人類活動提高了世界范圍內(nèi)的氮輸入，由于農(nóng)業(yè)活動和化石燃料的使用，人類氮輸入比自然來源大30%-50%。鑒于碳氮之間的密切關(guān)系，活性氮輸入水平將極大地影響全球碳循環(huán)，氮輸入的增加刺激了土壤碳儲存，因?yàn)榈脑黾哟龠M(jìn)了植物生物量的產(chǎn)生和植物來源的碳輸入，然而氮輸入對不同周轉(zhuǎn)時間的有機(jī)質(zhì)（SOM）庫影響仍存在爭議，特別是其潛在機(jī)制。因此，探究有機(jī)質(zhì)庫對氮輸入的響應(yīng)對闡明全球C循環(huán)的復(fù)雜性至關(guān)重要。

（1）通過方法組合可以有效地評價C池（從數(shù)年到數(shù)十年的周轉(zhuǎn)率）對氮施肥的響應(yīng)。

（2）“碳限制”和“微生物氮開采”這兩種機(jī)制都與SOM池相關(guān)，取決于它們的可用性，這代表這兩種理論之間的聯(lián)系。

（1）分析不穩(wěn)定到穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)的礦化反應(yīng)；

（2）量化各種有機(jī)質(zhì)庫分解對氮輸入的敏感性；

（3）評估細(xì)菌和真菌群落變化，并闡明微生物群落的變化程度如何反映有機(jī)質(zhì)分解對氮輸入的響應(yīng)。

方法：將有機(jī)質(zhì)中的¹³C自然豐度與21年的C3-C4植被轉(zhuǎn)換和長期孵化實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，估算氮輸入對不穩(wěn)定碳庫和穩(wěn)定碳庫有機(jī)質(zhì)礦化的影響。土壤取自霍恩海姆大學(xué)試驗(yàn)站0-10厘米深度（有機(jī)碳約2.4%，總氮含量0.25%，pH值5.1）和鄰近草地（有機(jī)碳約2.5%，總氮0.21%，pH 5.1）。巨芒草作為一種C4植物，在21年前被引入到之前的C3草地土壤中，導(dǎo)致δ¹³C從?27‰轉(zhuǎn)移到?17‰。δ¹³C中這種差異被用來區(qū)分新土壤和老土壤有機(jī)碳。C4-C稱為新C（小于21年），而C3-C來自以前的草原碳稱為老C（大于21年）。

檢測指標(biāo)：CO₂累計(jì)排放量、微生物生物量碳、可溶性有機(jī)碳、δ¹³C分析、微生物群落組成、胞外酶活性：碳相關(guān)（β-葡萄糖苷酶BG、β-木糖苷酶BX、纖維二糖苷酶CBH、α-葡萄糖苷酶AG）、氮相關(guān)（β-1、4-N-乙酰氨基葡萄糖酶NAG）

圖1?將21年后的C3-C4植被變化(通過δ13C分離新舊碳庫)與長期孵育(通過礦化排出不穩(wěn)定的碳庫)結(jié)合使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖

對于非常不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)庫，氮輸入使有機(jī)質(zhì)分解平均降低18%-52%，對于不穩(wěn)定/穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)庫降低了11%-47%，對于非常穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)庫降低了3%-21%。所有有機(jī)質(zhì)庫的分解均被氮輸入抑制，但不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)對氮的敏感性遠(yuǎn)高于穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)庫。

圖2?4個土壤碳庫（從不穩(wěn)定到穩(wěn)定）的累積二氧化碳排放(a)和氮誘導(dǎo)啟動效應(yīng)(d)依賴于氮施肥（0、75、150和300 kg N公頃^?1）。不同土壤碳池（從不穩(wěn)定到穩(wěn)定）釋放的累積二氧化碳隨氮施肥的增加呈線性關(guān)系(b)。SOM礦化對氮肥施肥的敏感性取決于碳庫穩(wěn)定性(c)。

在孵育6個月后，微生物生物量和溶解性有機(jī)碳均有所下降，表明在長期孵育期間，氮輸入導(dǎo)致有機(jī)質(zhì)不穩(wěn)定組分消耗。

圖3?新(C4，小于21歲)和老(C3，大于21歲)的微生物生物量和溶解有機(jī)碳，以及新鮮和培養(yǎng)土壤的代謝商qCO₂隨氮施肥變化。

在第14天，細(xì)菌多樣性在所有氮水平上保持相似，而在第63天，多樣性被氮改變，與細(xì)菌相比，真菌群落組成是在第14天改變，PCoA分析表明，第63天的細(xì)菌和真菌群落與第14天的群落明顯分離。

圖4?不同氮水平輸入對微生物群落組成影響

氮輸入對參與碳降解的各種細(xì)菌功能基因的影響取決于氮輸入時間，由于氮輸入，第63天大部分不穩(wěn)定庫的碳降解基因豐度下降。

圖5?碳降解基因?qū)Φ斎氲南鄬ο鄳?yīng)

隨機(jī)森林模型表明，微生物生物量中的真菌多樣性、EMF是有機(jī)質(zhì)礦化的主要影響因子，并決定了其對氮輸入的響應(yīng)。真菌多樣性和EMF隨二氧化碳的釋放而增加，但隨氮誘導(dǎo)的啟動效應(yīng)而降低。氮輸入降低了第14天的酶活性，真菌多樣性和EMF隨二氧化碳的釋放而增加，氮輸入僅在短期內(nèi)降低土壤功能。

圖6?氮輸入對土壤功能與胞外酶的影響(土壤功能是根據(jù)與碳、氮和磷循環(huán)相關(guān)的7種酶活性進(jìn)行計(jì)算)

圖7?土壤有機(jī)質(zhì)礦化對氮輸入的響應(yīng)模式。綠色和棕色的線表示有機(jī)質(zhì)礦化速率的下降，這取決于碳的有效性。淺綠色陰影代表有機(jī)質(zhì)礦化對氮輸入下降的敏感性隨碳有效性由高到低下降。

氮輸入降低了所有有機(jī)質(zhì)庫的礦化程度，不穩(wěn)定庫對氮輸入的敏感性高于穩(wěn)定庫。非常不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)庫對總二氧化碳釋放有很大的貢獻(xiàn)（高達(dá)60%）。

氮對有機(jī)質(zhì)礦化的抑制最初是由于微生物生物量和土壤功能的降低所致，從長期來看，細(xì)菌群落向變形菌門的轉(zhuǎn)變和不穩(wěn)定碳降解功能基因的減少是主要驅(qū)動因素。

有機(jī)質(zhì)庫的可用性越高，氮輸入對其礦化的抑制作用越強(qiáng)。不穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)庫對氮的可用性高度敏感，在全球規(guī)模的氮輸入下可能具有更大的碳封存潛力。

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