《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：NosZ?+?Rhizobial Inoculant Enable Climate-Smart Legume Cultivation Across Diverse Soil and Environmental Conditions –Study Case on Soja Cultivated on Soils Free of Indigenous Symbiotic Rhizobia
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摘要翻译：豆科作物通过生物固氮在可持续农业中发挥核心作用，但其根系残留物（尤其是根瘤）可导致土壤N?O排放。多项研究表明，使用编码氧化亚氮还原酶的nosZ?根瘤菌菌株接种豆科作物，能通过促进N?O还原为N?来减少豆科作物系统的N?O通量。本研究旨在测试在一种天
摘要翻译：豆科作物通过生物固氮在可持续农业中发挥核心作用，但其根系残留物（尤其是根瘤）可导致土壤N?O排放。多项研究表明，使用编码氧化亚氮还原酶的nosZ?根瘤菌菌株接种豆科作物，能通过促进N?O还原为N?来减少豆科作物系统的N?O通量。本研究旨在测试在一种天然具有N?O还原能力、种植大豆且无土著共生菌的土壤中，使用nosZ?根瘤菌菌株减少土壤N?O排放的效果。在温室试验中，研究人员测量了种植大豆的土壤盆中的N?O通量。试验设计涉及一种酸性土壤和一种碱性土壤，分别经历两种不同的水分状况，并使用nosZ?和nosZ?根瘤菌菌株。用nosZ?根瘤菌菌株接种大豆，能够在生长阶段和分解阶段均显著降低N?O通量，且效果见于酸性土壤和碱性土壤，无论是持续湿润还是干湿交替条件。在整个植物生长期间排放保持较低，但在没有nosZ的情况下，根瘤分解期间出现排放峰值。在nosZ?处理中，N?O峰值被抑制超过一个数量级，且不影响植物生物量。即使在具有高固有N?O还原能力的碱性土壤中，这种缓解作用依然存在。这些结果证明了nosZ?接种剂作为一种基于性状的微生物干预措施，在减少豆科作物系统气候影响方面的潜力，并适用于多样的农业生态背景。
论文解读文章：
**研究背景与问题**
氧化亚氮（N?O）是仅次于二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的第三大人为温室气体，其百年尺度全球增温潜势约为CO?的273倍，且是当前平流层臭氧消耗的最大残留人为贡献来源。农业土壤是N?O排放的主要来源，主要经由硝化和反硝化等微生物过程产生。在农业、林业和其他土地利用（AFOLU）部门中，增强生物固氮（BNF）以减少对合成氮肥的依赖被普遍视为减排策略。然而，豆科作物虽然通过共生固氮具有环境效益，但其根系残留物特别是根瘤在分解期可导致显著的N?O排放。已有研究显示，接种携带nosZ基因（编码氧化亚氮还原酶）的根瘤菌株能够促进N?O还原为无害的氮气（N?），从而减少豆科作物系统的N?O排放，但相关证据多集中于酸性低还原能力土壤，尚不清楚该策略是否适用于碱性、高固有N?O还原能力的土壤，或在水分子缺条件下仍然有效；同时，分解期排放是否可被抑制也缺乏系统验证。基于这一空白，研究人员开展了一项温室试验，以大豆（Glycine max）为模式豆科作物，在无土著共生根瘤菌的两种对比土壤上评估nosZ?接种剂在多条件下的减排效果。
