028-8525-3068
新闻动态 News
News 行业新闻

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

日期: 2022-03-01
标签:

原名:Nitrogen addition increases microbial necromass in croplands and bacterial necromass in forests: A global meta-analysis

译名:氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

期刊:Soil Biology and Biochemistry

IF:8.312

发表时间:2021年12月6日

第一作者: Junxi Hu

通讯作者:黄从德

合作作者:Shixing Zhou, Xiong Liu, Feike A. Dijkstra

主要单位:

四川农业大学林学院,长江上游生态林业工程四川省重点实验室,成都;

国家林业和草原局,长江上游森林资源保护与生态安全重点实验室,四川成都;

摘要

人工N输入的增加改变了全球土壤碳储量,但微生物残体(氨基糖)对添加N的土壤碳的贡献尚不清楚。在此,我们对32篇文献进行了meta分析,并评估了N添加对微生物残体量的影响。结果表明,N添加的总体效应显著提高了真菌(葡萄糖胺,GluN)和细菌(胞壁酸,MurN;半乳糖胺,GalN)残体;但对微生物总残体量(总氨基糖)无显著影响。N添加对氨基糖的影响与生态系统类型有关。N添加增加了农田中GluN、MurN、GalN和总氨基糖的含量,而在森林中N添加仅增加了MurN的含量。在农田中,施N对微生物残体含量的影响取决于施N是单独施N还是与磷钾复合施N。其中,施N对细菌MurN、GalN、真菌GluN和总氨基糖含量无显著影响。而添加NPK显著提高了所有个体(GluN、MurN和GalN)和总氨基糖含量。此外,高施N量(>150 kg N ha−1 yr−1)和长期施N量(>10年)显著提高了农田各氨基糖和总氨基糖的含量,这可能是由于高施N量和长期施N刺激了微生物的生长。我们的研究结果表明,N添加增加了农田微生物残体量和森林细菌残体量,为全球持续的人为N输入改善微生物源碳的封存提供了重要信息。

关键词

N添加;微生物残体;土壤有机碳;氨基糖

前言

土壤有机质(Soil organic matter, SOM)是陆地上最大的有机碳(SOC)库,在全球碳C循环中发挥着重要作用。微生物在SOM转化过程有两种关键而又截然不同的作用。一方面,微生物可以通过分解代谢活动分解SOM并释放CO2;另一方面,微生物可以利用植物源C生成微生物产物或将其残体转化为非生命的SOM,从而促进SOM的形成和稳定。氨基糖是微生物残基和植物的组成成分,具体来说,葡萄糖胺(GluN)主要来源于真菌细胞壁的几丁质,胞壁酸(MurN)只存在于细菌的肽聚糖中,而半乳糖胺(GalN)主要由细菌合成。最近使用氨基糖生物标记物的研究表明,微生物残体可能占一半以上SOC,因此,需要对氨基糖进行研究,以提高对涉及微生物的C循环过程的认识。

关于氨基糖对N沉降的响应,目前还没有共识,研究表明,N沉降对氨基糖的影响是正面、负面或中性。这些不一致的模式可能归因于模拟N沉降速率的差异以及真菌和细菌生长所需N的差异。全球N肥的使用深刻影响了微生物群落和残体产量。此外,在大多数农业系统中,也会施用其他养分,如磷(P)和钾(K);在这种情况下,观察到的效应不能仅仅归因于N输入。综上所述,在不同生物群落中,N沉降和N肥施用对土壤微生物残体的影响尚缺乏共识。

基于32篇已发表的研究在内的全球数据集,我们采用荟萃分析方法研究了N沉降或N肥对土壤氨基糖的影响。我们的目标是回答以下问题:(1)不同的氨基糖(GluN、MurN、GalN和总氨基糖)对N添加的响应一致吗? (2)氨基糖对N添加的响应是否取决于P或K的联合添加? (3)氨基糖对N添加的响应是否取决于N添加速率、N添加持续时间和生态系统类型?

