气候智能型吸管的推广不仅增强了二氧化碳的“肥料”效应，还减少了氧化亚氮（N2O）的排放：这一发现基于土壤宏基因组学和代谢组学的研究结果

《Journal of Cleaner Production》：Climate-smart straw return amplifies CO2 fertilization effects while decoupling N2O emissions: Evidence from soil metagenomics and metabolomics

　　

段若楠|高伟|何琪琪|翟志超|宗玉贞|张东升|史新瑞|郝星宇|李平

摘要

秸秆还田是土壤碳封存的关键农业措施，但其对氮循环和一氧化二氮（N₂O）排放的影响，尤其是在未来大气二氧化碳浓度升高的条件下（eCO₂），仍知之甚少。尽管已经分别研究了eCO₂和秸秆还田对N₂O排放的单独影响，但关于它们之间的联合效应和相互作用仍存在显著的研究空白，尤其是在大豆等豆科作物系统中。此外，大多数研究未能将功能基因、代谢物和微生物多样性整合到一个统一的机制框架中，导致遗传潜力与实际N₂O排放之间的内在机制尚未得到充分探索。为了解决这些空白，我们进行了一个对照实验，研究秸秆还田和eCO₂对植物生长、土壤性质、酶活性、N₂O排放以及相关微生物和代谢机制的单独和联合影响。eCO₂和秸秆还田的联合应用使大豆地上生物量增加了82.25%，总氮含量显著增加了26.37%。然而，这种处理也导致土壤氮循环向更高的N₂O产生潜力方向转变。值得注意的是，秸秆还田显著增加了反硝化基因（narG、nirK）的丰度以及(nirK + nirS)/nosZ比值，从而提高了N₂O产生的遗传潜力，但在联合处理下N₂O排放量并未显著下降。这种脱钩现象归因于硝酸还原酶活性（?74.47%）和土壤NO₃^?-N含量（?58.37%）的显著降低，导致反硝化菌受到底物限制。这些遗传变化与关键细菌门类（如Nitrospirae、Candidatus_Rokubacteria）的丰度增加有关，并与开花期N₂O排放量的激增相关。代谢组学分析显示，在秸秆还田条件下，支链氨基酸衍生物L-异亮氨酸与Nitrospirae之间存在强烈的正相关（r > 0.8，p < 0.05），但在eCO₂条件下这种相关性减弱，表明CO₂可能调节了植物与微生物之间的代谢信号传递。我们的研究结果表明，将秸秆还田与eCO₂结合使用可以提高作物产量和活性碳库，同时将N₂O产生的遗传潜力与实际排放量分离。本研究为优化秸秆残渣利用提供了机制上的见解和实践指导，有助于在未来的大气二氧化碳条件下实现更清洁的农业生产。