東北地理所在土壤微生物量與氧化亞氮排放關聯機制研究取得新進展
氧化亞氮（N?O）是一種強效溫室氣體，其全球增溫潛勢是二氧化碳的 298 倍。農業土壤是人為源N?O排放的主要來源，約占全球人為排放總量的 60%。土壤微生物量作為氮循環的核心驅動因子，其與外源碳氮輸入如何協同影響N?O排放，長期以來尚未明確。針對以上問題，東北地理所等科研團隊首次闡明了土壤微生物量大小與氮素有效性和外源碳輸入的交互作用對N?O排放的調控機制，為不同土地利用類型的溫室氣體減排提供了科學依據。
為破解這一科學難題，研究團隊選取了源自同一母質但土壤基質存在差異的農田土壤和草地土壤，通過葡萄糖預培養調控微生物量大小，隨后添加不同碳氮比的黑麥草殘體（低碳氮比）和熱水浸提黑麥草殘體（高碳氮比），并設置施氮與不施氮處理，探究了微生物量大小、外源碳氮輸入對不同土地利用類型N?O排放的影響。研究發現，在無外源碳氮輸入條件下，微生物量的增加使農田土壤和草地土壤的N?O排放量分別提升 105% 和 18%，證實了微生物量大小是調控N?O排放的關鍵因子（圖1）。不同土地利用類型對碳氮輸入的響應存在顯著差異：農田土壤中，高碳氮比黑麥草殘體與施氮結合處理的N?O排放量最高；而草地土壤則在低碳氮比黑麥草殘體與施氮組合下排放量最大。
圖1土壤微生物量大小、植物殘體和氮素添加對氧化亞氮（N2O）排放的影響
分析表明，低碳氮比的植物殘體易分解，能快速為微生物提供能量，促進反硝化過程；高碳氮比殘體則會增強微生物對氮素的固定，在農田土壤中卻因微生物量增加而緩解了這一效應，反而促進了N?O排放。值得注意的是，在低碳農田土壤中，微生物量的增加主要響應外源碳的輸入，微生物量碳的動態變化是主要控制因子。而碳含量較高的草地土壤對氮素添加更為敏感，其N?O排放因子顯著高于農田土壤（圖2）， 進一步證實微生物量氮和無機氮的動態變化是驅動其N?O排放的關鍵調控因子。研究成果不僅深化了對土壤碳氮循環與溫室氣體排放關系的科學認知，更為我國踐行 "雙碳"目標、推進農業綠色低碳發展提供了新的技術路徑。
圖2土壤微生物量大小和植物殘體添加對農田和草地土壤氧化亞氮排放因子（EF）的影響
該研究揭示了微生物量大小與外源碳氮輸入的化學計量特征、土壤屬性之間的復雜交互作用，明確了不同土地利用類型N?O排放的關鍵驅動因子。基于研究結果，未來可通過調控土壤微生物量水平、優化外源碳輸入類型（如根據土壤碳含量選擇合適碳氮比的有機肥或作物殘體）等措施，實現農田生態系統的溫室氣體精準減排。
該成果發表于國際重要期刊《美國土壤科學學會雜志》（Soil Science Society of America Journal）。研究由東北地理所尤孟陽副研究員（現廣州大學副教授）、李祿軍研究員（通訊作者）、美國加州大學戴維斯分校William R. Horwath教授和威斯康星大學麥迪遜分校Xia Zhu‐Barker共同完成，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院國際合作項目等共同資助。
Mengyang You,?Lu‐Jun Li,?William R. Horwath,?Xia Zhu‐Barker.?2025. Linking changes in soil microbial biomass size and nitrogen availability to increased N2O production,Soil Science Society of America Journal,?89: e70143. https://doi.org/10.1002/saj2.70143
前期相關論文：
1. Lu-Jun Li,?Rongzhong Ye,?Xia Zhu-Barker,?William R. Horwath. 2019. Soil microbial biomass size and nitrogen availability regulate the incorporation of residue carbon into dissolved organic pool and microbial biomass. Soil Science Society of America Journal,83: 1083-1092. https://doi.org/10.2136/sssaj2018.11.0446
2. Lu-Jun Li,?Xia Zhu-Barker,?Rongzhong Ye,?Timothy A.?Doane,William R. Horwath. 2018.?Soil microbial biomass size and soil carbon influence the priming effect from carbon inputs depending on nitrogen availability.?Soil Biology & Biochemistry.119:?41–49. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.01.003
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