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氮氧化亚胺排放受化肥与苜蓿覆盖协同影响研究。在三峡库区柑橘园开展四年试验，比较化学肥（VnoF）、苜蓿覆盖（VFno）、两者组合（VF）及对照（VnoFno）处理。结果显示：VnoF导致N?O排放量达对照组186.6%，与硝酸盐还原酶基因丰度升高相关；VF处理排放量显著低于VnoF，但高于VFno和VnoFno，可能与nosZ基因丰度及土壤团粒结构（MWD）改善有关。土壤MWD与nosZ基因负向调控N?O排放。尽管VF处理N?O排放仍高于对照，但维持与化肥单独处理相当（22.41 vs 24.24 t·ha?1·yr?1）的柑橘产量，证实该策略在保障作物产量的同时减少N?O排放的可行性，机制涉及土壤物理结构重塑与功能微生物调控。
杨洪兵|曾立雄|张佳佳|黄志林|杨欣|雷蕾|肖文法
国家林业和草原管理局森林生态与环境重点实验室，中国林业科学院生态与自然保护研究所，北京100091
摘要
多年施肥和种植毛苕子（Vicia villosa Roth var. glabrescens Koch）被认为是影响柑橘园土壤氮（N）动态的重要措施，但它们的综合效应及其背后的微生物机制仍很大程度上尚未被探索。本研究通过宏基因组分析，研究了这些措施如何影响中国三峡库区毛苕子整个生命周期中的N2O排放。实验始于2020年，包括四种处理方式：仅施用化学肥料（VnoF）、仅种植毛苕子（VFno）、同时施用化学肥料和种植毛苕子（VF）以及不施肥的对照组（VnoFno）。结果表明，VnoF显著增加了N2O排放（比对照组高出186.6%），这与硝酸盐和亚硝酸盐还原酶基因的丰度增加有关。VFno显著增强了与氮矿化、氨化相关的基因，表明氮循环趋向于硝化作用而限制了反硝化作用。VF处理的N2O排放量介于VnoF和VFno之间，表明种植毛苕子可能部分缓解了肥料引起的N2O释放。这种缓解作用与土壤中nosZ基因的丰度增加和N2O还原潜力的提升有关。偏最小二乘结构方程建模显示，土壤团聚体水分稳定性（平均重量直径，MWD）和nosZ基因丰度分别是关键的生物和非生物因素，两者都对N2O排放具有显著的负面影响。值得注意的是，VF处理的MWD比VnoF低12.6%。这一观察结果表明，毛苕子对土壤物理结构的变化可能影响通气性和微环境条件，从而影响N2O的动态。VF处理的柑橘产量（22.41吨/公顷）与VnoF（24.24吨/公顷）相当，显著高于VnoFno（1.98吨/公顷），P < 0.05）。总体而言，这些发现表明VF策略是一种实用且有效的方法，可以在保持高柑橘产量的同时缓解气候变化的影响。这可能是通过调节土壤物理结构、增强与N2O还原相关的微生物功能潜力（如nosZ基因）来实现的。
引言
随着全球人口的增长，对有限耕地的压力日益加剧，农业温室气体（GHG）排放的气候影响受到了越来越多的关注（Smith等人，2020；FAO，2019；UNEP，2024）。在这种背景下，来自耕作土壤的一氧化二氮（N2O）排放受氮（N）管理的强烈影响，因为施肥仍然是主要来源（Nsabiyeze等人，2024）。实证研究表明，覆盖作物和精准施肥等做法可以调节矿质氮的可用性，并影响土壤湿度和氧化还原状态，从而调节微生物介导的硝化和反硝化过程以及相应的N2O通量（Chataut等人，2023；Du等人，2024）。因此，阐明这些管理措施与微生物之间的联系对于设计在不影响作物产量的情况下减少N2O排放的策略至关重要。
毛苕子（Vicia villosa Roth var. glabrescens Koch）作为一种覆盖作物，因其固氮能力（约75公斤氮/公顷·年）和碳（C）固存潜力而受到重视（Zhang等人，2025a；Castellano-Hinojosa等人，2022）。然而，其对N2O排放的影响尚不清楚：大约60%的研究报告称种植豆科作物会增加N2O排放，而40%的研究则显示其可以减少排放（Basche等人，2014）。这些矛盾结果的背后机制尚不明确。毛苕子残渣较低的C:N比例可能增加可溶性有机碳，加速矿化作用，从而在厌氧微环境中促进反硝化和N2O的产生（Zhang等人，2024；Zhang等人，2025b；Lazcano等人，2021）。相反，同时提供碳和氮可能增强微生物的吸收能力，固定矿质氮并限制硝化和反硝化的底物，从而可能减少N2O排放（Zhang等人，2025a）。这引发了一个关键问题：在什么条件下，毛苕子覆盖会成为N2O的净来源或汇，这些机制如何与施肥相互作用？
虽然施肥对作物产量至关重要，但过量的氮输入会提供丰富的NH4+和NO3–底物，从而促进微生物过程并增加N2O的产生（Meng等人，2005；Signor和Cerri，2013）。过量的合成氮肥会酸化土壤，改变微生物群落结构和功能。土壤酸化会抑制氨氧化古菌和nosZ基因携带的反硝化菌——这些是N2O向N2转化的关键还原剂——同时有利于促进N2O释放的菌群，从而降低氮利用效率并增加排放（Zhang，2017；Luo等人，2024；Tao等人，2018）。尽管高氮输入会显著增加N2O排放，但毛苕子覆盖如何通过改变微生物功能群落来调节这些效应仍不清楚。
