化或人为管理带来挑战。

PE的方向和强度在很大程度上受到一系列生物和非生物因素的影响，如微生物生物量、酶活性和可利用营养物质。其中，由于沉积加剧或人为施肥导致的氮（N）和/或磷（P）有效性优化，既可以通过改变微生物养分获取直接影响SOM分解，也可以通过诱导其他土壤性质的变化（如pH）间接影响SOM分解，从而改变PE的方向和强度。尽管在许多氮和/或磷操纵实验中已经投入了相当大的努力来澄清PE的变化，但结果仍是模棱两可的。仍然缺乏对改变的养分循环如何通过PE与有机碳动态耦合的深入理解。因此，很难从这些试验中概括出全球PE对氮磷沉积和施肥的响应及其机制。

最近，提出了两种相互竞争的理论来解释PE对养分（特别是N）添加的不一致反应。微生物化学计量分解理论假设，当C底物和养分输入符合微生物化学计量需求时，SOM的微生物活性及其分解最高。同时，微生物养分挖掘理论假设，营养有限的微生物会利用增加的不稳定C作为能量来源，分解顽固的SOM，缓解养分限制，导致积极的PE反应。然而，先前的研究主要集中在N有效性如何影响启动，并强调碳氮耦合在有机碳动力学中，很少关注PE对P和NP添加的响应。因此，由于C、N和P循环是根据微生物代谢需求紧密耦合的，因此非常有必要在相同方案的实验中探索N和/或P诱导的PE改变。

草原生态系统覆盖了大约40%的陆地土地，为我们的地球提供了重要的生态系统服务。草地土壤既可以作为碳汇，也可以作为碳源。在不同类型的草地中，高寒草地在调节全球碳循环中发挥着独特的作用，因为高寒草地土壤中含有大量的碳，并且由于温度较低，分解速度较慢。更值得注意的是，青藏高原含有大量的有机碳，高寒草原顶部1 m含7.4 Pg C。青藏高原高寒草原对人为输入或大气中氮、磷的沉积具有潜在的敏感性。近年来，中国大气N、P沉降急剧增加，草原过度施肥、增加放牧等不当管理，可能共同影响PE和SOC动态。为了评价N和/或P富集条件下高寒草地土壤PE的变化，本研究采集了高寒草甸土壤，并在实验室进行了养分添加试验（对照、N、P和NP添加）。N、P或NP添加的土壤也用13C标记的葡萄糖添加处理，并在25℃下培养30天，以量化PE方向和强度。    

研究方法：

在青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站附近的一处高寒草甸生态系统中随机选取了6个位置采集表层（0-10 cm）土壤，并在实验室内进行了相应养分添加处理。处理包括：（1）CT，对照组，不添加外源养分；（2）N，氮（尿素）添加组，添加量为0.5 mg N g-1 soil；（3）P，磷（磷酸二氢钾）添加组，添加量为0.25 mg P g-1 soil；（4）NP，以相同量同时添加氮磷养分。随后，将土样分为两组，一组向土壤中均匀添加相当于其2%有机碳含量的13C标记葡萄糖（3 atom%），另一组添加等量水作为对照，于实验室内培养30天，使用碱液吸收法采集培养释放的CO2。培养结束后，测定碱液中无机碳的13C丰度的碳含量，以及土壤的理化性质、微生物生物量、酶活性等指标。

主要研究结果：

1、启动效应和CO₂排放

在30 d的培养过程中，不同营养添加处理的土壤PE均呈正向影响，平均PE强度为0.61 mg C g⁻¹（差异）或1.35（比值）。其中，N添加土壤中的的PE强度高于CT处理（图1），这支持了化学计量分解假说的预测。氮添加显著提高了氮有效性，葡萄糖的添加为微生物提供了外源C，能更好地匹配微生物对C和N的需求，根据化学计量分解假设，PE强度显著提高。而添加P降低了PE强度，在添加P的情况下，有效磷的大幅增加可能导致了微生物因维持化学计量平衡需要而对有效氮的大量消耗；因此，P处理土壤中的碳氮不平衡显著增加。与CT处理相比，NP添加对PE强度没有显著影响。

添加N显著增加了葡萄糖添加土壤的CO₂排放，但对未添加土壤的CO₂排放影响不显著。此外，葡萄糖源CO₂在CT和N添加土壤中没有显著差异，而N添加土壤中土壤源CO₂明显高于CT。添加P和NP均未引起不同源CO₂排放的显著变化。葡萄糖矿化百分比在不同养分处理之间没有显著变化。    

