硝酸盐施肥后不同淹水稻田土壤氧化亚氮排放差异及其关键影响因素解析

本研究系统揭示了不同理化性质稻田土壤在硝酸盐(NO3?-N)施肥后氧化亚氮(N2O)排放的差异规律，发现土壤pH、溶解性有机碳(DOC)和亚铁(Fe(Ⅱ))通过调控反硝化功能基因(nirK/nirS/nosZ)的微生物群落结构，显著影响N2O排放通量，为农业温室气体减排提供了理论依据。

　　

Highlight

不同土壤N₂O排放特征

四种不同类型土壤的N₂O排放特征如图1所示。QY、HZ、GQ和WS土壤的最强N₂O排放分别出现在第1天、1.5天、7天和0.5天，对应排放通量为0.73±0.08、0.50±0.02、1.48±0.09和0.042±0.02 μg N kg^?1 h^?1（图1A）。在整个培养期，WS土壤的N₂O排放通量无显著波动，而QY和HZ土壤的N₂O排放呈现先上升后下降的趋势。GQ土壤的N₂O排放通量在第7天达到峰值后迅速下降。最终，GQ土壤的累积N₂O排放量最高（10.32±0.59 μg N kg^?1），分别是QY、HZ和WS土壤的1.4倍、2.0倍和43倍（图1B）。这些结果表明，不同类型土壤的N₂O排放存在显著差异。

土壤理化性质对N₂O排放的影响

本研究通过随机森林分析显示，土壤pH对N₂O排放影响最大，其次是Fe(Ⅱ)、Fe(Ⅱ)/TFe、Eh、DOC、EC、SOM和nosZ/(nirK+nirS)比值。它们均对N₂O排放有显著影响（P<0.05）（图S7）。此外，它们与累积N₂O排放的具体相关性如图6所示。土壤pH与N₂O排放的反向相关性与先前研究一致（He et al., 2024）。然而，我们的结果还表明Fe(Ⅱ)和DOC与N₂O排放呈正相关，而nosZ/(nirK+nirS)比值与N₂O排放呈负相关。这些发现表明，土壤pH、Fe(Ⅱ)和DOC是导致不同土壤N₂O排放差异的核心因素。

Conclusion

本研究证明，添加NO₃^?-N肥料后，不同类型土壤的厌氧培养会导致N₂O排放存在显著差异。在不同土壤条件下，土壤微生物组成存在显著差异，导致反硝化功能基因（nirS、nirK和nosZ）的丰度存在显著不同，进而影响N₂O排放。在土壤理化性质中，NH₄⁺-N、Fe(Ⅱ)、DOC、SOM、Eh、EC和pH是影响N₂O排放的关键因素。具体而言，低pH和高DOC、Fe(Ⅱ)浓度促进了携带nirK和nirS基因的微生物（如Clostridium、Desulfosporosinus和Fonticella）的生长，降低了nosZ/(nirK+nirS)比值，导致N₂O大量积累。相反，高pH和低DOC、Fe(Ⅱ)浓度有利于携带nosZ基因的微生物（如Flavisolibacter、Mesobacillus和norank_f__Vicinamibacteraceae）的生长，提高了nosZ/(nirK+nirS)比值，减少了N₂O排放。因此，通过调节土壤pH、DOC和Fe(Ⅱ)浓度可以改变反硝化微生物群落结构，从而有效降低农田土壤N₂O排放。