气候变化下水稻田氮素转化调控机制：作物-土壤系统氮动态对产量尺度N2O排放的协同加剧效应

针对气候变暖与CO2浓度升高(e[CO2])背景下水稻系统氮素动态不明确的问题，研究人员通过控制实验揭示了e[CO2]+增温(ECT)通过上调水稻亚硝酸还原酶基因(NiR1/2)表达、促进土壤硝化(AOB/AOA)与反硝化微生物(nirS/K)增殖，导致产量尺度N2O排放增加16.4-36.6%，为协调粮食安全与温室气体减排提供了关键靶点。

　　

随着工业革命后化石燃料的大量使用，大气CO₂浓度以每年2.4 μmol·mol^?1的速度递增，预计到2100年将达到538-670 μmol·mol^?1，全球气温上升1.5-2°C。作为第三大温室气体，N₂O虽然大气浓度仅为0.337 μmol·mol^?1，但其百年尺度的增温潜势是CO₂的298倍。水稻作为全球1.35×10⁸公顷的主要粮食作物，在干湿交替管理中通过硝化-反硝化过程释放N₂O，而增施氮肥进一步加剧了这一过程。然而，气候变暖与CO₂升高对稻田N₂O排放的影响机制存在争议，特别是作物-土壤氮素互作如何调控产量尺度N₂O排放仍不明确。

针对这一科学问题，南京信息工程大学的研究团队在《Field Crops Research》发表了重要研究成果。研究采用开顶式气室(OTC)平台，设置对照(CK)、CO₂升高200 μmol·mol^?1(EC)、增温2°C(ET)及其组合(ECT)四种处理，通过测定N₂O通量、水稻生物量/产量、叶片氮代谢酶基因表达、土壤微生物群落等指标，系统解析了气候变化的复合效应。

关键技术方法包括：1)开顶式气室自动调控CO₂浓度与温度；2)qPCR定量硝化(AOB/AOA)和反硝化(nirS/K)功能基因；3)酶联免疫法测定叶片硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)活性；4)气相色谱法监测N₂O通量；5)实时荧光定量PCR分析NiR1/2基因表达。

研究结果揭示：

1. 作物响应：ECT处理使成熟叶片NiR1/2基因表达显著上调，EC处理使2023-2024年水稻产量增加0.94-0.98 Mg·ha^?1，但ECT导致生物量下降1.45 Mg·ha^?1。

2. 微生物机制：e[CO₂]与增温协同促进氨氧化菌(AOB/AOA)和反硝化菌(nirS/K)丰度，提升土壤氨单加氧酶(AMO)和羟胺氧化酶(HAO)活性。

3. 排放效应：EC、ET和ECT处理的产量尺度N₂O排放较CK分别增加16.4%、31.2%和36.6%，呈现显著加性效应。

结论指出，气候变化通过"叶片氮代谢基因上调→根系氮吸收增强→土壤碳供给增加→微生物氮转化加速"的级联反应，使N₂O排放增幅超过产量增益。该研究首次阐明作物-土壤氮协同转化是产量尺度N₂O排放加剧的核心机制，为开发"减氮不减产"的稻田管理策略提供了理论依据，对实现"双碳"目标下的农业可持续发展具有重要意义。