土壤微生物固氮機(jī)理研究獲進(jìn)展

中國(guó)科學(xué)院華南植物園副研究員鄭棉海團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)-青年科學(xué)家項(xiàng)目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的資助下，在土壤微生物固氮機(jī)理研究方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果近日分別發(fā)表于《微生物系統(tǒng)》（mSystems）和《地球物理研究通訊》（Geophysical Research Letters）。

生物固氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的氮源。過去很多研究認(rèn)為生物固氮速率受到氮添加的抑制，但是越來越多的研究發(fā)現(xiàn)氮輸入對(duì)森林土壤微生物固氮的影響并不總是負(fù)面的，而富氮環(huán)境下微生物固氮的驅(qū)動(dòng)機(jī)制仍然不清楚。研究表明，微生物固氮是典型的耗能反應(yīng)，土壤活性有機(jī)碳可能是固氮菌潛在的能量來源，因此深入探索不同來源的碳輸入如何影響氮添加對(duì)土壤微生物固氮的影響將有助于理解土壤固氮的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。

短期低氮和長(zhǎng)期高氮處理對(duì)森林土壤固氮菌群落的影響機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)供圖

研究團(tuán)隊(duì)依托廣東省鼎湖山、石門臺(tái)和河南省雞公山等多個(gè)森林氮添加試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)比森林土壤固氮菌群落對(duì)短期低氮和長(zhǎng)期高氮處理的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)不同氮處理方式降低了固氮速率，但僅有短期低氮處理降低了固氮菌群落豐度指數(shù)。在樣品層級(jí)聚類分析（OUT）水平上，固氮酶復(fù)合物中的鐵蛋白（nifH）基因序列在對(duì)照與短期低氮處理之間重疊率為67.1-74.4%，而對(duì)照與長(zhǎng)期高氮處理之間重疊率僅為52.0-53.6%，這表明長(zhǎng)期高氮處理使固氮菌群落組成發(fā)生了更大變化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，短期低氮處理通過增加土壤NH4+從而抑制了固氮菌豐度、多樣性和固氮率，長(zhǎng)期高氮處理雖然也增加了土壤NH4+，但對(duì)固氮菌群落結(jié)構(gòu)和功能沒有產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。這些結(jié)果表明，在長(zhǎng)期高氮富集環(huán)境下，土壤固氮菌可以通過調(diào)整群落組成從而在一定程度上維持生物固氮。

為了進(jìn)一步理解高氮富集環(huán)境下土壤維持固氮的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)依托廣東省鶴山森林長(zhǎng)期氮添加試驗(yàn)平臺(tái)，采集了長(zhǎng)期施加氮處理的土壤進(jìn)行室內(nèi)碳源添加模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了植物和微生物源可利用碳（植物源碳-木聚糖；微生物源碳-甘露糖；兩者的共同碳源-葡萄糖）對(duì)土壤微生物固氮的影響和機(jī)制。

氮添加環(huán)境下碳源輸入對(duì)森林土壤微生物固氮的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)供圖

該研究發(fā)現(xiàn)，植物源和微生物源碳的添加均顯著提高了土壤固氮酶活性（13-28%），但微生物源碳的促進(jìn)作用更強(qiáng)烈。長(zhǎng)期施氮環(huán)境下，碳輸入比氮輸入對(duì)土壤微生物固氮速率的影響更大，而且土壤氮含量較高的豆科森林土壤固氮酶活性對(duì)碳添加的響應(yīng)速度比非豆科森林更快。碳輸入提供能量是驅(qū)動(dòng)土壤微生物固氮的直接原因。同時(shí)該研究估算，當(dāng)土壤中有機(jī)碳的輸入（比如通過地上植物或者土壤微生物）增加5%，土壤微生物的固氮量可能增加2.2-3.9 Tg N yr-1。