氮素循环新发现：土壤中 N2O 通量、来源及微生物群落与碳磷关系探秘

《Biology and Fertility of Soils》：Nitrous oxide fluxes, their sources, and soil microbial communities depend more on carbon availability than long- and short-term phosphorus addition

为探究磷（P）对土壤 N2O 排放影响的不确定性，研究人员开展实验，发现其受碳（C）可用性影响大，对农业生产和环保意义重大。

　　《氮素循环新发现：土壤中 N₂O 通量、来源及微生物群落与碳磷关系探秘》

在广袤的农田里，土壤就像一个神秘的 “小宇宙”，其中发生的各种化学反应对生态环境有着深远影响。农业土壤是温室气体氧化亚氮（N₂O）的重要来源，它主要由微生物的氮（N）转化过程产生。当土壤中可利用的氮超过作物需求时，N₂O 的排放量便会增加。N₂O 的产生途径多种多样，包括反硝化作用、硝化作用和硝化细菌反硝化作用等，这些过程受到多种因素的调控，其中氮的可用性和土壤含水量是关键因素。

然而，磷（P）作为植物和微生物生长所必需的元素，它与 N₂O 形成之间的关系却充满了谜团。磷不仅是核酸、磷脂和三磷酸腺苷（ATP）等生物分子的主要成分，对微生物的碳和氨基酸代谢、氮矿化以及 N₂O 排放也有着重要影响。以往研究表明，磷添加对 N₂O 排放的影响并不一致，在不同的生态系统、土壤类型以及不同的碳氮可用性条件下，结果差异很大。例如，在一些农田、草地和湿地土壤中，缓解磷限制会减少 N₂O 排放；但在另一些草地和水稻土中，却会增加 N₂O 的产生。而且，目前关于磷及其添加历史对 N₂O 来源的影响，相关可靠信息十分有限。为了填补这一知识空白，来自德国哥廷根大学、德国罗斯托克大学、德国格赖夫斯瓦尔德大学和丹麦奥胡斯大学的研究人员开展了一项深入研究，相关成果发表在《Biology and Fertility of Soils》杂志上。

研究人员采用了中宇宙室实验和同位素方法，以探究不同磷施肥历史（低磷和高磷）的土壤在添加磷肥后，氮转化和 N₂O 的来源变化。实验土壤取自罗斯托克大学 1998 年开始的长期田间研究站点，分为低磷（LP）和高磷（HP）处理组，分别采集自未施磷肥的对照地块和长期施磷肥的地块。实验中，每个土壤类型又分别设置了不添加磷（LP-、HP-）和添加磷（LP+、HP+）的处理。

研究人员用到的主要关键技术方法包括：一是同位素分析技术，通过测定 N₂O、NH₄⁺和 NO₃^-等的同位素组成，来追踪氮的转化过程和 N₂O 的来源；二是 16S rRNA 基因测序技术，对土壤微生物群落进行分析，以了解不同处理下微生物群落的组成和变化。

研究结果如下：

1. 土壤分析：在整个培养实验过程中，土壤中钙 - 醋酸 - 乳酸提取态磷（P_CAL）含量在不同土壤和处理之间存在显著差异。长期施磷的 HP 土壤中 P_CAL含量较高，添加磷的处理（LP+、HP+）中 P_CAL含量也高于未添加磷的处理（LP-、HP-）。土壤 pH 在所有处理中均随时间增加，长期施磷的土壤 pH 更高，但磷添加对土壤 pH 无显著影响。水提取态有机碳（WEOC）在实验前期 HP 土壤略高于 LP 土壤，添加葡萄糖和 NH₄NO₃后，所有处理的 WEOC 含量都显著增加，且 HP 土壤增加更明显。总可溶性氮含量在所有处理中先下降，添加氮后继续下降，且高磷处理在添加前总溶解氮更高。土壤矿质氮中 NH₄⁺含量随时间增加，LP 土壤中浓度更高，磷添加对其无影响；NO₃^-含量变化无规律，在实验前期 LP 土壤中含量较高，添加葡萄糖和 NH₄NO₃后降为 0。
2. N₂O 和 NO 排放：所有处理的 N₂O 通量在培养开始后迅速增加，在第 2 天达到峰值，LP + 处理的峰值通量较大，而 HP 处理中磷施肥对通量无明显影响。添加葡萄糖和 NH₄NO₃后，N₂O 通量在第 7 天和第 9 天出现两个较小的排放峰值。累积 N₂O 排放 LP + 大于 LP-，而在 HP 处理中磷施肥对 N₂O 损失量无影响。NO 通量在实验前 6 天非常小，添加葡萄糖和 NH₄NO₃后增加，在第 7 天达到峰值，LP 处理在第 9 天有第二个峰值，HP 处理在第 8 天的第二个峰值较小。
3. 同位素特征和贡献过程：通过同位素分析发现，细菌反硝化和硝化细菌反硝化是 N₂O 形成的主要过程，真菌反硝化和硝化作用的贡献较小。实验过程中，残留未还原的 N₂O（rN₂O）比例逐渐增加，表明实验结束时只有一小部分 N₂O 被还原为 N₂。
4. 微生物群落组成：主坐标分析（PCoA）显示，LP 和 HP 土壤的微生物群落组成存在显著差异，且实验第 0 天和第 13 天的微生物群落也有明显变化，但磷添加在 LP 和 HP 土壤内未引起显著变化。实验过程中，一些厌氧微生物类群，如芽孢杆菌（Bacilli）、脱硫单胞菌（Desulfuromonadia）等的相对丰度增加，同时一些需氧功能，如硝化作用和需氧化学异养作用减少。

研究结论和讨论部分指出，不同的长期施肥方式影响了土壤中碳、氮、磷的可用性，以及微生物群落组成和养分循环过程。最初，两种土壤中的微生物都存在碳限制，HP 土壤中碳可用性和微生物呼吸略高。LP 土壤中低磷可用性并未限制反硝化作用，反而长期不施磷的土壤 N₂O 损失更高，且添加磷后进一步增加。葡萄糖添加缓解了碳限制，促进了微生物生长和呼吸，但对各处理的 N₂O 排放无影响。

该研究对于理解土壤中氮素循环和 N₂O 排放的机制具有重要意义。它揭示了碳可用性在调控土壤 N₂O 通量、来源以及微生物群落方面的关键作用，为农业生产中合理施肥、减少 N₂O 排放提供了理论依据。同时，研究也为后续进一步研究磷可用性对 NO 和 N₂O 形成的影响指明了方向，建议未来研究应避免微生物的碳限制，并深入分析 NO 形成的过程，以更好地制定减排策略。