主要结果

1. 氨基糖对N添加的响应

在整个数据集中,不同的氨基糖对N的添加有不同的反应。其中,N添加增加了GluN、MurN和GalN的含量,但对总氨基糖含量没有显著影响(图1)。N添加对氨基糖的影响取决于生态系统类型。特别是,N添加增加了农田中GluN、MurN、GalN和总氨基糖的含量(图2),而在森林中,N添加仅增加了MurN的含量(图3)。

在农田生态系统中,N添加效应取决于是否施用其他养分。单独添加N对总氨基糖(Fig. 2a)、GluN (Fig. 2b)、MurN (Fig. 2c)和GalN (Fig. 2d)的含量没有显著影响,但添加NPK显著提高了各氨基酸和总氨基糖的含量(Fig. 2a-d)。此外,N添加对氨基酸含量的影响与N添加速率和时间有关,高N添加速率(>150 kg N ha−1 yr−1)和长期N添加速率(>10年)提高了所有氨基酸和总氨基酸含量(图2a-d)。除高施N量(>150 kg N ha−1 yr−1)对总氨基糖含量无显著影响外(图2a)。在森林生态系统中,N添加对氨基糖的影响取决于是否添加其他营养物质。仅施N对总氨基糖和GluN含量没有显著影响(图3a),但添加NP显著降低了它们的含量(图3a-b)。此外,低施N量(<50 kg N ha−1 yr−1)和短期施N量(<5年)增加了MurN含量(图3c)。

2. 氨基糖的响应与微生物PLFAs、TN、pH、SOC、N添加速率、N添加时间的相关性,以及在MAP、MAT和海拔的变化

GluN自然对数响应比与细菌PLFAs、真菌PLFAs、总PLFAs、pH、SOC、TN和N添加率的自然对数响应比显著正相关,但与海拔、MAP(年均温)、MAT(年均降雨量)和N添加时间的自然对数响应比不显著相关(图4)。MurN自然对数响应比与细菌PLFAs、真菌PLFAs、总PLFAs、pH和SOC的自然对数响应比呈正相关(图5)。GalN自然对数响应比与细菌PLFAs,真菌PLFAs,总PLFAs,PH和N添加率的自然对数响应比呈正相关(图6)。总氨基糖自然对数响应比与细菌PLFAs、真菌PLFAs、总PLFAs、pH、SOC、TN和N添加率的响应均呈显著正相关(图7)。

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图1 N添加对氨基糖的影响

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图2农田生态系统中总氨基糖(a)、GluN(b)、MurN(c)和GalN(d)含量对N添加的加权响应比和95%置信区间

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图3 森林生态系统中总氨基糖(a)、GluN(b)、MurN(c)和GalN(d)含量对N添加的加权响应比和95%置信区间

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图4 GluN的自然对数响应比ln(RR)与微生物PLFA、TN、pH、SOC的自然对数响应比ln(RR)之间的线性关系等

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图5 MurN的自然对数响应比ln(RR)与微生物PLFA、TN、pH、SOC的自然对数响应比ln(RR)之间的线性关系等

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图6 GalN的自然对数响应比ln(RR)与微生物PLFA、TN、pH、SOC的自然对数响应比ln(RR)之间的线性关系

氮添加增加农田微生物残体和森林细菌残体:一项全球荟萃分析

图7 总氨基糖的自然对数响应比ln(RR)与微生物PLFA、TN、pH、SOC的自然对数响应比ln(RR)之间的线性关系等

讨论

1. N添加对氨基糖的总体影响

总的来说,我们的结果表明,N添加显著增加了真菌源GluN和细菌源MurN和GalN的含量(图1)。一方面,我们发现氨基糖的响应与微生物PLFAs的响应呈正相关,这表明,N添加下,氨基糖的增加可能归因于更活跃的微生物生物量有利于残体量的积累。另一方面,添加N可以增加有毒金属(如铝)的渗透势和有效性,抑制微生物呼吸,减少微生物合成代谢产物分解,从而增加微生物氨基糖的积累。但是,我们发现N添加对总氨基糖的正向影响较小,尽管N添加显著提高了GluN、MurN和GalN的含量。这可能与生态系统类型引起的混杂效应有关,因为N之外的添加增加了农田中总氨基糖的含量(图 2a),而它对森林中总氨基糖有轻微的负面影响(图 3a)

