编译：厚朴，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读微生物调节着土壤中的养分循环，因此认为它们控制着陆地生态系统对大气养分输入的响应。因此，理解增加的N和P的有效性首先怎样影响土壤原核生物和真菌群落组成，以及这种变化怎样影响土壤元素循环是重要的。
在温带草地中开展的9年的N添加和P添加实验中，我们测定了土壤微生物群落和土壤养分循环过程。N添加影响微生物群落组成，原核生物群落对N添加的敏感程度弱于真菌群落。P添加边际影响微生物群落组成，表明在这个草地生态系统中，微生物对P的选择低于N。土壤pH和总的有机碳含量是与原核生物群落组成相关联的主要因子，然而可溶性有机碳和可溶性N的比值是真菌群落组成的主要驱动因子。植物生物量和植物群落结构仅仅解释了微生物群落组成的一小部分。
尽管微生物群落组成随着养分添加变化，但是微生物生物量含量和呼吸速率不改变，表明微生物群落的功能冗余。微生物呼吸，净N矿化，非共生氮气固定受非生物因子的控制程度强于植物生物量，植物群落结构和微生物群落，表明在养分输入增加的情形下群落的转变不一定在养分循环中体现出来。本研究表明大气N沉降可能会影响真菌组成强于原核生物，并且养分直接影响元素循环速率，而不是通过改变的植物或者微生物群落组成的调节。
原名：Effects of nitrogen and phosphorus addition on microbial community composition and element cycling in a grassland soil译名：在草地土壤中N和P添加对微生物群落组成和元素循环的影响期刊：Soil Biology and Biochemistry实验地点位于美国，明尼苏达州的Cedar Creek 生态科学保护区（45.43 N，-93.21E）。年平均温度是6摄氏度，年平均降雨量是800毫米。自2008年生长季以来，养分每年添加到5乘以5米的样方中。这里的研究有6个不同的养分添加处理，构成了不同水平的N添加（对照，N1，N5和N10），N和P的联合添加处理（N10P10，后文中也指N10P），以及一个P添加处理（P10，后面也指P）。每个养分添加处理3个重复。三种不同水平的N（1，5和10g N m-2yr-1）以缓释尿素的形式添加。10 g P m-2yr-1 以三重超磷酸盐（Ca(H2PO4)2）的形式添加。在2017年9月，生物量高峰期的时候，对土壤样品进行取样。采集0-15厘米深度和15-30厘米深度的土壤样品。对采集的土壤样品按照后续指标测定的要求进行保存。测定的指标有土壤pH，总的有机碳（TOC），总氮（TN）和总磷（TP），可溶性有机碳（DOC），可溶性总氮（DN）和可溶性无机磷（DIP），微生物生物量碳（MBC），微生物呼吸，净氮矿化和非共生氮气固定。对原核生物16S rRNA基因的V4区域和真菌的ITS2区域进行了扩增。在2017年生物量顶峰的时候按照物种对地上生物量进行了收获。为了检验土壤属性和养分循环速率在处理之间以及深度增加之间的差异，进行两因素方差分析（Tukey-Test多重比较）。在此之前，数据进行正态分布和方差同质性检验，如果数据不是正态分布或者方差不同质会进行数据的对数或者平方根转化。使用Jessen-Shannondivergences (JSD) 计算原核生物和真菌的beta多样性（使用vegan和phyloseq包）。为了检验所有处理水平群落的成对差异，在JSDs上进行了相似性分析（ANOSIM）。利用phyloseq实现metaMDS，在ASV水平上基于归一化后的JSD计算非度量多维尺度图（NMDS）。在基于JSDs的通过多元置换方差分析的beta多样性的多元分析中N和P添加被评估作为独立变量（使用vegan包中的adonis2）。为了检验植物beta多样性是否与原核生物和真菌的beta多样性相关，使用ade4包的mantel.rtest方程进行Mantel tests（Drayand Dufour, 2007）。为了确定原核生物和真菌群落的组成，也进行了置换多元方差分析。仅仅使用了表层土壤的数据与植物数据进行整合用于这些分析。植物的Shannon多样性和基于植物群落JSD分析的柱坐标的前三轴代表植物群落。在单因子的置换多元方差分析中对具有重要的解释价值的土壤和植物变量进行了确定，并且在去除共线性后加入到联合的模型中。因为置换多元方差分析对因子的顺序敏感，变量通过在单因子模型中重要性的降低呈现。为了确定微生物呼吸，净N矿化，和非共生氮气固定的主要控制因子，在R中使用stepAIC方程进行了多元向后逐步回归分析。起初的线性模型包括土壤pH，TOC，TN，DOC和DN含量，DOC:DN比值，原核生物和真菌群落组成（基于主坐标分析的第一轴），植物多样性和植物生物量。方差膨胀系数用于检验多重共线性，并且去除高度自相关的变量。在进一步分析中变量的顺序是基于逐步回归分析的AIC，除了DN作为首要的独立变量外（与N处理相关的主要因子）。使用Shannon’s 多样性计算植物多样性。为了检验养分添加是否显著影响植物多样性和生物量，进行了单因素的方差分析，使用Tukey-Test进行多重比较。在使用NMDS呈现植物群落组成之前，我们在PRIMER 7中计算了999次置换的Bray-Curtis 距离矩阵。在Bray-Curtis 距离矩阵计算之后，999次置换的单因素ANOSIM分析用于检验养分添加的显著效应。