原名：Nutrient-induced acidification modulates soil biodiversity-function relationships
译名：养分诱导的酸化调节了土壤生物多样性-功能关系
期刊：Nature communications
IF:16.6
发表日期：2024.04
第一作者：Zhengkun Hu
背景：养分富集是全球变化的重要组成部分，它通过促进物种优势、改变营养相互作用和降低生态系统稳定性来破坏地上生物多样性和生态系统功能之间的关系。越来越多的证据表明，养分富集也会降低土壤生物多样性，并削弱地下生物多样性与生态系统功能之间的关系，但其潜在机制仍不清楚。
方法：通过为期13年的田间试验，探讨了养分富集(NP添加)对土壤性质、土壤生物多样性和多种生态系统功能的影响。
结果：土壤酸化是影响土壤多样性与生态系统多功能性关系的主要因素，而非矿质养分和碳(C)有效性的变化。氮和磷的添加显著降低了土壤pH、细菌、真菌和线虫的多样性，以及与C和养分循环相关的多种生态系统功能。另外，养分富集通过影响微生物多样性对高营养水平的食微线虫的多样性产生了负面影响。
结论：以上结果表明，养分富集诱导的酸化能够通过土壤食物网级联作用并影响生态系统功能，为养分富集影响土壤生物群落和生态系统特性的机制提供了新的见解。
生物多样性在维持生态系统生产力和稳定性的各种生物地球化学和生态过程中起着关键的调节作用。在自然生态系统中，共存的物种执行着各种单独的功能，这反过来又支持了向人类社会提供的多种商品和服务。然而，诸如养分富集等人为干扰往往会降低物种丰富度，从而削弱生物多样性与生态系统功能(BEF)之间的耦合。例如，Hautier等人从全球42个草原的研究中发现，营养添加降低了植物多样性对生产力时间稳定性的积极影响。然而，尽管对植物群落和生态系统过程如何响应养分富集已经做了大量的研究，但在地下生态系统中是否也存在类似的养分效应趋势或模式尚不清楚。特别是野外环境且多种营养级相互作用的背景下，极少研究评估养分富集如何通过其对土壤生物群的影响来改变生态系统功能。
土壤生物群是高度多样化的，仅1g土壤中就含有多达10亿个细菌细胞，由数万个分类群组成，以及数十到数千种真菌、原生生物和线虫。越来越多的研究表明，由于土壤微生物和动物在有机物分解和养分循环等方面发挥着多种作用，土壤生物群多样性对维持有效的生态系统功能至关重要。例如，Delgado-Baquerizo等人表明，不同生态系统中土壤生物多样性的减少影响了多种生态系统功能，包括植物生产力、养分循环和病原体控制。然而，与通常处于单一营养水平的不同植物物种不同，土壤生物生活在复杂的土壤食物网中，其中涉及多种营养相互作用。大多数土壤生物生活在水膜上，对pH值和养分浓度等土壤条件的变化特别敏感。此外，细菌和真菌是土壤有机质的主要消费者，同时细菌和真菌生物量也是线虫和原生生物食物来源，并为植物释放养分的营养链的核心基础。然而，养分富集改变土壤生物多样性及其营养相互作用的机制很少得到实验验证，其对生态功能的影响也相对未知。
在全球范围内，通过化学施氮和工业沉积的人类活动至少使通过自然生物固氮的活性氮输入增加了一倍。此外，施用磷肥持续增加土壤磷素有效性，加速了植物氮吸收，从而提高植物生产力。现有大多数关于养分富集对植物多样性-功能关系的研究都是以植物为导向的，并且集中在单一营养级水平上。养分富集可能通过三种不相互排斥的机制影响土壤生物多样性及其与生态系统功能的关系(附图1)。首先，高土壤速效氮和/或磷含量通常会增加植物生长和地下总碳(C)输入(包括茎和根来源的C)。由于土壤微生物通常受C限制，提高C有效性可能会刺激土壤细菌和真菌的生长，并显著影响生物多样性-生态系统功能关系，另一方面，土壤细菌和真菌是支持复杂食物网的食物基础。