2. 生态系统类型、N添加组合、N添加速率和N添加持续时间对氨基糖的影响

我们发现,N添加对氨基糖的影响取决于生态系统类型,其中N添加增加了农田中所有个体和总氨基糖的含量,而在森林中,它只增加了MurN的含量。农田和森林中氨基糖对N添加的不同反应可能是由于这两种生态系统类型在N添加组合、N添加速率和N添加持续时间上的差异。事实上,我们的结果表明,N添加对氨基糖的积极影响(即NPK添加,高N添加率(>150 kg N ha−1 yr−1)和长期N添加(>10年))都来自农田,而不是森林(表S1,图2,图3)。

在农田生态系统中,N添加对氨基糖的影响取决于N添加组合、N添加速率和N添加持续时间。具体来说,只有NPK添加,高N添加率(>150 kg N ha−1 yr−1)和长期施N(>10年)增加了所有单糖和总氨基糖的含量(图2a-d)。对于NPK添加对氨基糖含量的积极影响,一个可能的解释是N添加结合P和K,可能最大程度地缓解了对植物生长的营养限制,因此可能最大程度地增加了基质可用性(例如,根系分泌物、凋落物输入、TN和SOC含量),这有利于微生物生长和微生物衍生成分的生产。长期N沉降下真菌和细菌的增长进一步表明,N沉降下,氨基糖的反应可能需要很长时间来表达,可能是由于微生物残留的平均停留时间较长。

在森林生态系统中,N添加的总体效应增加了细菌MurN,而对其他氨基糖几乎没有影响。我们发现,单独添加N会增加细菌MurN的含量(图3c)。与农田相比,森林等自然生态系统中的微生物可能更受N的约束,因此森林中的微生物可能对N的添加更敏感。此外,细菌的C/N往往低于真菌,预计对N的需求量也会更高。N的添加通常会导致微生物群落从真菌向细菌为主的转变,这可能会增加细菌代谢残体的产生,从而增加细菌MurN的含量。与农田相似,N的添加对氨基糖的影响也取决于N是单独添加还是与磷结合添加。与单独添加N相比,添加NP降低了真菌GluN和总氨基糖的含量,有两种可能的解释:首先,添加NP可以缓解微生物的磷限制,并将营养限制从磷限制转变为C限制,微生物可以加速C源(氨基糖)的分解,以补偿微生物的C需求,从而降低氨基糖含量。其次,添加NP会增加了N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)的活性,这可以有效分解微生物残留物,从而降低微生物残留物的含量。

结论

两种生态系统类型的微生物对N的反应不同。在农田中,N的添加增加了土壤中真菌GluN和细菌MurN和GalN以及总氨基糖的含量,而在森林中,N的添加只会增加MurN的含量。总的来说,我们揭示了在农田生态系统中,长期高速率的N添加可以增加微生物残体量,特别是当N与磷和钾一起施用时,这可能会因此加强微生物源C的固存。

