氮添加对土壤和根际微生物群落结构影响的研究进展

Research Progress on the Effects of Nitrogen Addition on Soil and Rhizosphere Microbial Community Structure

摘要: 为了探索氮添加对土壤和根际微生物群落结构的影响，笔者归纳了近十年来与微生物群落结构相关的国内外文献数据。在前人已有研究基础上，详细总结了氮沉降对土壤理化性质(土壤pH值、土壤全氮(TN)、土壤全碳(TC))、土壤微生物生物量、土壤微生物、根际微生物群落结构等指标的影响，并对上述现象做出合理分析。笔者指出氮沉降增加会在一定程度上对土壤和根际微生物群落结构有显著的促进作用，但是当氮沉降达到一定阈值时，会显著抑制土壤和根际微生物群落结构的增长。作者通过研究发现目前在模拟试验中有关氮沉降对土壤和根际微生物群落结构的影响，大部分都仅仅是短期的生物模拟化学实验，并且大多数人都在谈论模拟实验的现象。因此，今后在设计模拟试验过程时，还应进一步延长模拟时间，对引起试验响应变化的主要机制进行更深入的探讨，以期能更好的为进一步深入研究有关氮沉降的增加是否对土壤和根际微生物群落结构的具体影响能提供试验参考依据。

Abstract: In order to explore the effects of nitrogen addition on soil and rhizosphere microbial community structure, the author summarizes the domestic and foreign literature data related to microbial community structure in the past decade. The effects of nitrogen sedimentation on soil physico-chemical properties (soil pH, soil total nitrogen (TN), soil total carbon (TC)), soil microbial biomass, soil microorganisms, rhizosphere microbial community structure and other indicators were summarized in detail, and the above phenomena were reasonably analyzed. The author points out that the increase in nitrogen sedimentation will have a significant role in promoting soil and rhizosphere microbial community structure to a certain extent, but when nitrogen sedimentation reaches a certain threshold, it will significantly inhibit the growth of soil and rhizosphere microbial community structure. The authors found that most of the current effects of nitrogen deposition on soil and rhizosphere microbial community structure in simulation experiments are only short-term biomimetic chemistry experiments, and most people talk about the phenomena of simulated experiments. Therefore, I believe that in the future, when designing the simulation test process, the simulation time should be further extended, and the main mechanisms that cause changes in the response of the test should be further explored, in order to better provide a reference for further in-depth study of whether the increase in nitrogen deposition has a specific impact on soil and rhizosphere microbial community structure.

1. 引言

大气氮(N)沉积在全球氮循环的组成部分中占重要地位 [1] (图1)。大气氮含量从1860年约31.6 TgNa⁻¹持续增加到1995年的100 TgNa⁻¹，预计到2050年达到200 TgNa⁻¹。15%的陆地氮沉降量超过临界值30 KgNhm⁻²a⁻¹。我国已成为全球三大氮沉降区之一 [2] [3]。已有大量研究证明过量的氮沉积会对生态系统和人类健康产生不利影响：如土壤酸化 [4]、生物多样性的减少 [5] 等不利影响。相反，适当氮添加不仅会提高生态系统的氮含量 [6]，还会同大气CO₂的增加，共同作用从而影响生态系统的生产力 [7] [8]。目前，多数有关氮添加对土壤微生物群落结构的影响的研究表明，氮添加会使土壤微生物群落结构发生改变。如Xing-Ye [9] 等研究表明，长期氮添加会改变土壤中细菌和真菌群落的组成；也有研究指出，氮添加有可能会通过改变土壤pH值、土壤养分有效性以及植被形态来改变土壤微生物群落结构 [10] [11]。但是也有研究指出氮添加并没有明显改变土壤微生物多样性和群落结构 [12]，原因可能是研究区位于沙漠，极端干旱条件下存活的微生物群落一般都是抗性高的物种，外源氮添加量不足以对微生物群落产生影响。还有一种可能，沙漠中植被覆盖度低，养分匮乏，仅有的植物会对外源氮素产生极强的竞争，氮元素直接被先锋植物吸收。郭等 [13] 模拟了不同施氮方式和不同施氮量对马尾松和木荷幼苗根系土壤细菌群落结构的试验，结果表明在不同氮含量的添加下，根系土壤细菌群落的多样性和细菌群落组成对氮含量的添加有显著不同差异的响应。刘等 [14] 以我国黄土丘陵地区林龄不同的油松人工林为主要研究对象，分析试验中根际土壤的微生物群落结构组成对氮添加的响应状况，结果表明氮含量的添加对林龄不同的林地内的微生物群落结构多样性和对氮添加的响应有显著的差异性。有少部分的研究结果表明，适量的氮添加可以促进细菌群落的明显增加和土壤细菌群落多样性。但也有部分研究结论与之相反，增加氮素可显著降低土壤微生物及真菌生物量，细菌生物量保持不变或略微的减少 [15]。如徐等 [16] 在研究中发现，短期(约1a)氮素含量过高时，土壤微生物生物量明显下降。Allison [17] 等在对美国阿拉斯加的森林的试验研究中分析结果中发现，氮的添加对微生物生物量和真菌的丰富度没有明显的变化。赵等 [18] 对江苏东台沿海地区杨树人工林地为研究对象，运用磷脂脂肪酸法分析了土壤微生物群落的变化特征。试验的研究结果表明，短时间内施用氮素将导致土壤微生物群落结构发生明显变化。

