氮肥与生物炭协同调控亚热带油菜-大豆轮作系统土壤N2O排放的微生物机制

本研究针对农业氮肥过量使用导致土壤N2O排放加剧的问题，通过田间试验探究生物炭与氮肥配施对亚热带轮作系统微生物群落及功能基因（amoA/nirS/nirK/nosZ）的影响。发现高量生物炭（60 t ha?1）通过提升土壤TC、TN和pH显著增加N2O排放（大豆季增幅达245%），并改变关键菌门（Bacillota等）丰度。研究为优化农业碳氮管理提供了微生物学依据。

　　

在全球气候变化背景下，农业土壤排放的氧化亚氮（N₂O）因其265倍于CO₂的增温潜能备受关注。亚热带地区集约化农业中，油菜-大豆轮作系统因高温多雨和过量氮肥施用，成为N₂O排放热点。虽然生物炭被寄望于缓解这一问题，但其与氮肥的交互效应及微生物驱动机制尚不明确。南京的科研团队通过为期一年的田间试验，首次揭示了生物炭在亚热带轮作系统中"双刃剑"效应——高量生物炭竟使N₂O排放激增245%，相关成果发表于《European Journal of Soil Biology》。

研究采用三因素设计：三个氮肥水平（常规用量的50%/75%/100%）与三个生物炭梯度（0/15/60 t ha^?1），监测两季作物生长周期内的N₂O通量。通过高通量测序分析微生物群落，qPCR定量功能基因（amoA、nirS、nirK、nosZ），结合共现网络分析和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析驱动机制。

【Study site】实验在南京溧水区（31°46′N）开展，当地年均温16.4°C，土壤为粘壤土。研究创新性地发现季节依赖性效应：生物炭使油菜季和大豆季N₂O累计排放分别增加55-61.5%和200-245%，这种差异与土壤水分和碳氮动态密切相关。

【Effects on soil properties】60 t ha^?1生物炭使土壤总碳（TC）、总氮（TN）和pH显著提升，但意外降低铵态氮（NH₄⁺-N）含量。氮肥仅影响NH₄⁺-N短期波动，暗示生物炭对土壤的改良作用占主导。

【Microbial responses】生物炭显著增加α多样性指数（Chao1和Shannon），使Bacillota（厚壁菌门）相对丰度提升47.2%，同时降低Nitrospirota（硝化螺旋菌门）。功能基因检测显示，nosZ（编码N₂O还原酶）增幅低于nirS/nirK（亚硝酸盐还原酶），导致N₂O积累。

【Network analysis】共现网络揭示生物炭简化了微生物互作关系：大豆季高量生物炭处理节点数减少38%，平均路径长度增加，预示生态系统稳定性降低。PLS-PM模型证实，生物炭通过提升TC、TN和pH间接刺激反硝化过程，而氮肥主要通过硝化途径影响N₂O产生。

结论部分指出，生物炭的"碳激发效应"可能打破原有微生物平衡，在亚热带高氮背景下加剧N₂O排放。该发现挑战了"生物炭必然减排"的传统认知，强调需结合：1）精准量化功能基因比率（如(nirS+nirK)/nosZ）；2）季节动态监测；3）微生物网络稳定性评估来优化施用策略。研究为《巴黎协定》框架下的农业减排提供了重要科学依据，建议后续开展3-5年长期观测以验证时效性效应。论文通讯作者Xiaolin Liao团队特别指出，60 t ha^?1的生物炭施用量在实际应用中需谨慎评估经济环境效益比。