GCB | 植物所刘玲莉课题组：长期氮输入改变了植物和土壤细菌的多样性

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Info 

原名：Long‐term nitrogen input alters plant and soil bacterial, but not fungal beta diversity in a semiarid grassland

译名：长期氮输入改变了半干旱草原植物和土壤细菌的多样性，但没有改变真菌的多样性

期刊：Global Change Biology

通讯作者：刘玲莉/Jiang Lin

通讯作者单位：中科院植物所/乔治亚理工学院

 Introduction 

人为氮输入被认为是生物多样性的主要威胁之一。氮富集可以潜在地影响群落的聚集轨迹。例如，强化氮富集可能会增加定向环境过滤的作用，有利于更好的资源竞争对手和耐低pH和重金属毒性的物种。此外，如果氮富集降低了不同地点环境条件下的空间异质性，则可能进一步降低β-多样性。另一方面，氮富集往往会导致生态系统生产力的提高，从而促进随机装配过程的重要性，反过来，也会增加群落获得替代状态的可能性。在N富集条件下，土壤微生物和植物群落是否表现出类似的β-多样性响应是一个重要但尚未解决的问题。一方面，土壤微生物群落的响应可能与植物群落的响应是耦合的，土壤微生物主要依赖植物提供栖息地和基质，共生微生物和病原微生物主要依赖植物宿主生存。另一方面，植物和微生物在生理、生活史和代谢策略上的差异可能导致它们的β-多样性响应相互分离。因此，随机扩散可能有更大的机会塑造微生物群落的组合。此外，植物和微生物之间的结构和功能差异可能转化为它们对与氮富集相关的环境变化的不同响应。

 Methods 

本研究位于内蒙古多伦半干旱草原。共设置八个（0、1、2、4、8、16、32和64 g N m-2 y-1）施氮处理。2016年8月于植物生物量峰值时调查植物群落（固定的1×1m样方），估算植物物种丰富度和盖度。此外，在每个地块采集0-15cm土壤样品，用于测定土壤理化性质及微生物指标。本研究旨在回答两个主要问题。首先，氮输入如何影响植物、土壤细菌和真菌的β-多样性? 第二，植物、土壤细菌和真菌β-多样性对N输入的差异响应(如果有的话)的机制是什么?在此基础上，还探讨了植物β多样性的变化是否导致了土壤细菌和真菌β多样性的变化。

 Results 

植物、土壤细菌和真菌的α-多样性对N添加量的响应存在显著差异(图1)。植物α-多样性随着N添加量的增加而单调下降，而土壤细菌α-多样性(OTU丰富度)直到N添加量达到32 g N m-2时才出现下降。土壤真菌α-多样性(OTU丰富度)不受氮添加的影响。

植物、土壤细菌和真菌对氮添加的β-多样性也表现出不同的响应。而植物β多样性随着氮添加量的增加而单调下降(图2a)。土壤细菌呈显著的非线性响应，β-多样性随氮添加量的增加先增加后降低(图2b)，土壤真菌β多样性对增加施氮量的响应不大(图2c)。β-偏差(β-deviation)解释了比较群落间α-多样性的差异(图2d、2e和2f)。

氮添加量不同地影响了随机性在调控植物、土壤细菌和真菌群落中的作用(图3)，反映了β-多样性格局。其中，随着N输入量的增加，植物群落的随机度逐渐降低(82.6% ~ 21.8%)，土壤细菌群落的随机度呈峰状变化(38.3% ~ 64.7%)，真菌群落的随机度呈峰状变化(57.8% ~ 71.2%)。

高氮水平下，土壤环境异质性逐渐降低(图4)。

相对重要性分析表明，土壤水分、无机氮浓度、土壤pH和环境异质性共同解释了植物β偏差的69.06%，其中土壤氮有效性和pH是最重要的预测因子(图5a)。相比之下，所有预测变量(包括植物β-偏差)只能解释17.89%的土壤细菌β-偏差，而土壤环境异质性是最重要的预测变量(图5b)。然而，相同的模型只解释了土壤真菌β偏差的2.8%的方差，而每个预测变量解释的变化很小(图5c)。

 Conclusion 

综上所述，本研究发现植物、土壤细菌和真菌群落对N输入的β多样性表现出不同的响应。土壤环境特性在很大程度上解释了植物β多样性的变化。土壤细菌β多样性随氮输入量的增加呈先增加后减少的趋势，这可以从土壤环境异质性的变化中得到最好的解释。而植物β多样性、土壤环境特性和土壤异质性对土壤真菌β多样性的影响不显著，反映了随机群落组合的重要性。本研究揭示了氮富集对植物、土壤细菌和真菌群落组合的不同影响，强调了需要研究与生态系统密切相关的基本成分(即植物和微生物)，以更全面地理解人为氮富集的生态后果。

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