Figure 1. Nitrogen cycle diagram

图1. 氮循环示意图

土壤是地壳表面的岩石风化体与它的再搬运沉积物一起在地球表面环境作用下形成的一种疏松的物质。覆盖整个地球表面，维系着生物的生息与繁衍，支撑着地球的生命与活力 [19]。根际(rhizosphere)一词的基本概念是由德国微生物学家Hiltner于1904年首次提出 [20]，他把附着在根际表面的围绕根面、受根系生长影响的土体(即与植物的根直接接触的土壤范围)称为根际土。根际微生物(Rhizosphere microorganism)是分布在植物根际这一特殊生境中土壤微生物的总称。相关科学研究表明，植物的根际土壤中的微生物数量要比非根际土壤中的微生物数量要多的多，从根际土壤到非根际土壤，整个土壤群落的多样性呈递减趋势 [21]。在土壤中存在着种类丰富的微生物，它们具有数量大、种类多等特征(图2)。Dantas等 [22] 和Tedersoo等 [23] 指出，土壤微生物是陆地生态系统的主要组成部分，且作为分解者或共生者参与土壤养分的生物地球化学循环。除此之外，土壤微生物在维持森林生产力、养分循环及土壤二氧化碳方面发挥着关键性作用 [24]。也有研究表明，土壤微生物能通过群落的组成和结构变化来反应土壤条件的改变 [25]。施等 [26] 将氮和磷添加作为条件对内蒙古地区温带典型草原土壤微生物群落结构进行相关试验的综合分析，得出的结论表明不同类型和养分含量的土壤对氮添加的响应不同。如，Ramirez [27] 等试验结果的综合分析表明，氮的添加持续的改变了细菌群落的组成，且增加了放线菌和厚壁菌门的相对丰富度。但也有研究结果与之相反，如Griepentrong等 [28] 研究发现，氮添加对微生物群落结构没有显著影响。

Figure 2. Effects of nitrogen addition on pH, TN, TC, MBC, MBN and microbial community structure

图2. 氮添加对pH、TN、TC、MBC、MBN、微生物群落结构的影响关系示意图

同时，土壤中的微生物多样性对监测土壤结构、肥力、养分综合利用率及植物的可持续生长发育等有着重要的影响 [29]，也是监测土壤质量动态变化的敏感指标和土壤微生物的群落总体动态变化的综合体现 [30]。土壤中普遍存在的微生物群落有：细菌、真菌、丛枝菌根真菌和放线菌，它们在维持多种生态系统功能方面发挥着重要的主导作用，是土壤健康和肥力的关键指标 [31] [32] [33]。Hu [34] 等在植被类型对中国西南岩溶石漠化区裂隙土壤(SKF)——植物系统微生物特征的影响试验中得出结果表明，土壤微生物群落是生态系统健康状况的间接体现。