原文网络连接:
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108500



  • 最新资讯 MORE+
  • 点击次数: 0
    2025 - 05 - 30
    在生态土壤研究中,土壤铁铝氧化物和铁结合态有机碳是两类不同的组分,它们在形成机制、生态功能及研究意义上存在显著差异。铁铝氧化物和铁结合态有机碳在有机碳固存中的双向作用:铁结合有机碳(OC-Fe)是MAOC的重要组成部分,通过形成Fe-有机复合物在SOC的积累和保存中起着至关重要的作用。Fe通过三种主要机制促进SOC的积累:促进土壤团聚体的形成、与溶解有机碳的吸附和共沉淀以及改变微生物活动。同样,Al可以吸附到活性表面位点或与土壤固相共沉淀,从而增强SOC的稳定性。因此, Fe- Al氧化物可以加速OC- Fe的积累并在SOC封存中发挥关键作用。编辑搜图以下是两者的主要区别: 1. 定义与组成 铁铝氧化物化学本质:主要是铁(Fe)和铝(Al)的氧化物、氢氧化物及其水合矿物,如赤铁矿(Fe₂O₃)、针铁矿(FeOOH)、三水铝石(Al(OH)₃)等。来源:由原生矿物风化或次生矿物形成,受土壤pH、氧化还原条件及气候影响。特点:无机矿物相,具有高比表面积和可变电荷,对磷、重金属等有强吸附能力。铁结合态有机碳化学本质:有机碳(如腐殖酸、多糖等)通过吸附、共沉淀或配位键与铁氧化物结合形成的复合体。来源:有机质与铁铝氧化物的相互作用,常见于厌氧-有氧交替环境(如湿地、水稻土)。特点:有机-无机复合体,是土壤碳库的重要稳定形式。 ------------- 2. 形成机制 铁铝氧化物通过化学风化(如硅酸盐矿物分解)或氧化还原过程(如Fe²⁺氧化为Fe³⁺)形成。受土壤pH和Eh(氧化还原电位)调控,酸性或厌氧条件促进溶解,中性/好氧条件促进沉淀。铁结合态有机碳吸附作用:有机碳通过静电或配体交换吸附在铁氧化物表面。共沉淀:有机质与铁离子共同沉淀形成混合相(如铁-有机胶体)。微团聚体保护:铁铝氧化物作为...
  • 点击次数: 0
    2025 - 05 - 22
    文献解读原名:Soil organic carbon thresholds control fertilizer effects on carbon accrual in croplands worldwide译名:土壤有机碳阈值控制肥料对全球农田碳积累的影响  期刊:Nature CommunicationsIF:14.7发表日期:2025.3第一作者:凌俊  中国农业大学资源与环境科学学院养分利用与管理国家重点实验室# 背景恢复土壤肥力和缓解全球变暖的举措在于重建土壤有机碳(SOC)。氮(N) 肥对作物产量至关重要,由于颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)对氮肥施用的响应不同,氮肥施用对土壤碳积累的影响难以预测。为了阐明这些影响,我们通过全球荟萃分析与大陆规模的田间试验相结合,研究初始SOC含量如何与氮肥相互作用来影响全球农田土壤的SOC积累。# 假设(1)氮肥施用促进了植物生产力和大团聚体的形成,从而增加了POC的积累和稳定;(2)在土壤SOC匮乏的土壤中,资源化学计量和微生物养分需求之间的不平衡阻碍了微生物残体碳(MBC)的形成和POC的分解,从而削弱了MAOC的积累;(3)较高的微生物代谢效率和微生物残体量,再加上矿物保护,增加了富含SOC土壤中MAOC的含量。# 材料与方法(1)为了确定初始SOC含量是否影响POC和MAOC响应氮肥的全球变化,我们编制了一个数据库,包括来自全球118个野外站点的609个POC和MAOC变化的配对观察值(图1),涵盖了非常广泛的初始SOC含量范围(0.79~46.1g kg-1);图1研究地点的全球分布(2)中国四个试验地点位于曲周(QZ,9.49 g kg-1)、长武(CW,9.51 g kg-1)、四平(SP,16.3 g kg-1)和雅安(YA,17.4 g kg...
  • 点击次数: 0
    2025 - 05 - 13
