即时翻压Brassica juncea绿肥与较低N2O排放及反硝化菌相关细菌类群扩张受限相关

《Environmental Technology & Innovation》：Immediate incorporation of Brassica juncea green manure is associated with lower nitrous oxide emissions and reduced expansion of denitrifier-associated bacteria

　　

即时翻压Brassica juncea绿肥与较低N₂O排放及反硝化菌相关细菌扩张减少相关。预暴露降低了B. juncea残体中硫代葡萄糖苷（glucosinolates）浓度。保留更多硫代葡萄糖苷的绿肥具有低3.8倍的累积N₂O排放。保留硫代葡萄糖苷时，反硝化菌类群（denitrifier guild）扩张约低10倍。在N₂O较低的土壤中，预测的异化硝酸盐还原为铵（DNRA）和电子供体功能富集。

Muhyeok Kwon、Sihyun Park、Jeong-Gu Lee 和 Jae-Ho Shin 的研究围绕Brassica juncea绿肥翻压后的氧化亚氮（nitrous oxide, N₂O）排放与反硝化菌相关细菌类群变化展开。绿肥（green manure）可提高土壤肥力并减少合成肥料依赖，但新鲜植物残体翻压也可能通过微生物氮转化刺激N₂O排放。已有研究对Brassica残体的N₂O响应并不一致：部分条件下硫代葡萄糖苷（glucosinolates）水解产物或Brassica组织可降低N₂O排放，而花椰菜和油菜籽残体分解时也可产生较高排放。Brassica残体兼具易分解有机碳氮的刺激作用与硫代葡萄糖苷水解产物如异硫氰酸酯（isothiocyanates, ITCs）的生物熏蒸和微生物抑制潜力。研究人员因此提出，翻压时保留硫代葡萄糖苷衍生效应可能限制残体诱导的N₂O排放，并抑制反硝化菌相关细菌类群扩张。

关键技术方法概述：研究在韩国大邱温室开展，使用B. juncea，约50%开花期收获。设置生物熏蒸绿肥（biofumigation green manure, BGM）处理，即鲜残体立即翻压并覆塑料膜；设置开放暴露绿肥（open-air-exposed green manure, OGM）处理，即残体暴露24 h后再翻压并覆同种膜。两处理初始鲜生物量分配相同，为4.9 kg m^-2，每处理3个小区。在翻压前及翻压后第7、14、21、31天采集土壤，采用静态箱-气相色谱法测定N₂O通量，高效液相色谱（high-performance liquid chromatography, HPLC）测定硫代葡萄糖苷，16S rRNA基因扩增子测序分析细菌群落，微滴数字PCR（droplet digital PCR, ddPCR）定量16S rRNA基因拷贝数，定量微生物组分析（quantitative microbiome profiling, QMP）估计绝对分类群丰度，并用PICRUSt2进行功能预测。

研究结果如下。

3.1 完整植物组织和预暴露残体中的硫代葡萄糖苷浓度
研究人员通过HPLC测定发现，24 h预暴露OGM残体平均硫代葡萄糖苷浓度为1.7 ± 0.7 μmol g^-1 DW，完整叶片为15.4 ± 8.1，茎为20.4 ± 4.7，根为15.2 ± 1.4 μmol g^-1 DW。预暴露残体硫代葡萄糖苷浓度显著低于茎和根，说明预暴露降低了残体中硫代葡萄糖苷前体可用性。

3.2 绿肥翻压期间土壤N₂O排放
研究人员用静态箱法监测N₂O通量，发现OGM在翻压后第一周快速升高，最高达149.2 mg N₂O m^-2 day^-1；BGM第一周保持较低，最高为79.9 mg N₂O m^-2 day^-1。BGM累积N₂O排放为6,898 ± 1,447 g ha^-1，显著低于OGM的26,283 ± 2,434 g ha^-1，约为OGM的1/3.8。

3.2 绿肥翻压期间土壤细菌群落结构和丰度
研究人员通过16S rRNA基因扩增子测序发现，BGM的细菌香农多样性（Shannon diversity）总体低于OGM。细菌群落组成在BGM与OGM间呈现处理相关分离，但整体处理效应未达显著。两处理翻压后16S rRNA基因拷贝数均增加，第7天OGM数值高于BGM但差异不显著，第0–31天累积16S rRNA基因丰度在BGM与OGM间也无显著差异。

3.3 绿肥翻压期间反硝化菌相关细菌类群的动态
研究人员通过QMP结合ddPCR绝对定量发现，第0天反硝化菌相关类群在两种处理中均可忽略。翻压后，该推定类群在OGM中增加，而在BGM中保持低水平，差异显著。属水平上，Achromobacter、Paracoccus、Cupriavidus和Devosia主要在OGM中达到较高绝对丰度，Pseudomonas在两处理均存在但无显著差异。该结果为类群水平模式提供描述性支持。

