农业土壤中微生物接种剂减轻一氧化二氮排放的机制与证据：一项关键综述

《Applied Soil Ecology》：Mechanisms and evidence for nitrous oxide mitigation by microbial inoculants in agricultural soils: A critical review

　　• 五种氮氧化物（N2O）生成途径可归结为两种直接影响土壤氮的机制
• 增强nosZ活性的接种剂可减少田间N2O排放量28%-54%，但仅在采后期间有效
• 尚无研究显示能显著降低年度累积的田间N2O排放量
• 减缓N2O排放的效果取决于多种因素：白化菌（nosZ）的类型、肥料形式以及土壤的pH值

引言
全球温室气体（主要是二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和一氧化二氮（N2O）的增加对人类系统、环境条件、全球生态系统和气候构成了严重威胁。在这些气体中，N2O由于其综合气候和臭氧影响方面的危害性最大，其100年全球变暖潜能值是CO2的273倍，约为CH4的27倍（Forster等人，2021年；WMO，2022年；Tian等人，2024年）。目前，N2O是平流层臭氧层破坏的主要人为来源（Ravishankara等人，2009年）。N2O的排放通常以二氧化碳当量（CO2eq）进行报告（To等人，2012年；Raucci等人，2015年；Wang等人，2021年）。全球评估已经量化了这一问题的严重性：大气中的N2O摩尔分数从1750年的270 ppb上升至2022年的336 ppb，并在2024年达到了338.0 ± 0.1 ppb的记录高点（WMO，2025年）。大气逆温层数据显示，自2009年起N2O排放量加速增长，这一趋势主要受到发展中国家农业活动的影响（Thompson等人，2019年），2020年和2021年的年增长速率超过了2010年代的平均水平（Tian等人，2024年）。1980年至2020年间，人为N2O总排放量增加了40%（1.9 Tg N yr?1），到了2020年，农业直接排放的N2O量（3.9 Tg N yr?1）超过了其他所有直接人为来源的总和（2.1 Tg N yr?1）（Tian等人，2024年）。因此，农业活动，尤其是合成肥料和粪肥的使用，是人为N2O排放的主要来源，这一结论得到了IPCC第六次评估报告（Canadell等人，2021年）及先前全球综合研究的认可（Tian等人，2020年）。观测到的N2O浓度已经超过了IPCC第六次评估报告中所有气候模型（CMIP6）的预测范围，表明当前的排放轨迹超出了之前的预期（Tian等人，2024年）。

氮输入量的增加是主要原因。1980年至2020年间，全球合成氮肥的消耗量增加了79%，从59.9 Mt N增加到107.2 Mt N（FAO，2023年；Tian，2024年），预计到2050年相比2012年还将再增加50%（Menegat等人，2022年）。合成氮的过度施用导致氮通过淋溶和挥发而大量流失，从而增加了土壤中的N2O排放。尽管合成氮显著提高了作物产量，但其低的使用效率带来了严重的环境问题，包括氮污染和温室气体排放（Govindasamy等人，2023年；Jain，2023年）。精确的营养管理策略已被开发出来以提高氮利用效率（NUE）并减少相关损失。4R框架建议在正确的时间、地点以适当的速率施用所需营养素。这种方法已被证明可以有效增加作物对氮的吸收，同时减少氨和N?O的淋溶和排放，而不影响产量（Ferland等人，2024年；Maaz等人，2025年）。然而，4R框架的主要局限性在于其范围：虽然它减少了单位氮的流失，但并未减少进入农业系统的总氮量（Gao和Cabrera Serrenho，2023年）。随着总肥料消耗量的持续增加（见上文第1节），单位效率的提升被整体施用量的增加所抵消。因此，要实现气候目标，需要减少总合成氮的投入，而不仅仅是提高其使用效率。

