編譯：厚樸，編輯：小菌菌、江舜堯。
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微生物處理未加保護(hù)的有機(jī)物輸入物是土壤肥力、長期生態(tài)系統(tǒng)碳和養(yǎng)分吸收以及可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。本研究調(diào)查研究了多元素（氮，磷和鉀+9種必須的大量和微量元素）添加對埋在四大洲21個草原的標(biāo)準(zhǔn)植物材料分解和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的影響。
在生長季旺季，多種養(yǎng)分添加雖然微弱但是持續(xù)增加了植物殘體的分解和生物轉(zhuǎn)化，同時也增加了微生物胞外酶活性的變化。較高的年平均降雨和較低的年平均溫度是較高分解速率的主要氣候驅(qū)動因子，然而植物殘體的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化與最濕季的溫度負(fù)相關(guān)。在大多數(shù)冷，高降雨量的地方，養(yǎng)分增加了分解，表明在未來溫暖并且干燥的施肥草地土壤中植物殘體的微生物過程可能會受到潛在的限制。
論文ID
實驗設(shè)計
這項研究是在21個全球分布的草原上進(jìn)行的，它們是養(yǎng)分網(wǎng)絡(luò)的一部分。研究地點涵蓋多種草地類型：凍原草地、一年生草地、中草草地、山地草甸、農(nóng)田、半干旱草地、矮草草地、高草草地和地中海草地。地點位于北美和南美、歐洲和大洋洲，橫跨的平均降水量（203-1507mm/年）、年平均溫度（-3.2到23.7°C）和緯度（52°S-69°N）的范圍很廣。
在隨機(jī)區(qū)組設(shè)計中，每個局部實驗設(shè)置包括N、P和K的全因子組合，加上九種必需的大量、微量元素（K+μ）添加，通常每個處理有三次（最多五次）重復(fù)。主要的次要大量和微量元素與K一起添加的是鈣（Ca）、鎂（Mg）、硫（S）、硼（B）、銅（Cu）、鐵（Fe）、錳、鉬（Mo）和鋅（Zn）。N以尿素的形式添加，添加的速率為10 g N m-2 year-1，P以重過磷酸鈣的形式添加，添加的速率為10 g P m-2year-1，K以硫酸鉀的形式添加，添加的速率為100 g m-2 year-1，并與大量和微量元素混合添加（6% Ca、3% Mg、12% S、0.1% B、1% Cu、17% Fe、2.5% Mn、0.05% Mo和1% Zn）。N，P和K每年添加，然而混合的養(yǎng)分只在開始的時候添加一次。每個樣方的大小為5 ╳5 m，分成4個2.5 ╳2.5 m的子樣方。每個子樣方進(jìn)一步分成4個1 ╳ 1 m的樣方，其中一個用于土壤取樣。
在每個研究地點，使用Tea Bag Index (TBI) 評估了埋藏的植物殘體的分解速率和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化速率。TBI是一種用來評估植物分解的方法，即在90天的培養(yǎng)期間內(nèi)，使用兩種市面上可買到的茶包（綠茶[更不穩(wěn)定的基質(zhì)]和紅茶[更穩(wěn)定的基質(zhì)]）作為標(biāo)準(zhǔn)測試試劑盒。TBI使用茶葉質(zhì)量的相對丟失計算（a）分解率（k）和（b）穩(wěn)定因子（S）的指標(biāo)。穩(wěn)定系數(shù)基本上量化了綠茶在該過程的后期殘留的比例，在該過程中，假設(shè)分解率可以忽略不計。S因子與土壤C庫的穩(wěn)定性相關(guān)聯(lián)（Keuskamp et al., 2013）。