科研 | SBB：在半干旱草地刈割和多水平的N肥添加对土壤细菌和真菌群落的影响依赖于年份

编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。

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导读

植物和土壤微生物群落的多样性和结构受环境条件（例如，降雨）时空变异的影响。然而，非生物群落对土地使用措施（例如，氮肥和刈割）的响应是否也随着时间的变异而改变还不清楚。本研究在东北半干旱草地收集了2017和2018连续两年（2017和2018）关于刈割和不同N添加速率对植物，细菌和真菌群落的影响的野外数据。生长季累积的降雨量在两个研究年份不同。取样年对植物和土壤微生物群落结构的影响强于N肥和刈割，表明土地利用方式的影响在不同的年份间不同，并且随着时间的推移很难预测。细菌和真菌的多样性对氮肥和刈割在两年中呈现不同的响应。例如，在湿润的年份，在接受最高N肥处理的样方中的真菌多样性相对于未处理的对照样方中的降低了11%，但是在干燥的年份，几乎没有差异。在湿润的年份，在所有的N添加速率处理中细菌多样性在刈割处理中的都高于不刈割处理中的，但是在干燥年份没有差异。相对于施肥和刈割，两年中出现的机会类群和敏感类群更多。在两年中植物和土壤微生物群落的关系也不同，两者的关系在干旱的年份强于湿润的年份。N肥和刈割在本研究区域在2年期间对植物和土壤微生物群落影响不同。我们的结果也表明在半干旱生态系统中降雨是植物和土壤微生物群落与土地利用相关变化的主要控制因子。

论文ID

原名：The effects of mowing and multi-level N fertilization on soil bacterial and fungal communities in a semiarid grassland are year-dependent

译名：在半干旱草地刈割和多水平的N肥添加对土壤细菌和真菌群落的影响依赖于年份

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：5.795

发表时间：2020年10月

通讯作者：孙伟，ManuelDelgado-Baquerizo

通讯作者单位：东北师范大学，巴勃罗·德·奥拉维德大学

实验设计

研究地点位于东北师范大学松嫩草原生态系统研究站(44◦45′N,123◦45′E)。年平均气温为6.4摄氏度，年平均降雨量为430毫米。本研究在为期4年的养分添加和刈割实验中进行。2017年和2018年分别为研究的第三年和第四年。2017年是湿润的年份，从四月到取样时，累积降雨量为401毫米。2018年是干旱的年份，从四月到取样时，累积降雨量为168毫米。

实验样地在2015年5月建立。8个35米乘以35米的小区。实验采用完全随机区组设计。每个小区有36个5米乘以5米的样方，包括两种刈割处理[刈割（M）和未刈割（UM）]以及6个施氮梯度（0，2.5,5,10,20和40 g N m-2yr-1），以及3个P添加梯度（0,5和10g P m-2yr-1）。在本研究中排除了P处理，总共涉及12个处理：对照（UMN0）UMN2.5,UMN5, UMN10, UMN20, UMN40, MN0, MN2.5, MN5, MN10, MN20, MN40。在每年的八月份在每个样方中添加适量的微量元素。每年8月在正常时间用干草割草机对刈割的样方割草一次。

在2017年的9月和2018年的8月采集了地上植物群落的指标，包括地上生物量（AGB），地下生物量（BGB）。在2017年和2018年的9月进行土壤样品的采集，对土壤样品按照指标测定要求进行储存。测定的指标有：微生物C，N和P（MBC,MBN和MBP），可溶性有机碳（DOC），无机氮，有效P，土壤pH，全C，全N，全P和土壤有机C（SOC）。采用高通量测序，测定了细菌和真菌的多样性。

结果

1 植物地上和地下生物量以及土壤理化参数对N肥和刈割的响应

N肥和刈割影响大多数植物和土壤参数。植物生物量和土壤属性（除了TP和CN比）受N肥的显著影响，并且AGB，BGB，PTB，SMC，TC，TN，SOC，DOC，有效N，MBC和MBN显著增加，其它的参数降低，依赖于刈割处理（表S6）。刈割处理显著影响PTB，BGB，SMC，MBC，MBN，MBP，DOC和有效N（表S5）。刈割对植物生物量和土壤属性的影响很大程度上依赖于年份，并且在每种N处理中相对于2018（干旱年份），2017年（湿润年份）影响程度更大（表S7）。刈割对植物生物量和土壤属性的影响在每年随着施N梯度的变化而变化（表S7）。此外，不同年份的取样也对AGB，BGB，PTB，SMC，MBN，MBP，TC，TN，TP，C/N比，SOC，DOC和有效N有显著影响（表S5）。N肥和刈割的交互作用以及这些处理和年的交互作用显著影响植物和土壤属性。例如，N肥和刈割的交互作用显著影响AGB和DOC，N肥和年的交互作用显著影响MBP，DOC和有效N。刈割和年的交互作用显著影响AGB，MBC，MBN，MBP，DOC和有效P。DOC的值也受三因子的交互作用的影响（表S5）。

