土壤中的磷组分决定了氧化亚氮的排放量：这一结论基于硝化抑制剂和磷酸盐溶解菌的应用研究

《Journal of Environmental Management》：Soil phosphorus fractions drove nitrous oxide emissions: Based on nitrification inhibitor and phosphate-solubilizing bacterium applications

硝化抑制剂DMPP与解磷菌（PSB）联合应用对根际和非根际土壤中N?O排放及磷形态转化的影响研究表明，PSB削弱了DMPP对N?O排放的抑制效果，但显著提高了根际土壤中可溶性磷含量，同时非根际土壤中残留磷积累与N?O排放负相关。

　　

刘瑶辉|张萌|杨胜友|高海燕|于琳|肖福明|张文远

吉林农业大学林业与草原科学学院，长春，130000，中国

摘要

氮和磷是提高陆地生态系统生产力的重要因素，而硝化抑制剂和溶磷细菌（PSB）是减少土壤一氧化二氮（N₂O）排放、同时增加氮和磷有效性的可持续方法，从而实现环境友好的陆地生态系统。然而，3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和PSB联合应用对N₂O排放减少及磷形态转化的影响，以及它们在根际和非根际土壤中的相关性尚不明确。本研究对土壤化学性质、N₂O排放和磷形态进行了表征与分析。尽管DMPP抑制了土壤N₂O排放速率，但在根际和非根际土壤中，这种抑制作用被PSB逐渐减弱。与对照组相比，DMPP和PSB使根际土壤中的有效磷增加了10.09%–33.25%；而在非根际土壤中，仅在培养结束时观察到有效磷的显著增加（7.33%）。此外，研究还发现DMPP和PSB联合应用后，根际和非根际土壤中的残余磷分别呈现积累和减少的趋势。土壤pH值影响N₂O排放速率，有效磷、水溶性无机磷（H₂O-P）和碳酸氢钠提取的磷（NaOH-Pi和NaOH-Po）也对N₂O排放速率有正向或负向影响。总之，研究结果表明PSB加速了土壤磷形态转化并提高了磷的有效性，但减弱了DMPP对N₂O排放的抑制作用。

引言

一氧化二氮（N₂O）是最重要的温室气体之一，会导致全球变暖并消耗平流层臭氧（Ravishankara等人，2009年；Shcherbak等人，2014年）。土壤是一氧化二氮排放的重要来源，每年全球人为产生的N₂O排放量约有65%来自土壤（Mehnaz和Dijkstra，2016年）。超过50%的一氧化二氮来自施用氮肥的农业土壤（Shcherbak等人，2014年）。此外，过量施用氮肥还会引发其他环境问题，如土壤酸化和富营养化（Shcherbak等人，2014年；Gong等人，2024年）。因此，解决这些问题对于推进全球气候治理和实现可持续发展目标至关重要（You等人，2024年）。迫切需要合理且科学的氮管理策略以实现高效且环保的氮利用。硝化抑制剂的应用是减少N₂O排放和提高氮利用效率的有效方法（Fan等人，2022年）。3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）是一种广谱硝化抑制剂，可以减缓并抑制铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^?-N）的氧化反应（Li等人，2024年）。最近的一项荟萃分析指出，DMPP可使土壤N₂O排放量减少19.0%（Tufail等人，2023年），Fan等人（2022年）也表明DMPP在农业土壤中可使N₂O排放量减少约60.0%。因此，DMPP在减少N₂O排放方面具有巨大潜力。

在亚热带和热带土壤中，磷的有效性是限制植物生产力的主要因素（Turner等人，2018年）。传统上使用化学磷肥来提高土壤肥力和作物产量，但其利用率仅为10%–25%，剩余的磷会在土壤中积累（Chen等人，2024a；Liu等人，2024b）。土壤中的这种“遗留磷”是一把双刃剑，可能带来环境风险，但也是一种潜在的磷资源（Li等人，2023a；Margenot等人，2024年）。因此，合理且充分地利用“遗留磷”不仅可以减少磷肥的施用量和环境风险，还能提高土壤磷的利用效率（Li等人，2023a；Liu等人，2024b；Margenot等人，2024年）。接种溶磷细菌（PSB）可能是激活土壤中难溶性磷并提高磷利用效率的有效方法（do Amaral Leite等人，2024年）。PSB通过释放胞外酶和分泌有机酸来激活土壤中的磷（Gao等人，2024年）。Li等人（2023b）发现PSB接种显著提高了土壤中有效磷的含量和作物产量。PSB接种还增加了土壤中的有机磷含量，并减少了水溶性无机磷（Chen等人，2024b）。然而，高水平的有效磷可能会刺激土壤中N₂O的排放（Ullah等人，2016年）。此外，土壤中的磷和氮循环是相互依赖的过程，它们之间的耦合效应已被广泛研究（Huang等人，2021年）。单独施用氮肥会破坏氮和磷之间的平衡，导致磷的缺乏并刺激N₂O的排放（Shen和Zhu，2022年）。DMPP和PSB的应用可以减少氮肥和磷肥的用量，并构建环境友好的农业生态系统（Cheng等人，2023年；Guo等人，2023年）。现有研究大多仅关注DMPP或PSB单独应用对氮和磷转化的影响（do Amaral Leite等人，2024年；Zhao等人，2024年）。然而，关于DMPP和PSB联合应用对土壤N₂O排放和磷形态的影响的研究较少。

