土壤微生物固氮機理研究獲進(jìn)展

中國科學(xué)院華南植物園副研究員鄭棉海團(tuán)隊在國家重點研發(fā)-青年科學(xué)家項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項目的資助下，在土壤微生物固氮機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)動機制仍然不清楚。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土壤微生物固氮的影響將有助于理解土壤固氮的驅(qū)動機理。

短期低氮和長期高氮處理對森林土壤固氮菌群落的影響機制。研究團(tuán)隊供圖

研究團(tuán)隊依托廣東省鼎湖山、石門臺和河南省雞公山等多個森林氮添加試驗平臺，對比森林土壤固氮菌群落對短期低氮和長期高氮處理的響應(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）基因序列在對照與短期低氮處理之間重疊率為67.1-74.4%，而對照與長期高氮處理之間重疊率僅為52.0-53.6%，這表明長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，長期高氮處理雖然也增加了土壤NH4+，但對固氮菌群落結(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)動機制，研究團(tuán)隊依托廣東省鶴山森林長期氮添加試驗平臺，采集了長期施加氮處理的土壤進(jìn)行室內(nèi)碳源添加模擬實驗，對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）對土壤微生物固氮的影響和機制。

氮添加環(huán)境下碳源輸入對森林土壤微生物固氮的驅(qū)動機制。研究團(tuán)隊供圖

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)作用更強烈。長期施氮環(huán)境下，碳輸入比氮輸入對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)動土壤微生物固氮的直接原因。同時該研究估算，當(dāng)土壤中有機碳的輸入（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。