**研究内容与主要技术方法**
研究人员选取法国两种长期未种植大豆且不含土著大豆共生根瘤菌的土壤：一种是强酸性花岗岩棕色土（pH 5.6，低N?O还原能力），另一种是碱性钙质土（pH 8.2，高固有N?O还原能力）。试验设置三种接种处理：不接种对照、nosZ?菌株（Bradyrhizobium japonicum USDA138，缺乏N?O还原酶）和nosZ?菌株（Bradyrhizobium diazoefficiens MSDJ G49，携带nosZ基因）。两种水分处理为持续湿润（WET）和干湿交替（DRY）。在温室中经历大豆生长阶段（5月28日至9月27日）和收获后的根瘤/根系分解阶段（10月至11月）。N?O通量通过静态暗箱法在植物生长的三个物候期（初花、成熟、衰老）和分解期三次采样中测定，使用气相色谱-电子捕获检测器分析，同时加入惰性气体氪（Kr）监测箱体的密封性。统计分析采用方差分析（ANOVA）或Kruskal-Wallis检验，并使用线性混合效应模型（REML）处理重复测量数据。
**研究结果**
**3.1 接种剂对地上部生物量的影响**
在未接种对照中，大豆植株表现缺氮症状，叶片干枯发黄，地上部生物量显著低于接种处理，证实试验期间无交叉污染且土壤缺乏土著共生菌。而接种nosZ?与nosZ?菌株的植物生物量在所有土壤和水分条件下均无显著差异，说明携带nosZ基因并不损害共生固氮效率或植物生产力。
**3.2 接种剂对N?O通量的影响**
生长期间各处理N?O通量总体较低（通常低于几克N ha?1 d?1），而分解期排放显著升高，峰值可超过200克N ha?1 d?1，主要出现在未接种nosZ?的处理中。在持续湿润的酸性土壤条件下，nosZ?处理在生长季和分解初期排放显著高于nosZ?处理，分解期出现约100克N ha?1 d?1的排放峰，而nosZ?处理始终较低。在持续湿润的碱性土壤中，nosZ?处理在分解初期出现约200克N ha?1 d?1的排放峰，而nosZ?处理通量从未超过20克N ha?1 d?1。在干湿交替的酸性土壤中，排放总体较低，但nosZ?处理在生长后期和分解期仍显著高于nosZ?处理。干湿交替的碱性土壤排放极低，但nosZ?处理在分解初期仍表现出减排趋势。总体而言，与nosZ?处理相比，nosZ?接种在湿润酸性土壤中将峰值通量降低超过十倍，在湿润碱性土壤中降低八倍。线性混合效应模型显示，根瘤菌菌株类型对N?O通量有极显著影响（p<0.0001），且与土壤类型无交互作用；水分条件和采样日期同样极显著。
**讨论与结论**
研究证实，nosZ?根瘤菌接种能够在不同土壤pH、不同水分制度以及生长和分解阶段均发挥N?O减排作用，且不牺牲作物生产力。分解期是豆科作物N?O排放的关键风险窗口，而未接种nosZ?的处理在根瘤分解时出现高排放峰，说明根瘤是N?O产生的热点；nosZ?菌株通过根瘤内残存的氧化亚氮还原酶活性持续将N?O还原为N?，从而有效抑制排放峰。值得注意的是，即便在碱性高N?O还原能力土壤中，土著微生物群落在底物爆发期仍不能完全消除排放，而nosZ?接种可在此时提供额外还原能力。干湿交替条件下，类菌体内部的微氧环境（如豆血红蛋白缓冲氧浓度）可能使nosZ?菌株在水分受限时仍维持部分还原活性。不过，在有大豆土著根瘤菌存在的农业区，接种菌株需要与当地种群竞争结瘤，这一生态位竞争可能限制减排效果的发挥，需通过提高接种量、优选高竞争力菌株或改进剂型来优化。未来需要在更多气候带、更广泛豆科物种以及有土著根瘤菌的田间条件下进行长期验证。
**研究结论（翻译）**
本研究表明，用nosZ?根瘤菌菌株接种豆科作物可为减缓土壤N?O排放提供一种微生物策略。在对比的土壤pH、水分状况以及植物生长和分解阶段均可观察到减排效果，且不会以牺牲氮固定或生物量为代价。与假设一致，在酸性土壤中，生长期间湿润和干燥条件下均观察到N?O减排，且效果在分解期尤为显著。作为新发现，本研究表明，即使在具有高固有N?O还原能力的碱性土壤中，nosZ?接种也能有效抑制根瘤分解期间的排放峰，而这一阶段在N?O预算中往往被忽视。随着豆科作物种植在全球日益多样化的农业生态条件下扩展，将N?O还原型接种剂纳入常规农艺实践可望成为一种可规模化、低成本的气候减缓手段。然而，更广泛的应用仍需田间验证，尤其是在较冷气候地区、更广泛的豆科物种以及存在土著根瘤菌的土壤中，因此需要调动具有竞争能力的根瘤菌株。