3.4 PICRUSt2预测的氮循环和电子供体相关功能
研究人员利用PICRUSt2预测基因丰度，发现BGM中hao预测丰度低于OGM，且log₂FC为?2.83；amoA无显著差异。BGM中DNRA相关基因nirB、nrfA和nirD富集，硝酸盐还原及硝酸盐/亚硝酸盐氧化还原相关基因也较高。模块评分呈相同方向，即BGM氨氧化模块评分较低、DNRA模块评分较高。电子供体相关基因总体在BGM中富集，adhE增幅最大，log₂FC为1.00。电子供体模块评分与DNRA模块评分在所有样本中正相关，BGM内相关性高于OGM。

3.5 反硝化菌相关类群和预测nrfA与N₂O通量呈相反关联
研究人员将类群和预测基因丰度与时间匹配的N₂O通量进行相关分析，发现反硝化菌相关类群绝对丰度与N₂O通量正相关，而总16S负载无此关系。预测nrfA丰度与N₂O通量负相关。综合象限分析显示，反硝化菌相关类群及其属位于OGM富集、N₂O正相关一侧；预测DNRA和发酵相关基因如nrfA、pta、adhE位于BGM富集、N₂O负相关一侧。

讨论部分总结：4.1 生物熏蒸潜力与较低的B. juncea绿肥N₂O排放相关。两处理初始鲜生物量相同，因此3.8倍累积排放差异不能简单归因于初始生物量。预暴露可能降低硫代葡萄糖苷衍生挥发物在翻压时的可用性，使残体主要作为易分解碳氮源，导致OGM早期N₂O脉冲。即时翻压BGM可能保留更多硫代葡萄糖苷水解产物与土壤微生物互作的机会。地膜在两种处理相同，故排放差异不能归因于覆膜本身。但BGM并未消除N₂O产生，因为其仍提供可分解有机质和氮，且采样期土壤温度为18.0–28.3 °C。4.2 反硝化菌相关细菌在OGM中增加但在BGM中保持低水平。总细菌丰度在两处理均增加且累积无差异，说明BGM较低N₂O并非总细菌生长受抑，而与特定类群增加差异有关。该反硝化菌相关类群为群落水平指示指标，不代表每个成员均活跃产生N₂O；其QMP绝对丰度与N₂O通量强正相关。ITCs可与细菌酶巯基反应并破坏呼吸和能量代谢，可能解释BGM限制早期反硝化菌相关细菌增加。4.3 BGM显示预测的DNRA相关特征与较低N₂O排放相关。BGM预测hao较低，DNRA相关基因及电子供体相关基因较高。DNRA与反硝化竞争硝酸盐和亚硝酸盐，电子供体相对丰富时DNRA可能更有利。电子供体模块与DNRA模块正相关。但PICRUSt2预测代表基因组潜力而非实测过程速率。4.4 对B. juncea绿肥管理的启示。既往Brassica残体N₂O响应不一致，可能受物种、组织类型、残体碳氮组成、硫代葡萄糖苷含量、土壤矿物氮和水分及翻压方式影响。本研究控制相同B. juncea来源、初始鲜生物量分配和覆膜方式，仅改变翻压前预暴露，表明翻压前残体处理是影响Brassica残体排放响应的因素之一。但该比较不能证明残体处理或硫代葡萄糖苷保留单独解释物种、土壤和实验条件间的变异。管理应综合考虑残体特性、土壤条件和翻压实践。4.5 局限与未来视角。该设计未分离硫代葡萄糖苷衍生化合物与其他预暴露变化，也未比较未改良土壤或其他绿肥作物；未直接定量土壤ITC浓度；QMP估计的绝对分类群丰度和PICRUSt2预测基因未直接定量该类群或活性。未来需结合宏基因组、宏转录组、酶活性和氮过程测定。

研究结论翻译：尽管B. juncea初始鲜生物量分配相同，OGM显示残体硫代葡萄糖苷浓度降低，并产生比BGM高3.8倍的累积N₂O排放。定量微生物组分析显示，一个推定的反硝化菌相关类群在OGM下扩张，但在BGM下保持有限，其丰度与N₂O通量正相关。功能预测进一步表明BGM中异化硝酸盐还原为铵的潜力增强，同时富集与该途径相连的电子供体相关功能。总之，这些发现表明，B. juncea绿肥在即时翻压时具有限制N₂O排放的潜力。硫代葡萄糖苷衍生物可利用性的差异，以及QMP估计的BGM中反硝化菌相关细菌较小增加，可能有助于解释其相对于OGM的较低排放。