氮素添加通过重塑亚热带红壤中典型氨氧化菌和完整氨氧化菌的恢复力来调控旱后氧化亚氮排放

《Environmental Research》：Nitrogen addition regulates post-drought N 2O emissions by reshaping the resilience of canonical and complete ammonia oxidizers in subtropical red soil

　　

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  在红壤中，AOA和comammox的耐旱性高于AOB。
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  低氮有利于AOA和comammox的恢复，而高氮促进了AOB的恢复。
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  高氮输入增加了干旱后的N₂O累计排放。
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  硝化细菌的恢复力决定了干旱后的N₂O排放。

引言

在全球气候变化背景下，极端干旱事件正变得更加频繁、强烈和持久。气候变暖预计将增加许多干旱地区农业干旱和生态干旱的频率和强度（IPCC, 2023）。干旱不仅抑制植物初级生产力，还改变土壤微环境并限制微生物活动。最近的研究表明，长期极端干旱会减少植物对氮的吸收和利用，导致表层土壤中未利用的铵态氮（NH₄⁺-N）和溶解性有机碳（DOC）积累（Li等, 2022; Zhao等, 2025）。当干旱后发生复湿时，土壤湿度、氧气可用性和基质扩散的快速变化可以重塑微生物代谢并刺激氮转化（Gao等, 2020）。一氧化二氮（N₂O）是土壤氮循环的副产物，是一种强效温室气体，其100年全球增温潜势约为CO₂的273倍（Weber等, 2024）。干旱后的复湿通常会引发短暂但强烈的N₂O脉冲（Sánchez-Martin等, 2024）。例如，复湿期间的峰值N₂O通量可能比干旱期间高10-50倍，在某些系统中可能占N₂O累计排放的40-80%（Congreves等, 2018）。因此，阐明调节干旱后N₂O排放的微生物机制对于改善土壤温室气体预算估计至关重要。

硝化作用是陆地生态系统中N₂O的主要来源。氨氧化是硝化作用的第一步，也是限速步骤，主要由氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）（Leininger等, 2006）以及最近发现的完全氨氧化菌（comammox）（Daims等, 2015）介导。这些氨氧化菌群占据不同的生态位，这可以决定它们在环境扰动下对硝化作用的相对贡献。一般来说，AOA被认为更适应寡营养、酸性且相对稳定的环境，而AOB通常对营养丰富、碱性和动态条件反应更强烈（Carey等, 2016; Zhang等, 2012）。这三种微生物占据不同的生态位，导致它们在受扰动的各种栖息地或改变的环境中各自占主导地位。通常，微生物会表现出对扰动和压力的生态恢复机制（Prosser和Nicol, 2008; Tao等, 2017）。在不同土壤类型中均检测到comammox，表明其具有广泛的生态位分布（Zou等, 2024）。动力学证据进一步表明，comammox对氨具有高亲和力，这可能使它们在类似有利于AOA的基质受限条件下成功竞争（Kits等, 2017; Koch等, 2015）。这些生态位差异表明，AOA、AOB和comammox在干旱-复湿扰动后的抵抗力和恢复力方面可能存在显著差异。

微生物恢复力被定义为受扰动群落在扰动后恢复至原始状态的能力，是生态系统恢复的核心（Shade等, 2012）。先前的研究表明，氨氧化菌对扰动的反应高度依赖于具体背景。例如，AOB对干湿-复湿胁迫的抵抗力可能强于AOA，而铵离子可用性已被确定为AOA和AOB生态位分化的重要驱动因素（Thion和Prosser, 2014）。相比之下，Guo等（2025）报告称，在交替好氧和厌氧胁迫下，AOA表现出比AOB更强的耐受力，这反映在AOA物种丰富度和基因丰度的增加上。其他研究表明，在钙质土壤中，AOA能够抵抗有机肥和硝化抑制剂扰动，而AOB则更为敏感（Tao等, 2021）。对于comammox，最近的证据表明，在寡营养和水分波动的联合胁迫下，其恢复较慢（Lin等, 2020）。这些发现共同表明，经典氨氧化菌和comammox的抵抗力和恢复力并非固定特征，而是取决于扰动类型、强度和土壤背景。尽管取得了这些进展，但在亚热带酸性红壤中，AOA、AOB和comammox的干旱后恢复情况仍知之甚少。这一知识空白很重要，因为酸性红壤分布广泛、生物活性高，且常在季节性气候变率下经历交替的干旱和复湿。此外，干旱后的氮素可用性可能改变不同氨氧化菌群的恢复力，从而改变恢复期间N₂O脉冲的时间和强度（Gao等, 2020; Thion和Prosser, 2014）。尽管最近的研究表明，氮循环菌群的恢复力可以调节复湿后的N₂O排放，但优势菌群和途径会随土壤特性和施肥背景而变化（Xu等, 2024; Zhang等, 2025）。因此，确定经典氨氧化菌和comammox在干旱后的恢复方式，以及它们对比鲜明的恢复力如何贡献于氮依赖型N₂O排放，对于理解亚热带酸性红壤中硝化作用介导的温室气体脉冲是必要的。

