長期過量施用氮肥增加了土壤微生物群落對季節變化的敏感性

近日，國際土壤學頂級期刊Soil Biology and Biochemistry發表“Long-term excess nitrogen fertilizer increases sensitivity of soil microbial community to seasonal change revealed by ecological network and metagenome analyses”，研究發現，過量的氮肥不僅會改變微生物群落組成和代謝潛力，還會改變微生物之間的關係，並對穩定性產生潛在影響。分享一下該文的研究思路。

背景

長期施用無機氮（N）肥料可以減少地上植物群落中的物種，酸化土壤，增加氧化亞氮排放，降低N2固定潛力，並破壞生態可持續性。微生物介導碳、氮和其他元素的化學迴圈，因此，氮肥可以以多種方式影響微生物群落。例如，透過抑制酶活性改變群落組成，微生物群落也直接受到土壤N有效性增加的影響。根提供碳來改變微生物環境，還影響氧氣、養分、水分和pH值。根分泌的有機化合物影響微生物群落，這些化合物隨根齡的季節變化而變化。

微生物還受到群落相互作用的影響。目前關於細菌與真菌相互作用的研究大多是在實驗室進行的，主要集中在少數微生物之間的相互作用。在自然環境中，微生物種類和數量豐富，外部因素複雜，實驗室結果難以應用。微生物群落內的共存特徵存在於一系列環境中，並受到各種環境因素的影響，但相對於氮肥的使用範圍，尚未充分探討氮肥的效果。

假說

（1）微生物群落將受到氮肥和季節之間相互作用的影響。

（2）氮肥將影響群落網路特性和減少微生物之間的負相互作用，因為氮的新增可以緩解競爭。

目標

（1）確定新增氮肥後細菌和真菌群落變化的程度；

（2）結合氮肥新增，評估細菌和真菌群落對柳枝稷生長階段的季節反應；

（3）闡明氮肥對微生物共生網路的影響；

（4）透過宏基因組分析比較未施肥和施肥土壤樣品中微生物群落的代謝潛力。

樣品準備

柳枝稷施肥試驗於2009年建立。從三種氮肥處理（0、56和196 kg/N/ha）四次取樣，得到48個樣本,包括施肥前（柳枝稷出苗，5月11日）、施肥後兩到三週（柳枝稷早期生長，6月1日）、植物生產力高峰期（7月20日）和衰老後（10月13日）。

土壤距柳枝稷樹冠3至5釐米，放在塑膠袋中並儲存在冰上,4-mm的篩子進行篩分，去除根，然後儲存在土壤中−20°C。

研究方法

土壤理化特性：土壤銨、硝酸鹽、pH值、總碳和總氮。

細菌和真菌丰度：定量聚合酶鏈反應（Q-PCR）進行定量。使用515f-806rB和FR1-FF390引物分別定量細菌和真菌的丰度。

擴增子測序：引物組515f-806rB用於擴增16S rRNA基因的細菌和古細菌V4區域，引物fITS9和ITS4用於擴增真菌內部轉錄間隔區（ITS2）。

共現網路分析：使用細菌和真菌OTU構建網路，產生三個施肥量的網路。

宏基因組學測序：Illumina Hiseq 2500。

宏基因組分析：N迴圈基因的組裝和註釋。

結果

土壤理化性質：施用肥料（56N）後，銨和硝酸鹽被迅速同化，在大約2周內降低至缺肥率）。196N肥料處理的土壤pH值顯著較低，新增56N和196N肥料對土壤銨態氮和硝態氮濃度沒有持久的影響。

細菌和真菌丰度：施用196N肥料後，細菌丰度顯著降低，在最高生產力階段，0N和196N樣品之間的細菌丰度差異很大，三種施氮量的真菌丰度相對相似，並且在整個生長季節都非常穩定。

細菌群落（A）和真菌群落（B）的β多樣性

細菌群落多樣性和組成的季節變化：196N肥料使細菌群落的三個α多樣性指數（Pielou's均勻度、Shannon多樣性、物種豐富度）顯著降低。氮肥對細菌β多樣性類似影響。在門水平上，變形菌和酸桿菌這兩個主要門不受肥料的影響，過量氮肥顯著影響酸桿菌門的一些亞群和變形桿菌亞群，很少發現受生長期顯著影響的屬。

細菌群落（A，B）和真菌群落（C，D）的氮肥用量（A，C）和生長階段（B，D）之間的UniFrac距離。