将土壤微生物生物量大小的变化和氮素可用性的变化与氮氧化物（N2O）产量的增加联系起来

《Soil Science Society of America Journal》：Linking changes in soil microbial biomass size and nitrogen availability to increased N2O production

微生物生物量（MB）对土壤N?O排放的影响及与C/N输入的交互作用研究。通过比较草地（GS）和农田（CS）土壤在MB调控及外源C/N添加下的N?O动态，发现MB增大显著提升N?O排放（CS+105%，GS+18%），且与土壤有机碳含量及N输入方式相关。CS中高C/N水提黑麦草与N共添加时N?O最高，而GS中低C/N黑麦草残留更显著。MB通过调节微生物氮（MBN）和反硝化活性影响N?O排放，显示土壤类型和有机质水平对MB驱动N?O的关键机制存在调控差异。

　　微生物生物量（MB）在土壤氮（N）循环中扮演着关键角色。然而，其对氧化亚氮（N?O）生成的影响，以及这种影响如何受到氮供应和外源碳（C）输入的调控，目前仍不明确。本研究选取了源自相同母质但土壤基质不同的草地土壤（GS）和农田土壤（CS），通过预培养方式改变微生物生物量的大小。随后，向这些土壤中添加外源碳源，包括具有不同碳氮比（C:N）的黑麦草（*Lolium perenne* L.）残渣或水提取的黑麦草残渣，并在有无氮添加的条件下，探讨其对N?O生成的影响。在没有外源碳和氮输入的情况下，CS和GS土壤中微生物生物量的增加分别导致N?O生成量上升了105%和18%。在GS处理中，结合低C:N比的黑麦草残渣和氮添加的处理产生了最高的N?O生成；而在CS中，高C:N比的水提取黑麦草残渣与氮添加的组合则诱导了最大的N?O生成。此外，CS土壤对微生物生物量增加的反应主要体现在外源碳输入上，而GS土壤则表现出对氮添加更高的敏感性，尤其是通过微生物生物量氮（MBN）和无机氮（IN）的变化，这些是N?O排放的关键调控因子。这些发现强调了微生物生物量大小在应对外部碳或氮输入时对N?O排放的重要性，并展示了外源碳源的化学特性如何与微生物和土壤属性相互作用，从而驱动N?O生成。

N?O是一种具有强烈温室效应的气体，对全球气候变化和臭氧层破坏有显著影响。据估计，约60%的人为N?O排放来源于农业土壤，其中微生物过程如硝化作用和反硝化作用是主要的排放途径。这些过程受到土壤微生物活性、无机氮含量以及可溶性碳的可用性的影响。微生物被视为有机质分解过程的主要驱动力，它们既是营养物质的来源，也是其储存者，影响有机质周转、氮循环以及营养物质的释放与固定等过程。微生物生物量的大小是这些过程的重要影响因素，它不仅是土壤有机质变化的指示器，还对土壤碳循环具有显著的调控作用。鉴于碳和氮循环之间存在紧密联系，微生物生物量很可能也参与了氮循环的调控。

在一般情况下，土壤可矿化氮的大部分来源于微生物生物量氮（MBN）。更大的微生物生物量可能促进微生物的再激活或繁殖，从而刺激土壤N?O的排放。已有研究表明，微生物生物量的大小与N?O生成量之间存在正相关关系。这种关系主要归因于碳和氮的可用性，它们支持微生物将氮化合物转化为N?O的过程。然而，一项全球范围的元分析显示，在农田中氮富集增加了MBN，但在草地和森林生态系统中却显著降低了MBN和微生物生物量碳（MBC）。这表明，微生物生物量与土壤N?O生成之间的关系可能因土地利用类型而异。因此，了解在不同碳和氮条件下微生物生物量大小如何影响N?O排放，对于掌握微生物活动变化对系统中氮命运的影响具有重要意义。

