中国三江平原湿地土壤中温室气体排放对氮输入和气候变暖相互作用效应的响应

湿地温室气体排放受氮输入和升温协同影响，东北黑土湿地实验表明短期高氮抑制CO?排放，促进N?O排放，氮显著抑制CH?排放。微生物生物量及酶活性驱动CO?和N?O排放，基因表达调控CH?动态。

　　

冯一松|梅文凯|宋彦宇|傅芳聪|朱梦园|罗守阳|宋长春

中国科学院东北地理与农业生态研究所黑土保护与利用重点实验室，中国长春，130102

摘要

湿地是二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）等温室气体（GHG）的主要汇和源。这些温室气体的排放受到氮（N）输入和气候变暖的影响，但它们对湿地温室气体动态的综合作用仍不清楚。本研究调查了中国东北三江平原湿地在氮输入（25、50和100毫克氮每千克土壤）和温度升高（从20°C到25°C）条件下的土壤CO₂、CH₄和N₂O排放的短期响应。同时，还检测了土壤微生物丰度、酶活性以及土壤碳（C）和氮（N）组分含量，以确定驱动温室气体排放的潜在机制。结果表明，短期氮输入和温度升高显著增加了CO₂和N₂O的排放。然而，与低和中等氮输入相比，高氮输入通过破坏微生物之间的竞争平衡和导致土壤养分失衡抑制了CO₂的释放。氮输入强烈抑制了CH₂的排放，且在较高氮水平下抑制作用更明显。双向方差分析（ANOVA）表明，氮输入对CH₂和N₂O的影响更大，而温度升高对CO₂的影响较小。氮输入与温度升高的相互作用对CO₂和CH₂排放的影响很小，对N₂O排放没有显著影响。Mantel回归和线性回归分析显示，CO₂和N₂O排放与微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）含量呈正相关。CO₂和CH₂排放还受到酶和细菌活性的影响，而CH₄排放受到mcrA:pmoA基因丰度比的正面调节，并受到硝酸盐氮（NO₃^?-N）含量的负面影响。铵氮（NH₄⁺-N）和反硝化基因主要驱动N₂O的排放。这些发现揭示了氮污染和气候变暖条件下湿地温室气体排放的微生物机制，有助于预测全球变化对湿地生态系统的影响。

引言

自然湿地是二氧化碳（CO₂的弱汇，是甲烷（CH₄的最大自然来源，同时是一氧化二氮（N₂O的弱源）（Frolking等人，2011年）。然而，由于氮（N）污染和全球变暖的综合作用，湿地温室气体（GHG）的排放仍存在很大不确定性（Cheng等人，2022年）。自工业时代以来，化石燃料燃烧和过度农业施肥导致大气中氮沉积量增加，生态系统中的氮输入也随之增加（Ackerman等人，2019年），这一趋势在亚洲尤为明显（Kanakidou等人，2016年）。全球变暖始于19世纪60年代中期，到2020年已达到工业化前水平的1.7°C，并预计到21世纪20年代末将达到2°C（McCulloch等人，2024年）。氮富集和全球变暖对生物地球化学过程和生态系统功能的影响日益受到重视（Pecl等人，2017年；Stevens，2019年），这突显了更好地理解它们对温室气体排放以及湿地生态系统中微生物机制影响的必要性。

土壤微生物和酶在调节湿地温室气体排放中起着关键作用。在CO₂和CH₄产生过程中，微生物群落优先利用可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）等易分解的碳底物（Walker等人，2018年；Liu等人，2022年）。研究表明，在添加氮的情况下，土壤水解酶（包括β-葡萄糖苷酶（BG）、纤维素水解酶（CBH）、N-乙酰-β-葡萄糖胺酶（NAG）和酸性磷酸酶（AP）与土壤碳含量呈正相关，这可能加速养分淋溶并加剧温室气体排放（Lu等人，2020年）。特别是BG和CBH通过影响DOC的可用性来影响CO₂排放（Ji等人，2021年）。先前的研究证实，微生物和水解酶在添加氮后会消耗大量DOC，从而促进CO₂排放（Luo等人，2022年），因为氮是微生物活动的重要营养素和限制因素，对于参与土壤碳分解的胞外酶的产生至关重要（Chen等人，2018年；Kuypers等人，2018年）。

氮输入的增加导致温室气体排放增加（Chen等人，2021年）。氮输入对湿地中的甲烷代谢有复杂的影响。一方面，它通过促进植物残体分解和增加根系分泌物来增强甲烷生成（Bragazza等人，2012年）。另一方面，NO₃^?-N可以通过离子毒性抑制产甲烷细菌，并通过反硝化过程发挥作用。此外，氮输入还促进了反硝化厌氧甲烷氧化微生物的丰度，从而有助于减少CH₄排放（Wang等人，2022年）。这些效应导致CH₄排放对氮输入的响应不一致。此外，氮输入调节土壤中的NH₄⁺-N和NO₃^?-N水平，这些物质参与各种氮循环过程（如硝化、反硝化和厌氧氨氧化），从而影响N₂O排放（Feng等人，2024年）。氮富集条件下N₂O排放的增加与反硝化基因（如nirK和nirS）的丰度增加有关（Zhang等人，2023年）。这些见解显著提高了我们对氮输入如何通过微生物途径影响温室气体排放的理解。

