Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
So sánh phản ứng của vi sinh vật trong đất đối với việc bổ sung nitơ giữa đồng cỏ đã qua canh tác và đồng cỏ tự nhiên
Tóm tắt
Việc chuyển đổi đất canh tác trở lại thành đồng cỏ tự nhiên là một sáng kiến quan trọng cho việc phục hồi đồng cỏ và có ảnh hưởng đến vi sinh vật trong đất. Việc bổ sung nitơ (N) đã được ghi nhận có ảnh hưởng đáng kể đến khối lượng vi sinh vật trong đất, thành phần cộng đồng, và chức năng trong các đồng cỏ. Tuy nhiên, sự khác biệt về khối lượng vi sinh vật, thành phần cộng đồng, và chức năng giữa đồng cỏ đã qua canh tác và đồng cỏ tự nhiên và việc vi sinh vật trong đất phản ứng với việc bổ sung N có giống nhau ở các loại hình sử dụng đất khác nhau hay không vẫn còn chưa được biết đến. Chúng tôi đã tiến hành một thí nghiệm bổ sung N nhiều mức trong 3 năm (0, 10, 20, 30, 40, và 50 g N m−2 năm−1) tại đồng cỏ tự nhiên (NG) và đồng cỏ đã qua canh tác (EG) ở miền Bắc Trung Quốc và đo lường khối lượng carbon vi sinh vật (MBC) và khối lượng nitơ vi sinh vật (MBN), thành phần cộng đồng, và hoạt động enzyme ngoại bào trong đất (EEA). MBC và MBN trong NG cao gấp khoảng hai lần so với EG do độ ẩm trong đất cao hơn, nhưng chúng không phản ứng đáng kể với việc bổ sung N trong cả hai đồng cỏ. Thành phần cộng đồng vi sinh vật khác nhau giữa NG và EG. Việc bổ sung N làm giảm khối lượng nấm mycorrhiza dạng arbuscular (AMF) lần lượt 20,4% và 2,1% nhưng tăng tỷ lệ vi khuẩn gram dương so với vi khuẩn gram âm lần lượt 12,0% và 6,4% trong NG và EG. Sự biến đổi trong thành phần cộng đồng vi sinh vật liên quan đến nồng độ N hòa tan trong đất. Việc bổ sung N giảm EEA thu nhận N trong đất 60,6% và 45,4% nhưng tăng EEA thu nhận phospho (P) 48,4% và 133,2% trong NG và EG, tương ứng. Sự biến đổi trong EEA thu nhận N trong đất được điều khiển bởi việc bổ sung N với nồng độ N có sẵn trong đất tăng lên, trong khi sự biến đổi trong EEA thu nhận C và thu nhận P trong đất được quy cho sự thay đổi cách sử dụng đất thông qua tác động đến độ ẩm của đất. Nghiên cứu của chúng tôi đã phát hiện rằng sự khác biệt về khối lượng vi sinh vật trong đất, thành phần cộng đồng, và hoạt động enzyme ngoại bào xảy ra giữa đồng cỏ đã qua canh tác và đồng cỏ tự nhiên là do độ ẩm của đất khác nhau. Phản ứng của vi sinh vật trong đất đối với việc bổ sung N khác nhau giữa hai loại hình sử dụng đất do nồng độ N có sẵn trong đất khác nhau sau khi bổ sung N. Do đó, sự thay đổi cách sử dụng đất có ảnh hưởng trực tiếp đến vi sinh vật trong đất và ảnh hưởng gián tiếp đến vi sinh vật trong đất thông qua việc điều chỉnh tác động của việc bổ sung N. Những phát hiện của chúng tôi có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá chính xác các tác động của việc bổ sung N trong các loại hình sử dụng đất khác nhau và cung cấp cơ sở khoa học cho việc phục hồi đồng cỏ bị xáo trộn.
