桉树人工林土壤温室气体排放与微生物功能基因对污泥施用的差异化响应机制研究

本研究针对人工林施肥加剧土壤温室气体(GHGs)排放的问题，通过设置不同污泥(SS)施用量梯度(0-45 t hm?2)，揭示了SS施用通过调节AOB(氨氧化细菌)丰度促进N2O排放，通过改变mcrA/pmoA基因比例影响CH4吸收的微生物机制，为人工林可持续施肥提供了理论依据。

　　

在全球积极推进人工林建设以应对气候变化的背景下，施肥措施在维持人工林生产力的同时，却可能通过刺激土壤微生物活动增加温室气体(GHGs)排放，部分抵消其碳汇效益。这一问题在快速生长的桉树(Eucalyptus)人工林中尤为突出。传统无机肥料的长期使用会导致土壤酸化并加剧N₂O排放，而富含有机质和营养元素的市政污泥(SS)作为替代肥料，其对土壤GHGs排放和微生物功能基因的影响机制尚不明确。

针对这一科学问题，来自中国的研究团队在广东鼎湖山森林生态系统定位站建立了SS施用梯度实验(0、15、30、45 t hm^?2)，通过连续18个月的动态监测，系统解析了SS施用对土壤CO₂、N₂O和CH₄排放的影响规律及其微生物驱动机制。研究采用静态箱-气相色谱法测定GHGs通量，结合qPCR定量分析氨氧化微生物(AOA/AOB)和甲烷循环功能基因(mcrA/pmoA)丰度，并检测了土壤理化性质及重金属含量变化。

土壤理化性质与重金属变化
SS施用显著提升土壤pH值(增幅0.3-0.8单位)和全氮含量(增加16.8%-94.5%)，但有效氮仅在施用初期短暂增加。值得注意的是，高剂量SS(45 t hm^?2)导致土壤镍(Ni)和铬(Cr)含量显著积累，这些重金属与持续升高的CO₂排放呈正相关。

温室气体排放季节动态
研究首次发现桉树林在旱季表现为CH₄汇(平均通量-34.0 μg m^?2 h^?1)，而SS-30/45处理在雨季显著增强CH₄吸收。N₂O排放对SS响应最敏感，年累积排放量比对照增加4.6倍，这与污泥带入的氮素和升高的pH值共同促进AOB群落增长有关。CO₂排放呈现"前期激增、长期持续"特征，即使18个月后仍显著高于对照。

微生物功能基因响应
分子机制分析表明：1) AOB(而非AOA)丰度与N₂O排放呈显著正相关，证实硝化作用主导N₂O产生；2) SS-30/45处理通过降低mcrA/pmoA基因比值(降幅达62%)增强CH₄氧化；3) 反硝化基因nosZ表达受总磷含量调控，但与N₂O排放无显著相关性。

该研究创新性地揭示了SS施用通过"土壤pH-重金属-微生物功能基因"多维调控网络影响GHGs排放的复合机制。研究结果发表于《Forest Ecology and Management》，为人工林生态系统精准施肥提供了重要科学依据：中等剂量SS(30 t hm^?2)既能改善土壤肥力，又可通过优化微生物群落结构实现GHGs减排协同效应。未来研究需重点关注SS中重金属的长期生态风险及其与有机质的交互作用。