生物固氮（BNF）是一种有前景的策略，通过这种策略，固氮微生物将大气中的N2转化为植物可利用的铵态氮，从而避免了与工业肥料生产相关的化石燃料投入和排放。最著名的农业例子是豆科植物与根瘤菌之间的共生关系，这种关系可以满足豆科作物大部分甚至全部的氮需求。除了根瘤菌外，还存在许多其他固氮微生物，如自由生活的细菌（如Azotobacter属）和共生内生菌（如Azospirillum属和Herbaspirillum属）（Barrera等人，2019年；Matteoli等人，2020年；Razmjooei等人，2022年）。通过BNF减少合成氮的投入可以降低用于硝化和反硝化过程的活性氮的量，从而减少N2O的生成。因此，提高氮利用效率和减少排放归因于同一根本机制（Ladha等人，2022年）。然而，不应假设这种耦合在所有氮管理中都适用。在某些情况下，最大化肥料氮在作物生物量中的回收率反而导致了最高的N2O排放。这是因为大部分氮损失来自氨挥发和硝酸盐淋溶（分别占施用氮的约10%和30%），而N2O损失通常低于3%。因此，通过抑制这些主要损失途径来提高效率可能会使更多氮保留在土壤中，从而增加作物对氮的吸收和N2O的生成（Venterea等人，2012年）。关键的区别在于提高氮利用效率和减少总氮投入：降低氮施用量被广泛认为是降低N2O排放的最可靠方法（Venterea等人，2012年），而生物固氮主要影响施用量而非效率本身。因此，提高氮利用效率和减少N2O排放被视为接种剂使用的双重效果。在实践中实现这一双重效果仍具有挑战性，因为自由生活和共生的固氮微生物与土壤原有微生物群竞争，对植物氮营养的贡献不一致，且往往无法完全满足作物的氮需求（Hirsch和Mauchline，2015年；Naher等人，2019年）。目前正在开发含有有益固氮菌株的微生物接种剂，用于种子、土壤或叶面施用，而在许多地区，豆科植物的根瘤菌接种已成为标准商业实践（Ladha等人，2022年；O'Callaghan等人，2022年；Sridhar等人，2026年）。

本文探讨了微生物接种剂如何减少土壤N2O排放并提高氮利用效率，并评估了支持每种机制的证据强度。强调N2O是因为其形成机制与这些接种剂的作用机制密切相关。N2O几乎完全来源于土壤中氮矿物池的硝化和反硝化过程。此外，氮利用效率取决于这一氮矿物池的大小和时机，因此单一干预措施可以同时解决这两个问题。相比之下，固氮接种剂与CO2或CH4之间不存在类似的机制联系。

本文提出了一种统一的框架，包括五种途径：减少硝化和反硝化过程中可用的无机氮底物；竞争性排除产生N2O的微生物；增强nosZ编码的N2O还原酶活性；使氮供应与作物需求同步；以及提高土壤团聚体稳定性以限制厌氧微环境。这五种途径最终归结为两种直接影响土壤的机制。第一种机制是减少可供硝化菌和反硝化菌使用的氮矿物池（铵态氮和硝态氮）。底物限制通过将肥料中的氮替换为植物组织内释放的生物固定氮来直接影响这一池。供需同步通过缩短过量氮矿物暴露于损失的時間来影响其时间分布。团聚体稳定性通过减少硝酸盐反硝化的厌氧微环境体积来影响其空间分布。第二种机制是改变反硝化产物N2O:(N2O + N2)的比例，使得更多的氮以惰性N?的形式从系统中排出。增强nosZ编码的N2O还原酶直接作用于这一比例。相反，竞争性排除通过改变反硝化菌群落组成来间接影响这一比例，使具有完整氮转化途径的微生物占主导地位，而那些在N2O阶段停止转化的反硝化菌被排除。这一整合产生了两个实际意义：首先，明确了测量重点：通过第一种机制起作用的接种剂应导致土壤氮矿物池或氮过剩的可测量减少；而通过第二种机制起作用的接种剂应改变产物比例，这可以通过nosZ:(nirK + nirS)基因比例或乙炔抑制实验检测到，而不一定会影响底物池。其次，这解释了为什么这两种机制不是简单的叠加效应。减少底物池会降低总反硝化量，而改变产物比例则减少了正在进行反硝化的N?O比例。因此，结合这两种机制的接种剂预计比单独使用任一机制更有效，尽管这一假设尚未在田间条件下得到验证。此外，本文还提出这五种途径在证据支持强度上存在系统性差异，在推荐接种剂作为减缓策略之前，区分已验证的机制和实验证明的田间效果是必要的。每种途径都基于现有的田间和受控环境证据进行评估，并考虑了与有机改良剂和测量方法的结合。目的是澄清关于接种剂作为气候智能工具的现有说法，并确定需要进一步验证的领域。

**部分摘录**
**N2O排放：来源和调控因素**
农业土壤中的N2O排放源于微生物过程、土壤物理化学特性和管理措施之间的复杂相互作用。了解这些调控因素对于预测固氮微生物接种剂对排放动态的影响以及改进不同农业生态系统的减缓策略至关重要。

**微生物接种剂对N2O排放的影响**
根瘤菌、促进植物生长的根际细菌（PGPR）和AMF等微生物接种剂已被证明是提高作物产量和减少土壤N2O排放的有效策略。它们对N2O排放的影响通过两种主要机制实现：首先，微生物接种剂通过增强根际养分动员或增加生物固氮作用来减少对合成氮肥的需求。