气候变暖对温室气体排放有多方面的影响。变暖通常通过刺激微生物和酶活性以及通过氨氧化微生物加速硝化速率来促进CO₂和N₂O的排放（Chen等人，2017年）。然而，变暖对CH₄排放的影响并不一致，根据环境条件的不同，有报道显示排放增加、减少或不变（Gong等人，2021年；Cheng等人，2022年）。虽然许多研究单独研究了氮添加和变暖对湿地温室气体排放的影响，但这些因素在全球变化背景下同时发生，它们的相互作用可能更为复杂（Song等人，2019年）。Gao等人（2025年）发现，温度升高导致的NH₄⁺-N含量增加显著调节了CH₄排放。单因素实验往往无法捕捉到这些相互作用，限制了我们对全球变化背景下湿地温室气体动态的理解。此外，氮输入和变暖共同影响CH₄排放的机制尚不清楚，不同湿地类型、植物特性和气候条件下的结果也有所不同（Dean等人，2018年；Noyce和Megonigal，2021年；Tong等人，2024a）。因此，研究氮输入和变暖的相互作用对于全面了解它们对湿地温室气体排放的影响至关重要。

中国东北的三江平原是该国最大的湿地区域，是研究氮富集和变暖相互作用效应的理想地点。自20世纪中叶以来，大规模的农业开垦和过度施肥导致了大量的氮输入（Yu等人，2018年；Xiang等人，2020年）。同时，三江平原地区的变暖趋势（Yan等人，2002年；Li等人，2024年）表明，该地区面临氮富集和气候变暖的复合影响风险较高。三江平原的湿地通常是氮限制的生态系统（Gao等人，2022b），年平均温度仅为1.9°C。因此，我们假设氮输入和变暖将增加微生物的丰度和活性，从而促进湿地土壤的温室气体排放。

为了验证上述假设，本研究从三江平原收集了湿地土壤，以研究氮输入和变暖对温室气体排放及其驱动机制的相互作用。我们进行了不同氮输入水平和温度的对照实验，模拟氮污染和气候变暖。监测了土壤中的CO₂、CH₄和N₂O排放，并分析了土壤细菌、真菌、微生物碳和氮循环基因的丰度、碳代谢活性、水解酶活性以及碳和氮指标。目的是阐明氮富集和变暖调节湿地温室气体排放的机制，并为全球变化下的湿地碳和氮循环提供见解。

研究地点和土壤样本采集

土壤样本来自中国黑龙江省三江湿地生态系统国家观测与研究站的一个典型沼泽湿地（北纬47°35′，东经133°29′，海拔57.9米），该地区属于温带气候，属于季节性永久冻土带。该地区的年平均温度为1.9°C，年平均降水量为600毫米。主要植被包括Deyeuxia angustifolia和Carex lasiocarpa，土壤...

温室气体排放对氮输入和变暖的响应

氮输入、变暖及其相互作用显著影响了CO₂排放（p < 0.05）（表1）。无论是否变暖，LN（LNW）和MN（MNW）处理的CO₂排放量均显著高于HN（HNW）处理（p < 0.05）。在变暖条件下，表层土壤的累积CO₂排放量分别在LNW、MNW和HNW处理中增加了2164.83、1657.42和855.66毫克碳-二氧化碳每千克（图1）。

类似地，CH₄...

氮输入和变暖对CO₂排放的短期影响

在本研究中，短期氮输入促进了CO₂排放，累积排放量随着氮输入的增加呈现出驼峰形趋势，顺序为LN（LNW）> MN（MNW）> HN（HNW）> CK（W）（图1）。这一趋势表明，中等氮输入增强了微生物和酶活性，加速了可溶性有机碳（DOC）和微生物生物量碳（MBC）等易分解碳源的分解，最终导致CO₂排放增加。这些发现与先前的研究结果一致（Gao等人，2022a；Dencs?...

结论

本研究阐明了氮输入和变暖对湿地土壤温室气体排放的相互作用效应，并确定了驱动其响应的微生物机制。结果表明，短期氮输入和变暖的相互作用显著增加了CO₂排放。然而，与低和中等氮输入相比，在较高氮输入水平下，由于微生物和酶活性受到抑制以及养分失衡，CO₂排放受到抑制。

作者贡献声明

冯一松：撰写-原始草稿、验证、软件使用、调查、数据分析、数据管理。梅文凯：撰写-原始草稿、可视化。宋彦宇：撰写-审稿与编辑、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论设计、概念构建。傅芳聪：数据分析。朱梦园：撰写-原始草稿、调查。罗守阳：方法论设计。宋长春：资源管理、项目协调。

利益冲突声明

作者声明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（42271109、42220104009）和吉林省科学技术发展计划（20240304025SF）的资助。