然而，由于基質(zhì)與土壤礦物之間缺乏物理相互作用，我們將其解釋為綠茶基質(zhì)的生化轉(zhuǎn)化指標(biāo)，而不是基質(zhì)被呼吸和流失到大氣中的碳。而且，盡管綠茶和紅茶不能真實的代表研究草地的埋藏的植物殘體的真實質(zhì)量，但是TBI通過測量標(biāo)準(zhǔn)材料的分解和生物轉(zhuǎn)化潛勢充分呈現(xiàn)了分解環(huán)境。因此，它提供了分解過程早期和后期的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)，這些指標(biāo)對于不同地點和處理的直接比較至關(guān)重要。
綠茶和紅茶的產(chǎn)品條形碼編號分別是8722700055525和8722700188438，每個地點的每個樣方都埋有金字塔形的尼龍網(wǎng)袋（8厘米深），埋藏90天。培養(yǎng)結(jié)束后，收集每個樣方成對的茶包，并徒手清洗（不使用水），然后在60℃下烘干48小時，之后稱重計算k和S，另外一對茶包立即在-20℃冷凍保存，帶回實驗室用于測定微生物胞外酶活性。
對部分分解的樣品進(jìn)行了與主要生物地球化學(xué)營養(yǎng)循環(huán)相關(guān)的七種酶的測定：（a）C循環(huán)的酶：α-和β-1,4-葡萄糖苷酶（AG和BG），木糖酶（XYL）和β-D-纖維二糖水解酶（CB），參與淀粉、纖維素和其他α-和β-連接葡聚糖（植物細(xì)胞壁的主要成分）的降解；（b）氮循環(huán)的酶：β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG），與幾丁質(zhì)和肽聚糖的分解相關(guān)聯(lián)，微生物細(xì)胞壁的主要成分和亮氨酸氨基肽酶（LAP），催化肽和蛋白質(zhì)N端亮氨酸殘基的水解；和（c）P循環(huán)的酶：酸性磷酸酶（PHOS；磷礦化）。
使用R v3.6.0進(jìn)行所有統(tǒng)計分析。養(yǎng)分添加對分解參數(shù)（k和S）以及酶活性的分析是使用響應(yīng)比的自然對數(shù)和線性混合模型（nlme包中的“lme”函數(shù)），N，P和K作為固定變量（全模型包括所有可能的交互作用），嵌套在實驗樣地內(nèi)（隨機(jī)變量）。本研究還使用線性混合模型來探索分解參數(shù)、所有單個酶活性和從WorldClim中提取的生物氣候驅(qū)動因素之間的關(guān)系。
用先驗的知識建立一個概念模型，隨后使用結(jié)構(gòu)方程模型對其進(jìn)行檢驗。混合線性模型的結(jié)果用來微調(diào)選擇的變量，例如，通過顯示哪些氣候變量最能解釋微生物酶的活性和分解。在先驗?zāi)Ｐ椭校紤]到距離赤道的距離，以解釋潛在的空間效應(yīng)和未觀測變量的作用，這些變量可能在大的地理梯度上變化。預(yù)測了赤道距離、氣候和試驗處理對微生物酶活性、植物殘體分解和生化轉(zhuǎn)化的影響。本研究在模型中沒有考慮營養(yǎng)元素之間的相互作用，但是考慮了營養(yǎng)元素添加量和氣候之間的相互作用。分析中的氣候驅(qū)動因素包括年平均降水量、年平均溫度和最濕季的溫度。在概念模型中，預(yù)測微生物活動會影響k和S。分解速率k被認(rèn)為是穩(wěn)定因子S的預(yù)測因子。本研究假設(shè)到赤道的距離和氣候變量，和與在綠茶和紅茶上測得的微生物酶是共變的；因此，使用相關(guān)誤差項對它們進(jìn)行建模。最后，將與氮礦化有關(guān)的微生物酶類包括在內(nèi)，而不是與C和P有關(guān)的其他微生物酶，因為盡管所有的酶都高度多元相關(guān)，但與N相關(guān)的酶呈現(xiàn)出最清晰的機(jī)制。
結(jié)果
