亚热带森林土壤中真菌和细菌反硝化基因对季节变化、氮沉降及降水减少的差异性响应机制研究

中国亚热带森林是全球N2O的重要自然排放源，但真菌反硝化作用长期被忽视。福建师范大学团队通过控制实验，首次揭示真菌nirK与细菌nirK/nirS基因对氮沉降(ND)和降水减少(PE)的差异化响应：真菌冬季活跃依赖有效磷(AP)，细菌夏季主导受pH/AP调控，ND抑制而PE仅影响细菌。该研究为气候变局下N2O排放模型优化提供关键微生物学依据。

　　

在全球气候危机加剧的背景下，温室气体减排已成为迫在眉睫的科学议题。其中，氧化亚氮(N₂O)的温室效应强度是二氧化碳(CO₂)的273倍，同时还会破坏臭氧层。中国亚热带森林因其温暖湿润的气候和酸性土壤条件，已成为全球重要的N₂O自然排放热点区域。这主要源于两个关键驱动因素：人类活动导致的大气氮沉降持续增加，以及气候变化引发的降水格局改变。虽然传统研究认为细菌主导着土壤反硝化过程（通过nirK和nirS基因编码的亚硝酸还原酶），但最新证据表明，缺乏nosZ基因的真菌可能才是N₂O排放的"隐形推手"——因为它们只能将硝酸盐还原至N₂O而无法进一步转化为氮气(N₂)。然而，关于真菌与细菌反硝化功能基因如何响应环境变化的系统性研究仍属空白。

福建师范大学的研究团队在三明森林生态系统国家野外科学观测研究站开展了一项创新性工作。通过采用随机区组设计设置对照(CT)、氮沉降(ND)、降水减少(PE)及其复合处理(PEND)，结合夏季和冬季采样，运用定量PCR技术检测了细菌nirK/nirS和真菌nirK基因丰度，并采用随机森林模型解析环境驱动因子。研究揭示了三个重要发现：

【真菌和细菌反硝化基因丰度呈现显著季节差异】

冬季土壤中真菌nirK基因丰度较夏季提升42%，这与冬季升高的土壤pH值呈正相关。相反，细菌nirK基因在夏季更活跃，而nirS基因则保持季节稳定性。这种分化可能源于真菌对低温的适应性——其细胞膜富含不饱和脂肪酸，能在寒冷条件下维持代谢活性。

【氮沉降与降水减少产生差异化影响】

ND处理使冬季真菌和细菌nirK基因丰度分别降低31%和28%，夏季细菌nirS基因减少19%。PE处理则选择性抑制冬季细菌nirK(降低24%)和nirS(降低17%)，但对真菌nirK无显著影响。这种"真菌抗性"可能与其菌丝网络的水分运输能力和甘油三酯储备有关。

【环境驱动因子存在微生物特异性】

随机森林分析显示，有效磷(AP)是调控真菌nirK的最强因子(贡献度38%)；细菌nirK受pH和AP共同调控；而铵盐(NH₄⁺)是细菌nirS的主要调节者。这种营养需求的差异暗示两类微生物可能占据不同的生态位。

这项发表于《Applied Soil Ecology》的研究首次系统阐明了亚热带森林中真菌与细菌反硝化功能群落的响应机制差异。其创新价值体现在三个方面：首先，修正了传统认知中忽视真菌贡献的偏差，证明真菌可能在冬季N₂O排放中起主导作用；其次，揭示了降水减少可能通过改变磷循环间接影响N₂O排放；最后，为构建包含微生物功能群的N₂O预测模型提供了参数依据。这些发现对制定亚热带森林可持续管理策略具有重要指导意义，特别是在全球氮沉降持续增加和极端干旱事件频发的背景下。