使用R进行统计分析。9年的N添加处理后，表层土壤的pH在最高的N水平处理中显著低于对照和P处理（表1），然而随着土壤深度的增加，养分添加没有改变土壤pH。总的元素含量不受9年的元素添加的显著影响（表1）。在NP添加下，表层土壤中的DOC含量显著高于对照处理和最低的N添加处理，然而随着土壤深度的增加，养分添加没有显著改变DOC含量（表1）。N添加显著增加了表层土壤中DN含量，然而P添加对表层土壤中的DOC和DN没有显著影响。此外，DIP含量在P添加处理中显著高于对照和所有的N添加水平（表1）。养分添加没有显著改变两层土壤中的微生物生物量碳或者微生物呼吸（表2）。逐步多元回归分析表明DOC：DN比值，植物多样性和DN含量分别能解释15.7%，21.4%和5.8%的微生物呼吸（表3，图1）。此外，DN，DOC和真菌群落组成是净N矿化速率最好的解释变量（表3，图1）。对于非共生氮气的固定，TOC，DOC：DN比值，植物生物量和原核生物群落组成是解释了变异最大解释度的变量（表3，图1）。图1 表层土壤中微生物呼吸（a），净N矿化（b）和非共生氮气固定速率（c）被土壤，微生物和植物因子解释的比例。
当仅仅考虑表层土壤时，在所有的处理中原核生物的群落组成没有显著差异（图2）。土壤pH和TOC含量分解解释了23%和20%的群落组成变异（图3a）。Rhodanobacter和Sphingomonas的相对丰度超过了2%（图4）。图2 表层土壤中原核生物（a）和真菌（b）群落组成在ASV水平的展现。
图3 表层土壤中原核生物（a）和真菌（b）群落组成被土壤，微生物和植物因子解释的比例。
3 真菌群落组成
在表层土壤中，真菌群落组成在所有的处理中没有显著差异（图2）。植物群落组成解释了9%的真菌群落的变异，但是DOC：DN的比值解释了21%的真菌群落的变异（图3b）。Clavaria和Hygrocybe的相对丰度超过了1%（图5）。
图5 表层土壤中真菌属的相对丰度。
本研究发现养分添加显著影响微生物群落组成。我们发现土壤，而不是植物，在养分添加下影响微生物群落组成，并且微生物群落组成的改变在大多数养分循环速率中没有体现。
在养分添加下微生物呼吸没有发生改变，尽管微生物群落组成发生了改变，表明土壤中就C矿化而言的土壤微生物群落功能的冗余。相关分析表明非生物因子，主要是DOC：DN的比值随着N梯度变化，解释了大部分的微生物呼吸的变异，证明了底物化学剂量对控制微生物呼吸的重要性。除了底物化学剂量，植物多样性也解释了较大部分的微生物呼吸的变异。尽管微生物群落发生了变化，但是微生物呼吸和生物量产生不变，可能是因为微生物的一些新陈代谢途径与一些核心的过程相关联，例如，呼吸。这些功能受许多微生物类群共享，不受微生物群落组成改变的影响。N添加增加了N矿化速率，并且这种增加与DN和DOC的含量相关联。N的释放或者固持也依赖于C的有效性。当微生物C的需要得不到满足时，微生物会释放更多的N，并且N的提供会超过需求。相反地，当有足够的有效C时，微生物会在它们的生物量中滞留更多的N，并且N的需求不包括在内。原核生物群落组成仅仅在最高的N添加水平下受影响，在最高的N添加水平下土壤pH也降低。此外，相关关系分析也表明土壤pH是原核生物群落组成最重要的决定因子之一，在其他的研究中也发现同样的结果。土壤pH能直接对土壤原核生物产生生理胁迫，影响其生长或者竞争能力。除了土壤pH，根据我们的相关分析，TOC含量也能解释原核生物群落组成，表明了C作为一种支持和形成微生物群落的限制性资源的重要性。养分添加对真菌群落的改变强于原核生物群落。这与之前的一些研究一致表明真菌相对于其它微生物类群对养分添加的响应更敏感。与原核生物群落主要的驱动因子相反，根据相关关系分析，DOC：DN是真菌群落最强的预测因子。一般来讲，真菌和细菌偏向于不同的CN比底物，相对于细菌，真菌喜欢更高CN比的底物。因此，在N添加下较小的DOC：DN比可能会更加影响真菌群落。然而，某些子囊菌纲的真菌，特别是快速生长的真菌，在较小的DOC：DN比值下也能获益，其它的真菌，主要是担子菌纲，在高的CN比下专一性分解复杂的C源。属于腐生菌的担子菌纲的Hygrocybe和Clavaria属在N添加下相对减少，可能是因为它们对增加的养分输入敏感。与原核生物群落相反，相关关系分析表明，真菌群落组成不受土壤pH的强烈控制。之前的研究也证明了真菌相对于细菌对土壤pH变化的敏感性较弱。然而，在其他的草地中发现，植物和真菌群落组成是高度相关的，然而一个更详细的分析表明养分有效性相对于植物生物量或者植物群落结构是更重要的驱动因子。一项全球的研究证明了气候和土壤因子，而不是植物多样性，在全球尺度上预测了真菌丰富度。9年的N添加改变了原核生物和真菌的群落组成。原核生物和真菌的群落组成对养分添加的响应与土壤属性（例如pH,TOC,DOC:DN）耦合的更紧密，相对于植物群落的改变。微生物群落的改变不影响微生物生物量和呼吸速率，表明这些变量功能的冗余。总而言之，元素循环速率主要受土壤因子的调节，而不是植物和微生物群落的转变。然而，再过几十年，微生物群落组成的改变可能与元素循环的关系变得更强。总之，我们的结果表明微生物对N增加的响应不一定会导致作为草原生态系统土壤元素循环基础的微生物功能的丧失。
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