埋藏的植物殘體的初始分解速率（k）在P，NP，NK +μ和NPK +μ添加中分別增加了35%，41%，43%和79%（圖1a和2；圖S3）。當(dāng)所有的N或者P處理聯(lián)合考慮時，埋藏的植物殘體的初始分解速率（k）也隨著N或者P添加微弱增加。本研究沒有發(fā)現(xiàn)顯著的交互作用，僅僅添加K +μ也沒有影響。埋藏的植物殘體的穩(wěn)定因子（S）響應(yīng)所有的養(yǎng)分添加處理增加了14%到22%，除了僅僅N添加的處理（圖1b和2；圖S5）。當(dāng)考慮所有的N或者P處理時，N和P添加也有較高的穩(wěn)定因子（S），但是K +μ添加中沒有。關(guān)于原始質(zhì)量損失數(shù)據(jù)的結(jié)果，用于計算TBI參數(shù)，揭示了在響應(yīng)所有的養(yǎng)分添加處理時綠茶質(zhì)量丟失了3%到6%，除了僅僅N添加的處理（圖1b,c和2）。當(dāng)所有的N或者P處理綜合考慮時，隨著P的添加綠茶質(zhì)量的丟失減少，紅茶質(zhì)量的丟失隨著N添加而增加。
圖2 養(yǎng)分添加對初始分解速率（k）和植物殘體的穩(wěn)定因子（S），綠茶和紅茶質(zhì)量丟失以及主要的生物地球化學(xué)循環(huán)（C，N和P）以及基于綠茶（G）和紅茶（R）分解的微生物的胞外酶的影響。AG，α-葡萄糖苷酶；AP，酸性磷酸酶；BG，β-葡萄糖苷酶；CB，纖維二糖水解酶；LAP，亮氨酸氨基肽酶；LnRR，響應(yīng)比（變量處理/變量對照）的自然對數(shù)轉(zhuǎn)化；NAG，N-乙酰基-葡糖糖苷酶；XYL，木糖酶。誤差棒代表95%的置信區(qū)間。誤差棒不穿過0線的變量呈現(xiàn)黃色并且表示在p <0.05時的顯著性。
在不同的底物類型中，涉及到C，N和P生物地球化學(xué)循環(huán)的微生物酶活性不同。綠茶殘留物，最初主要由大多數(shù)不穩(wěn)定基質(zhì)組成，相對于紅茶的殘留物（有較高比例的難分解底物），有更高的C-相關(guān)的和P-相關(guān)的微生物酶活性速率。而且，基于植物殘體的分解養(yǎng)分添加影響潛在的微生物酶活性，盡管對于更難分解的紅茶殘留物影響更大和更常見（圖2和3）。NP和NPK+μ的添加增加了N-乙酰氨基葡萄糖苷酶的活性，一種涉及到N礦化的酶，基于紅茶的測量，分別增加了42%和45%（圖2f,g），然而基于紅茶的測量，N或者NK+μ的添加分別增加了20%和28%的磷酸酶活性（圖2a,f和3f）。當(dāng)所有的N處理同時綜合考慮時，基于紅茶的測量，N添加雖然微弱但是持續(xù)增加了C-，N-和P-相關(guān)的酶的活性（圖3b,d,f）。當(dāng)所有的P處理同時綜合考慮時，在紅茶中P添加微弱增加了微生物C-和N-相關(guān)的活性，并且降低了P-相關(guān)的活性（圖3b,d,f）。更深入的探索分析表明磷酸酶活性主要的差異存在于僅僅P添加和NK+μ的處理之間，表明在分解植物上測定的磷酸酶活性的潛在有用性仍然是全球草原微生物分解磷限制的指標(biāo)。基于綠茶的測量，K+μ的添加減少了β-葡萄糖苷酶活性（圖2c）。當(dāng)所有的處理同時綜合考慮時，K+μ的添加減少了綠茶底物中的C-和N-相關(guān)的酶的活性。
圖3 養(yǎng)分添加對與C，N和P生物地球化學(xué)循環(huán)相關(guān)的微生物酶活性影響的箱型圖，基于不同的底物類型的植物殘體分解（綠茶[圖a，c和e]，紅茶[圖b，d和f]）。