    18O标记技术的关键研究方向1、方法学优化标记实验设计:比较不同底物(简单糖类 vs. 复杂有机物)对CUE的影响,明确18O-H₂O标记时长与剂量效应。干扰因素控制:区分非生物过程(如化学氧化)对18O-CO₂的贡献,需通过灭菌对照实验校正。同位素分析技术:结合气相色谱-同位素比值质谱(GC-IRMS)或激光光谱,提高18O-CO₂检测灵敏度。2、生态机制解析微生物群落的影响:研究不同菌群(如真菌vs.细菌、r策略vs. K策略)的CUE差异,结合高通量测序(16S rRNA/ITS)关联群落结构。环境胁迫响应:干旱、升温、pH变化如何通过改变CUE影响碳分配(如:胁迫常降低CUE,增加呼吸损耗)。底物化学性质:木质素、纤维素等复杂底物通常导致更低CUE,需验证18O标记在不同底物中的适用性。3、模型整合与验证将18O-CUE数据纳入土壤碳模型(如Michaelis-Menten动力学、Microbial Mineral Carbon Stabilization, MIMICS),改进微生物生长-呼吸参数化过程。验证“微生物效率-碳截存”假说:高CUE是否真能促进土壤有机碳积累(争议点:高CUE可能减少胞外酶分泌,反而抑制降解)。实际应用方面1、气候变化与碳循环预测量化微生物呼吸对全球变暖的正反馈(低CUE → 更多CO₂释放),改进生态系统模型中的碳周转模块。评估土地利用变化(如农田耕作、森林砍伐)对土壤微生物功能的影响。2、土壤健康与农业管理通过调控CUE优化有机肥施用(如添加易降解碳源提高CUE,促进微生物生物量积累)。指导免耕或覆盖耕作,减少扰动对微生物群落的破坏,维持高CUE。3、污染修复与生态工程污染物(如重金属、石油烃)胁迫下微生物CUE的变化可指示土壤恢复潜力。设计合成微生物群落,定向提升降解效率(如:高CUE菌株可能更快转化有机污染物)。更多检测相关内容...
  • 点击次数: 0
    2025 - 04 - 30
    土壤回旋共振质谱是一种高分辨率、高灵敏度的质谱分析技术,基于带电粒子在磁场中以回旋运动的频率与外加射频共振时的检测原理。这类质谱仪一般用于检测复杂混合物中的微量有机或无机化合物,能够提供高精度的分子质量和结构信息。在生态土壤研究中,可以在以下几个方面拓宽我们的视野: 1、高灵敏检测土壤中痕量有机物  • 检测土壤有机质组分如氨基糖、木质素衍生物、脂类等; • 能区分同分异构体,有助于理解有机碳转化路径; • 可研究腐殖质演化和稳定机制。 2. 剖析微生物代谢产物与土壤代谢指纹  • 识别微生物代谢过程中生成的标志性代谢物; • 结合同位素示踪,能用于土壤微生物C/N代谢流的定量追踪; • 有助于研究微生物驱动的碳氮循环机制。 3. 辅助土壤碳库稳定性研究  • 通过精细分子分辨率识别稳定/易变组分; • 判断某些特定有机物的生物可利用性与持久性; • 有助于理解土地利用/管理对碳库稳定的影响。 4. 环境污染物检测  • 检测痕量有机污染物(如农药、PAHs、抗生素残留等); • 在污染溯源与降解路径解析中发挥重要作用; • 与多种污染物的形态分析结合,进行风险评估。 5、在生态研究中的典型应用案例: • 热带森林与农田转换对有机碳分子结构的影响研究; • 利用15N标记+CRMS解析土壤有机氮转化路径; • 通过检测抗生素类残留探讨畜禽粪肥对土壤微生物生态的扰动; • 研究火烧/干旱胁迫下微生物代谢产物的变化与碳流稳定性。上述提到的项目栢晖生物均可测定,更多相关信息欢迎联系文末工作人员详细沟通。-THE END-栢晖生物成立于...
文体活动 MORE+
案例名称: 孵化中心
说明: 栢晖生物科技有限公司项目孵化中心成立于2015.06.01日,研发领域涉及生物试剂耗材、仪器、新产品开发及各生物科技服务类项目等。自成立以来,陆续吸引了大批专家教授加盟合作,并与全国数十家高校及知名企业建立了良好的合作关系。中心共有博士及以上学位骨干人员10人,专门负责公司新产品研发等工作,已成功研发出无线温度监控器及NO检测试剂盒等产品(详情见成功案例),另有细胞分选仪等三个项目正在积极孵化当中。
2017 - 05 - 31
案例名称: 孵化中心流程
说明:
2017 - 07 - 17
微信公众号
检测咨询热线
 
地址:四川省成都市成华区成宏路72号-四川检验检测创新科技园2号楼4层
          湖南省长沙市芙蓉区雄天路98号广发隆平创业园2栋6002
官方热线:028 8525 3068
投诉电话:18181920125
传真:+86 0755-2788 8009
Copyright ©2005 - 2013 成都栢晖生物科技有限公司
犀牛云提供企业云服务