笔者根据国内外近十年来的现有科学研究成功数据，通过对土壤的理化性质(土壤pH、全氮、全碳、微生物生物量)等对于氮添加的响应的研究进行综述，且简要分析了土壤中氮含量对土壤和根际微生物群落结构的影响。最终发现，氮添加对土壤和微生物群落产生影响，但最终取决于施氮量和生境中其他物种对氮的需求量、养分获取策略以及土层深度等因素。适量氮添加会对土壤和土壤微生物起到积极作用，而过量氮添加起到抑制作用。但也存在一种可能，长期氮添加后，受抑制的土壤和微生物群落会进化出另一种微生物群落，或者更适合另一类微生物的繁衍生存。凡此种种，仍需进一步开展研究加以证实。

2. 氮添加对土壤理化性质的影响

2.1. 氮添加对土壤pH值的影响

土壤中的pH值影响土壤微生物群落结构的组成，张等 [35] 指出，土壤的PH值是影响土壤微生物组成、生长和活性的重要影响因子之一，显著影响土壤微生物及微生物群落结构。Fanin、Wling和Mooshammer [36] [37] [38] 等也指出，土壤pH值的变化对微生物群落的组成有显著影响。这与王等 [39] 在研究土地利用变化对湿地微生物群落结构的影响的试验中得出的结论一致。温等 [40] 为揭示不同人工植被修复模式对喀斯特土壤微生物群落的影响，通过氯仿熏蒸提取法和磷脂脂肪酸法对人工构建的相关林木进行试验。研究发现，在喀斯特峰丛洼地钙质土地区，细菌、放线菌、总磷脂脂肪酸均随土壤pH值的增加而增加。此结论与David [41] 等对寒冷荒漠地区生态系统中控制土壤微生物生物量、细菌多样性和群落组成的因素的试验研究结果相一致，而与张 [42] 等在文中指出的试验研究结果，氮添加降低了F/B的比例、降低了丛枝菌根真菌和革兰氏阴性细菌的相对丰度以及革兰氏阳性细菌的相对丰度的研究结果相反。出现上述现象的原因很可能是：① 在氮的添加下，土壤中的微生物对氮添加的需求量不同。从而对微生物的群落结构造成了一定程度的影响。正如程等 [43] 在实验中指出，总碱性和有效氮的含量是驱动微生物群落结构变化的重要因素，氮素添加可能会改变土壤微生物对养分的需求，从而改变土壤微生物的群落结构。邓等 [44] 研究指出，氮肥加入可通过多种综合作用影响土壤养分的有效性以及植物–微生物之间的养分竞争等因素而改变群落结构。此研究结论与多数生态学者的研究结果相一致。但是，② 过量的氮添加会引起土壤的酸化 [45] [46]，渗透压升高，速效性养分淋失加剧，从而导致土壤微生物的生长受 [47]。此外，chen [48] 等还指出，氮添加会对微生物对土壤有机质的分解策略产生直接影响。Zhu [49] 等研究人员发现，土壤养分含量的增加会促使微生物根据土壤养分计量比来调整自身对碳源的利用方式，这也会对微生物群落结构变化产生重要影响。

2.2. 氮添加对土壤全氮(TN)的影响

氮是地球上极为丰富的一种元素，它主要以气态存在于大气中，约占大气体积的80%。氮元素是生物机体中蛋白质(氨基酸RCHNH₂COOH)的组成部分，也是构成生物体的重要的化学元素之一。氮在植物中含量为1%~30%，在生态系统元素循环中氮素循环的重要性不亚于碳素循环。土壤中的全氮含量是对评价土壤资源状况和土壤肥力状况综合评价的重要指标 [50]。刘 [51] 等在实验分析中发现，氮的添加明显提高了全氮(TN)的含量，从而影响了土壤微生物的群落结构。此结论与辛 [52] 等人在森林土壤长期施肥对潜在硝化作用及氨氧化菌和亚硝酸氧化细菌丰度和群落结构的影响一文中的发现一致。但与许和刘 [53] [54] 等人在实验研究中得出的结论，氮的添加并没有使土壤全氮的含量发生显著性变化的结论不同。也有部分的研究结果指出，氮添加对土壤全氮含量具有明显的增加，但是随着土层深度的加深，全氮的含量也发生了显著性的递减 [55] [56] [57]。产生这种显著递减现象的原因很可能是氮在土壤中的迁移能力较强 [58] [59]。也有一些学者解释说，在模拟试验中，氮的添加显著性的提高了土壤表层的全氮含量，随着氮添加增加逐渐达到“氮饱和”状态 [14] [60]。氮饱和以后会抑制土壤微生物的正常生长 [61]。对土壤微生物产生显著性影响。氮添加增加土壤无机氮浓度( ${\text{NO}}_3^{-}$ ； ${\text{NH}}_4^{+}$) [62]。当然全氮的变化对微生物群落结构的影响也是显著的，但是氮添加条件下微生物群落结构的改变仍需更加深入的研究。

