中国农业大学张福锁院士团队在《Global Change Biology》上发文揭示有机肥全量替代化肥通过改变氨氧化微生物及初级氮转化速率降低农田土壤N2O排放的机制

       2023年10月6日，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）导师陈永亮副教授携中荷AGD项目2021级博士生黑泽文（第一作者）在Global Change Biology杂志上发表了题为“Full substitution of chemical fertilizer by organic manure decreases soil N₂O emissions driven by ammonia oxidizers and gross nitrogen transformations”的研究论文。该研究揭示了有机肥全量替代化肥通过降低土壤AOB丰度、有机氮矿化速率和自养硝化速率，最终降低N₂O排放16.3% ~ 210.3%，为实现农业绿色可持续发展提供了理论支撑。       

       氧化亚氮（N₂O）是大气中重要的温室气体之一，其增温潜势在百年时间尺度上是二氧化碳的298倍。从工业革命初期至过去十年中，农田N₂O的排放量从每年0.3 Tg增加到每年3.0 Tg，对全球土壤N₂O排放的贡献也由4%增加至33%，占据了全球土壤N₂O排放总增量的82%。考虑到全球人口的持续增长以及对食物和肥料需求的增加，预计全球N₂O排放将持续上升。农田土壤N₂O的排放受农田管理措施影响，如有机肥全量替代化肥。另外，施肥量、作物类型以及作物生育期在N₂O的排放中也发挥着至关重要的作用。在华北平原，由于施肥引发的N₂O排放很大程度上依赖于土壤中的氨氧化微生物和氮转化过程，因此深入探索氨氧化微生物和氮转化过程的作用对于预测农田土壤中的N₂O排放至关重要。

图1 有机肥全量替代化肥下不同玉米生育时期土壤AOA (a-b), AOB (c-d)和comammox Nitrospira (e-f)的丰度和Alpha多样性
 

       研究基于中国农业大学曲周有机肥全量替代化肥13年的长期定位实验，探索玉米拔节期、灌浆期和成熟期氨氧化微生物和氮初级转化速率对N₂O排放的影响。利用qPCR和高通量测序探索AOA、 AOB 和Comammox Nitrospira的丰度，物种组成和多样性，采用¹⁵N同位素标记技术和¹⁵N示踪模型探索土壤氮素初级转化速率，通过静态箱-气相色谱法田间原位测定土壤N₂O排放。我们提出以下三个研究假设：（1）有机肥全量替代化肥可以降低AOB的丰度和多样性，但提高AOA和Comammox Nitrospira的丰度和多样性；（2）有机肥全量替代化肥可以降低土壤矿化，自养硝化速率，但是提高土壤对氮的固定速率；（3）N₂O排放和土壤矿化，自养硝化速率呈正相关关系。

 

图2 有机肥全量替代化肥下不同玉米生育时期土壤AOA (a), AOB (b)和comammox Nitrospira (c)在属水平下的物种组成堆叠柱形图

 

 

图3 有机肥全量替代化肥下土壤氮的初级转化速率

图4 有机肥全量替代化肥下N₂O排放及其驱动因素

(a) 玉米不同生育期累积N₂O排放，(b) N₂O排放驱动因素的随机森林分析，(c-e) N₂O排放与AOB丰度，有机氮矿化，自养硝化速率的相关性分析。

 

图5有机肥全量替代化肥下氨氧化微生物和初级氮转化速率调控N₂O排放机理图

 

       本研究深入解析了有机肥全量替代化肥下氨氧化微生物和氮转化过程在调控N₂O排放中的作用。首先，有机肥全量替代化肥降低了玉米三个生育时期AOB的丰度和多样性，并改变了AOB的群落组成（图1和2），表明有机肥替代主要影响氨氧化微生物中AOB的丰度和多样性。其次，有机肥全量替代化肥下，有机氮矿化率和自养硝化速率均降低（图3），表明在华北平原有机肥全量替代化肥时，这两个过程主导了氮的转化过程。最后，在有机肥全量替代化肥下，AOB丰度、有机氮矿化和自养硝化速率与N₂O排放呈正相关关系（图4），表明微生物功能基因和氮转化过程可以作为评估全有机肥全量替代化肥下N₂O排放的重要指标（图5）。因此，该研究加深了我们对有有机肥全量替代化肥下N₂O排放和调控因素的认识。

       研究工作得到国家重点研发计划(2021YFD1700900)的资助，国家自然科学基金(41877046)，国家留学基金委项目（No. 201913043）和海南大学的资助。

       项目介绍：中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD 计划）是由国家留学基金委资助，面向可持续、绿色生态的国家粮食安全重大战略需求，以培养多学科交叉创新、高层次复合型人才为目标的博士生培养计划。该计划依托国际智力资源和先进培养体系，中国农业大学（CAU）与荷兰瓦赫宁根大学(WUR)共建基于AGD 计划的博士生联合培养新模式，项目第一期于2019-2021年共选拔和资助90名优秀硕士生、第二期于2023-2025年共选拔和资助30名优秀硕士生攻读荷兰瓦赫宁根大学博士学位或中国农业大学联合培养博士。AGD计划总体目标是为中国农业可持续发展的转型做贡献，从高资源投入、高环境代价的生产模式转向高养分利用效率、低环境代价的可持续集约化生产模式。项目扎根中国大地，探索绿色高质农业发展道路，为全球农业可持续发展提供中国经验和中国样板。

原文链接：http://doi.org/10.1111/gcb.16957