Soil microbial community responding to moderately elevated nitrogen deposition in a Japanese cool temperate forest surrounded by fertilized grasslands

牧草地に囲まれた日本の冷温帯林における窒素沈着量の緩やかな増加に対する土壌微生物群集の応答

永野 博彦   ; 中山 理智*; 堅田 元喜*; 福島 慶太郎*; 山口 高志*; 渡辺 誠*; 近藤 俊明*; 安藤 麻里子  ; 久保田 智大* ; 舘野 隆之輔*; 小嵐 淳   

Nagano, Hirohiko; Nakayama, Masataka*; Katata, Genki*; Fukushima, Keitaro*; Yamaguchi, Takashi*; Watanabe, Makoto*; Kondo, Toshiaki*; Atarashi-Andoh, Mariko; Kubota, Tomohiro*; Tateno, Ryunosuke*; Koarashi, Jun

北海道の牧草地に囲まれた冷温帯林において、大気からの窒素沈着量と土壌の微生物群集特性との関係を調査した。窒素沈着量の緩やかな増大(年間10kg N/ha未満)が土壌微生物群集に及ぼす影響について明らかにすることを本研究の目的とした。調査対象の森林において6つの実験区画を設置し、そのうち3つを草地に隣接した林縁、他の3つを草地から少なくとも700m離れた林内に設置した。2018年5月から11月まで、各プロットでの窒素沈着を測定した。2018年8月には、すべての実験区画からリター層と表層土壌(深さ0-5cm)を収集し、微生物活性の指標として正味の窒素無機化と硝化速度、また微生物量の指標として微生物バイオマス炭素・窒素およびさまざまな微生物の遺伝子量(すなわち、細菌16S rRNA,真菌のITS,細菌のamoA、および古細菌のamoA遺伝子)を測定した。森縁の窒素沈着量は、林内の窒素沈着の1.4倍多かった一方、最も沈着量が多い場合でも3.7kg N/haであった。窒素沈着は、正味の窒素無機化および硝化速度、16S rRNAおよび細菌のamoA遺伝子の存在量と有意に相関していた。環境DNA解析に基づく土壌微生物群集構造は、リター層と表層土壌で異なっていたが、林縁と林内では類似していた。土壌の炭素/窒素比、および硝酸とアンモニウムの含有量に対する窒素沈着の有意な相関も観察された。以上より、窒素可給性の低い森林では、林縁における緩やかな窒素沈着の増大が土壌微生物の活性と存在量を増大させることが示された。

We analyzed the relationships between nitrogen deposition (deposition of nitrate and ammonium ions) and soil microbial properties in a cool temperate forest surrounded by normally fertilized pasture grasslands in northern Japan. The aim of the present study was to gain the primary information on soil microbial response to moderately elevated nitrogen deposition ( 10 kg N ha y). We established three experimental plots in the forest edge adjacent to grasslands and other three plots in the forest interior at least 700 m away from the grasslands. During May to November 2018, nitrogen deposition in each plot was measured. In August 2018, litter and soil (0-5 cm depth) samples were collected from all plots to measure net nitrogen mineralization and nitrification rates as indicators of microbial activity, and microbial biomass carbon and nitrogen and various gene abundances (i.e. bacterial 16S rRNA, fungal ITS, bacterial amoA, and archaeal amoA genes) as indicators of microbial abundance and structure. Nitrogen deposition in the forest edge was 1.4-fold greater than that in the forest interior, even while the maximum deposition was 3.7 kg N ha. Nitrogen deposition was significantly correlated to the net nitrogen mineralization and nitrification rates and the 16S rRNA and bacterial amoA gene abundances. Microbial community structures were different between litter and soil samples but were similar between the forest edge and interior. Significant correlations of nitrogen deposition to the soil carbon to nitrogen ratio, and the nitrate and ammonium contents were also observed. Thus, our results show that moderately elevated nitrogen deposition in nitrogen-limited forest edges can stimulate microbial activities and abundances in soils.