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

氮循环中微生物生物量（MB）调控一氧化二氮（N?O）排放的研究表明，MB增大显著提升耕作土壤（CS）和草地土壤（GS）的N?O产量，分别达105%和18%。不同外源C源（低/高C:N比苜蓿残体）与N共添加时，CS以高C/N残体+氮处理N?O排放最高，而GS以低C/N残体+氮处理排放峰值最大。MB通过调节土壤无机N和可溶性有机C影响N?O生成，其作用在CS中更依赖外源C输入，在GS中则与N添加协同。

　　微生物生物量（MB）在土壤氮（N）循环中扮演着至关重要的角色。然而，其对氧化亚氮（N?O）排放的影响，以及这种影响如何受到氮素可用性和外源碳（C）输入的影响，仍然缺乏深入理解。本研究选取了来源于相同母质但土壤基质不同的草地土壤（GS）和农田土壤（CS），通过预培养的方式调控微生物生物量的大小，随后将这些土壤分别添加外源碳源，包括禾本科植物（Lolium perenne L.）残留物或水提取的禾本科植物残留物，这些碳源在C:N比上存在差异（低和高），同时在有无氮素添加的情况下进行实验，以探讨其对N?O排放的影响。

在没有外源碳和氮输入的情况下，增加的微生物生物量导致CS土壤中N?O排放增加了105%，而GS土壤中增加了18%。在GS土壤处理中，结合低C:N比的禾本科残留物和氮素添加的处理获得了最高的N?O排放量，而在CS土壤中，高C:N比的水提取禾本科残留物与氮素添加的组合则诱导了最高的N?O排放。此外，CS土壤在微生物生物量增加后主要对碳输入作出反应，而GS土壤则对氮素添加表现出更高的敏感性，特别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响应外部碳或氮输入时对N?O排放的重要影响，并展示了外源碳源的化学特性如何与微生物和土壤特性相互作用，从而驱动N?O的产生。

微生物生物量不仅是土壤有机质变化的重要指标（Powlson等，1987；Zhang等，2017），其在调控土壤碳循环中的作用也已被广泛证实（Li等，2018；Li等，2019a）。鉴于碳和氮循环之间的紧密联系（Guenet等，2020），微生物生物量很可能也在调节氮循环中发挥重要作用。土壤中可矿化氮的大部分来源于微生物生物量氮（MBN）（Bonde等，1988），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（Li等，2019b）。已有研究表明，微生物生物量大小与N?O生产之间存在正相关（Zhang等，2017），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（Chen等，2013）。然而，一项全球性的元分析显示，在农田生态系统中，氮富集增加了MBN，而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）（Jia等，2020），这表明微生物生物量与土壤N?O排放之间的关系可能因土地利用类型而异。因此，理解微生物生物量大小在不同碳和氮条件下如何影响N?O排放具有重要意义，因为微生物活动的变化可能显著改变系统中氮的最终命运。

除了微生物生物量外，作物残留物也是土壤中重要的碳和氮输入来源，它们对N?O排放既有直接也有间接的影响（Olesen等，2023）。作物残留物的化学组成和C:N比决定了其质量和可降解性，这些特性对土壤氮循环，特别是N?O排放，有显著影响。容易分解的化合物，如水溶性有机碳（DOC），为反硝化细菌提供能量，促进电子传递，从而增加反硝化速率（Guo等，2020）。通常，添加C:N比低的作物残留物（相对富含易分解的碳和氮）会刺激异养分解者的生长，并改变其氧和营养需求，以及氨化和微生物氮同化过程，从而影响土壤中矿化氮的可利用性（Li等，2013）。相反，C:N比高的作物残留物分解速率较慢，微生物的生长可能受到更高能量需求的限制（Shi & Marschner，2014）。因此，添加C:N比低的作物残留物通常会比不添加残留物的土壤产生更多的N?O排放（Shan & Yan，2013；Weiler等，2018），而添加C:N比高的残留物则倾向于促进氮素固持，减少N?O的产生，因为微生物会竞争利用土壤中的氮素（Booth等，2005；Cheng等，2017）。此外，作物残留物的C:N比还通过调节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素固持和N?O的产生（Pugesgaard等，2017；Schmatz等，2020）。因此，理解作物残留物输入和氮素添加如何影响氮素矿化和固持对于制定减少N?O排放的策略至关重要。

