【论文】土壤总氮矿化的根际效应：整合分析

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本文字数：1572字

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研究背景

植物根系通过植物-土壤相互作用极大地影响根际土壤碳(C)和养分循环。强烈的根际过程会使根际土壤和非根际土壤在物理、化学或生物学特性上形成差异，这种差异被称为根际效应(rhizosphere effect)。土壤氮(N)循环过程较为复杂，涉及许多同时发生的转化过程。鉴于土壤总氮矿化速率(gross N_min)的测定方法存在一定难度，与土壤碳矿化(C_min)的根际效应相比，人们对土壤总氮矿化的根际效应关注较少。

除土壤因子(如土壤有机碳、有效氮含量)外，植物因素（植物种类、菌根类型、植物生物量）可能会影响土壤碳、氮循环的根际效应，但这方面的研究较为缺乏。基于此，本研究采用整合分析(meta-analysis)方法，研究不同植物类型和菌根类型下根际对土壤总氮矿化的根际效应，同时探究土壤、植物和气候因子对其的影响。

材料与方法

本研究共搜集来自23个研究地点的24篇文献，分别获取土壤gross N_min、C_min的46组、74组数据（根际土/非根际土）。根据植物生长型的不同分为木本植物和非木本植物，根据菌根结合类型的不同分为内生菌根(AM)物种和外生菌根(ECM)物种。本研究采用混合效应模型(mixed-effects model)和加权的随机森林分析(weighted random-forest analysis)等方法进行了相关分析。

结果&讨论

结果表明，根际过程对土壤gross N_min产生显著的正影响，土壤gross N_min的根际效应平均为81%(图1A）。在与土壤gross N_min相关的碳氮循环变量中，微生物生物量及酶活性也倾向于表现出正的根际效应，这支持了“微生物活化”假说。此外，土壤C_min的根际效应为57%，表明根际是土壤有机质周转的热点区域。土壤gross N_min的根际效应大小在不同植物生活型、菌根类型间存在显著差异(图1B)，其中，木本植物的根际效应大于非木本植物，这可能是由于不同植物生活型间根系形态、生理和养分需求存在差异所致；ECM物种的根际效应大于AM物种，可能原因是ECM物种具有更高的根系分泌物碳输入，且ECM真菌比AM真菌具有更强的胞外酶分解能力，有利于加快土壤有机质矿化的进程。

图1 土壤总氮矿化及相关变量的根际效应

非木本植物中，土壤gross N_min的根际效应与土壤可溶性有机碳(DOC)的根际效应显著正相关(图2A)，说明DOC作为微生物生长的基质可以促进微生物氮矿化过程。此外，土壤gross N_min的根际效应与微生物生物量氮(MBN)和酚氧化酶(POX)活性等微生物变量的根际效应呈正相关关系(图2B, C)，这表明根际微生物可以根据其养分需求调节土壤gross N_min，支持了“微生物氮挖掘”假说。我们还发现随着土壤C_min根际效应的增加，土壤gross N_min的根际效应随之增加（图2D），这揭示了土壤碳矿化与氮矿化过程的耦合性。对于植物变量，我们发现植物根系生物量与土壤gross N_min的根际效应显著正相关(图3)，这说明植物根系性状与根际过程密切相关，它可能影响地下过程的根际效应。

图2 土壤总氮矿化的根际效应与碳氮循环相关变量的关系

图3 土壤总氮矿化的根际效应与植物生物量的关系

小结

根际过程可加速土壤总氮矿化速率及相关微生物指标(微生物生物量和酶活性)，其中土壤总氮矿化的根际效应在植物生活型(木本植物>非木本植物)和菌根类型(ECM > AM)间差异较大。总体而言，土壤总氮矿化的根际效应主要受土壤碳矿化和酚氧化酶活性的根际效应以及植物根系生物量的影响，而其他植物因素(生活型、菌根类型)和气候因素（年均温、年降水）的影响相对较弱(图4)。

图4 土壤、植物、气候因素对土壤总氮矿化根际效应的相对重要性 

综上所述，这些结果支持了“微生物活化”和“微生物氮挖掘”的假说，并表明了根际土壤碳氮矿化过程的耦合。同时，这些结果为深入研究植物生活型及菌根类型对土壤总氮矿化的影响提供了新的思路，并进一步加深了对根际土壤氮动态机制的理解。

该研究于2021年5月12日以“The rhizosphere effect on soil gross nitrogen mineralization: A meta-analysis”为题在线发表于Soil Ecology Letters期刊上。北京大学地下生态学研究组硕士研究生干大勇为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，曾辉教授为合作作者。本研究受到国家自然科学基金(31971528和31988102)的资助。

作者简介

干大勇，北京大学深圳研究生院2018级硕士，导师为曾辉教授和朱彪研究员，主要从事木本植物的根际效应及植物功能性状等方面的研究。目前以第一作者身份在Soil Ecology Letters期刊上发表研究成果，以共同作者身份在New Phytologist、Soil Biology and Biochemistry期刊上发表论文。

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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