**微生物接种剂减少N2O的机制**
第3节已经确定了接种剂在不同时间和程度上的N2O减排效果；本节将使用图3中的框架，详细探讨第1节介绍的五种途径中的每种机制，以评估哪些有直接证据支持，哪些仍属于推测。

**联合接种和协同效应**
单菌株接种方法的局限性促使研究人员广泛研究将固氮细菌与其他有益微生物或土壤添加剂结合的联合接种技术。这些协同技术旨在提高固氮效率、促进植物生长，并通过互补过程减少N2O排放（Bashan等人，2014年；Atieno等人，2020年）。

**田间表现和环境条件**
氮微生物接种剂有助于提高作物产量并减少人工肥料的使用，但其效果因土壤类型、气候、季节模式和管理措施而异（Kumar等人，2024年）。像根瘤菌和Azotobacter属这样的接种剂的性能取决于土壤的具体物理、化学和生物特性（Swami，2020年）。沙质土壤通常有机质含量低且保水量少……

**挑战和限制**
基于接种剂的N2O减排面临两类限制：一类与接种剂技术本身相关，另一类与N2O排放的特性和测量方法相关。后一类限制更为显著，且研究相对不足。主要的限制在于证据支持不足。在回顾的田间研究中，只有在特定时期（如采后时期）观察到N2O排放量的统计显著减少（Itakura……）

**未来方向和研究需求**
下一代接种剂，包括合成微生物群落和工程菌株，具有额外的功能，如固氮和磷酸盐溶解（Dubey等人，2025年；Sridhar等人，2025b），但其性能仍然不稳定，并受到本土微生物群的竞争影响（Hanif等人，2024年）。在缓解N2O排放方面的进展取决于三个优先事项……

**结论**
微生物接种剂通过已被充分理解的机制影响土壤N2O排放。所描述的五种途径可归结为两种直接影响土壤的机制：减少可供硝化菌和反硝化菌使用的氮矿物池，以及改变以N2O形式释放的反硝化氮的比例。尽管这一框架涵盖了现有的证据，但仍存在一些不一致之处。因此，主要结论是对以下术语的区分：
Abbreviations（缩写）
ACC脱氨酶
1-氨基环丙烷-1-羧酸盐脱氨酶
AMFA（丛枝菌根真菌）
AOA（氨氧化古菌）
AOB（氨氧化细菌）
BNF（生物固氮）
CFU（菌落形成单位）
CH?（甲烷）
CO?（二氧化碳）
DNR（脱氧核糖核酸）
异化硝酸盐还原为铵
DOC（溶解有机碳）
GWPG（全球变暖潜能值）
GRSP（丛枝菌根蛋白）
IPCC（政府间气候变化专门委员会）
N?（氮气）
N?O（一氧化二氮）
nir（亚硝酸盐还原酶基因）
nosZ（亚硝酸盐还原酶基因）
PGPR（植物根际促生菌）

**作者贡献声明：**
Agampodi Gihan S.D. De Silva：负责撰写、审阅和编辑，撰写初稿，数据可视化，方法论构建，概念化。
Chinnasamy Karthiksaran：负责撰写初稿，提供资源，协助调查。
Ishwarpartap Singh Deol：负责撰写初稿，提供资源。
Mushtaq Ahmad Najar：负责撰写初稿，提供资源，协助概念化。
P. Vasanth：负责撰写初稿，提供资源，方法论构建。
?mer Faruk Co?kun：负责撰写初稿，提供资源。
Hamza Bin Sajid：负责撰写。

**知情同意声明：**无。
**机构伦理审查委员会声明：**无。

**关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明：**
在本文的撰写过程中，作者使用了ChatGPT来提升图片清晰度、语言修正和语法改进。使用该工具/服务后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对发表文章的内容负全部责任。

**资金支持：**无。

**未引用的参考文献：**
Armour等人，2021
Arora和Mishra，2024
Gaillard等人，2018
Guleria等人，2023
Hoagland等人，2019
Ibá?ez等人，2023
Korir等人，2017
Masciarelli等人，2014
Miller等人，2008
Miller等人，2023
Saha等人，2021
Sanford等人，2012
Sathya等人，2024
Stirnemann和Sasse，2025
Wang等人，2023
Wang等人，2019
Woodward等人，2025
Zaidi等人，2009

**利益冲突声明：**
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

**作者名单：**
Agampodi Gihan S.D. De Silva
Chinnasamy Karthiksaran
Ishwarpartap Singh Deol
Mushtaq Ahmad Najar
P. Vasanth
?mer Faruk Co?kun
Hamza Bin Sajid
Prabu Dhinakaran
Binod Panthi
Sayanti Mandal
Dhanarajan Arulbalachandran
Viji Sitther
Asish Samuel
István Mihály Kulmány
Zoltán Molnár