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原名：Calculation of fungal and bacterial inorganic nitrogen immobilization rates in soil
译名：土壤中真菌和细菌无机氮固定速率的计算
期刊：Soil Biology and Biochemistry
2019年影响因子：5.795
5年影响因子：6.767
在线发表：2020年12月
第一作者：李晓波
通讯作者：马倩倩
第一单位：中国科学院华南植物园
微生物无机氮（N）的固定化是土壤保留氮的重要机制。然而，由于土壤微生物的高度多样性和复杂性，目前还没有有效的方法来测定土壤中两种主要微生物群落——真菌和细菌对无机氮的固定速率。本文提出了一个数学框架，结合实验测定的无机氮总固定速率和真菌和细菌无机氮固定速率的指标，来量化土壤中真菌和细菌群落对无机氮的固定速率。该方法将有助于揭示土壤中微生物氮的保留机制。
土壤中真菌、细菌在土壤无机氮固定化中的相对重要性可能是不同的。尽管15N同位素示踪技术已经比较成熟，但由于土壤微生物的高度多样性和复杂性，量化土壤中真菌和细菌群落固定无机氮的速率仍具有挑战性。土壤氨基糖（AS，Amino sugars）作为微生物残体标记物，具有稳定性和异源性（土壤中的氨基葡萄糖（GlcN，glucosamine）主要来自真菌，而胞壁酸（MurN，muramic acid）仅来源于细菌，在【努力与收获】 第一篇文章中已有介绍），基于氨基糖的稳定同位素探针（15N-AS-SIP）已被用于指示土壤中真菌和细菌无机氮的固定速率（表征值）。由于不同微生物种类的含氮组分的组成不同，在不同生长条件下几乎也无法获得土壤中真菌和细菌生物量中GlcN和MurN的实际含量，而且目前还不清楚土壤中细胞含氮成分在细胞内和细胞外的转化速度。因此，直接将真菌和细菌所特有的15N标记氨基糖的合成速率转化为土壤中无机氮的实际固定速率也是一个挑战。本文提出了一个数学框架来估计真菌和细菌的无机氮固定速率与其各自的指标之间的转换系数，将总无机氮固定速率与真菌和细菌各自的无机氮固定速率指标相结合。通过这种方法可以得到土壤中真菌和细菌群落对无机氮的固定速率。
基于真菌和细菌是土壤微生物无机氮固定化的主要参与者的假设。如果在N（N≥2）个土壤样品上同时测定了总无机N固定速率（用15N同位素技术测定）和真菌和细菌无机N固定速率的指标（用15N-AS-SIP测定），则可以计算真菌和细菌群落对无机N的固定速率。
G — n个样品总微生物无机氮的固定速率（mg N kg−1d−1）；F — n个样品的真菌来源的15N-GlcN合成速率（mg N kg−1d−1）；B — n个样品的细菌来源的15N-MurN合成速率（mgN kg−1d−1）。
需要估计的2个参数：
KF：真菌来源的15N-GlcN合成速率到真菌无机N固定速率的换算系数；KB：细菌来源的15N-MurN合成速率到细菌无机N固定速率的换算系数。利用15N标记的氨基糖合成率和换算系数，估计的真菌和细菌无机氮固定速率，因此它们的和是估计的微生物总无机氮固定速率，再加上估计误差e就等于测得的微生物总无机氮固定速率。这个等式可以用矩阵格式重写，最后获得使残差平方和最小的最小二乘估计表达式。
为了说明这种方法的原理，本文使用Zhang等人（2013）报告的总NO3-固定速率和Li等人（2019）报告的15N标记氨基糖合成率计算了真菌和细菌的土壤硝酸盐（NO3-）固定速率。
结果表明，真菌在林地和农田土壤中的NO3-固定速率约为细菌的8.4倍和4倍，表明真菌是研究土壤中微生物NO3-固定的主导因素（表1）。与林地土壤相比，农业土壤中真菌和细菌的NO3-固定速率分别降低了0.34和0.03 mg N kg−1 d−1，这表明真菌NO3-固定速率的降低主导了土地利用变化引起的土壤微生物NO3-总固定速率的降低。
本文提供了一种有效的方法，绕过了直接测量或估计土壤中真菌和细菌无机氮固定速率的瓶颈，即之前提到的直接将真菌和细菌特异性的15N标记氨基糖的合成率转化为土壤中实际无机氮固定速率的不可行性。用数学而不是完全通过实验测定的方法来量化土壤无机氮固定化中真菌和细菌群落的相对重要性。该数学框架利用实验可获得的无机氮总固定速率以及真菌和细菌无机氮固定速率的指标来估算真菌和细菌无机氮固定速率与其各自指标之间的换算系数。换算系数主要取决于土壤微生物群落的组成和活性。考虑到不同生态系统的微生物群落可能存在较大差异，这些生态系统之间的换算系数可能不同。本文提出的数学方法不仅依赖于15N稀释和15N-AS-SIP技术的结果，未来需要进行广泛的实验研究，以进一步验证和限制这种方法在不同生态系统中的应用。这种方法依赖于简化的假设，即只有真菌和细菌参与土壤微生物无机氮的固定。这一假设可能并不完全成立，因为古菌也可能有助于无机氮的固定化。考虑到古菌含有GlcN，但不含MurN，采用该方法，古菌的贡献（如果有的话）包括在真菌无机氮固定速率中。然而，考虑到古生菌占土壤微生物生物量的比例小于1%，这种假设造成的误差可能很小。相比之下，在不向土壤中添加外源抑制剂（如链霉素等）的情况下，该方法的估算结果更接近实际情况。值得注意的是，这两种方法仅限于区分真菌和细菌，不能进一步阐明真菌或细菌的不同微生物类群对土壤中微生物无机氮固定化的贡献。土壤中真菌或细菌对无机氮的固定速率与真菌或细菌群落组成的变化有关。以真菌为例，可以将真菌群落组成与真菌无机氮固定速率联系起来，进一步揭示土壤固定无机氮的真菌中不同真菌种类的相对贡献。此外，将真菌和细菌群落对无机氮的固定速率与真菌和细菌生物量的估算结合起来，计算土壤中每单位生物量的无机氮固定速率也很有意义。这样的测量可以指示真菌或细菌的个体活性，这将有助于进一步将具有不同生活史的不同微生物类群之间的无机氮固定速率联系起来。本文提出了一个数学方法，结合实验测定的无机氮总固定速率和真菌和细菌无机氮固定速率的指标（合成速率）来量化土壤中真菌和细菌群落的无机氮固定速率。这种方法虽然有其局限性，但它使我们第一次能够弄清真菌和细菌对土壤中含氮基质固定化的实际贡献。将真菌和细菌无机氮固定速率整合到陆地生态系统模型（如微生物模型）中，将提高我们理解、预测和管理不同情景下土壤中氮保留容量的能力。
[1] Li X , He H , Zhang X , et al.Calculation of fungal and bacterial inorganic nitrogen immobilization rates insoil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2020.
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