大气中二氧化碳浓度的升高改变了水稻土壤中产生一氧化二氮（N2O）的微生物群落以及氮循环过程

《Plant and Soil》：Elevated atmospheric CO2 alters N2O-producing microbial communities and nitrogen cycling in paddy soils

本研究通过两年田间试验，比较了CO2浓度升高（200ppm）对水稻土中氨氧化（AOA/AOB）和反硝化微生物（nirS/nirK）的影响，发现其丰度显著增加，N2O排放量平均上升24%，同时促进土壤有机碳和酶活性，加剧N2O净产量的正向偏移。

　　

摘要

研究目的

本研究旨在通过田间试验，量化氨氧化微生物（AOA/AOB）和携带nirS/nirK基因的反硝化菌群的响应，阐明高浓度二氧化碳（eCO2）如何调节稻田土壤中与N2O相关的微生物过程。

方法

我们进行了为期两年的田间实验，设置了两组处理：环境二氧化碳浓度（CK）和较高浓度的二氧化碳（CK + 200 ppm），后者大致模拟了2100年预计的大气二氧化碳浓度（约600 ppm）。我们使用qPCR技术定量了氨氧化相关基因（amoA，包括古菌和细菌来源）以及反硝化相关基因（nirS、nirK、nosZ），并利用Illumina测序技术分析了nirS/nirK基因群落的组成；选择这些基因是因为amoA能够反映硝化作用，nirS/nirK能够反映限速步骤中的NO2-还原过程，而nosZ是唯一的微生物N2O吸收途径。

结果

在高浓度二氧化碳条件下，两年中多个水稻生长阶段氨氧化微生物（AOA和AOB）及nirS、nirK基因的丰度均显著增加（p < 0.05），而nosZ基因的丰度没有明显变化。尽管在某一实验组中灌浆期的反硝化N2O产生潜力较低，但总N2O排放量仍增加了17–29%，平均增幅为24%。此外，高浓度二氧化碳还提高了溶解有机碳含量和土壤酶活性，这表明硝化和反硝化作用得到增强，从而导致N2O的净产生量超过其消耗量。

结论

本世纪末的高浓度二氧化碳可能会增加氨氧化微生物和反硝化微生物的丰度及活性，使得N2O的产生量超过其消耗量，从而增加稻田土壤的N2O排放。这些发现对温室气体平衡以及高二氧化碳环境下淹水水稻系统的管理具有重要意义。

图形摘要

研究目的

本研究旨在通过田间试验，量化氨氧化微生物（AOA/AOB）和携带nirS/nirK基因的反硝化菌群的响应，阐明高浓度二氧化碳（eCO2）如何调节稻田土壤中与N2O相关的微生物过程。

方法

我们进行了为期两年的田间实验，设置了两组处理：环境二氧化碳浓度（CK）和较高浓度的二氧化碳（CK + 200 ppm），后者大致模拟了2100年预计的大气二氧化碳浓度（约600 ppm）。我们使用qPCR技术定量了氨氧化相关基因（amoA，包括古菌和细菌来源）以及反硝化相关基因（nirS、nirK、nosZ），并利用Illumina测序技术分析了nirS/nirK基因群落的组成；选择这些基因是因为amoA能够反映硝化作用，nirS/nirK能够反映限速步骤中的NO2-还原过程，而nosZ是唯一的微生物N2O吸收途径。

结果

在高浓度二氧化碳条件下，两年中多个水稻生长阶段氨氧化微生物（AOA和AOB）及nirS、nirK基因的丰度均显著增加（p < 0.05），而nosZ基因的丰度没有明显变化。尽管在某一实验组中灌浆期的反硝化N2O产生潜力较低，但总N2O排放量仍增加了17–29%，平均增幅为24%。此外，高浓度二氧化碳还提高了溶解有机碳含量和土壤酶活性，这表明硝化和反硝化作用得到增强，从而导致N2O的净产生量超过其消耗量。

结论

本世纪末的高浓度二氧化碳可能会增加氨氧化微生物和反硝化微生物的丰度及活性，使得N2O的产生量超过其消耗量，从而增加稻田土壤的N2O排放。这些发现对温室气体平衡以及高二氧化碳环境下淹水水稻系统的管理具有重要意义。

图形摘要