Từ khóa
#đất canh tác #đồng cỏ tự nhiên #bổ sung nitơ #vi sinh vật trong đất #khối lượng vi sinh vật #enzyme ngoại bào #phục hồi đồng cỏTài liệu tham khảo
Allison SD, Weintraub MN, Gartner TB, Waldrop MP (2011) Evolutionary-economic principles as regulators of soil enzyme production and ecosystem function. In: Shukla G, Varma A (eds) Soil Enzymology. Springer, Berlin, pp 229–243
Bai Y, Wu J, Clark CM, Naeem S, Pan Q, Huang J, Zhang L, Han X (2010) Tradeoffs and thresholds in the effects of nitrogen addition on biodiversity and ecosystem functioning: evidence from inner Mongolia Grasslands. Glob Chang Biol 16:358–372
Baldrian P, Merhautova V, Petrankova M, Cajthaml T, Snajdr J (2010) Distribution of microbial biomass and activity of extracellular enzymes in a hardwood forest soil reflect soil moisture content. Appl Soil Ecol 46:177–182
Blankinship JC, Niklaus PA, Hungate BA (2011) A meta-analysis of responses of soil biota to global change. Oecologia 165:553–565
Chen J, Luo Y, Li J, Zhou X, Cao J, Wang RW, Wang Y, Shelton S, Jin Z, Walker LM, Feng Z, Niu S, Feng W, Jian S, Zhou L (2017) Costimulation of soil glycosidase activity and soil respiration by nitrogen addition. Glob Chang Biol 23:1328–1337
Chen J, Luo Y, van Groenigen KJ, Hungate BA, Cao J, Zhou X, Wang RW (2018) A keystone microbial enzyme for nitrogen control of soil carbon storage. Sci Adv 4:eaaq1689
Chen WJ, Zhou HK, Wu Y, Wang J, Zhao ZW, Li YZ, Qiao LL, Chen KL, Liu GB, Xue S (2020) Direct and indirect influences of long-term fertilization on microbial carbon and nitrogen cycles in an alpine grassland. Soil Biol Biochem 149:107922
Contosta AR, Frey SD, Cooper AB (2015) Soil microbial communities vary as much over time as with chronic warming and nitrogen additions. Soil Biol Biochem 88:19–24
Dean JM, Mescher MC, De Moraes CM (2014) Plant Dependence on Rhizobia for Nitrogen Influences Induced Plant Defenses and Herbivore Performance. Int J Mol Sci 15:1466–1480
Dequiedt S, Saby NPA, Lelievre M, Jolivet C, Thioulouse J, Toutain B, Arrouays D, Bispo A, Lemanceau P, Ranjard L (2011) Biogeographical patterns of soil molecular microbial biomass as influenced by soil characteristics and management. Global Ecol Biogeogr 20:641–652
Dong CC, Wang W, Liu HY, Xu XX, Zeng H (2019) Temperate grassland shifted from nitrogen to phosphorus limitation induced by degradation and nitrogen deposition: Evidence from soil extracellular enzyme stoichiometry. Ecol Indic 101:453–464
Estel S, Kuemmerle T, Alcantara C, Levers C, Prishchepov A, Hostert P (2015) Mapping farmland abandonment and recultivation across Europe using MODIS NDVI time series. Remote Sens Environ 163:312–325
Fanin N, Fromin N, Buatois B, Haettenschwiler S (2013) An experimental test of the hypothesis of non-homeostatic consumer stoichiometry in a plant litter microbe system. Ecol Lett 16:764–772
Fierer N (2017) Embracing the unknown: disentangling the complexities of the soil microbiome. Nat Rev Microbiol 15:579–590
Fierer N, Bradford MA, Jackson RB (2007) Toward an ecological classification of soil bacteria. Ecology 88:1354–1364
Fierer N, Strickland MS, Liptzin D, Bradford MA, Cleveland CC (2009) Global patterns in belowground communities. Ecol Lett 12:1238–1249
Jia XY, Zhong Y, Liu J, Zhu G, Shangguan Z, Yan W (2020) Effects of nitrogen enrichment on soil microbial characteristics: From biomass to enzyme activities. Geoderma 366:114256