2.3. 氮添加对全碳(TC)的影响

地球生态系统中的碳素是物质循环中最重要和流通量最大的一种化学元素。地球上的所有生物，都以碳素作为其主要的结构物质，以构成机体的骨架。森林土壤中的碳储量是陆地上最大的碳库 [63] [64]，碳储量约占全球土壤的39% [65]。目前，陆地生态系统中的总碳库量大约为1950~3150 PgC，土壤碳库为1500~2500 PgC [66]。土壤全碳包括有机碳和无机碳两部分。部分研究把生物炭广泛用作土壤有机碳添加剂 [67]，并且指出，土壤有机碳是调节土壤微生物群落及其功能群丰度变化的主要因素 [68]。殷等 [69] 连续4年试验研究发现，炭含量的增加会增加土壤细菌物种丰富度，且随着炭含量的增加显著性的提高了细菌群落多样性。此试验研究结果与Graber等 [70] 在研究中得出的结果一致；但邵等 [71] 研究发现，在炭添加以后，土壤根际细菌和真菌的多样性和丰富度均显著降低；这可能是因为炭的添加有利用土壤中氮的保存，并且炭的吸附作用减少了铵化细菌与硝化细菌的接触，所有硝化作用变少 [72]。也有部分研究表明氮添加对土壤的全碳、全氮含量无显著性影 [73] [74]。

2.4. 氮添加对土壤微生物生物量

土壤微生物生物量是生态系统研究中土壤养分循环、转化的重要动力和主要参与者，也是土壤微生态系统中最活跃的部分 [75] [76] [77] [78]。Rousk [79] 等人在氮添加试验中得出结论，氮添加显著促进了土壤的微生物生物量，该结论与许、刘等 [51] [53] 在模拟氮沉降相关的试验得出的结论一致，施氮后，土壤微生物总量有显著升高。但与赵等 [42] [80] [81] [82] [83] 在研究进展一文中总结出，氮沉降使土壤微生物量减少的结论相反。发生这种试验现象的原因很可能是因为氮添加导致了土壤中的可溶性碳含量的增加，为土壤中微生物的生活提供了较充足的碳源，从而促进了微生物的生长和繁殖。所以氮添加后土壤微生物生物量会显著增加。F等 [84] 研究结果指出，氮添加会使土壤有机质层的有机碳含量显著性增加，很可能是因为氮肥的加入可以降低土壤微生物生物量、活性，改变土壤有机质的化学结构，从而达到降低土壤有机碳的矿化作用 [80]。也有部分研究指出，当土壤中可利用氮素充足时，能改变土壤微生物的活性、提高氮素的转化 [85]、促进植物生长以及生物量的分配 [86]，从而对物种多样性和微生物群落结构与功能产生显著影响 [87]。短时间的氮添加虽然能在一定程度上缓解氮限制，但是长时间的氮添加会引起土壤酸化、土壤板结，这种情况下不能给微生物的生长所需提供合适的环境从而降低了微生物的活性，减少了微生物生物量 [88]。

3. 氮添加对根际微生物群落结构的影响

3.1. 氮添加对根际细菌群落结构的影响

细菌是单细胞的生物，一个细胞就代表一个个体。土壤中的细菌细胞数量是巨大的，是地球上分布最广的生物群，他们的生命力极强，在极端环境中也能茁壮成长。但是其个体是微小的，长度很少超过几个微米，比真菌的个体(扩展的菌丝体)要小得多。真菌几乎都是好气的，与真菌不同的是细菌既有好气的，也有厌气的，而且还有两者兼有的菌种。土壤中细菌数量的多少与有机物的性质和含量有很大关系。富含腐殖质的土壤中细菌的数量最大。大部分细菌生活所需的最适酸碱度都是接近中性的，强酸或强碱的环境都会抑制细菌的群体生长。细菌的数量与所在土层的深浅有关。一般从最表层向下几厘米细菌数量是增加的，但是随着深度的进一步增加将逐渐减少。在有机质丰富的土壤中，细菌数量随深度而减少的趋势比较不明显 [89]。