盡管在本研究中，養(yǎng)分添加增加了埋藏的植物殘體的分解和生物化學(xué)轉(zhuǎn)化，但是響應(yīng)不同處理的分解參數(shù)和響應(yīng)值在不同的研究地點間和研究內(nèi)存在巨大差異（圖1,2和4）。例如，基于紅茶的測量，分解速率（k）隨著微生物酶活性和年平均溫度的增加而增加，以及年平均溫度的降低而增加（圖4a-d）。穩(wěn)定因子與基于紅茶底物測量的微生物磷酸酶活性正相關(guān)（圖4e）。而且，氣候條件調(diào)節(jié)了養(yǎng)分對分解的影響。例如，年平均溫度較低的研究地點，分解速率對N的添加有更積極的正向影響（圖4b）。本研究發(fā)現(xiàn)，在接受更高的年平均降雨量的研究地點，P添加對分解速率有更積極的正向影響（圖4d），然而施肥對穩(wěn)定因子增加的影響是在年平均溫度較高的研究地點（圖4f）。
圖4 初始分解速率（k）和穩(wěn)定因子（S）與他們最相關(guān)的微生物（a,c,e）以及氣候控制因子（b,d,f）之間的關(guān)系。
結(jié)構(gòu)方程模型解釋了25%的k變異和31%的S變異（圖5）。本研究發(fā)現(xiàn)，N和P添加對k和S的持續(xù)正效應(yīng)高度依賴于氣候變量，通過添加N和P影響N礦化有關(guān)的微生物酶活性來實現(xiàn)（基于穩(wěn)定組分埋藏的植物凋落物的測量）。總而言之，N和P肥添加在更濕潤和冷的氣候條件下增加了這些響應(yīng)變量。
圖5 結(jié)構(gòu)方程模型。實線=正相關(guān)。虛線=負(fù)相關(guān)。線的寬度代表相關(guān)性強(qiáng)度。雙向灰色箭頭表示具有相關(guān)誤差項的變量。微生物N胞外酶=基于綠茶和紅茶底物分解測量的與N生物地球化學(xué)循環(huán)相關(guān)的微生物酶。指向藍(lán)色圓點的箭頭表示重要的交互項。
討論
本研究的結(jié)果證明了在響應(yīng)土壤養(yǎng)分添加時，初始分解速率（k）的加速和后期生物化學(xué)轉(zhuǎn)化的增加可能是普遍現(xiàn)象，依賴于植物殘體的來源和化學(xué)組成。這些結(jié)果與薈萃分析的結(jié)果一致，即7.5-12.5 g N m-2 year-1的N添加增加了生態(tài)系統(tǒng)中的分解速率，但是與全球潮汐濕地的研究相反，其研究表明N添加對S有負(fù)的影響（Mueller et al., 2018）。本研究也首次證明了基于聚合無保護(hù)的植物殘體的微生物分解受N和P有效性的限制，但是在全球尺度上其它必需的養(yǎng)分（K+μ）也是植物分解的相關(guān)驅(qū)動因子，并且不能被忽略。而且，本研究的結(jié)果表明養(yǎng)分管理改變?nèi)虿菰参餁報w分解的潛力有限，因為這種影響的程度適中，而且在不同地點的差異很大。然而，本研究的結(jié)果是不完整的，因為我們的培養(yǎng)時間僅僅90天，這是早期分解軌跡的一個關(guān)鍵指標(biāo)，但可能不能反映土壤養(yǎng)分富集對草原分解的長期累積效應(yīng)。
盡管分解對養(yǎng)分添加的響應(yīng)存在以上這些一般模式，但在不同的研究地點，埋藏植物殘體的分解差異很大，這可能是由于當(dāng)?shù)貧夂驐l件的變化和土壤微生物群落處理植物殘體的現(xiàn)場級“metabolic toolkit”。例如，本研究在較低溫度下有更大的生化轉(zhuǎn)化的結(jié)果并且與全球潮汐濕地研究一致（Mueller et al., 2008）。本研究的研究結(jié)果也與全球草地最濕季樣地溫度與實驗室凈氮礦化量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但與田間土壤培養(yǎng)時兩者之間的正相關(guān)關(guān)系一致（Risch et al., 2019）。此外，隨著降雨量的增加，分解的加劇與使用茶葉袋的全球研究相一致，從而加強(qiáng)了氣候作為陸地生態(tài)系統(tǒng)早期凋落物分解的主要驅(qū)動力的作用。
