人类活动提高了世界范围内的氮输入，由于农业活动和化石燃料的使用，人类氮输入比自然来源大30%-50%。鉴于碳氮之间的密切关系，活性氮输入水平将极大地影响全球碳循环，氮输入的增加刺激了土壤碳储存，因为氮的增加促进了植物生物量的产生和植物来源的碳输入，然而氮输入对不同周转时间的有机质（SOM）库影响仍存在争议，特别是其潜在机制。因此，探究有机质库对氮输入的响应对阐明全球C循环的复杂性至关重要。

（1）通过方法组合可以有效地评价C池（从数年到数十年的周转率）对氮施肥的响应。

（2）“碳限制”和“微生物氮开采”这两种机制都与SOM池相关，取决于它们的可用性，这代表这两种理论之间的联系。

（1）分析不稳定到稳定有机质的矿化反应；

（2）量化各种有机质库分解对氮输入的敏感性；

（3）评估细菌和真菌群落变化，并阐明微生物群落的变化程度如何反映有机质分解对氮输入的响应。

方法：将有机质中的¹³C自然丰度与21年的C3-C4植被转换和长期孵化实验结合起来，估算氮输入对不稳定碳库和稳定碳库有机质矿化的影响。土壤取自霍恩海姆大学试验站0-10厘米深度（有机碳约2.4%，总氮含量0.25%，pH值5.1）和邻近草地（有机碳约2.5%，总氮0.21%，pH 5.1）。巨芒草作为一种C4植物，在21年前被引入到之前的C3草地土壤中，导致δ¹³C从−27‰转移到−17‰。δ¹³C中这种差异被用来区分新土壤和老土壤有机碳。C4-C称为新C（小于21年），而C3-C来自以前的草原碳称为老C（大于21年）。

检测指标：CO₂累计排放量、微生物生物量碳、可溶性有机碳、δ¹³C分析、微生物群落组成、胞外酶活性：碳相关（β-葡萄糖苷酶BG、β-木糖苷酶BX、纤维二糖苷酶CBH、α-葡萄糖苷酶AG）、氮相关（β-1、4-N-乙酰氨基葡萄糖酶NAG）

图1 将21年后的C3-C4植被变化(通过δ13C分离新旧碳库)与长期孵育(通过矿化排出不稳定的碳库)结合使用的实验设计示意图

对于非常不稳定的有机质库，氮输入使有机质分解平均降低18%-52%，对于不稳定/稳定的有机质库降低了11%-47%，对于非常稳定的有机质库降低了3%-21%。所有有机质库的分解均被氮输入抑制，但不稳定的有机质对氮的敏感性远高于稳定的有机质库。

图2 4个土壤碳库（从不稳定到稳定）的累积二氧化碳排放(a)和氮诱导启动效应(d)依赖于氮施肥（0、75、150和300 kg N公顷⁻¹）。不同土壤碳池（从不稳定到稳定）释放的累积二氧化碳随氮施肥的增加呈线性关系(b)。SOM矿化对氮肥施肥的敏感性取决于碳库稳定性(c)。

在孵育6个月后，微生物生物量和溶解性有机碳均有所下降，表明在长期孵育期间，氮输入导致有机质不稳定组分消耗。

图3 新(C4，小于21岁)和老(C3，大于21岁)的微生物生物量和溶解有机碳，以及新鲜和培养土壤的代谢商qCO₂随氮施肥变化。

在第14天，细菌多样性在所有氮水平上保持相似，而在第63天，多样性被氮改变，与细菌相比，真菌群落组成是在第14天改变，PCoA分析表明，第63天的细菌和真菌群落与第14天的群落明显分离。

图4 不同氮水平输入对微生物群落组成影响

氮输入对参与碳降解的各种细菌功能基因的影响取决于氮输入时间，由于氮输入，第63天大部分不稳定库的碳降解基因丰度下降。

图5 碳降解基因对氮输入的相对相应

随机森林模型表明，微生物生物量中的真菌多样性、EMF是有机质矿化的主要影响因子，并决定了其对氮输入的响应。真菌多样性和EMF随二氧化碳的释放而增加，但随氮诱导的启动效应而降低。氮输入降低了第14天的酶活性，真菌多样性和EMF随二氧化碳的释放而增加，氮输入仅在短期内降低土壤功能。

图6 氮输入对土壤功能与胞外酶的影响(土壤功能是根据与碳、氮和磷循环相关的7种酶活性进行计算)

图7 土壤有机质矿化对氮输入的响应模式。绿色和棕色的线表示有机质矿化速率的下降，这取决于碳的有效性。浅绿色阴影代表有机质矿化对氮输入下降的敏感性随碳有效性由高到低下降。

氮输入降低了所有有机质库的矿化程度，不稳定库对氮输入的敏感性高于稳定库。非常不稳定有机质库对总二氧化碳释放有很大的贡献（高达60%）。

氮对有机质矿化的抑制最初是由于微生物生物量和土壤功能的降低所致，从长期来看，细菌群落向变形菌门的转变和不稳定碳降解功能基因的减少是主要驱动因素。

有机质库的可用性越高，氮输入对其矿化的抑制作用越强。不稳定的有机质库对氮的可用性高度敏感，在全球规模的氮输入下可能具有更大的碳封存潜力。

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