图1 氮（N）、磷（P）添加对激发效应（a）、对照土壤（b）或葡萄糖添加土壤（c）的CO₂释放、葡萄糖来源（d）或土壤来源CO₂释放（e）、葡萄糖矿化百分比（f）的影响。虚线表示激发效应强度等于1.0。

2、土壤性质及其葡萄糖添加的响应比

与CT处理相比，添加N显著降低了土壤pH值和可提取有机碳，并增加了葡萄糖添加和未添加土壤中的有效氮（图2）。在未改良的土壤中，与CT处理相比，施氮显著降低了有效磷。此外，添加磷导致未添加葡萄糖土壤的速效氮减少，葡萄糖添加和未添加土壤的速效磷增加，但对土壤pH和可提取有机碳没有显著影响。添加N和NP均显著增加了葡萄糖添加和未添加土壤的速效氮，但与CT处理相比，添加磷降低了未添加土壤的速效氮。与CT处理相比，添加磷显著提高了有效氮的响应比。此外，与CT相比，在葡萄糖添加和未添加的土壤中，添加NP降低了土壤pH值，增加了有效氮和磷。与CT相比，添加NP后，葡萄糖添加的土壤中可提取有机碳减少。    

图2 氮（N）、磷（P）添加对土壤理化性质与微生物生物量的影响。

3、微生物特性及其葡萄糖添加的响应比

与CT处理相比，添加N、P和NP显著降低了葡萄糖添加和未添加土壤中的微生物生物量C。在添加N的情况下，未添加葡萄糖土壤中的BG和PHO活性显著降低（图3），葡萄糖添加和未添加土壤中的NAG活性也比CT处理降低。此外，与CT处理相比，氮土壤中葡萄糖诱导的BG（RR-BG）和PHO（RR-PHO）活性的响应比显著增加。添加P显著提高了未添加葡萄糖土壤中BG和PHO活性。添加NP刺激了未添加葡萄糖土壤中PHO活性，但降低了葡萄糖添加土壤中的氧化酶活性。与CT处理相比，添加NP后葡萄糖诱导的PHO活性反应比（RR- PHO）降低。

与CT处理相比，在添加N、P和NP的情况下，葡萄糖添加和未添加土壤中的qCO2均显著增加（图4）。添加P和NP显著增加了葡萄糖添加土壤中微生物CUE，添加P显著高于CT处理。此外，微生物C/N失衡（C/N_imb）在添加氮的情况下显著降低，但在添加磷的情况下增加，与CT处理相比，添加N和NP降低了葡萄糖添加土壤中的C/N_imb。

此外，结果发现，酶活性的刺激也可能在一定程度上导致PE强度的增加，PE强度与RR-BG、RR-PHO之间存在独立的正相关关系（图5）；N添加下该高寒草甸PE变化与微生物生物量变化的相关性较弱。    

图3 氮（N）、磷（P）添加对酶活性的影响。

图4 氮（N）、磷（P）添加对qCO₂、CUE、C/N不平衡性（EOC/AN与MBC/MBN的比值）的影响。    

图5 启动效应与土壤/微生物特性及其葡萄糖诱导响应比之间的Pearson相关分析结果（a），在控制其他相关变量后，启动效应（PE）与土壤/微生物特性的葡萄糖诱导响应比（RR-）之间的偏相关分析结果（b），以及PE与β-1,4-葡萄糖苷酶（RR- bg）（c）和磷酸酶（RR- pho）（d）的线性回归分析结果。

结论：

概念图

以高寒草甸土壤样品为研究对象，通过培养实验研究了氮磷添加条件下土壤PE对葡萄糖输入的响应。培养30 d后，添加葡萄糖诱导PE正向影响，不同营养处理的平均值为0.61 mg C g⁻¹或1.35（比率）。添加N增加了PE强度，这可能与葡萄糖输入后微生物N需求的匹配更好，酶活性显著提高有关。相反，与CT处理相比，添加P加重了土壤N限制，导致微生物C:N化学计量比失配更强，PE强度更低。此外，NP土壤的PE强度介于N添加和P添加土壤之间，这可能与正氮效应和负磷效应对微生物分解的影响有关。    

综上所述，N和/或P添加通过改变土壤资源与微生物需求之间的C、N、P匹配来调节有机质的强度，证明了化学计量分解假说在调节有机质有机质含量方面的主导地位。此外，本研究强调了考虑C:N:P耦合来评估PE变化的重要性，因为P有效性可以显著改变微生物的C和N获取。