其次，相对于其他元素，氮和磷等一些养分的可用性增加改变了土壤中的营养化学计量，并可能有利于一些富营养生物的竞争优势。因此，如果土壤群落仅由少数丰富的物种主导，生态系统功能可能与土壤生物多样性解耦。最后，养分富集，特别是高N输入，会引起土壤理化环境的深刻变化，可能严重改变土壤生物群多样性和植物-微生物相互作用。特别是NH4 +的输入(即微生物氧化NH4+产生质子，导致土壤酸化。H+的积累引起土壤酸化，并提高重金属的溶解度。(如Al和Mn)，它们可能对微生物和植物产生毒性，并抑制微生物介导的过程。虽然这三种机制可以单独或共同影响养分富集对土壤生物群结构和功能的影响，但我们对它们对生态系统功能的相对贡献知之甚少。
利用长期施肥试验，本研究测试了三个假设，每个假设旨在评估养分富集可能影响土壤生物群多样性和功能的三种机制之一的能力。首先，如果养分富集主要通过缓解C对微生物的限制来影响微生物(图1)，那么高水平的N和P添加应该会增加土壤生物多样性，从而进一步增强生态系统功能。其次，如果养分(N和/或P)限制主要影响土壤群落的结构、多样性和活性，那么高水平的N和P添加应该会降低土壤生物群的多样性，并进一步影响生态系统功能，如C和养分循环。第三，如果养分诱导的土壤酸化主要调节土壤群落的结构、多样性和活性，那么在较高的养分添加水平下，土壤pH值的降低应该会减少土壤生物群的多样性，进而对生态系统功能产生影响。
附图1 养分富集对土壤生物多样性和生态系统功能的影响示意图。机制1(“C限制”假说)；机制2(“营养限制”假说)；机制3(“土壤酸化”假说)。
NP120处理下土壤不稳定碳含量显著高于NP30和NP90处理，对照与养分处理间差异不显著(图1a)。土壤矿质氮和有效磷沿NP梯度增加，分别从3.67 mg N·kg - 1土壤增加到7.78 mg N·kg - 1土壤，从8.12 mg P·kg - 1土壤增加到173.23 mg P·kg - 1土壤(图1b, c)。土壤pH值随着NP输入的增加而下降，从未施肥对照的7.20下降到NP120下的6.54 (p < 0.05; 图1 d)。8种土壤生物群(细菌、真菌、总线虫，以及食细菌、食真菌、植物寄生、杂食性和捕食性线虫)多样性和多营养级多样性均随NP梯度的增大而减小(附图2和3)。
图1 养分富集对土壤不稳定碳、养分含量和土壤pH值的影响
养分添加对生态系统功能的影响存在差异(附图4)。具体而言，NP添加对土壤总碳和总氮没有影响，但随着土壤中磷的积累，微生物活性和磷相关参数(微生物量P和P矿化)显著增加(附图4)。NP添加显著降低了与C和N循环相关的指标(微生物生物量C和N，糖、几丁质和聚合物的降解，烷基与O-烷基的比例)和生态系统稳定性(团聚体稳定性，对寄生线虫的抗性)(附图4)。总的来说，在高NP输入下，14个生态功能中有8个功能减少，3个功能保持不变，其余3个功能增加。
使用平均法时，在NP30、NP90和NP120下，生态系统多功能性(EMF)分别下降了11%、28%和36%(附图5a)。使用多阈值法时，NP120显著减少了超过30%、50%和70%阈值的功能数量，而NP90显著减少了超过30%阈值的功能数量(附图5b-d)。在30%、50%和70%阈值下的功能数与平均法计算的EMF呈正相关(p< 0.05;附图5e-g)，表明两种方法的结果高度一致。
土壤不稳定碳含量与杂食性线虫多样性呈负相关(p< 0.05;(附图6)，但与细菌、真菌、总线虫、食细菌者、食真菌者、植物寄生虫、捕食性线虫的多样性(补充图6)，或多营养级多样性不相关(图2a)。土壤矿质氮和有效磷与所有8类土壤生物群的多样性(补充图7和8)和多样性(图2b, c)呈负相关。土壤pH与所有8类土壤生物群的多样性(附图9)和多样性(图2d)呈正相关。