除了微生物生物量外，作物残渣也是土壤中重要的碳和氮输入来源，并能通过直接和间接的方式影响N?O排放。作物残渣的化学组成和碳氮比不同，这决定了其质量和可降解性，进而强烈影响土壤氮循环，特别是N?O的排放。易于分解的化合物，如水溶性有机碳（DOC），为反硝化细菌提供能量，促进电子传递并增加反硝化速率。总体而言，碳氮比较低的作物残渣（相对富含可分解的碳和氮）会刺激异养分解者的生长，改变其对氧气和营养的需求，以及氨化和微生物氮同化过程，从而影响土壤中可矿化氮的可用性。相反，碳氮比较高的作物残渣分解速率较慢，微生物生长可能受到更高能量需求的限制。因此，添加碳氮比低的作物残渣通常会比不添加残渣的土壤增加N?O排放，而添加碳氮比高的作物残渣则倾向于促进氮的固定，减少N?O的生成。此外，作物残渣的碳氮比还通过改变碳和氮的可用性间接影响土壤N?O排放，从而通过复杂的微生物转化过程影响氮的固定和N?O的生成。因此，理解作物残渣输入和氮添加如何影响氮矿化和固定，对于制定减少N?O排放的策略至关重要。

氮肥的添加显著影响N?O排放，尤其是在与作物残渣输入结合的情况下。虽然氮输入是维持作物产量所必需的，但它也可能导致N?O生成量的增加。氮肥的添加可能缓解某些微生物如硝化菌和反硝化菌的氮限制，这些微生物依赖于无机氮（IN）作为底物。硝化作用和反硝化作用是N?O生成的两条主要微生物途径，其中硝化作用是自养过程，而反硝化作用则是异养过程。这两种途径都对底物可用性和土壤环境条件敏感，包括土壤水分含量、温度、pH值、可溶性碳的可用性以及氧气浓度。然而，氮添加对微生物生物量的影响在不同的土地利用类型中有所不同。研究表明，在未管理的生态系统中，氮输入通常会减少土壤微生物生物量，但在长期施肥的耕作系统中则会增加微生物生物量。这些不同的反应可能源于土地利用历史所塑造的土壤性质差异。例如，未管理的土壤如草地通常具有较高的可溶性碳和更丰富的微生物多样性，与农田相比，这些特征可能影响氮的循环过程。

全球范围内，草地和农田分别贡献了约6%–9%和22%–27%的总N?O排放。氮的可用性被认为是这些系统中N?O排放的关键限制因素。鉴于N?O生成与微生物生物量及碳氮可用性密切相关，研究不同土地利用系统中土壤N?O排放对外源碳和氮输入的响应机制具有重要意义。为此，我们预培养了两种具有不同土壤有机碳（SOC）含量的土壤（草地土壤和农田土壤），并使用和不使用葡萄糖来改变土壤微生物生物量的大小。我们假设，增加微生物生物量的处理会显著增强草地土壤中的N?O排放，而作物残渣与氮的联合添加则会放大农田土壤中的N?O排放。我们进一步假设，微生物生物量对N?O排放的影响可能因SOC含量和土地管理历史而异，这反映了碳氮循环之间的复杂相互作用。通过识别N?O排放的驱动因素，特别是微生物生物量及其与外源碳和氮输入的相互作用，本研究旨在为农业土壤中N?O排放的缓解策略提供见解，这一步对于应对气候变化至关重要。

为了研究微生物生物量对N?O排放的影响，并评估作物残渣与氮添加的相互作用如何改变这一影响，我们对两种具有不同SOC含量的土壤（GS和CS）进行了预培养，分别添加葡萄糖以改变微生物生物量的大小。我们假设，增加微生物生物量的处理会显著增强草地土壤中的N?O排放，而作物残渣与氮的联合添加则会放大农田土壤中的N?O排放。我们进一步假设，微生物生物量对N?O排放的影响可能因SOC含量和土地管理历史而异，这反映了碳氮循环之间的复杂相互作用。通过识别N?O排放的驱动因素，特别是微生物生物量及其与外源碳和氮输入的相互作用，本研究旨在为农业土壤中N?O排放的缓解策略提供见解，这一步对于应对气候变化至关重要。

本研究的实验设计旨在评估微生物生物量大小对N?O排放的影响，以及外源碳和氮输入如何调节这一过程。通过比较不同处理下的N?O排放情况，我们希望揭示微生物生物量与土壤氮循环之间的相互作用机制。实验结果表明，增加微生物生物量在一定程度上促进了N?O的生成，但其影响在不同土壤类型中存在差异。例如，在没有外源碳输入的情况下，CS土壤中微生物生物量的增加导致N?O排放增加了105%，而GS土壤则仅增加了18%。这说明，微生物生物量对N?O排放的调控作用可能与土壤的碳氮比和微生物活动水平密切相关。此外，外源碳源的添加（如作物残渣）在不同土壤类型中也表现出不同的影响。例如，在CS土壤中，添加碳氮比高的水提取黑麦草残渣显著增加了N?O的排放，而在GS土壤中，添加碳氮比低的黑麦草残渣则产生了更高的N?O排放。这表明，土壤的碳氮比和微生物生物量的特性在调节N?O排放中起着重要作用。