2 植物，细菌和真群落对N肥和刈割的响应

细菌在门水平上的主要类群是Actinobacteria (33.6%)，Proteobacteria (28.1%)，Acidobacteria (11.7%)，Chloroflexi (6.9%) 和Gemmatimonadetes (3.9%)（表S8）。真菌在门水平上的主要类群是Ascomycota (25.8%)，Basidiomycota (9.4%)，Mortierellomycota (1.2%) 和Glomeromycota (1.1%)（表S8）。土壤微生物群落在两个研究年以及植物群落对N肥和刈割的响应显著不同。然而，取样年对土壤微生物群落的影响强于N肥和刈割（图1和2）。在两个研究年之间，N肥和刈割对植物和微生物多样性（Shannon 指数）和丰富度的影响不同（图1和2，S4）。植物和细菌群落的多样性在干旱的年份相对于湿润的年份更高。在湿润的年份，在所有的N添加处理中刈割处理中的细菌多样性高于未刈割处理中的，但是在干旱的年份中没有差异。在湿润的年份，N肥显著降低了细菌，真菌和腐生真菌的多样性，然而在干旱的年份N肥对它们的多样性没有显著的影响（图1e和f，图2f）。降雨，N肥以及刈割对植物和土壤微生物群落的交互影响类似于年，N肥和刈割的交互影响（图S3，表S9和S10）。

图1 植物（a），土壤细菌（b）和土壤真菌群落（c）以及它们的多样性（d-f）对N肥，刈割和年的响应。分别使用Adonis方程和三因素方程分析检验年，N肥和刈割对植物和微生物群落和多样性的影响。N肥和刈割对植物和微生物多样性的交互作用以及三因素的交互作用不显著时，每年在刈割处理和N处理中分别使用单因素方差分析和t-test检验N肥速率和刈割对多样性的影响。不同的小写和大写字母分别表示在刈割和未刈割处理中多样性在N肥速率之间有显著差异。在小写和大写字母的右下角的“*”代表在每个N肥添加速率中刈割和未刈割处理之间有显著差异。N0不添加N，N2.5 2.5 g N m^-2 year^-1，N5 5 g N m^-2 year^-1，N10 10 g N m^-2 year^-1，N20 20 g N m^-2 year^-1，N40 40 g N m^-2 year^-1，M 刈割，UM 不刈割。

图2 土壤真菌功能群的响应：病原菌（a），共生菌（b）和腐生菌（c）以及它们的多样性（d-f）对N肥（N），刈割（M）和年（Y）的响应。

方差分割分析表明环境参数对土壤微生物群落的影响强于N肥，刈割和取样年，除了细菌丰富度和真菌病原菌的群落结构和多样性（图3a和S5）。刈割对细菌丰富度的影响强于年和N肥（图3a）。N肥处理对真菌病原菌群落结构和多样性的影响强于年和刈割（图S5a和d）。

在SEM中，植物和土壤属性分别解释了细菌和真菌群落NMDS第一轴89%和88%的变异（图3b）。N肥，刈割和年对真菌群落有更强的直接影响，相对于细菌群落（图3b）。然而，真菌群落的结构主要受土壤湿度和N有效性的影响（图3b和表S2）。

图3 （A）方差分割分析年，N肥，刈割以及环境参数对植物，细菌和真菌群落结构（the firstcolumn），香浓多样性（the secondcolumn）和丰富度（the third column）的影响。环境参数包括季节降雨，植物地上和地下生物量和物种丰富度，土壤pH，土壤含水量，微生物生物量C，N和P，总的土壤C，N和P，土壤CN比，总的土壤有机和可溶性有机C以及有效P。除了年和环境的交互作用，N肥，刈割，年和环境的交互作用在这里没有呈现，由于相对于其它交互作用而言较高的解释变异。当分析植物群落的结构，Shannon 多样性和丰富度的时候，我们没有包括植物地上和地下生物量以及物种丰富度。年，N肥，刈割和环境参数显著的统计结果在表S11中呈现。（B）结构方程模型描述了N肥，刈割，年，植物和土壤属性对细菌和真菌群落结构和多样性的影响。细菌和真菌的群落结构使用NMDS轴的第一和第二轴。蓝色和红色箭头分别代表显著的正和负的相关关系。灰色箭头代表不显著的相关关系，然而提高了模型的拟合度。