Jing X, Yang X, Ren F, Zhou H, Zhu B, He JS (2016) Neutral effect of nitrogen addition and negative effect of phosphorus addition on topsoil extracellular enzymatic activities in an alpine grassland ecosystem. Appl Soil Ecol 107:205–213
Kopacek J, Cosby BJ, Evans CD, Hruska J, Moldan F, Oulehle F, Santruckova H, Tahovska K, Wright RF (2013) Nitrogen, organic carbon and sulphur cycling in terrestrial ecosystems: linking nitrogen saturation to carbon limitation of soil microbial processes. Biogeochemistry 115:33–51
Leff JW, Jones SE, Prober SM, Barberán A, Borer ET, Firn JL, Harpole WS, Hobbie SE, Hofmockel KS, Knops JM (2015) Consistent responses of soil microbial communities to elevated nutrient inputs in grasslands across the globe. Proc Natl Acad Sci U S A 112:10967–10972
Li Y, Niu S, Yu G (2016) Aggravated phosphorus limitation on biomass production under increasing nitrogen loading: a meta-analysis. Glob Chang Biol 22:934–943
Liu WX, Jiang L, Yang S, Wang Z, Tian R, Peng ZY, Chen YL, Zhang XX, Kuang JL, Ling N, Wang SP, Liu LL (2020a) Critical transition of soil bacterial diversity and composition triggered by nitrogen enrichment. Ecology 101:e03053–e03053
Liu WX, Tian R, Peng ZY, Yang S, Liu XX, Yang YS, Zhang WH, Liu LL (2020b) Nonlinear responses of the V-max and K-m of hydrolytic and polyphenol oxidative enzymes to nitrogen enrichment. Soil Biol Biochem 141:107656
Lopez-Aizpun M, Arango-Mora C, Santamaria C, Lasheras E, Santamaria JM, Ciganda VS, Cardenas LM, Elustondo D (2018) Atmospheric ammonia concentration modulates soil enzyme and microbial activity in an oak forest affecting soil microbial biomass. Soil Biol Biochem 116:378–387
Marklein AR, Houlton BZ (2012) Nitrogen inputs accelerate phosphorus cycling rates across a wide variety of terrestrial ecosystems. New Phytol 193:696–704
Mehnaz KR, Corneo PE, Keitel C, Dijkstra FA (2019) Carbon and phosphorus addition effects on microbial carbon use efficiency, soil organic matter priming, gross nitrogen mineralization and nitrous oxide emission from soil. Soil Biol Biochem 134:175–186
Nannipieri P, Ascher J, Ceccherini MT, Landi L, Pietramellara G, Renella G (2017) Microbial diversity and soil functions. Eur J Soil Biol 68:12–26
Peng X, Wang W (2016) Stoichiometry of soil extracellular enzyme activity along a climatic transect in temperate grasslands of northern China. Soil Biol Biochem 98:74–84
Potthoff M, Steenwerth KL, Jackson LE, Drenovsky RE, Scow KM, Joergensen RG (2006) Soil microbial community composition as affected by restoration practices in California grassland. Soil Biol Biochem 38:1851–1860
Riggs CE, Hobbie SE (2016) Mechanisms driving the soil organic matter decomposition response to nitrogen enrichment in grassland soils. Soil Biol Biochem 99:54–65
Sanderman J, Hengl T, Fiske GJ (2017) Soil carbon debt of 12,000 years of human land use. Proc Natl Acad Sci U S A 114:9575–9580
Serna-Chavez HM, Fierer N, vanBodegom PM (2013) Global drivers and patterns of microbial abundance in soil. Global Ecol Biogeogr 22:1162–1172
Sinsabaugh RL, Follstad Shah JJ (2012) Ecoenzymatic Stoichiometry and Ecological Theory. Annu Rev Ecol Evol 43:313–343
Spohn M, Poetsch EM, Eichorst SA, Woebken D, Wanek W, Richter A (2016) Soil microbial carbon use efficiency and biomass turnover in a long-term fertilization experiment in a temperate grassland. Soil Biol Biochem 97:168–175
Steinweg JM, Dukes JS, Paul EA, Wallenstein MD (2013) Microbial responses to multi-factor climate change: effects on soil enzymes. Front Microbiol 4:146