此外，由于根际和非根际土壤中的营养条件不同，微生物群对外源物质的响应也有所不同（Niu等人，2014年）。根际土壤中较高的营养浓度有利于PSB的生长和繁殖，从而加速磷形态的转化并提高磷的有效性（Ibá?ez等人，2021年）。同时，土壤微生物群通过加速氮代谢和循环来维持氮和磷之间的平衡，这可能进一步刺激N₂O的排放（Ullah等人，2016年；Shen和Zhu，2022年）。相反，DMPP可以通过抑制硝化和反硝化作用减少N₂O的排放（Fan等人，2022年）。因此，DMPP和PSB的联合应用可能对提高土壤中氮和磷的含量以及减少N₂O排放具有协同效应。虽然非根际土壤的营养水平通常低于根际土壤（Liu等人，2022a），但外部添加DMPP和PSB也可能有助于提高非根际土壤中氮和磷的有效性并减少N₂O的排放。

本研究在根际和非根际土壤中，分别添加DMPP和PSB后，研究了土壤N₂O排放、磷形态、氮循环相关基因、土壤三磷酸腺苷（ATP）和土壤化学性质。我们假设DMPP和PSB的联合应用可能在根际和非根际土壤中同时减少N₂O排放、提高有效磷含量并促进磷形态转化。研究目的是：（1）分析DMPP和PSB应用对根际和非根际土壤中N₂O排放和磷形态转化的影响；（2）量化根际和非根际土壤中磷形态与N₂O排放之间的相关性；（3）揭示DMPP和PSB应用后不同磷形态调节N₂排放的潜在机制。这些发现有助于我们更好地理解DMPP和PSB联合应用对N₂排放减少和磷形态转化的影响，并为土壤氮和磷管理提供技术支持。

实验部分

样品采集与实验材料

样品采集自江西农业大学的毛竹（Phyllostachys edulis）林区（北纬28°76′77″，东经115°84′25″）。分别采集了毛竹根际和非根际深度为0–20厘米的土壤。使用毛刷收集紧贴根部的土壤作为根际土壤样本，并通过2毫米筛网过滤所有土壤样本以备进一步培养。基本土壤化学性质如下：pH值为6.43，总氮含量为0.63克/千克。

土壤化学性质和ATP活性

与对照处理相比，DMPA处理下的根际和非根际土壤pH值显著升高（图S1a和b）。DMPA处理下根际和非根际土壤中的NH₄⁺-N含量分别增加了2.18%–32.95%和11.08%–30.54%（图S1c和e）。随着培养时间的延长，根际和非根际土壤中的NO₃^?-N含量逐渐增加（图S1d和f）。

DMPP和PSB应用对土壤N₂O排放的影响

不同处理、培养时间及其相互作用显著影响了土壤N₂排放速率（图1）。在培养第7天，DMPP抑制了根际和非根际土壤中的N₂排放速率，而PSB则促进了N₂排放。前者是DMPP普遍存在的抑制效果（Nair等人，2021年；Zhang等人，2022年；Li等人，2024a）。后者的原因可能与AOA amoA、AOB amoA nirK和nirS基因有关

结论

PSB接种减弱了DMPP对根际和非根际土壤中N₂排放速率的抑制作用。单独或联合应用DMPP和PSB均加速了根际土壤中残余磷的积累，但在培养结束时减少了非根际土壤中的残余磷。此外，土壤pH值和有效磷是影响N₂排放速率的重要因素，而残余磷对其有正向或负向调节作用

作者贡献声明

刘瑶辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，项目管理，数据分析，概念构建。张萌：软件使用，数据收集，数据分析。杨胜友：软件使用，资源管理，数据收集。高海燕：资源管理，数据收集。于琳：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金申请。肖福明：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金申请。张文远：撰写 – 审稿与

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号32360431、31560204、42177026）以及江西省林业局油茶专项研究项目（JXYCZX(2023)010101）和江西省林业局科技创新项目（2023(10)）的财政支持。