与其它环境参数相比，RDA证实了降雨对植物、细菌、真菌群落和真菌功能群的影响更大（图4）。仅次于降雨，与施氮有关的土壤pH值变化对刈割处理中的细菌群落有较强的影响，而有效N和MBN在湿润年份对未收割处理的细菌群落有较强的影响（图4b）。在干旱的年份，土壤有效P，DOC对细菌，真菌以及真菌的三种功能群有显著的影响（图4b-f）

图4 冗余分析（RDA）采用基于距离的线性模型和正向选择，找出影响植物（a）、细菌（b）、真菌（c）、病原菌（d）、共生菌（e）和腐生菌（f）群落的环境参数。

3 研究年限、施肥和刈割对分类群丰度的影响

许多常见类群（前10%）的相对丰度在不同年份之间有很大差异，但在不施肥和不施肥以及不刈割之间差异不大（图5）。年影响了38.2%和36.9%的响应类群的相对丰度的机会细菌和真菌类群，而氮肥的变化仅为25.1%和33.0%，刈割分别为16.9%和24.4%（图5中插入饼图）。敏感类群也发现了类似的格局，与氮肥和刈割相比，更多的类群对年份有响应（图5中的插图饼图）。与之相反，对氮肥施用和刈割的抗性类群高于常年，细菌和真菌对氮肥的抗性分别为50.7%和35.9%，刈割对细菌和真菌的抗性分别为65.4%和51.6%，而年平均抗性分别为24.0%和18.2%。更多的细菌类群比真菌类群更具抗药性（图5中的插图饼图）。

在OTU水平上，年效应解释优势门变化的20%，而施肥或刈割则解释了约10%（图5）。我们还发现，在门的水平上，由年份、施肥和刈割引起的机会性或敏感性或抗性类群的变化是不一致的。

图5 常见类群（细菌和真菌类群相对丰度最高的10%）对年、氮、刈割的响应。

4 在湿润年份和干旱年份植物与细菌和真菌群落的关系

土壤微生物群落的植物群落结构与丰富度、部分土壤微生物群落结构和丰富度的关系是多样的。在湿润年份，植物和真菌病原菌群落的结构呈正相关，在湿润年份之后，而在干燥年份，是植物和整个真菌和腐生真菌群落共同变化（图6a）。当植物多样性再次高于湿润年份时，真菌病原菌和植物的丰富度呈显著负相关（图6b）。干旱年份植物和真菌群落的联系比雨季更紧密（表S15）。

图6 （a）湿润（2017）年和干旱年份（2018年）植物和微生物群落的Bray-Curtis距离相关系数热图（97%DNA序列一致性）。（b）湿润（2017）年和干旱年份（2018年）植物和微生物丰富度之间皮尔逊相关性热图。

讨论

由于施氮和刈割，2017年的植物多样性远低于2018年（图1b）。根据竞争排斥原理（Gause，1934），在氮和水分充足的情况下，优势种羊草能迅速获得优势，并能战胜次优势和低丰度物种。2017年的供水量和施肥量都高于2018年，这可能有助于解释这两年植物群落的巨大差异。对印第安纳州北部西部的一个恢复的高草草原的研究发现，当施用氮肥和降雨变异性增加时，植物多样性降低，而生长迅速且占优势的C3植物（加拿大一枝黄花）更受青睐（Smith 等2016）。其他机制也可能起到了作用，例如植物物种特性的差异，加剧了物种之间对其他资源（如光或营养）的竞争（Borer 等2014）。

土壤细菌和真菌群落对施氮和刈割的响应在不同年份之间有所不同，这可能是由于降雨量的差异。在全球尺度上，土壤微生物群落对旱地生态系统的水和氮的变化非常敏感（Delgado-Baquerizo 等2017）。而且，降雨量的增加加剧了施氮对土壤微生物群落的负面影响（Shi 等2018）。因此，由于施氮，湿润年份细菌和真菌的多样性明显低于干旱年份（图1e和f）。在湿润的年份，养分在潮湿的土壤条件下更容易扩散（Blagodatsky and Smith 等2012），这意味着土壤微生物有更多的可溶性有机碳（表S6）。在这些条件下，氮富集对土壤微生物，特别是对依赖于土壤中难降解碳的贫营养类群（Fierer 等2012）的不利影响加剧，微生物多样性降低。与最近一项研究的发现不一致，即减少土壤湿度会降低细菌多样性（Preece 等2019），我们发现干旱年份细菌多样性要比潮湿年份高得多（图1e）。众所周知，降雨对微生物群落有遗留影响（Hicks 等2018）。例如，随着干旱条件的持续，细菌多样性下降（Nguyen 等2018）。此外，降雨可以促进植物生长，并改变丛枝菌根真菌对根系的定殖（Cavagnaro，2016）。因此，可以合理地假设极端降雨事件对下一年的土壤微生物多样性产生了遗留影响。我们推测，在干旱年份观察到的细菌多样性增加可能部分反映了上一个雨季的遗留影响。然而，考虑到只有两年的数据，有必要研究较长时间内降雨、氮肥和割草的遗留影响和相互作用。