植物的根际土壤中微生物数量比非根际土壤中多，但从非根际到根际土壤，细菌群落的多样性逐渐减少 [90]。细菌是土壤微生物的重要群落之一，参与营养元素碳氮循环 [91]、凋落物分解 [92] 和土壤肥力变化等过程 [93]。因此，土壤细菌是人们更好地了解陆地生态系统的重要生态指标。

已有研究指出土壤细菌受植被(物理屏障)的控制 [94]。陆地生态系统的地上和地下生物成分基本上互利共生，因为植物为土壤动物提供碳源，土壤动物为植物提供糖等营养物质。Chen, Feng, Tew等 [95] [96] [97] 人指出，土壤呼吸、PH、碳和氮浓度对塑造细菌群落和分布起着至关重要的作用。杨山等 [98] 人在实验研究中发现，在常规的降水和增加降水的处理条件下，土壤中的细菌群落结构均随着氮梯度的增加发生显著性改变。这可能是与微生物种群的基质偏好和养分获取策略有关 [99]。不同碳添加处理下的微生物(尤其是细菌)在养分群和功能方面具有不同的共存模式 [100] 和生态位 [101]。细菌的多样性随环境梯度和养分可用性的变化而变化 [102]。除此之外，物种对养分吸收和环境胁迫适应性的差异也会导致细菌生长的异质性和丰度 [103] 的不同。这与Sheik等 [104] 人指出的，微生物会改变大多数营养素的可用性的说法一致。也有很多研究表明氮添加对土壤细菌群落的变化具有显著性影 [105]。

3.2. 氮添加对根际真菌群落结构的影响

大部分研究表明，在根际微生境中，植物和微生物之间存在着密切的合作与竞争关系 [106] [107]。在整个生态系统中，绝大部分微生物的营养都是直接或间接地来自植物，而这些植物所需要的氮、磷、钾等营养元素则主要来自微生物对有机物质的分解。土壤是微生物繁衍生活的集中营，是微生物的数量和种类都十分丰富的生境。这其中的微生物就包括真菌。真菌是土壤微生物的重要组成部分。真菌主要由七个主要门组成：壶菌门、子囊菌门、担子菌门、微孢子菌门、球囊菌门、Callimastigomycota和Blastocladiomycota [108]。生活于不同生境中的真菌群落结构和生理学活性是显著不同的。此结论与周 [109] 等在相关实验研究结果中所指出的，土壤微生物对其周边微生境的变化是非常敏感的，当环境或者生态机制发生某些变化时，相关的微生物群落结构也会发生变化的观点相同。Demoling等 [110] 人，在实验中发现，氮沉降显著的抑制了真菌的生长速率，降低了微生物量和活性。此结果可能与氮沉降量有关。这与Allison等 [111] 人指出的：适量的氮添加能促进真菌的生长、提高活性的观点不一致。

3.3. 氮添加对根际丛枝菌根真菌群落结构的影响

丛枝菌根(AM)真菌是陆地生态系统过程中的重要成员，它能与植物的根系互利共生，从而促进农、林、牧业生产的可持续性发展，AM真菌分布于各地生态系统中。植物与丛枝菌根真菌形成有益结合，这有助于从土壤中获取养分 [89]。P等 [112] 人在实验中发现植物在接种丛枝真菌后，叶面细菌群落组成的变化与叶片含氮量的变化呈显著正相关。最后实验结果表明，是丛枝菌根真菌在根部的定殖对植物功能性状产生了深远影响。Faust等 [113] 人最近研究指出：共生系统在自然界是复杂的，多个微生物的相互作用会影响植物的功能性状。AM真菌广泛的存在于植物的根际土壤环境中，通过对植物根系的侵染后，能与其形成菌根共生体。AM真菌能够通过该共生体系来增强植物的抗逆能力，促进植物的生长，提高宿主植物的病害抗性，改善土壤成分和肥力 [114]。胡家欣等 [115] [116] 人通过长期实验研究发现，氮添加对土壤AMF群落多样性的影响不显著，但对AMF群落结构组成有显著性的影响，并且发现15a和11a杨树人工林AMF群落结构有显著性差异。

