土壤碳固存背景下微生物介导的氮保留与N2O减排机制研究

本研究针对农业氮利用效率低和N2O排放问题，通过长期田间试验揭示轮作系统通过调控碳氮比（C:NO3-）改变氨化菌（nrfA）与反硝化菌（nirK/nirS）的竞争格局，证实豆科轮作能降低硝酸盐有效性并促进N2O还原菌（nosZII）增殖，为兼顾土壤固碳与温室气体减排提供微生物学依据。

　　

随着全球农业氮肥利用率不足50%，过量氮素以氧化亚氮（N₂O）形式排放的问题日益严峻。这种温室气体的增温潜能是CO₂的300倍，其中约50%人为排放源自施肥土壤。传统观点认为提升土壤碳（C）含量会加剧N₂O排放，但瑞典农业科学大学的研究团队通过跨越40年的多地点田间试验，首次揭示豆科轮作系统能通过微生物群落重构实现"固碳减排双赢"。

研究团队选取瑞典三个气候带（北纬55.7°-63.8°）的长期定位试验，对比谷物连作（含秸秆还田处理）与三叶草-禾草轮作（ley）系统。通过定量功能基因（nrfA/nirK/nirS/nosZI/nosZII）、16S rRNA测序和潜在N₂O产生速率测定，结合土壤碳氮动态监测和产量分析，发现ley系统通过三个机制实现环境效益：①使土壤碳含量提升0.36%（粘壤土）至减缓碳损失（砂壤土）；②将硝酸盐（NO₃^-）含量降低35-60%，促使氨化菌相对丰度（nrfA:nir）与碳氮比呈正相关；③富集非反硝化型N₂O还原菌（nosZII），其与nosZI比值高达66:1。

主要技术方法
研究整合了跨学科技术：1）三地点长期田间试验（1970-2020）的土壤样本采集；2）qPCR定量功能基因（nrfA、nirK、nirS、nosZI、nosZII）；3）Illumina MiSeq平台16S rRNA基因测序；4）厌氧培养-气相色谱法测定潜在N₂O产生速率；5）近红外光谱估算粘粒含量。

3.1 土壤性质
ley系统在粘粒含量>20%的土壤中使碳储量增加0.36%，而谷物连作导致碳损失达1.31%。关键发现是ley系统始终维持更高碳氮比（C:NO₃^-），这主要源于植物持续吸收降低NO₃^-有效性，而非单纯碳输入增加。

3.2 氮转化功能潜力
虽然总功能基因丰度在ley系统中更高，但nrfA:nir比值（0.04-1.23）显示反硝化潜力仍占主导。值得注意的是，碳氮比仅与谷物系统的nrfA:nir呈正相关（ρ=0.49），表明ley系统通过降低NO₃^-有效性而非提升碳含量来促进氮保留。

3.3 原核微生物群落结构
PCoA分析显示ley系统显著改变群落结构（PERMANOVA R²=0.05），其中根瘤菌目（Rhizobiales）增加而硝化微生物（Nitrospirales）减少。这种重构使关键功能菌群与碳氮比的关联强度提升3倍。

3.4 系统响应
ley系统在低氮条件下使谷物增产12-18%，但高氮施肥会抵消这种效益。潜在N₂O产生速率与nosZII:nosZI呈强负相关（ρ=-0.62），证实clade II菌群对减排的关键作用。

这项研究颠覆了"固碳必增排"的传统认知，提出豆科轮作通过三重机制（碳截存-硝酸盐削减-功能菌群调控）实现农业可持续发展。特别值得注意的是，当土壤碳含量<2%时，硝酸盐有效性而非碳含量才是调控氨化菌与反硝化菌竞争的决定因素。该成果为《巴黎协定》农业减排目标提供了可操作的田间管理方案，其揭示的nosZII菌群主导机制（占比最高达98.5%）为开发新型微生物肥料提供了靶点。研究同时指出，当前nirK引物的覆盖偏差可能低估了反硝化菌多样性，这为后续方法学改进指明方向。