降雨量的年际变化对细菌和真菌群落结构的影响大于施肥和刈割（图1b-c，2a-c），这可能是因为水分有效性（由于降雨）是半干旱草原土壤微生物群落的主要控制因素。根据共限制理论（Harpole 等2011），只有在水分充足的情况下，施肥和刈割才能强烈影响土壤微生物群落，正如2017年是一个潮湿的年份。与我们的研究结果一致，中国北方半干旱草原只有在水分充足的情况下，施氮对土壤微生物才有积极影响（Zhang 等2015）。因此，2017年4月至9月采样日期间，以及2018年4月至8月采样日期间的降雨量变化（图。S1和4）可以解释我们的结果。

SEM结果表明，细菌群落结构受植物总生物量和土壤含水量的间接影响，而真菌群落结构则直接受土壤有效氮的影响（图3和S9）。众所周知，细菌比真菌更依赖于不稳定的土壤C（Andresen 等2014），而且真菌通常比细菌更能耐受干旱（Drenovsky 等2004）。两年间植物总生物量不同（图S6），可能影响了C的地下分配、C的可用性以及细菌群落的结构（Wallander，1995；Eilers等2010）。

其他土壤性质也导致了微生物群落结构的变化，这是由于施氮和刈割。例如，土壤含水量与细菌多样性和群落结构的相关性比土壤pH和N有效性强（图3b），后者对细菌群落的影响小于降雨（图4b）。这些结果表明，水分有效性比土壤pH值和养分有效性更重要。尽管两个研究年份之间的降雨量有所不同，但年平均温度相似，这表明温度不会影响土壤微生物群落对氮肥施肥和刈割的响应（Lin等2016年）。因此，我们的研究结果强调需要进一步的多年研究，以更好地评估氮肥和刈割对土壤微生物群落的影响是否随半干旱生态系统中的水分利用率而变化。

与群落水平上的微生物响应一样，在分类单元水平上，细菌和真菌在不同年份之间的差异比刈割和施肥处理之间的差异大的多（图5）。年之间机会性和敏感性类群比例的差异大于施肥和刈割处理的。个别细菌门或真菌门的年间或处理之间的响应各不相同，这表明类群相对丰度的变化需要在更精细的分类学尺度上进行评估，例如属或科级别。分类单元水平上的微生物对刈割和施肥的响应是可变的，因此很难从两个采样事件中记录一致的格局。因此，需要进一步的研究来确定分类单元在较长时期内是否以一致的方式作出响应。

植物和微生物群落的结构和丰富度之间的相关性在研究年份之间有所不同（图6）。湿润年份植物群落结构与真菌病原菌群落结构之间存在相关性，干旱年份群落丰富度存在相关性。在干旱年份，植物和真菌腐殖质群落之间呈显著正相关，这表明，在干旱年份，土壤中的营养物质可能已经从枯死的根系中转移出来，这可能说明植物在干旱年份比在潮湿年份更依赖于土壤微生物（Mariotte 等 2018；Pugnaire 等 2019）。然而，在潮湿的年份，植物似乎更容易受到病原真菌的侵袭产生更多的总生物量（图S6）。植物群落和病原菌群落结构在湿润年份呈正相关（图6a），这可能是因为2017年的高降雨强度和氮肥的结合促进了某些禾草的生长，在本研究中，羊草是主要的禾草，从而使它们暴露于真菌病原体（Heydari和Pessarakli，2010）。

结论

本研究的结果提供了有力的证据，植物、细菌和真菌群落的结构和多样性对施肥和刈割的响应在不同年份之间是不同的。这可能与降雨格局和生长季的累积降雨量有关。结果还表明，降雨调节了植物和微生物群落对氮肥和刈割的响应，因为降雨量随年份的变化而变化。在半干旱草原上，随着水分利用率的增加，施肥和刈割对土壤微生物群落的影响加剧。这些结果表明，由于降雨量的年际变化，个别年份进行的简要研究可能会产生误导性的结果。我们的研究结果表明，植物和微生物群落对土地利用的响应随着时间的推移而变化，并强调需要进行为期两年以上的研究，以可靠地验证植物和土壤细菌和真菌群落是否以及如何对施氮和刈割作出相应。

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