亚硝酸盐介导残茬碳氮比对土壤氧化亚氮排放的影响：涉及底物供给与自由基诱导还原抑制的双重路径

《Soil Biology and Biochemistry》：Nitrite Mediates Residue C:N Effects on Soil N 2O Emissions: A Dual Pathway Involving Substrate Supply and Free Radical-Induced Reduction Inhibition

　　• 低C:N残茬在各土壤中诱发了强烈的早期NO??积累。• 添加的NO??增加了N?O排放并限制了N?O还原。• 自由基清除削弱了•OH信号并增强了N?O还原。• 溶解性有机碳（DOC）调节并未消除低C:N的响应特征。引言农业土壤是大气一氧化二氮（N?O）的主要来源。N?O是一种强效温室气体，也是21世纪最主要的耗臭氧排放物（Ravishankara等，2009；Tian等，2020）。作物残茬的还田利用被广泛采用，因为它可以维持农业生产力和促进土壤固碳（Lal，2004）。然而，其对N?O排放的影响在不同土壤和管理条件下差异极大，从刺激到抑制都有报道（Chen等，2013；Shan和Yan，2013）。这种变异性阻碍了既支持土壤固碳又能减缓温室气体排放的残茬管理策略的发展。残茬的碳氮比（C:N）化学计量学被广泛认为是控制分解、氮矿化和氮固持以及由此决定残茬分解过程中无机氮可用性的第一级控制因素（Manzoni等，2008；Mooshammer等，2014；Robertson和Groffman，2024）。低C:N残茬通常分解迅速，可以促进早期亚硝酸盐（NO??）的积累，而NO??是土壤氮转化中的一个关键中间体（Firestone和Davidson，1989；Butterbach-Bahl等，2013）。NO??积累已反复与农业土壤中N?O产生增强相关联（Venterea，2007；Maharjan和Venterea，2013；Li等，2023），但残茬诱导的NO??积累与N?O排放之间的机制联系仍未得到充分阐明。NO??可以作为反应性氮中间体直接支持N?O的形成，但其影响可能超越底物供给（Zumft和Kroneck，2006；Richardson等，2009）。除了这种底物作用外，NO??还可能参与非生物和微生物介导的反应，生成反应性中间体并改变土壤中的气态氮产生（Van Cleemput和Samater，1995；Heil等，2016）。在富铁和氧化还原活性条件下，这类反应还可能通过Fenton和Fenton-like过程促进羟基自由基（•OH）的形成（Pignatello等，2006）。由于•OH会对微生物细胞产生氧化胁迫并干扰金属酶的功能，N?O还原的最后一步可能特别容易受到影响。N?O还原酶是一种多铜酶，其活性因此可能对氧化条件敏感（Pauleta等，2013；Carreira等，2017；Zhang等，2019）。近期的研究进一步表明，NO??积累能够损害N?O还原，并有助于解释这一过程的土壤间差异（Highton等，2022）。综合以上考量，NO??可能不仅通过增加N?O产生的底物供给，还通过氧化条件下限制N?O向N?的还原来影响土壤N?O排放。然而，关于作物残茬改良土壤中这一双重作用的直接证据仍然有限。因此，我们假设残茬C:N对N?O排放的影响通过NO??经由两条相关途径介导：增强N?O产生的底物供给和氧化条件下对N?O还原的限制。为检验这一假设，我们将90天的时间筛选培养实验与三个独立的短期机制实验相结合，这些实验涉及1?N标记的NO??添加、自由基清除和DOC调节。区域描述、土壤采集与预培养本研究使用了三种代表中国主要农田土壤类型的农业土壤：黑龙江海伦的黑土（47°26′N, 126°38′E），河北卢安的潮土（37°53′N, 114°41′E），以及广西桂林的红壤（25°27′N, 110°20′E）。根据FAO/WRB土壤分类框架，这些土壤分别对应灰土、淋溶土和砖红壤。其初始理化性质和作物类型为……实验1：低碳氮比残茬诱导早期亚硝酸盐积累和升高的N?O排放低C:N残茬在所有三种土壤中诱发了最强烈的早期响应，N?O排放量一致更高，气态氮产物分配出现明显转变；而中C:N残茬表现出中间响应，高C:N残茬则接近对照组。N?O/(N?O+N?)产物比在低C:N下始终最高，中C:N下居中，高C:N和对照组下最低（图1a-c）。与此一致，低C:N下N?O峰值排放速率为……什么特征定义了低C:N响应？——早期NO??积累与N?O还原受限低C:N残茬在早期分解阶段与其他处理呈现出最明显的分离，此时NO??积累、N?O通量和N?O/(N?O+N?)产物比达到最高，而N?O还原酶活性最低（图1和图2）。这一模式与残茬质量对氮释放的影响一致。低C:N残茬通常分解迅速并有利于净氮矿化，而高C:N残茬则促进微生物氮固持和较慢的无机氮释放（Manzoni等……利益冲突作者声明不存在利益冲突。CRediT作者贡献声明**宋维：** 论文撰写——审校与编辑、论文撰写——初稿撰写、可视化、方法学、调查、资金获取、概念构思。**姚金智：** 论文撰写——审校与编辑、可视化、调查。**秦树平：** 论文撰写——审校与编辑、监督、资金获取、概念构思。**余振华：** 论文撰写——审校与编辑。**郝祥祥：** 论文撰写——审校与编辑。**胡春生：** 论文撰写——审校与编辑。**董文旭：** 论文撰写——审校与编辑数据可用性数据可在合理请求下向通讯作者索取。利益冲突声明? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。致谢本研究由中国国家重点研发计划（2021YFD1500400）、国家自然科学基金（42507312）、河北省自然科学基金（D2022503014）、河北省博士后基金（B2024005039）以及中国科学院专项科研助理基金项目资助。宋维|姚金智|余振华|郝祥祥|胡春生|董文旭|秦树平