氮肥的施用对N?O排放有显著影响，尤其是在与作物残留物输入结合的情况下（Li等，2023）。虽然氮素输入是维持作物产量所必需的，但它们也可能导致N?O的增加。氮肥的添加可能缓解某些微生物（如硝化细菌和反硝化细菌）对氮素的限制，这些微生物依赖于无机氮（IN）作为底物（Daly & Hernandez-Ramirez，2020）。硝化作用和反硝化作用是N?O产生的两个主要微生物途径，其中硝化作用是一种自养过程，而反硝化作用是一种异养过程（Goldberg & Gebauer，2009；Kraus等，2015；Tian等，2020）。这两种途径都对底物可用性和土壤环境条件（如土壤水分含量、温度、pH值、易分解碳的可用性和氧浓度）敏感（Butterbach-Bahl等，2013；Song等，2019）。然而，氮素添加对微生物生物量的影响在不同土地利用类型中存在差异。研究显示，氮素输入在未管理生态系统中往往会减少土壤微生物生物量，但在长期施肥的耕作系统中却会增加微生物生物量（Geisseler & Scow，2014；Jia等，2020；Zhou等，2017）。这些不同的反应可能源于土地利用历史所塑造的土壤特性差异。例如，未管理系统如草地土壤，通常具有较高的易分解碳含量和更丰富的微生物多样性，与农田土壤相比（Conant等，2017）。全球范围内，草地和农田分别贡献了大约6%–9%和22%–27%的总N?O排放（Tian等，2013, 2016；Zhuang等，2012），而氮素可用性被广泛认为是这些系统中N?O排放的关键限制因素（Guo等，2022）。鉴于N?O的产生与微生物生物量以及碳和氮的可用性密切相关，有必要研究这些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。

为了研究微生物生物量对N?O排放的影响，并评估作物残留物与氮素添加之间的相互作用如何改变这种影响，我们对两种具有不同土壤有机碳（SOC）含量的土壤（草地土壤[GS]和农田土壤[CS]）进行了预培养处理，分别加入葡萄糖以改变土壤微生物生物量的大小（Li等，2018）。我们假设增加微生物生物量的处理会显著增强GS土壤中的N?O排放，而在CS土壤中，作物残留物和氮素的联合添加会放大N?O的排放。我们进一步假设微生物生物量对N?O排放的影响会因SOC含量和土地管理历史而有所不同，反映出碳和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，这是应对气候变化的重要一步。

本研究的实验设计包括对两种预培养土壤（微生物生物量未改变[MB]和增加[+MB]）进行六种处理，每种处理有三个重复：（1）无添加（对照），（2）添加无机氮（N），（3）添加禾本科残留物（R），（4）添加禾本科残留物和无机氮（R + N），（5）添加水提取的禾本科残留物（WR），（6）添加水提取的禾本科残留物和无机氮（WR + N）。这总共形成了24种处理组合。所有处理的详细描述见表S1。实验方法的详细描述参考了Li等（2018）的研究。

在实验过程中，土壤样本被置于120 mL的样本杯中，并放置在含有2 mL去离子水的500 mL的广口瓶内，以维持土壤水分。实验在黑暗环境中进行，温度保持在22°C，持续42天。三个不含土壤和残留物的广口瓶用于监测背景N?O浓度。实验结束后，气体样本被收集并使用气相色谱系统（GC-2014，Shimadzu）配备电子捕获检测器进行分析。