图2 养分富集对土壤理化性质与土壤多营养级多样性关系的影响
为了研究微生物多样性的变化是否沿着营养链向上级联，研究了微生物(细菌和真菌)和食微线虫(食细菌和食真菌线虫)以及猎物(微生物、食细菌、食真菌和植物寄生线虫)和捕食者(杂食和捕食线虫)之间的关系。结果表明，微生物的多样性和猎物多样性分别与食微线虫和捕食性线虫的多样性呈正相关 (p< 0.05; Fig. 3a, b)。
图3 养分富集对土壤猎物与捕食者多样性关系影响
进一步探讨了养分引起的土壤不稳定碳、养分和土壤pH的变化与生态系统功能的关系。土壤不稳定C与磷矿化、微生物活性和团聚体稳定性呈正相关，与几丁质、木质素和聚合物的降解以及对植物寄生虫的抗性呈负相关(附图10)。然而，土壤不稳定C与EMF没有显著相关(图4a)。相比之下，土壤矿质N和速效P与磷矿化、微生物生物量P和微生物活性呈正相关，但与微生物生物量C和N、糖、几丁质和聚合物的降解、烷基与O-烷基比以及对植物寄生虫的抗性呈负相关(附图11和12)，导致土壤养分与EMF总体呈负相关(图4b, c)。相反，土壤pH值与EMF呈正相关(图4d)。在个别功能方面，土壤pH与微生物生物量C和N、糖、几丁质和聚合物的降解、烷基与O-烷基比、团聚体稳定性和抗植物寄生虫能力呈正相关。然而，它与磷矿化、微生物生物量P和微生物活性呈负相关(附图13)。以上结果表明，在养分富集的情况下，碳和养分(N和P)有效性的增加对大多数生态系统功能没有积极影响。
图4 养分富集对土壤理化性质与土壤生态系统多功能性（EMF）关系的影响
为了弄清养分富集对多样性-功能关系的影响，首先评估了土壤生物多样性与生态系统功能之间的关系。就单个功能而言，细菌、真菌和线虫的多样性与14个功能中的9个功能(微生物生物量C和N、糖、几丁质、木质素和聚合物的降解率、烷基与O -烷基比、聚集体稳定性和寄生线虫抗性)呈一致且正相关(Fig. 5a)。然而，所有土壤生物群的多样性与添加养分增加的微生物活性、微生物量磷和磷矿化3个功能呈负相关(Fig. 5a)。平均EMF与细菌、真菌、线虫和整个土壤生物群的多样性之间存在显著的正相关关系，与任何土壤生物个体组相比，多营养级多样性- EMF关系解释了更多的差异(图5b)。当阈值在30%、50%和70%水平时计算EMF，土壤多样性与EMF之间的显著关系仍然存在(图5 c)。
图5土壤生物多样性与土壤功能或生态系统多功能性之间的关系
定量分析了养分富集对对照(NP0)和3种养分富集处理下土壤多样性-功能关系的影响。在NP0对照中，多功能性(EMF)与土壤细菌、真菌和线虫的多多样性(图6a)或多样性(附图14a)呈显著正相关。然而，在任何添加养分的处理中，土壤生物多样性与EMF之间都没有类似的正相关关系(图6b-d和附图14b-d)，表明养分富集削弱了土壤多样性-功能关系。
图6 营养富集弱化了多样性-功能联系
尽管NP添加对土壤pH、活性碳和土壤养分有强烈影响，但SEM结果表明，土壤pH主要通过其对土壤生物群多样性和线虫的直接影响来影响EMF(图7a)。有趣的是，矿物质N并没有直接和显著地影响微生物或线虫的多样性。此外，土壤pH通过其对微生物多样性直至线虫多样性的级联效应间接影响EMF。微生物多样性和线虫多样性对EMF均有正向影响。通过计算所有变量对EMF的标准化总影响，我们发现土壤pH值对EMF的正向综合影响最大，其次是微生物和线虫多样性(图7b)。
图7养分富集对生态系统多功能性的直接和间接影响的结构方程模型
土壤、植物酶活检测
氨基糖、木质素、PLFA、CUE
磷组分、有机酸、有机氮组分
微生物量碳氮磷、同位素等
其他土壤、植物、水体等常规检测指标均可测定