再加上氣候和土壤微生物分解“metabolic toolkit”的作用，養(yǎng)分的添加顯著改變了分解參數(shù)與氣候條件的一些關(guān)系，包括降雨和土壤微生物酶。這些結(jié)果進(jìn)一步證明了水和多種必需養(yǎng)分的有效性對分解的廣泛共同限制；這些因素對全球草原的植物生產(chǎn)力和土壤C捕獲也很重要。這些結(jié)果表明，多種養(yǎng)分限制、土壤富營養(yǎng)化和氣候因素之間存在著強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，在未來的施肥制度/養(yǎng)分污染情景以及氣候變暖和干旱的情況下，可能對全球C循環(huán)產(chǎn)生復(fù)雜的影響（Falkowski et al., 2000）。
微生物酶活性在不穩(wěn)定基質(zhì)中持續(xù)較高，這可能反映出土壤微生物群落有更大的能力快速定殖和分解更多的不穩(wěn)定基質(zhì)和更大比例的可水解大分子。而且，在K+μ添加下微生物活性的下調(diào)表明這些酶當(dāng)中的一些酶的釋放可能與從不穩(wěn)定的有機(jī)底物中礦化其它必需的大量和微量元素（當(dāng)它們供不應(yīng)求時）相關(guān)聯(lián)。這些結(jié)果表明在不同的實驗處理中以及植物底物中微生物新陳代謝表達(dá)的不同，可能是由于土壤細(xì)菌和真菌群落組成和豐度的變化。這些結(jié)果還表明，由于富營養(yǎng)化，植物群落組成的變化及其死物質(zhì)輸入質(zhì)量的相關(guān)變化可能進(jìn)一步改變土壤微生物群落的功能。
最后，本研究想在生態(tài)系統(tǒng)水平理解全球草地土壤富營養(yǎng)下，理解k和S的氣候和微生物的驅(qū)動因子，所以本研究使用了結(jié)構(gòu)方程模型。k也與S正相關(guān)，表明早期階段的快速分解與后期緩慢分解、高度生化轉(zhuǎn)化的植物殘體的更多的積累相適應(yīng)。這可能與微生物在快速分解和消耗不穩(wěn)定植物殘體過程中產(chǎn)生的微生物廢物更有效地穩(wěn)定有關(guān)。一種可能的解釋是，微生物善于快速分解植物殘體，被選中的材料是容易分解的，并且戰(zhàn)勝了那些分解更復(fù)雜C的微生物，從而留下大量未分解的物質(zhì)，最終在生化上穩(wěn)定下來。
本研究表明降水和溫度是陸地生態(tài)系統(tǒng)早期微生物凋落物分解的主要驅(qū)動力。本研究也表明在全球的草地生態(tài)系統(tǒng)中埋藏的植物殘體的微生物分解雖然微弱但是持續(xù)受多種必須的大量和微量養(yǎng)分的共同限制并且會對氣候變化和土壤富營養(yǎng)化做出交互響應(yīng)。在管理的草地中限制性養(yǎng)分元素的添加（作為一種可行的策略）可能會增加土壤C循環(huán)，進(jìn)而增加土壤C的扣押（Prescott, 2010）。這些通過沒有物理保護(hù)的植物殘體（與土壤聯(lián)系緊密并且在轉(zhuǎn)化后最終可能成為難降解的腐殖質(zhì)化合物）的生物化學(xué)轉(zhuǎn)化發(fā)生。然而，本研究的結(jié)果也表明這些努力的結(jié)果可能是微弱的并且受到全球變暖和增加的干旱事件的阻礙。不管怎樣，這種氣候的依賴性以及眾所周知的N沉降和無機(jī)肥料添加對地上和地下多樣性負(fù)的影響表明草原土壤富營養(yǎng)化的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)代價會不成比例的高于任何由于植物殘體增加的分解和生物轉(zhuǎn)化的潛在的積極的影響。
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