玉米-大豆轮作系统中nirS型反硝化菌对反硝化潜势的主导作用及机制

《Environmental Technology & Innovation》：nirS-type rather than nirK-type denitrifiers make a more dominant contribution to under maize-soybean rotation systems incorporating fertigation

本研究针对玉米-大豆轮作系统中反硝化微生物群落结构对氮循环的影响机制展开研究。通过比较不同轮作模式，发现玉米-大豆轮作能显著提高土壤硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)活性，降低土壤反硝化潜势(SDP)。研究表明nirS型反硝化菌在反硝化过程中起主导作用，土壤有机质(SOM)是影响反硝化菌群落结构的关键因子。该研究为优化轮作制度和减少N2O排放提供了理论依据。

　　

在当今全球气候变化背景下，农业生态系统的氮循环调控已成为可持续发展的重要课题。氮肥的过量使用导致土壤中氮素流失，不仅造成资源浪费，更会引发一系列环境问题，其中氧化亚氮(N₂O)的排放尤为值得关注。N₂O是一种强效温室气体，其全球变暖潜势是二氧化碳的298倍，在大气中存留时间长达114年。农业土壤是N₂O的主要人为排放源，而反硝化过程是产生N₂O的关键环节。

反硝化作用是微生物将硝酸盐(NO₃^-)逐步还原为氮气(N₂)的过程，其中亚硝酸还原酶(NiR)催化的反应是关键限速步骤。自然界中存在两种不同类型的NiR：一种是由nirS基因编码的cd₁细胞色素还原酶，另一种是由nirK基因编码的含铜还原酶。这两种功能基因虽然催化相同的反应，但其微生物携带者和生态功能存在差异，因此被作为重要的分子标记来研究反硝化微生物群落的组成和功能。

东北黑土区作为中国重要的商品粮基地，其农田生态系统的氮素管理对保障粮食安全和减缓气候变化都具有重要意义。玉米-大豆轮作是该地区典型的可持续种植模式，但关于该模式如何影响反硝化微生物群落结构，以及如何通过调控微生物来降低N₂O排放的机制尚不清楚。特别是在水肥一体化技术逐渐普及的背景下，滴灌施肥如何与轮作制度协同影响反硝化微生物群落，是需要深入探讨的科学问题。

为解决这些问题，李佳雪等研究人员在《Environmental Technology》上发表了题为"nirS-type rather than nirK-type denitrifiers make a more dominant contribution to under maize-soybean rotation systems incorporating fertigation"的研究论文。该研究通过比较大豆连作(SC)、玉米-大豆轮作(MS)、玉米-玉米-大豆轮作(MMS)和玉米-大豆-大豆轮作(MSS)四种种植模式，系统探讨了轮作制度对反硝化微生物群落结构和功能的影响。

研究人员主要采用了实时荧光定量PCR(qPCR)、Illumina MiSeq高通量测序、土壤酶活性测定、土壤反硝化潜势(SDP)分析等关键技术方法。实验在吉林省农业科学院农业绿色发展试验区内进行，土壤样品采集自0-20厘米耕层，共获得12个样本（4种处理×3个重复）。通过统计学分析包括单因素方差分析(ANOVA)、非度量多维尺度分析(NMDS)、冗余分析(RDA)和结构方程模型(SEM)等方法，深入解析了土壤性质与微生物群落之间的关系。

3.1. 土壤化学参数和SDP

研究结果显示，与SC相比，所有轮作系统均显著提高了土壤有机质(SOM)、碱解氮(AN)和铵态氮(NH₄⁺-N)含量。其中MMS处理对总氮(TN)的提升效果最为显著。在酶活性方面，轮作系统使硝酸还原酶(NR)活性提高了1.23-1.34倍，亚硝酸还原酶(NiR)活性提高了1.29-1.50倍。值得注意的是，尽管酶活性增强，但土壤反硝化潜势(SDP)却显著降低，其中MMS处理的降低幅度最大。这一看似矛盾的结果表明，轮作系统可能通过改变反硝化途径的完整性，促进了N₂O向N₂的转化，从而降低了温室气体排放风险。