AOA、AOB和comammox在干旱后的生理恢复可能受到可利用氮基质的浓度和形式调节。氮素添加可以缓解极端气候事件对土壤功能的一些残留影响（Nguyen等, 2018），施肥仍然是农业土壤中常见的管理措施。在干旱日益频繁的背景下，评估氮素投入是否缓解了干旱引起的土壤功能障碍因此具有重要的生态和农学意义（Dulamsuren和Hauck, 2021）。由于不同氨氧化菌群的基质亲和力和氮需求不同，它们对氮素添加速率的反应可能不同。AOB通常对氮富集的反应比AOA更强，其丰度往往随氮素投入增加而增加（Carey等, 2016）。相比之下，AOA和comammox通常对氮素添加表现出较弱的反应（Zhang等, 2024），尽管在农田土壤中也报告了comammox对施肥的正响应（Li等, 2019）。因此，尽管许多研究已经考察了干旱胁迫或氮素施肥对N₂O排放的独立影响，但不同水平的外源氮素投入如何调节氨氧化菌群的干旱后恢复力，进而塑造复湿期间的土壤N₂O通量，仍不清楚。

为解决这一知识空白，我们进行了一项90天的亚热带酸性红壤培养实验，包括30天的干旱胁迫，随后是60天的复湿恢复。实验包括一个恒湿对照和干旱-复湿处理，氮素投入分别为无、低和高。我们将N₂O通量测量与定量PCR、高通量测序和土壤理化分析相结合，以表征AOA、AOB和comammox的恢复轨迹。我们假设这三种氨氧化菌群在耐旱性和干旱后恢复方面存在差异，且氮素投入将以菌群特异性的方式调节它们的恢复力。我们进一步评估了硝化细菌恢复力和土壤性质的变异是否能解释干旱后的N₂O排放。本研究从机理上揭示了在酸性红壤中氮素可用性如何塑造干旱后的微生物恢复和N₂O动态。

各节摘要

土壤样品采集与实验设计

本研究使用的红壤采自中国浙江省诸暨（29°44′ N, 120°23′ E），该地区具有典型的亚热带季风气候特征。该地区的年平均气温和降水量分别为16.3°C和1373.6毫米。采样点有着长期的玉米种植历史。该土壤被归类为红壤，在世界土壤资源参考基础中对应为铁铝土。0-20的初始理化性质

干旱后恢复期间的土壤N₂O排放和PNR

在复湿期间，CK（对照）的N₂O排放率始终保持在低水平，而干旱-复湿处理的N₂O排放率迅速增加，在第6天达到峰值（图1a）。峰值过后，N0（无氮）处理的N₂O排放迅速下降，而NL（低氮）和NH（高氮）处理的N₂O排放仍保持相对较高水平，表明氮素添加延长了复湿后的排放脉冲。处理间差异在复湿后的前14天最为明显。28天后，N₂O累计排放量达到1.43，

低氮添加促进AOA和comammox的干旱后恢复力，而高氮添加促进AOB恢复

干旱后，三种氨氧化菌群表现出明显不同的恢复策略。在复湿早期，AOA和comammox的amoA基因丰度接近于未受胁迫对照，其α多样性几乎没有下降（图2，图3e）。相比之下，在干旱胁迫土壤中，AOB的丰度和多样性明显降低，即使添加氮素也是如此（图2，图3）。这些结果表明，AOB在丰度水平上表现出更强的对

结论

在28天的复湿期间，干旱后的N₂O排放随氮素投入增加而增加。氨氧化菌群表现出对比鲜明的干旱恢复力：AOB更易受干旱影响，但在高氮输入下恢复强烈，而AOA和comammox相对耐受，在低氮输入下表现出更大的丰度恢复。Mantel和随机森林分析进一步表明，干旱后的N₂O排放与土壤恢复指标（EC、DOC、NO₃^-等）相关，

CRediT作者贡献声明

梁振华：撰写初稿、概念构思。吴烁烁：验证、方法学。朱岳杭：方法学。李俊：数据整理。胡宝威：撰写—审阅与编辑、资源提供。楚贵鑫：资源提供、项目管理。陶睿：撰写—审阅与编辑、资金获取

未引用参考文献

Harrell Jr和Dupont, 2020; Liu等, 2015; Zhang等, 2024。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

数据可用性

数据可在请求时提供。

竞争利益声明

? 作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由中国国家自然科学基金（42207367）共同资助。

梁振华|吴烁烁|朱岳杭|李俊|胡宝威|楚贵鑫|陶睿