土壤有机质与凋落物周转调控N2 O通量动态及产生途径的机制研究

这篇研究通过对比耕地与草地土壤，揭示了有机碳（C）有效性如何通过调控硝化（nitrification）和反硝化（denitrification）途径影响N2 O排放。研究发现，C限制的耕地土壤以细菌反硝化为主导（贡献62-77%），而C丰富的草地土壤中硝化作用占51%；凋落物添加通过促进真菌反硝化（fungal denitrification）和局部缺氧微环境形成显著增加N2 O排放。研究强调需结合同位素模型（δ15 NSP N2O ）与功能基因（amoA /nosZ ）解析多过程贡献，为减排策略提供理论依据。

　　

引言

土壤有机质（SOM）通过调控养分有效性和微生物群落驱动碳（C）和氮（N）周转过程。植物凋落物等有机物料输入可显著改变土壤C/N转化，促进CO₂
和N₂
O生成。N₂
O作为强效温室气体，其产生涉及细菌/真菌反硝化、硝化菌反硝化（nitrifier denitrification）等多种途径，但不同土壤条件下主导过程的量化仍存争议。本研究通过对比C限制耕地与C丰富草地土壤，结合同位素与分子技术，阐明C有效性如何通过调控微生物过程影响N₂
O排放。

材料与方法

实验选取质地、C/N比差异显著的耕地（Luvisol）和草地土壤（Fluvic Gleysol），设置50%与60%水填充孔隙度（WFPS）及玉米凋落物添加处理。采用自动化培养系统监测CO₂
、NO、N₂
O和N₂
通量，并利用δ¹³
C-CO₂
区分凋落物与SOM来源的呼吸。通过贝叶斯同位素混合模型（FRAME）解析N₂
O来源（细菌/真菌反硝化、硝化），并定量功能基因（如amoA
、nirK
、nosZ
）。

结果

C/N动态与微生物响应
耕地土壤初始C/N比（5.6）低于草地（10），表现出显著C限制。凋落物添加使耕地土壤水溶性有机碳（WEOC）增加2倍，SOM衍生CO₂
通量提升10-14倍，相对激发效应（PE_rel
）达草地的10倍。草地土壤中NO₃
^-
持续积累，反映活跃的硝化作用。

N₂
O通量与过程贡献
耕地土壤N₂
O排放峰值出现早（1周内），细菌反硝化贡献62-77%；草地土壤则呈现双峰模式，初期以细菌反硝化为主，后期真菌反硝化占比上升（图4）。凋落物使两地N₂
O排放增加10-83倍，且与总CO₂
排放显著正相关（R2=0.55）。

功能基因与过程关联
真菌18S rRNA基因丰度与真菌反硝化贡献呈正相关（R2=0.52），而AOB amoA
基因与硝化衍生N₂
O相关。值得注意的是，nosZ
clade II在耕地土壤中丰度更高，可能影响N₂
O还原效率。

讨论

C有效性驱动过程转换
凋落物通过“海绵效应”吸收水分并促进局部缺氧，使耕地土壤在50% WFPS下即以细菌反硝化为主导。草地土壤因高SOM维持好氧环境，硝化作用贡献51% N₂
O，但凋落物诱导的呼吸耗氧（O₂
）迅速转向真菌反硝化。

湿度与纹理的协同作用
尽管60% WFPS普遍增加N₂
O排放，但草地土壤的黏土质地可能通过限制O₂
扩散增强缺氧微区。CO₂
通量作为O₂
需求指标，与N₂
O排放动态高度同步（耕地R2_c
=0.95），验证了C诱导的缺氧机制。

结论

研究揭示了SOM和凋落物周转通过调控C/N耦合关系决定N₂
O产生途径的异质性。未来需结合凋落物质量、土壤结构与非生物因子（如pH）深化过程解析，为精准减排提供依据。