此结论可能是因为氮的添加下，根际土壤氮素富集增加了细根的氮含量，导致根呼吸和代谢活性的增加，从而促进了地上部分叶光合速率(Noguchi et al., 2013, Reich et al., 2008; Roumet et al., 2016)。这与Diepen等 [117] 人在研究中发现的结论一致。朱彪 [118] 在发表论文中揭示氮沉降对丛枝菌根真菌群落的影响，研究表明，具有不同生物量分配模式的AM真菌对氮添加的响应不同：将更多生物量分配到宿主植物根内的AM真菌(rhizophilic guild)丰度受氮添加引起的土壤酸化的影响而显著降低，从而导致根系侵染率的显著下降；而将更多生物量分配到根外土壤中的AM真菌(edaphophilic guild)则受到了植物地下生物量响应的调节，进而导致根外菌丝密度变化不明显，由此揭示了根内外两个部分(intra-radical and extra-radical portion)的AM真菌生物量对氮添加响应模式的不一致及其潜在的机制。AM真菌根外生物量以及丰富度和多样性对氮添加响应变化的差异，主要是由于土壤磷的相对有效性在全球范围内的巨大异质性使得宿主植物碳—磷资源交易策略发生变化，从而影响了AM真菌的响应。诸多研究都已经表明氮添加对真菌群落结构有显著性变化，但是对丛枝菌根真菌(AMF)群落结构的变化并没有明确的指示。这可能与宿主植物的类型、获取营养的策略、林龄以及氮添加的多少有关，仍需生态学者的深入研究。

3.4. 氮添加对根际放线菌群落结构的影响

放线菌(Actinobacteria)是细菌中重要的一大门类，在整个生态系统中的物质循环和能量流动过程中发挥着重要的作用。杨越 [119] 等人通过实验研究发现：氮添加对高寒草原、典型草原和草甸草原土壤微生物生物量、细菌生物量、真菌生物量和放线菌生物量都没有显著性的影响，对其多样性和群落结构亦没有显著影响。此结论与Eisenlord等 [120] 研究发现，氮沉降对放线菌的相对丰度没有显著影响，但能够显著改变其群落结构的结论相反。

4. 展望

综上述可发现，氮沉降对土壤和根际微生物群落结构的影响是多方面的，氮添加量的多少、宿主植物的营养获取策略的不同、土层深浅等各方面的因素都会对土壤和根际微生物群落结构产生一定的影响。到目前为止，由于各模拟试验研究所存在的差异性，导致相同处理的实验指标在对氮沉降的影响表现出不同结果。为了能够更加深入客观的研究氮沉降对土壤和根际微生物群落结构的影响，还需要不断加强以下几个方面的试验研究：1) 由于诸多实验都是短期内模拟氮沉降的研究，所以可以在现有研究基础上延长观测时间，从而提高实验数据的精度。2) 在氮沉降方向的诸多研究中，大多数都是宏观的研究探讨，可以多一些微观的机制的研究。3) 将氮沉降和其他环境因子综合起来考虑。可以关注一些氮沉降对宿主植物生理、形态、生殖等因素的影响，只研究氮添加对土壤和微生物群落结构的影响不够全面，存在很多可变因素，需诸多因素一起考虑。

5. 小结

通过对近10年文献的总结分析，得出结论如下：我国已成为世界第三大氮沉降区，氮沉降量到2050年预计达到200 TgNa⁻¹；模拟氮沉降试验研究表明，氮沉降改变了微生物群落的组成和结构，并对土壤理化性质和土壤微生物群落结构产生显著影响，主要包括：第一，适量氮添加会对土壤、土壤微生物群落结构和植物生长起到促进作用，对生态系统的物质循环和能量流动起到积极作用；第二，过量氮沉降会对生态系统功能起到抑制作用；第三，氮沉降对森林生态系统的影响取决于生态系统的氮饱和状态、土层深度、微生物群落养分获取策略、微生境中的群落竞争等因素。

NOTES

^*通讯作者。