【论文】氮添加促进亚热带森林土壤的激发效应

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本文字数：1329字

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研究背景

外源碳输入诱导的激发效应能够强烈刺激原有土壤有机质的矿化过程。在氮沉降背景下，不同化学组成的植物凋落物输入如何影响激发效应的大小和方向尚不清楚。土壤养分有效性、微生物群落和活性会随培养时间的变化而变化，单次实验研究也许不能真实反映土壤有机质矿化的动态变化及内在机制。因此，在生态系统模型中考虑不同化学组成凋落物输入和氮沉降对激发效应的影响，对于更准确地预测土壤碳动态和碳储量具有重要意义。

材料与方法

本研究对福建省戴云山自然保护区(25° 40′ N, 118° 05′ E)的亚热带杉木林表层土壤进行采样，选择叶片化学组成存在差异的杉木(Cunninghamia lanceolata)、木荷(Schima superba)和楠木(Phoebe zhennan)幼苗进行13C标记实验。标记结束后，取植物叶片与氮肥混合添加至土壤中，进行100天室内培养实验。本研究共设置8个处理，包括对照(CT)、添加杉木叶(+CL)、木荷叶(+SS)、楠木叶(+PZ)、氮(+N)、杉木叶和氮(+CL+N)、木荷叶和氮(+SS+N)以及楠木叶和氮(+PZ+N)。在培养的第1、4、10、15、25、35、50、65、80和100天进行气体采集和δ13C分析。在培养的第25、65和100天对土壤进行破坏性取样，测定土壤理化性质、微生物生物量、群落结构和酶活性。

结果&讨论

研究结果表明，不同化学组成叶片单独添加产生的激发效应大小无显著差异(图1)。但是，同时添加氮时，叶片化学组成差异影响激发效应的大小(图1)。培养早期，受主场效应和易分解碳含量的影响，杉木叶添加导致较高的激发效应；培养后期，源自楠木的13C进入土壤微生物磷脂脂肪酸中13C的含量高于其它植物，说明添加含高木质素浓度的植物更容易导致微生物活性的能量限制，因此楠木叶添加导致较高的激发效应(图2)。受微生物化学计量分解理论主导的作用，相比叶片单独添加处理，叶片和氮联合添加使激发效应提高11-42%。

图1 不同凋落物和氮处理对激发效应的影响

图2 100天培养后不同凋落物和氮处理对土壤源(a)和植物源微生物群落(b)的影响

此外，本研究还发现，激发效应的多个机制在不同培养时间起主导作用，引起不同方向的激发效应。培养前期，受微生物共代谢作用的影响，叶片或叶片和氮同时添加处理产生正激发效应；随后，微生物优先利用前期矿化得到的有效底物，在中期产生负激发效应；而有效碳的提高逐渐加剧微生物氮限制，因此培养后期叶片或叶片和氮同时添加处理再次产生正激发效应(图3)。

图3 解释激发效应随培养时间（0-25-65-100天）变化的概念框架

小结

氮添加将刺激土壤有机质矿化，对亚热带森林土壤碳储量产生强烈影响。激发效应的主导机制、方向和强度随培养时间而发生变化。因此，本研究结果强调了从较短期到较长期的尺度上考虑凋落物化学组成、养分有效性和微生物过程的变化对激发效应影响的重要性。总体上，本研究结果将有助于加深我们对氮沉降背景下亚热带森林生态系统土壤碳动态响应机制的理解。

该研究于2021年6月16日以“Nitrogen addition stimulates priming effect in a subtropical forest soil”为题在线发表于Soil Biology and Biochemistry期刊上。北京大学地下生态学研究组张秋芳博士后为论文第一作者，北京大学朱彪研究员和福建师范大学陈岳民研究员为论文共同通讯作者，其它合作作者还包括北京大学的冯继广、福建师范大学的程蕾、梅孔灿和曾泉鑫。本研究得到国家自然科学基金(31670620和31988102)的资助。

作者简介

张秋芳，北京大学城市与环境学院生态学系博士后，博士毕业于福建师范大学。主要从事全球变化生态学、碳循环和养分循环等方面的研究。目前以第一作者在Soil Biology and Biochemistry、Plant and Soil、Forest Ecology and Management等期刊发表了一系列成果。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪

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