Tian D, Niu S (2015) A global analysis of soil acidification caused by nitrogen addition. Environ Res Lett 10:1714–1721
van Diepen LTA, Lilleskov EA, Pregitzer S, Miller RM (2010) Simulated Nitrogen Deposition Causes a Decline of Intra- and Extraradical Abundance of Arbuscular Mycorrhizal Fungi and Changes in Microbial Community Structure in Northern Hardwood Forests. Ecosystems 13:683–695
Wang H, Shu D, Liu D, Liu S, Den N, An S (2020) Passive and active ecological restoration strategies for abandoned farmland leads to shifts in potential soil nitrogen loss by denitrification and soil denitrifying microbes. Land Degrad Dev 31:1086–1098
Xiao L, Liu GB, Zhang JY, Xue S (2016) Long-term effects of vegetational restoration on soil microbial communities on the Loess Plateau of China. Restor Ecol. 24:794–804
Xiao W, Chen X, Jing X, Zhu B (2018) A meta-analysis of soil extracellular enzyme activities in response to global change. Soil Biol Biochem 123:21–32
Xu X, Liu H, Song Z, Wang W, Hu G, Qi Z (2015) Response of aboveground biomass and diversity to nitrogen addition along a degradation gradient in the Inner Mongolian steppe, China. Sci Rep 5:10284
Xu X, Liu HY, Wang W, Song Z (2018) Patterns and determinants of the response of plant biomass to addition of nitrogen in semi-arid and alpine grasslands of China. J Arid Environ 153:11–17
Yadav R (2012) Soil organic carbon and soil microbial biomass as affected by restoration measures after 26 years of restoration in mined areas of Doon Valley. Int J Environ Sci 2:1380–1385
Yang Y, Yang Y, Geng Y, Huang G, Cui X, Hou M (2018) Effects of Different Land Types on Soil Enzyme Activity in the Qinghai Lake Region. Wetlands 38:711–721
Yue K, Peng Y, Peng C, Yang W, Peng X, Wu F (2016) Stimulation of terrestrial ecosystem carbon storage by nitrogen addition: a meta-analysis. Sci Rep 6:19895
Zechmeister-Boltenstern S, Keiblinger KM, Mooshammer M, Penuelas J, Richter A, Sardans J, Wanek W (2015) The application of ecological stoichiometry to plant-microbial-soil organic matter transformations. Ecol Monogr 85:133–155
Zeng J, Liu X, Song L, Lin X, Zhang H, Shen C, Chu H (2016) Nitrogen fertilization directly affects soil bacterial diversity and indirectly affects bacterial community composition. Soil Biol Biochem 92:41–49
Zhang C, Liu G, Xue S, Wang G (2016) Soil bacterial community dynamics reflect changes in plant community and soil properties during the secondary succession of abandoned farmland in the Loess Plateau. Soil Biol Biochem 97:40–49
Zhang C, Liu G, Song Z, Qu D, Fang L, Deng L (2017) Natural succession on abandoned cropland effectively decreases the soil erodibility and improves the fungal diversity. Ecol Appl 27:2142–2154
Zhang X, Zeng H, Wang W (2018a) Two contrasting seasonal patterns in microbial nitrogen immobilization from temperate ecosystems. Ecol Indic 93:164–172
Zhang TA, Chen HYH, Ruan H (2018b) Global negative effects of nitrogen deposition on soil microbes. ISME J 12:1817–1825
Zhou Z, Wang C, Jiang L, Luo Y (2017a) Trends in soil microbial communities during secondary succession. Soil Biol Biochem 115:92–99
Zhou Z, Wang C, Zheng M, Jiang L, Luo Y (2017b) Patterns and mechanisms of responses by soil microbial communities to nitrogen addition. Soil Biol Biochem 115:433–441
Zhou M, Yang Q, Zhang HJ, Yao XD, Zeng WJ, Wang W (2020) Plant community temporal stability in response to nitrogen addition among different degraded grasslands. Sci Total Environ 729:138886