氮沉降下西南亚高山针叶林根系分泌物对土壤氮循环关键过程影响及微生物机制研究

The coupling effect of root exudation-microbes-soil nitrogen cycle under N deposition is still unclear, which makes it impossible to accurately predict and evaluate the ecological consequences of nitrogen deposition and its feedback on climate change. In this study, we employ root exudates in-situ collection device, 15N isotopes tracing technique and high-throughput sequencing to figure out how simulated N deposition change the quantity and quality of root exudates and how these changes affect rhizosphere N cycling in subalpine coniferous forests in the eastern Tibetan Plateau. Meanwhile, we measure bacterial and fungal community composition and extracellular enzyme activities closely related to these processes. We aim to (1) reveal the effect of nitrogen deposition on root exudation; (2) identify the effects of nitrogen deposition on the production, consumption and retention of nitrogen processes mediated by root exudation in the rhizosphere; (3) elucidate the microbial mechanism of root exudation influence on rhizosphere nitrogen cycling under nitrogen deposition. Our finding will advance and deepen the knowledge of the coupling effect of root-microbes -soil in alpine forest under nitrogen deposition, and make contribution to the estimate of forest nitrogen budgets and the improvement of nitrogen cycling model.

目前根系分泌物-微生物-土壤氮循环的耦合效应仍是氮沉降对森林生态系统影响研究中的薄弱环节，导致无法准确预测和评估氮沉降对森林氮循环影响及其对气候变化的反馈。本项目拟以西南亚高山针叶林为研究对象，以根系分泌物为核心，根际氮循环过程为切入点，采用根系分泌物原位收集装置、15N同位素示踪技术以及高通量测序等技术手段，开展模拟氮沉降背景下西南亚高山针叶林根系分泌物对土壤N循环关键过程影响的研究，并同步分析与这些过程密切相关的土壤细菌/真菌群落特征、氮循环相关功能基因丰度以及胞外酶活性的变化，试图：1）揭示亚高山针叶林根系分泌物输入特征对氮沉降的响应；2）辨识氮沉降对根系分泌物介导的根际氮素产生、消耗和留存过程的影响；3）阐明根系分泌物变化对根际氮循环过程调控的微生物机理。研究结果不仅丰富和提升氮沉降下高寒森林根系-微生物-土壤耦合效应的认识，为森林氮循环评估及模型的完善做出原创性的贡献。

针对氮沉降背景下森林根系-微生物-土壤氮循环关键过程偶联效应认知的严重缺乏，本项目以西南亚高山两种典型的针叶林为研究对象，以根系分泌物为核心，根际氮素关键过程为切入点，采用根系分泌物原位收集、15N 同位素标记与库稀释法以及微生物功能基因定量等研究手段，聚焦于持续氮添加下两个针叶林根系分泌物输入特征变化介导的根际总氮循环的响应规律，并同步分析与这些过程变化密切相关的土壤微生物特征变化。研究发现：（1）氮添加下华山松林和云杉林的根系分泌物碳输入均表现为显著下降趋势，分别降低了42.5%和27.2%，而根系分泌物氮输入速率亦显著下降了50.5%和46.9%；（2）氮添加显著降低两个森林根际土壤总氮矿化速率、微生物NH4+固持速率以及硝酸盐异化还原为铵（DNRA）速率。相反，氮添加显著促进两个森林根际总硝化速率，分别增加136.9%和174.4%，导致根际区根际土壤NO3-积累显著增加了37%和73%。氮添加导致总矿化、NH4+固持速率和DNRA的根际正效应分别降低了11% ~ 21%，而总硝化的根际效应由-25%和-28%增加至+141%和+32%；（3）氮添加下，森林根系分泌物输入的变化诱导了根际微生物数量与活性的变化，进而影响根际土壤无机氮的产生与留存。一方面，氮添加降低根系分泌物碳输入，削弱其介导的根际激发效应强度（根际氮循环相关酶活性显著降低）是氮添加下根际总氮矿化速率下降的主要原因。另一方面，氮添加降低根际微生物NH4+固持以及提高根际氨氧化细菌的活性是根际硝化作用显著增强的重要原因。该研究表明了在亚高山针叶林中，持续氮添加不仅能通过降低针叶树的根系分泌物碳输入深刻改变根际功能微生物群落以及氮循环相关酶活性，也可能削弱根际过程对土壤硝化的抑制作用，进而降低根际土壤有机氮矿化与无机氮留存。施氮后根际土壤氮循环转变为以NO3-为主导，根际区成为氮添加诱导的土壤硝化速率增加的重要贡献者。本研究从根际这一独特视角，首次发现氮添加下根际氮过程对于调控生态系统氮留存/泄露的关键作用，丰富和提升氮沉降下高寒森林根系-微生物-土壤耦合效应的认识。