超嗜热堆肥肥料减轻一氧化二氮排放的分子机制

氮氧化物减排机制研究：通过盆栽实验对比分析不同有机肥（NF、HTCF、TCF）对土壤N?O排放及微生物群落的影响。结果表明HTCF处理使N?O排放量降低47.15%，其作用机制包括抑制norB和nirK基因表达（减少产N?O酶活性）、促进产N?O还原菌丰度增加（nosZ基因富集），同时HTCF显著提升包菜生物量47.02%。

　　

周晨 | 王晓军 | 徐颖 | 陈少华

中国科学院城市环境研究所先进环境技术国家重点实验室，中国厦门，361021

摘要

与施肥农业土壤相关的氧化亚氮（N₂O）排放是温室气体的主要来源。虽然超嗜热堆肥可以减少N₂O的排放，但其产物如何影响氮（N）循环微生物的生态位分布以及调节N₂O的源-汇机制仍不清楚，这限制了其在土壤生态系统中的应用和进一步的技术发展。为了解决这个问题，我们进行了一个基于盆栽的实验，设置了不同的有机肥料处理方案：不施肥（NF）、超嗜热堆肥施肥（HTCF）和嗜热堆肥施肥（TCF）。通过气相色谱结合宏基因组测序和分箱方法，我们研究了HTCF对土壤N₂O排放的影响及其相关的微生物机制。结果表明，有机肥料显著改变了土壤性质，影响了细菌群落的演替和N₂O的排放。与TCF（9.57克）相比，HTCF（14克）使小白菜的生物量增加了47.02%。同时，HTCF（2835毫克/平方米）使N₂O排放量减少了47.15%，而TCF为5364毫克/平方米。HTCF减少了产生N₂O的基因（包括norB和nirK）的丰度，从而有助于降低N₂O的排放。HTCF改变了微生物群落结构，使得携带nosZ基因的专性N₂还原细菌的相对丰度增加，这可能有助于减少N₂O的排放。HTCF还丰富了Nostoc、Rhizobium、Mesorhizobium和Piscinibacter等微生物的丰度，维持了稳定的土壤环境，并促进了固氮和硝化的顺利进行。这些发现阐明了HTCF诱导的N₂O减排的微生物机制，为减少温室气体排放的综合施肥策略提供了科学依据。

引言

氧化亚氮（N₂O）是土壤氮损失的关键成分，也是一种强烈的温室气体，对平流层臭氧的破坏有显著影响（Ravishankara等人，2009年；Lin等人，2022年）。目前全球每月平均N₂O浓度约为338.30 ppb，其100年内的全球变暖潜力是二氧化碳的273倍（Cui等人，2025年；Lan等人，2022年；Esquivel-Elizondo等人，2025年）。由施肥引起的农业土壤直接N₂O排放是农业排放增加的主要来源，约占全球人为N₂O排放的52%（Qian等人，2025年；Tian等人，2020年）。统计数据显示，由于施用氮肥，直接土壤N₂O排放量从20世纪80年代的1.5 Tg N^?1增加到2007年至2016年的2.3 Tg N^?1，并且这一上升趋势预计将持续（Qian等人，2025年）。因此，优化氮肥管理以减少农业N₂O排放对于可持续农业发展至关重要。

最新数据显示，中国每年每公顷有机肥料的使用量达到了15,000–150,000公斤（Cheng等人，2024年）。在欧洲，2023年约有830万吨来自牲畜的有机氮被施用于作物（Fertilizers Europe，2024年）。这些数据表明，大规模使用有机肥料正成为全球趋势。有机肥料通过影响土壤性质和微生物过程，改变N₂O的产生和还原平衡，从而影响N₂O的排放（Jones等人，2014年）。许多研究表明，部分用有机肥料替代化学肥料（30%-60%）可以显著减少N₂O排放并提高氮利用效率（Liu等人，2021年；Zhu等人，2022年）。然而，不同的施肥方式可能导致N₂O排放量的显著差异。因此，了解氮肥施用方法如何调节氮循环微生物对于制定有效的N₂O减排策略至关重要。

农业土壤中的N₂O排放主要由微生物硝化和反硝化过程驱动（Sorecha等人，2025年）。在硝化过程中，氨氧化细菌通过羟胺氧化还原酶（HAO）催化羟胺的分解，该过程中的酶促副反应是N₂O产生的主要来源。反硝化过程涉及NO₃^?逐步还原为N₂，分别由硝酸盐还原酶（NAR/NAP）、亚硝酸盐还原酶（NIR）、一氧化氮还原酶（NOR）和氧化亚氮还原酶（N₂OR）催化。其中，NIR和N₂OR被认为是土壤N₂O最重要的来源和汇（Fu等人，2025年；Hiis等人，2024年；Frosteg?rd等人，2022年）。氮肥的施用增加了硝化和反硝化微生物的基质可用性，可能影响它们的长期群落结构和代谢功能，从而影响N₂O的排放（Qian等人，2025年）。因此，更深入地了解微生物群落如何调节N₂O排放将有助于开发更有效和可持续的土壤氮管理策略。