为了计算N?O的排放速率，我们使用了公式：F = (P × (C_end - C_start) × V) / (m × T × t)，其中F是N?O的排放速率（μg N·g?1·d?1），P是标准大气压（101.3 Pa），C是处理与空白之间的气体浓度差（ppbv），V是气相体积（L），R是通用气体常数（8.314 J mol?1 K?1），m是干土壤质量（g），T是培养温度（°C），t是时间（d）。此外，氮素排放因子（EF，%）被计算为添加氮素中以N?O形式排放的比例，使用以下公式：EF = (N₂O_R+N或N₂O_N / N) × 100%，其中N₂O_R+N或N₂O_N表示在添加氮素和残留物或仅添加氮素的情况下土壤的累计N?O生产量，N是初始添加的氮素量。

在实验的前14天，添加氮素的处理（即N、R + N和WR + N）表现出显著更高的N?O排放速率，而这些差异随着培养时间的推移逐渐减弱甚至消失（图2）。具体来说，在CS土壤中，+MB处理在氮素添加条件下比MB处理增加了35%的N?O排放，而在GS土壤中，这一增加为23%（图2）。这表明，尽管两种土壤中氮素的可用性都较高，但氮素添加对N?O排放的影响在不同土壤中表现出不同的程度。在GS土壤中，+MB处理下N?O排放显著增加，这可能是由于高微生物生物量和DOC含量增强了反硝化作用，从而促进了N?O的产生。而CS土壤中，微生物生物量的增加对N?O排放的影响相对较小，这可能与土壤中较低的C可用性有关。

在CS土壤中，添加高C:N比的水提取禾本科残留物（WR）在+MB处理下显著增加了N?O排放，而低C:N比的禾本科残留物（R）则在MB处理下也表现出类似的增强效果（图2）。这表明，在C资源有限的土壤中，微生物生物量的增加可能通过促进氮素矿化和有机质分解，创造有利于反硝化作用的微环境，从而提高N?O的产生。然而，在GS土壤中，低C:N比的禾本科残留物（R）在+MB处理下产生了更多的N?O，而高C:N比的残留物（WR）则相对较少。这说明在C丰富的土壤中，微生物活动可能不受碳可用性的限制，因此氮素的添加可能更直接地影响N?O的排放。

此外，我们观察到，氮素添加显著增加了土壤中IN的浓度，从而导致N?O排放的增加（图3）。这表明，N?O的增加主要由添加的氮素驱动，尤其是在其输入量超过微生物固持能力的情况下（Peng等，2011）。类似的研究也表明，大多数N?O排放来源于氮肥的施用，而不是土壤本身的氮素（Daly & Hernandez-Ramirez，2020）。在C资源有限的条件下，氮素添加可能通过激发微生物分解土壤有机氮，以满足能量需求，从而释放出多余的氮作为NH??，成为N?O生产的底物（Farrell等，2014）。虽然微生物将NO??同化为MBN可以减少土壤中NO??的积累和环境损失（Cheng等，2017），但当氮素输入超过微生物需求时，这一过程可能被抑制。

在GS土壤中，添加植物残留物与氮素的联合处理比单独添加氮素或残留物的处理减少了氮素的影响，这可能是因为植物残留物促进了氮素的固持，减少了氮素对N?O排放的直接影响（图S1）。这一现象与观察到的N?O排放与MBN之间的负相关关系一致（图5），以及在MB处理中氮素的排放因子（EF）低于+MB处理（图4），其中MB处理中的微生物生物量更有可能进一步固持添加的氮素。因此，微生物生物量的大小及其与外源碳和氮输入的相互作用在调控N?O排放中起着关键作用。

总体而言，本研究揭示了微生物生物量大小对土壤N?O排放的显著影响，这种影响受到土壤碳可用性和养分动态的调节。研究结果强调了在不同土地利用系统中，将微生物生物量纳入氮管理策略的重要性，这为农业土壤中N?O排放的控制提供了科学依据。通过深入理解这些机制，我们可以更好地制定适应不同土壤条件的可持续农业实践，以减少温室气体的排放，保护生态环境，同时维持农业生产效率。