東北地理所在土壤微生物量與氧化亞氮排放關(guān)聯(lián)機(jī)制研究取得新進(jìn)展
氧化亞氮（N?O）是一種強(qiáng)效溫室氣體，其全球增溫潛勢是二氧化碳的 298 倍。農(nóng)業(yè)土壤是人為源N?O排放的主要來源，約占全球人為排放總量的 60%。土壤微生物量作為氮循環(huán)的核心驅(qū)動因子，其與外源碳氮輸入如何協(xié)同影響N?O排放，長期以來尚未明確。針對以上問題，東北地理所等科研團(tuán)隊(duì)首次闡明了土壤微生物量大小與氮素有效性和外源碳輸入的交互作用對N?O排放的調(diào)控機(jī)制，為不同土地利用類型的溫室氣體減排提供了科學(xué)依據(jù)。
為破解這一科學(xué)難題，研究團(tuán)隊(duì)選取了源自同一母質(zhì)但土壤基質(zhì)存在差異的農(nóng)田土壤和草地土壤，通過葡萄糖預(yù)培養(yǎng)調(diào)控微生物量大小，隨后添加不同碳氮比的黑麥草殘?bào)w（低碳氮比）和熱水浸提黑麥草殘?bào)w（高碳氮比），并設(shè)置施氮與不施氮處理，探究了微生物量大小、外源碳氮輸入對不同土地利用類型N?O排放的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在無外源碳氮輸入條件下，微生物量的增加使農(nóng)田土壤和草地土壤的N?O排放量分別提升 105% 和 18%，證實(shí)了微生物量大小是調(diào)控N?O排放的關(guān)鍵因子（圖1）。不同土地利用類型對碳氮輸入的響應(yīng)存在顯著差異：農(nóng)田土壤中，高碳氮比黑麥草殘?bào)w與施氮結(jié)合處理的N?O排放量最高；而草地土壤則在低碳氮比黑麥草殘?bào)w與施氮組合下排放量最大。
圖1土壤微生物量大小、植物殘?bào)w和氮素添加對氧化亞氮（N2O）排放的影響
分析表明，低碳氮比的植物殘?bào)w易分解，能快速為微生物提供能量，促進(jìn)反硝化過程；高碳氮比殘?bào)w則會增強(qiáng)微生物對氮素的固定，在農(nóng)田土壤中卻因微生物量增加而緩解了這一效應(yīng)，反而促進(jìn)了N?O排放。值得注意的是，在低碳農(nóng)田土壤中，微生物量的增加主要響應(yīng)外源碳的輸入，微生物量碳的動態(tài)變化是主要控制因子。而碳含量較高的草地土壤對氮素添加更為敏感，其N?O排放因子顯著高于農(nóng)田土壤（圖2）， 進(jìn)一步證實(shí)微生物量氮和無機(jī)氮的動態(tài)變化是驅(qū)動其N?O排放的關(guān)鍵調(diào)控因子。研究成果不僅深化了對土壤碳氮循環(huán)與溫室氣體排放關(guān)系的科學(xué)認(rèn)知，更為我國踐行 "雙碳"目標(biāo)、推進(jìn)農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。
圖2土壤微生物量大小和植物殘?bào)w添加對農(nóng)田和草地土壤氧化亞氮排放因子（EF）的影響
該研究揭示了微生物量大小與外源碳氮輸入的化學(xué)計(jì)量特征、土壤屬性之間的復(fù)雜交互作用，明確了不同土地利用類型N?O排放的關(guān)鍵驅(qū)動因子。基于研究結(jié)果，未來可通過調(diào)控土壤微生物量水平、優(yōu)化外源碳輸入類型（如根據(jù)土壤碳含量選擇合適碳氮比的有機(jī)肥或作物殘?bào)w）等措施，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的溫室氣體精準(zhǔn)減排。
該成果發(fā)表于國際重要期刊《美國土壤科學(xué)學(xué)會雜志》（Soil Science Society of America Journal）。研究由東北地理所尤孟陽副研究員（現(xiàn)廣州大學(xué)副教授）、李祿軍研究員（通訊作者）、美國加州大學(xué)戴維斯分校William R. Horwath教授和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校Xia Zhu‐Barker共同完成，得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院國際合作項(xiàng)目等共同資助。
Mengyang You,?Lu‐Jun Li,?William R. Horwath,?Xia Zhu‐Barker.?2025. Linking changes in soil microbial biomass size and nitrogen availability to increased N2O production,Soil Science Society of America Journal,?89: e70143. https://doi.org/10.1002/saj2.70143
前期相關(guān)論文：
1. Lu-Jun Li,?Rongzhong Ye,?Xia Zhu-Barker,?William R. Horwath. 2019. Soil microbial biomass size and nitrogen availability regulate the incorporation of residue carbon into dissolved organic pool and microbial biomass. Soil Science Society of America Journal,83: 1083-1092. https://doi.org/10.2136/sssaj2018.11.0446
2. Lu-Jun Li,?Xia Zhu-Barker,?Rongzhong Ye,?Timothy A.?Doane,William R. Horwath. 2018.?Soil microbial biomass size and soil carbon influence the priming effect from carbon inputs depending on nitrogen availability.?Soil Biology & Biochemistry.119:?41–49. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.01.003
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