长期生物炭施用促进深层碱性水稻土异化硝酸盐还原为铵并同时抑制反硝化与厌氧氨氧化（DNRA）

《Biochar》：Long-term biochar amendment increased dissimilatory nitrate reduction to ammonium concomitantly suppressing denitrification and anaerobic ammonium oxidation in deep alkaline paddy soil

　　

异化硝酸盐还原为铵（DNRA）可保存土壤氮（N），而反硝化作用和厌氧氨氧化（anammox）则可导致土壤氮损失。尽管生物炭具有调节氮循环途径的潜力，但其对碱性水稻土中异化硝酸盐还原的影响仍缺乏充分表征。研究人员利用土壤泥浆中的¹⁵N示踪配对技术，量化了在表层每年施用0.05 t/ha水稻秸秆生物炭的土壤中至80 cm深度的反硝化、anammox和DNRA速率。随后，研究人员对硝酸盐还原途径进行了区分，并鉴定了相关的微生物群落。反硝化过程在速率、相对贡献和群落组成方面表现出最大的变异性，表明其在表层和深层硝酸盐还原途径分配中均占据主导地位。随机森林和结构方程模型识别出土壤pH、SOC/NO₃^?比值和Fe²⁺浓度是关键驱动因素。在表层，生物炭施用优化了这些参数，同时刺激了反硝化和DNRA速率。然而在深层，生物炭逐渐将pH提升至高于最适阈值，并降低了SOC/NO₃^?比值，进一步抑制了napA基因丰度和反硝化速率，同时提高了DNRA速率和比例。研究结果表明，长期生物炭施用促进了深层碱性水稻土中的DNRA，并抑制了反硝化和anammox。这些结果为生物炭通过深度依赖性调节碱性水稻系统中微生物氮循环途径来保存土壤氮提供了机制性证据。

长期生物炭施用重塑碱性水稻土深层硝酸盐还原：促进DNRA并抑制反硝化与厌氧氨氧化

水稻土中的异化硝酸盐还原是氮循环的关键环节，包括反硝化、厌氧氨氧化（anammox）和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）。反硝化和anammox造成土壤氮损失，DNRA则将硝酸盐保留为铵，减少氮流失。以往研究多聚焦酸性表层水稻土，对碱性水稻土，尤其深层土壤中三种途径的分配规律和调控机制缺乏认识。生物炭可能通过改变土壤理化性质和微生物群落调节硝酸盐还原，但在碱性深层水稻土中长期施用生物炭如何影响反硝化与DNRA的竞争或协同关系仍不清楚。研究人员依托天津宁河（39.47°N, 117.70°E）五年以上生物炭施用小区（每年表层施用0.05 t/ha水稻秸秆生物炭），于2024年水稻收获后采集0–80 cm分层土壤，量化反硝化、anammox和DNRA速率，解析微生物驱动因子。该研究发表在《Biochar》。

研究采用了土壤泥浆¹⁵N示踪配对培养结合膜进样质谱（MIMS）同时测定三种途径的潜在速率；通过实时荧光定量PCR（qPCR）定量napA、nirK、nirS、nosZ基因丰度；利用Illumina MiSeq高通量测序分析反硝化微生物群落组成；并结合随机森林、结构方程模型（SEM）和共现网络分析识别关键环境因子。样品来自对照（CK）和生物炭（BC）处理。

结果如下：

3.1 生物炭施用水稻土中反硝化、anammox和DNRA的深度相关模式
深度、生物炭及其交互作用显著影响三种过程。随深度增加，三种速率均下降，但DNRA相对贡献从25.7%升至91.1%，反硝化贡献从67.9%降至7.2%，anammox贡献从23.5%降至1.9%。BC处理在0–20 cm层显著提高三种速率，并使反硝化比例增加6.2%；在20–80 cm层则使反硝化比例降低17.8%–28.8%，DNRA比例增加22.2%–37.0%，anammox比例在所有深度下降。

3.2 生物炭施用水稻土中硝酸盐还原相关基因丰度的垂直分布
qPCR检出napA、nirK、nirS、nosZ，未检出nrfA和hzs，可能与高pH、低氧和低有机碳有关。基因丰度随深度显著下降，napA降幅最大。BC处理在表层增加nirK、nirS、nosZ丰度但降低napA；在20–80 cm层则降低所有四种基因丰度。

3.3 生物炭施用水稻土中硝酸盐还原微生物群落的多样性和组成
PCoA和PERMANOVA显示BC与CK处理的反硝化微生物群落显著分离。BC处理中nirK编码的优势类群由norank_d_Bacteria变为