宏基因组证据阐明了有机物质降解对土壤缺氧状态和氮氧化物（N2O）排放的级联效应，这种效应取决于有机物的具体性质

《Frontiers in Microbiology》：Metagenomic evidence clarifies the texture-dependent cascading effects of organic degradation on soil hypoxia and N2O emission

土壤孔隙空气动力学影响一氧化二氮排放：生物炭-堆肥共混物效果与微生物响应分析

　　土壤微孔尺度的通气性是影响一氧化二氮（N?O）减排策略有效性但常被忽视的重要因素。我们的研究揭示了在看似好氧的土壤条件下，N?O排放存在高达百倍的变化，同时生物炭-有机肥混合物（BM）与单独有机肥（M）在不同土壤质地下的减排效果也表现出显著差异。本文旨在探讨土壤结构如何通过影响通气性进而调控微生物群落及其功能基因，从而对N?O排放产生影响。

在实验设计中，我们选择了三种不同的土壤质地——黏壤土（CL）、壤土（SL）和沙土（SA），分别添加BM或M，以观察其对N?O排放和微生物群落的影响。通过宏基因组测序技术，我们分析了微生物群落的组成及其功能基因，重点关注那些对通气性敏感的微生物类群和相关基因。研究结果表明，这些N?O排放的变化与通气性敏感微生物和基因的差异密切相关。其中，沙土（SA）由于具有最高的N?O排放，其微生物群落中厌氧菌和与反硝化相关的基因最为丰富；而黏壤土（CL）的N?O排放最低，其微生物群落更倾向于发酵和厌氧硝酸盐还原相关的基因。这说明土壤微孔结构和通气性对N?O的产生具有决定性作用。

在实验方法上，我们采用了一个为期107天的实验室微宇宙实验，以评估土壤微生物群落作为反映微孔尺度通气性状态的指示物。在实验过程中，我们通过定期气体采样和空气交换，监测了CO?和N?O的排放变化。此外，我们采集了三种土壤质地在不同处理下的样本，并进行了宏基因组测序分析。通过质量控制和数据处理，我们获得了高质量的测序数据，并进一步利用生物信息学工具对这些数据进行了分类和功能基因的注释。

从微生物群落的多样性来看，黏壤土（CL）和壤土（SL）的微生物群落比沙土（SA）表现出更高的多样性。然而，沙土在BM处理下表现出更高的微生物多样性，这可能与BM诱导的微孔结构变化有关。具体而言，BM的添加使得沙土中的微孔数量增加，从而改变了土壤的通气性。这种变化在黏壤土中则更为显著，因为BM诱导的更细小的微孔限制了氧气的扩散，从而增强了厌氧环境，使微生物更倾向于进行发酵和厌氧硝酸盐还原等过程。相比之下，沙土中的较大孔隙可能促进了氧气的扩散，导致更多的反硝化过程，从而增加了N?O的排放。

在功能基因分析方面，我们发现BM处理显著改变了与氧气响应、碳分解和氮循环相关的基因表达。例如，在黏壤土中，BM增加了与厌氧代谢相关的基因比例，而在沙土中，BM增加了与反硝化相关的基因比例。这些基因的相对丰度与N?O的排放趋势一致，表明微生物群落和功能基因的变化可以作为评估土壤通气性变化的可靠指标。此外，BM处理还显著降低了某些与氧化应激相关的基因表达，这可能与其提高土壤碳稳定性和减少氧化应激有关。而沙土中与抗氧化和DNA修复相关的基因相对丰度较高，这与M处理下的情况相似，表明沙土中微生物的呼吸活动较为活跃，导致更高的氧气消耗和氧化应激反应。

进一步分析显示，BM处理在黏壤土和沙土中对氮循环基因的影响更为显著。在黏壤土中，BM降低了与N?O产生相关的基因（如amoA、nirK和nirS）的相对丰度，但增加了与N?O还原相关的基因（如nosZ）的相对丰度，从而提高了N?O的减排潜力。而在沙土中，BM增加了反硝化基因的相对丰度，但N?O的排放仍然较高，这可能与沙土中较大的孔隙结构和较高的通气性有关。此外，BM在沙土中对某些基因（如nosZ的II类）的相对丰度也表现出显著的提升，这可能与生物炭对重金属的吸附能力有关，从而增加了微生物对金属的耐受性和相关基因的表达。

研究还发现，N?O排放与土壤通气性之间的关系并非线性。在黏壤土中，BM的添加显著降低了N?O的排放，而在沙土中，BM的减排效果则不明显。这可能与不同土壤质地对生物炭的响应不同有关。黏壤土由于其较高的微孔比例，使得生物炭能够更有效地限制氧气扩散，从而创造更严格的厌氧环境，抑制N?O的产生。而沙土由于其较大的孔隙结构，使得生物炭的添加对通气性的改变不如黏壤土显著，从而未能有效降低N?O的排放。

从统计分析来看，土壤质地和处理方式对微生物群落的组成和功能基因的分布具有显著影响。其中，土壤质地对微生物群落的影响更为显著，尤其是在黏壤土和沙土中。而处理方式（BM或M）对微生物群落的影响则相对较小，这可能与生物炭对土壤结构的调控作用有关。此外，微生物群落的组成和功能基因的分布还受到时间因素的影响，不同处理和土壤质地下的微生物群落会随着时间的推移而发生变化。

本研究的结果表明，土壤微孔尺度的通气性变化是影响N?O排放的关键因素。通过宏基因组测序，我们能够捕捉到这些微孔尺度的变化，并将其与微生物群落和功能基因的变化联系起来。这不仅加深了我们对土壤碳氮循环过程的理解，也为制定更有效的土壤管理策略提供了科学依据。例如，通过调控土壤的微孔结构和通气性，可以更有效地减少N?O的排放，同时促进土壤碳的稳定和氮的循环。

然而，本研究也存在一些局限性。首先，土壤微孔尺度的氧气可用性是通过微生物特性间接推断的，而非直接测量，这可能引入一定的不确定性。其次，所使用的土壤样本来自不同的地点，因此部分微生物的差异可能与土壤的地理历史有关，而非仅仅是质地差异。此外，宏基因组测序和qPCR分析的功能基因数据可能存在固有的偏差，某些基因的丰度与实际N?O排放之间的关系并不完全一致。最后，实验是在受控的微宇宙条件下进行的，可能无法完全反映实际田间环境的复杂性。

尽管存在这些局限，本研究的结果仍然具有重要的科学价值。它揭示了有机物分解如何通过改变土壤的通气性，进而影响N?O的排放。同时，它也表明，微生物群落和功能基因的变化可以作为评估土壤通气性变化的敏感工具，从而为理解土壤依赖性的温室气体排放提供了新的视角。未来的研究需要进一步探索哪些特定的基因可以作为预测土壤微孔尺度过程的可靠指标，以提高土壤管理策略的科学性和有效性。