本研究的实验结果显示，氮的添加对N?O排放具有显著影响。在所有处理中，氮的添加导致N?O排放增加，尤其是在氮输入超过微生物固定能力的情况下。此外，作物残渣与氮的联合添加在一定程度上增强了N?O的排放，这可能与残渣的分解过程和氮的可用性有关。然而，微生物生物量对N?O排放的影响在不同土壤类型中存在差异。例如，在CS土壤中，氮的添加促进了N?O的排放，而在GS土壤中，氮的添加反而降低了N?O的排放。这可能与GS土壤中微生物生物量的高值和更高的氮利用效率有关，使得氮的添加对N?O排放的影响相对较小。这些结果强调了微生物生物量大小在不同土地利用系统中对N?O排放的调控作用，并揭示了外源碳和氮输入如何影响这一过程。

本研究还发现，微生物生物量的增加对N?O排放的影响可能受到土壤碳氮比和微生物活性的调控。在CS土壤中，微生物生物量的增加显著促进了N?O的排放，而在GS土壤中，这种影响则相对较小。这表明，不同土壤类型对微生物生物量变化的响应可能不同，这与土壤的碳氮比和微生物活动水平有关。此外，研究还表明，外源碳源的添加在不同土壤类型中对N?O排放的影响也存在差异。例如，在CS土壤中，碳氮比高的水提取黑麦草残渣导致N?O排放显著增加，而在GS土壤中，碳氮比低的黑麦草残渣则产生了更高的N?O排放。这进一步说明，外源碳源的碳氮比在调节N?O排放中起着关键作用。

研究还探讨了氮添加对N?O排放的调控机制。氮的添加不仅增加了土壤中无机氮的浓度，还可能通过刺激微生物活动和促进氮的矿化过程来增强N?O的生成。在某些情况下，氮的添加可能与微生物的固定能力之间存在竞争，从而影响氮的可用性和N?O的排放。例如，在CS土壤中，氮的添加促进了N?O的排放，而在GS土壤中，氮的添加则降低了N?O的排放。这可能与GS土壤中微生物生物量的高值和更高的氮利用效率有关，使得氮的添加对N?O排放的影响相对较小。这些结果表明，微生物生物量的大小和碳氮比在调节N?O排放中起着关键作用，并强调了在不同土地利用系统中，应考虑微生物生物量的变化对氮循环的影响。

本研究的实验设计和结果揭示了微生物生物量与外源碳和氮输入之间的复杂相互作用。通过分析不同处理下的N?O排放情况，我们发现微生物生物量的增加在一定程度上促进了N?O的生成，但其影响在不同土壤类型中存在差异。例如，在CS土壤中，微生物生物量的增加显著增强了N?O的排放，而在GS土壤中，这种影响则相对较小。这表明，不同土壤类型对微生物生物量变化的响应可能不同，这与土壤的碳氮比和微生物活动水平有关。此外，外源碳源的添加在不同土壤类型中对N?O排放的影响也存在差异。例如，在CS土壤中，碳氮比高的水提取黑麦草残渣导致N?O排放显著增加，而在GS土壤中，碳氮比低的黑麦草残渣则产生了更高的N?O排放。这进一步说明，外源碳源的碳氮比在调节N?O排放中起着关键作用。

综上所述，本研究揭示了微生物生物量大小对N?O排放的显著影响，并指出外源碳和氮输入如何调节这一过程。通过分析不同处理下的N?O排放情况，我们发现微生物生物量的增加在一定程度上促进了N?O的生成，但其影响在不同土壤类型中存在差异。这些结果强调了微生物生物量在调节N?O排放中的关键作用，并揭示了外源碳和氮输入如何影响这一过程。此外，研究还表明，外源碳源的碳氮比在调节N?O排放中起着重要作用，这为制定减少农业土壤N?O排放的策略提供了新的视角。