土壤中的N2O排放由微生物硝化和反硝化过程的平衡决定，这些过程受动态微生物基因网络的调控（图S1），其相对贡献取决于底物供应、pH值和湿度（Du等人，2024；Han等人，2024）。了解管理措施如何影响这些功能基因对于预测和减少N2O通量至关重要。施肥通常会增加硝化菌和反硝化菌的标记基因，但会抑制N2O还原能力（nosZ），部分原因是由于底物竞争和pH值下降（Tao等人，2018；Bai等人，2023）。豆科覆盖作物可以通过根系分泌物和固定的氮来刺激反硝化菌（nirK/nirS携带者）和氨氧化菌，但可能会降低nosZ的比例或活性（Li等人，2023；Liu等人，2024；Liao等人，2024；Topps等人，2021；Hao等人，2022）。长期施用复合肥料和种植毛苕子可以促进反硝化菌和硝化菌之间的协同代谢（Zhang等人，2025a），反硝化过程受土壤C:N比例的调控（Zhang等人，2024）。然而，这些措施很少被联合研究。一个关键的知识空白是：毛苕子覆盖和复合施肥如何相互作用，从而改变< />/nirS和nosZ基因携带者之间的平衡，进而影响N2的净排放量？
虽然施肥和覆盖作物的单独效应已经得到了相当充分的研究，但它们对微生物氮循环途径的相互作用仍是一个关键的知识空白。目前尚不清楚来自毛苕子残渣的易分解碳和氮源如何改变微生物对高氮输入的反应。毛苕子覆盖是放大还是缓冲肥料引起的N2O产生途径的刺激？回答这个问题需要一种整体方法，将土壤N2O通量与整个氮循环微生物群落的功能潜力联系起来。因此，本研究使用宏基因组学方法研究了复合施肥和种植毛苕子在幼年柑橘园中的相互作用。我们旨在探讨这些措施如何改变关键功能基因的丰度和氮循环微生物群落的结构，从而调节N2排放。基于先前研究表明管理措施、土壤性质和氮循环微生物之间的联系（Ouyang等人，2018；You等人，2022；Yu等人，2023；Zhang等人，2024），我们假设：（1）种植毛苕子可能通过改变反硝化基因的化学计量比来缓解肥料引起的N2排放；（2）N2排放的累积可能受到生物和非生物因素的共同调节。我们预期管理措施引起的氮循环功能潜力和土壤物理结构（如团聚体稳定性）的变化可能是N2排放的关键驱动因素。因此，我们的目标是：（i）量化这些措施对N2排放、土壤性质和氮循环微生物群落的单独和综合影响；（ii）阐明关键的非生物（如土壤结构）和生物（如功能基因丰度）因素如何相互作用以调节N2排放。
研究地点和实验设计
实验于2021年至2024年在中国湖北省宜昌市 Zigui县 Jiuwanxi 镇进行（30°48′10″N, 110°46′43″E），位于三峡库区的首个淹没区内。该地区具有湿润的亚热带季风气候，年平均气温为17.9°C，年降水量为1169.8毫米，位于海拔600米以下的低山地区。果园于2020年春季使用新种植的‘Jiuyuehong’脐橙苗建立。
N2O排放通量和累积排放
在毛苕子的整个生命周期中，VF和VFno处理的N2O排放通量有所波动，施肥后通常会出现明显的峰值。在衰减阶段，通量呈非线性变化，在较冷时期或晚期衰减时下降。最高的瞬时通量——VF、VnoF和VFno分别为431.69、1069.69和619.81 μg·m–2 h–1——出现在施肥后或衰减期间，而VnoFno在毛苕子生长期间达到峰值313.45 μg·m–2 h–1。
N2O排放及施肥和种植毛苕子的潜在影响
在两个毛苕子覆盖周期中，N2O通量表现出相似的季节性动态，在施肥后或大量降雨后约两周出现明显峰值（图1；图S10），这与早期研究结果一致（Guo等人，2024；Zhao等人，2025）。这些峰值可能反映了矿质氮和易分解碳的暂时增加，以及水分变化对氧化还原状态的调节（图4；图S8）。
结论
复合施肥和种植毛苕子与微生物群落组成、氮循环基因库以及酶活性的变化有关，这些变化与土壤N2排放量相关。两种处理下的N2通量增加与硝化和反硝化基因的丰度和拷贝数增加以及尿素酶、硝酸盐还原酶和亚硝酸盐还原酶活性的增强相吻合。累积N2排放量与微生物氮代谢能力提高有关。
CRediT作者贡献声明
张佳佳：研究工作。杨欣：研究工作。黄志林：项目管理、资金获取、概念构思。肖文法：写作——审稿与编辑、监督、资源管理、资金获取、概念构思。雷蕾：写作——审稿与编辑、监督。曾立雄：监督。杨洪兵：写作——初稿撰写、可视化、验证、软件应用、方法学设计、数据分析、数据整理、概念构思。
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所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号32130074）和中央农业科学院基础研究基金（编号CAFYBB2022XD001）的支持。
