锰浓度调控农业土壤氮循环：揭示长期施氮背景下微生物驱动的硝化-反硝化路径与N2O减排机制

《Applied Surface Science Advances》：Manganese concentration influences nitrogen cycling in agricultural soil

本研究通过微宇宙实验揭示锰（Mn）添加在长期施氮（N）土壤中通过激活硝酸/亚硝酸盐依赖性锰氧化（NDMO）和锰依赖型氨氧化（Mnammox）等微生物途径，显著降低无机氮库25%与累积N2O排放42%，为农业温室气体减排和氮肥高效利用提供新靶点。

　　

Highlight

我们发现锰添加能有效降低具有氮富集背景土壤中的无机氮和N₂O排放。通过使用具有数十年差异化氮管理历史的土壤，我们评估了锰-氮耦合作用在由长期管理塑造的不同本底状态下的表现。相较于单一新鲜添加氮素的土壤，长期氮处理捕捉了pH、阳离子基团、溶解性有机碳（DOC）库、矿物结合态和微生物群落组成等方面的差异——这些因素共同调控锰对氮转化路径的影响机制。

Discussion

锰添加通过多重机制重构氮循环网络：

1. 1.

   微生物电子传递重构：添加的Mn²⁺被细菌直接用于还原硝酸盐（NO₃^?）和亚硝酸盐（NO₂^?）至N₂（硝酸/亚硝酸盐依赖性锰氧化，NDMO）；

2. 2.

   新型厌氧氨氧化路径：锰氧化物作为电子受体参与氨（NH₄⁺）氧化至N₂（锰依赖型氨氧化，Mnammox）；

3. 3.

   基因表达调控：N₁M₂处理中氨氧化细菌功能基因（amoA）转录本下降2.5倍；

4. 4.

   生态效应延伸：锰诱导的氮固定、微生物毒性及群落结构演变共同贡献于氮损失模式转变。这些机制表明锰的氧化还原动态可通过微生物途径重塑富氮条件下的硝化-反硝化平衡。

Conclusion

本研究证实锰添加在施氮土壤中抑制硝化作用并降低N₂O排放，而在未施氮土壤中效应微弱，提示锰对氮循环的调控作用依赖于土壤本底氮水平。未来需结合高频氮形态监测、多组学技术（N循环功能基因追踪）及锰形态动态解析，以揭示锰氮互作的全景机制。锰的生物地球化学循环与氮循环耦合机制，为解释农业土壤氮损失和温室气体排放的变异性提供了新范式。