3.2. 土壤反硝化菌丰度

通过qPCR分析发现，轮作系统使nirS型反硝化菌基因丰度降低了9.86%-19.14%，而nirK型反硝化菌基因丰度降低了25.24%-39.93%。尽管两种反硝化菌的绝对丰度都下降，但nirS/nirK基因丰度比值在轮作系统中显著提高，其中MMS处理达到最高值。这一比值的变化暗示轮作系统可能改变了反硝化微生物群落的功能组成，有利于更完整的反硝化过程。

3.3. 土壤反硝化微生物群落组成

高通量测序结果揭示了轮作系统对反硝化微生物群落结构的深刻影响。在nirS型反硝化菌中，轮作系统显著提高了Azospira、Rhodanobacter、Hydrogenophaga等属的相对丰度。其中Hydrogenophaga被识别为导致群落变异的主要贡献者。而在nirK型反硝化菌中，Achromobacter、Sinorhizobium、Mesorhizobium等属的相对丰度在轮作系统中明显增加，Pusillimonas被确定为影响群落结构的关键类群。

3.4. 土壤反硝化微生物多样性

轮作系统对反硝化微生物多样性的影响因类型而异。所有轮作处理均降低了nirS型反硝化菌的Shannon多样性指数，但对nirK型反硝化菌的Chao1丰富度指数却有提升作用。NMDS分析显示，轮作系统与连作系统的反硝化微生物群落结构存在明显分离，表明种植制度对微生物群落组装具有筛选作用。

3.5. 土壤反硝化微生物群落结构的环境决定因素

RDA分析表明，土壤有机质(SOM)是影响反硝化微生物群落结构的最主要环境因子，分别解释了nirS和nirK群落变异的59.3%和54.3%。结构方程模型(SEM)进一步证实，SOM通过直接和间接途径影响反硝化菌的丰度、多样性和功能。其中，nirS型反硝化菌的多样性对土壤反硝化潜势(SDP)的影响最为显著，突出了该类群在氮循环中的关键作用。

研究结论与讨论部分深入阐述了玉米-大豆轮作系统影响反硝化过程的机制。轮作系统通过多种途径调控反硝化微生物群落：首先，大豆的固氮作用为微生物提供了充足的氮源，而玉米残留物为微生物提供了丰富的碳源，这种碳氮比的优化有利于反硝化菌的生长和代谢。其次，轮作减少了土壤中自毒物质的积累，降低了对硝酸还原酶(NR)和亚硝酸还原酶(NiR)的抑制作用。第三，滴灌施肥技术保持了土壤水分的稳定性，创造了适宜好氧和厌氧微生物共存的微环境。

特别值得关注的是，研究发现nirS型反硝化菌在轮作系统中发挥着比nirK型更为重要的作用。这一结论得到了多方面证据的支持：nirS/nirK基因丰度比值的升高、Hydrogenophaga等关键nirS型菌属的相对丰度增加、以及结构方程模型中nirS多样性对SDP的更强预测能力。这些发现表明，通过优化种植制度可以有针对性地调控特定功能微生物类群，从而实现氮素的高效利用和温室气体减排的双重目标。

该研究的创新之处在于系统解析了轮作制度下反硝化微生物群落的响应机制，明确了土壤有机质(SOM)作为关键驱动因子的地位，并提出了nirS型反硝化菌在调控反硝化过程中的主导作用。这些发现不仅为理解农业生态系统中氮循环的微生物机制提供了新视角，也为制定可持续的农田管理措施提供了科学依据。未来研究可进一步结合基因表达分析和同位素标记技术，直接验证不同反硝化菌群的功能活性，为精准调控氮循环提供更深入的理论支撑。