超嗜热堆肥（>80°C，持续5-7天）是近年来一种新兴且高效的有机固体废物处理生物技术（Liao等人，2023年；Yu等人，2018年）。先前的研究表明，与嗜热堆肥相比，超嗜热堆肥可以减少约45%-90%的N₂O排放。主要机制包括抑制氨氧化细菌的活性和amoA的表达，以及减少反硝化相关基因（norB、nirK和nirS）的表达和相应功能微生物（如Thermobifida和Ammoniibacillus）的生长，从而减少硝化和反硝化过程中的N₂O产生（Cui等人，2019年；Sun等人，2022年）。值得注意的是，现有研究主要集中在堆肥过程中的N₂O排放特性上。然而，关于超嗜热堆肥产物中的特定微生物群落如何调节氮代谢微生物的生态位分布以及其在土壤中的源-汇平衡，仍缺乏系统的理解，这限制了其在土壤生态系统中的应用。

基于此，我们假设超嗜热堆肥施肥（HTCF）会比嗜热堆肥施肥（TCF）产生更低的土壤N₂O排放，主要是通过改变氮转化途径和选择性地塑造氮循环微生物群落，包括参与氮代谢的关键功能基因和酶。为了验证这一假设，我们研究了不同有机肥料处理对土壤N₂O排放及其潜在机制的影响，包括不施肥（NF）、HTCF和TCF。首先，从多个角度评估了HTCF和TCF在土地利用方面的生态优势，包括土壤性质和N₂O排放。随后，利用宏基因组测序阐明了在不同施肥条件下氮代谢相关微生物、酶、功能基因和代谢途径对N₂O排放的调节机制。进一步结合分箱分析，识别了关键的氮代谢分类单元及其功能基因丰度的变化，揭示了N₂排放的潜在机制。最终，多维数据整合揭示了土壤性质、微生物群落结构、功能酶和基因丰度以及代谢途径在不同有机肥料制度下对N₂排放的综合影响。这些发现有望加深对HTCF如何影响农业土壤中N₂排放的理解，并为其作为减少排放和提高效率的绿色肥料的应用提供科学依据。

材料

本研究使用的材料包括土壤、HTCF和TCF。沙质土壤取自厦门集美区一个当地玉米田的表层（0-20厘米），经过六个月的休耕期后，经过风干、研磨和筛分（2毫米）以去除杂质。HTCF购自福建志清生态环保有限公司，该产品由牛粪制成，采用超嗜热堆肥技术发酵（温度保持在80°C以上）

不同处理下的植物生长表现

不同施肥处理下的小白菜生物量有显著差异（表1）。与NF处理（5.21克）相比，HTCF（14克）和TCF（9.57克）下的生物量分别增加了170%和83.69%（P < 0.05）。HTCF下的生物量比TCF高47.02%（P < 0.01）。此外，HTCF下的小白菜TN含量达到了5.08%。

有机肥料对氮代谢过程的影响

不同施肥处理下的土壤无机氮浓度存在差异（图1a–c）。HTCF和TCF处理显著增加了土壤中的NH₄⁺

有机肥料的应用改变了参与氮代谢的土壤微生物群落组成

土壤细菌是影响N₂排放的主要介质（Hiis等人，2024年）。有机肥料的施用增加了土壤微生物的多样性，并改变了微生物群落的组装过程。值得注意的是，HTCF在施用前的α-多样性指数（Chao1、Shannon和Pielou）低于TCF，表明HTCF本身代表了更具选择性的微生物接种剂。

环境影响

本研究表明，超嗜热堆肥在减少作物栽培过程中的N₂排放方面具有显著的环境效益。然而，作为一种相对新兴的技术，其经济可行性仍然是影响农业利益相关者采用的关键因素。与传统堆肥相比，超嗜热堆肥具有几个潜在优势：（1）显著缩短的处理周期可以减少所需的设施面积和周转时间，

结论

结果表明，在施用有机肥料的土壤中，反硝化是N₂O排放的主要驱动因素。HTCF处理使N₂排放量减少了52.85%，这归因于一氧化氮还原酶和norB基因表达的抑制，以及完全反硝化菌和具有高N₂排放潜力的反硝化途径微生物的减少，从而限制了N₂的产生。同时，HTCF增加了相对丰度

作者贡献声明

周晨：撰写——原始草稿、资源获取、资金申请。王晓军：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。徐颖：软件、方法论。陈少华：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42507030）、中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（C级）（项目编号：GZC20241668）和中国博士后科学基金会（项目编号：2025M772574）的支持。