原花青素与单宁酸对旱地土壤N2O排放的肥料特异性调控机制与微生物过程解析

《Journal of Agriculture and Food Research》：Impact of the application of proanthocyanidin and tannic acid on nitrous oxide emissions from upland soils

本研究针对农业土壤N2O减排需求，通过培养实验与盆栽实验结合结构方程模型，系统探究了原花青素（PC）和单宁酸（TA）在不同肥料（尿素vs粪浆）及植物存在条件下对N2O排放的差异化影响。结果表明，PC和TA的减排效果具肥料特异性，且在白菜存在时均能显著抑制N2O排放并提升生物量与氮素利用率，为植物源天然抑制剂在循环农业中的应用提供了理论依据。

　　

在全球气候变暖的紧迫挑战下，农业土壤作为最大的非二氧化碳温室气体排放源，其释放的氧化亚氮（N₂O）对温室效应的贡献尤为突出。2024年成为有记录以来全球平均气温首次突破工业化前水平1.5℃的年份，这使得减少农业N₂O排放成为实现《巴黎协定》气候目标的关键行动。传统合成硝化抑制剂如DMPP虽效果显著，但存在环境残留风险，促使科学家将目光转向植物源天然抑制剂。原花青素（PC）和单宁酸（TA）作为典型的缩合单宁和水解单宁，是否能够替代合成抑制剂，在不同施肥条件下稳定抑制N₂O排放？其背后的微生物机制又如何？这些问题成为当前农业与环境交叉研究的热点。

为回答上述问题，河北农业大学的研究团队在《Journal of Agriculture and Food Research》上发表论文，通过室内培养实验与盆栽实验相结合，系统评价了PC和TA在尿素和粪浆施肥条件下对土壤N₂O排放的影响，并采用结构方程模型揭示了关键土壤参数与功能基因的调控路径。

主要技术方法概述

研究采用培养实验（无植物）和盆栽实验（有白菜）双系统设计，设置尿素与粪浆两种氮源，分别添加低/高剂量PC、TA及DMPP对照。通过静态箱-气相色谱法监测N₂O通量，利用qPCR定量功能基因（AOA、AOB、nirS、nirK、nosZI/II），结合土壤氮形态（NH₄⁺、NO₃^?、NO₂^?）与理化性质分析，通过结构方程模型解析多因子互作机制。

研究结果

3.1 无植物条件下BNIs对N₂O排放的影响

在尿素施肥的培养实验中，PC与DMPP类似，显著降低N₂O峰值排放（PC1/PC2：1.09–1.31 mg/m²/h；UR对照：5.20 mg/m²/h），累计减排率达58.96%–60.56%；而TA反而刺激排放，增幅达103.74%–254.31%。在粪浆施肥中，PC与TA均表现出抑制作用（减排26.3%–38.7%），但效果弱于DMPP（61.1%）。这表明PC的抑制作用具普适性，而TA的效应高度依赖肥料类型。

3.2 植物存在下BNIs对N₂O排放的调控

盆栽实验中，白菜的存在使PC和TA在尿素和粪浆条件下均显著抑制N₂O排放。尿素施肥时减排效率为28.10%–41.35%，粪浆施肥时进一步提升至22.90%–61.96%。同时，PC与TA处理的白菜单株生物量提升6.86%–31.54%，氮素利用率从8.16%–12.73%提高至11.95%–20.26%，说明植物-抑制剂互作可协同实现减排增产。

3.3 BNIs通过调控土壤参数与微生物过程减排N₂O

结构方程模型表明，尿素施肥时N₂O排放主要受NH₄⁺驱动，而粪浆施肥时转为NO₃^?主导。PC和TA在尿素处理中通过降低(nirS+nirK)/(nosZI+nosZII)比值促进N₂O还原；在粪浆处理中则通过抑制AOA、AOB、nirS、nirK并提升nosZII基因丰度，全面压制氮转化过程。

结论与意义

本研究首次明确PC和TA对N₂O排放的肥料特异性效应，并揭示其微生物机制差异：在尿素土壤中以增强N₂O还原为主，在粪浆土壤中以抑制整体氮转化通路为主。白菜的存在使两种抑制剂均转化为有效减排剂，同步提升作物生产力。该研究为植物源天然抑制剂在循环农业中的精准应用提供了理论支撑，建议后续研究关注BNIs在不同土壤类型、气候条件及真菌群落中的普适性，并探索与脲酶抑制剂联用以避免污染转移风险。