半干旱雨养区苜蓿种植年限影响黄绵土N2O排放的微生物驱动机制.docx

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1、摘 要紫花苜蓿因其优良的饲用价值和生态功能，在黄土高原环境建设和产业结构调整中发挥着重要作用。针对目前黄绵土区苜蓿草地N2O释放的微生物机理研究较少的现状，本研究以黄土高原半干旱雨养农业区不同年龄紫花苜蓿人工草地为研究对象，于2018-2019年采用静态箱-气相色谱法测定了不同种植年限（L2003、L2005 、2012）苜蓿物候期N2O释放通量，同时借助基于MiSeq平台的高通量分子生物学测序技术测定了土壤氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）群落结构和丰度。通过研究不同种植年限紫花苜蓿土壤N2O排放动态和土壤中氨氧化微生物群落结构、丰度及其多样性及群落，解析黄土高原苜蓿草地系统土壤N2

2、O排放的微生物驱动机制，为西部黄土高原苜蓿草地的合理利用和雨养农业系统生产力可持续发展提供理论参考。主要研究结论如下：（1）黄土高原半干旱雨养农业区苜蓿土壤为N2O排放源，并呈现出夏秋高春冬低的季节性变化规律；N2O排放通量呈现出明显的单峰变化趋势，并于二茬再生期（7月）达到排放峰值，排放通量分别为0.1679 mgm-2h-1（2018）和0.1715 mgm-2h-1（2019）；随苜蓿种植年限的延长，累积排放量及增温潜势增加。（2）半干旱黄绵土区苜蓿土壤AOA和AOB的丰度分别为6.1410612.68106 copiesg-1干土和0.271067.7106 copiesg-1干土，表

3、现为AOA丰度显著高于AOB；随苜蓿种植年限延长AOA群落丰度增加显著，但AOB丰度表现为先增加后降低；长期种植苜蓿显著降低土壤AOA群落多样性并提高其丰富度，但对AOB群落多样性和丰富度无明显影响。（3）半干旱黄绵土区苜蓿土壤AOA群落优势门（1%）为泉古菌门（Crenarchaeota）和 unclassified _norank _Archaea，相对丰度分别为51.50%-96.16%和3.80%-47.13%；优势属（1%）为norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota、unclassified_k_norank_d_Archaea和n

4、orank_c_environmental_samples_p_Thaumarchaeota，相对丰度为51.50%-96.16%、3.80%-47.13%和0.04%-1.10%（4）半干旱黄绵土区苜蓿土壤AOB群落优势门为变形菌门、unclassified_k_norank_d_Bacteria和ammonia_oxidising_bacteria_ensemble，相对丰度分别为45.28%-67.73%、20.92%-28.01%和10.96%-31.58%，长期种植苜蓿后显著增加变形菌门的相对丰度，并降低ammonia_oxidising_bacteria_ensemble的相对丰度

5、；优势属为亚硝化螺菌属、unclassified_k_norank_d_Bacteria、norank_p_ammonia_oxidising_bacteria_ensemble、unclassified_o_Nitrosomonadales和norank_ f_environmental_samples，其丰度分别为21.11%-52.01%、17.83%-28.01%、10.96%-31.58% 、10.95%-23.07%和2.56%-15.96%，随苜蓿种植年限的延长而增加，亚硝化螺菌属相对丰度显著增加，norank_p_ammonia_oxidising_bacteria_ensem

6、bl相对丰度显著降低。（5）RDA分析结果表明，土壤有机碳（P=0.004）、硝态氮（P=0.025）、微生物量碳（P=0.013）、微生物量氮（P=0.048）和脲酶（P=0.005）是影响AOA群落结构的主要因素；土壤NH4+-N（P=0.014）和微生物量碳（P=0.037）是影响AOB群落结构的主要因素。（6）N2O排放通量同时受到环境因素和生物因素的共同影响，其中土壤温度、SOC、TN、NO3-N、MBC和 pH是影响半干旱黄绵土区苜蓿土壤N2O排放通量的环境因素； AOA群落的norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota、unclas

7、sified_k_norank_d_Archaea、norank_c_environmental_samples_p_Thaumarchaeota和norank_p_environmental_samples_k_norank及AOB群落的unclassified_k_norank_d_Bacteria影响黄绵土N2O排放通量的主要生物因子。关键字：黄绵土，紫花苜蓿，N2O排放通量；氨氧化古菌；氨氧化细菌；SummaryAlfalfa plays an important role in environment construction and industrial structure adj

8、ustment because of its excellent feeding value and ecological function in Loess Plateau. In view of the study on microbiological mechanism of N2O emission of alfalfa in loessial soil is less, so, this study took the alfalfa with different growth years in semi-arid rain-fed agricultural area in Loess

9、 Plateau as research object, static chamber-gas chromatographic techniques were used to continuously measure and analyze the N2O fluxes of alfalfa with different growth year(L2003,L2005,L2012) during 2018 to 2019, quantitative PCR and Illumina MiSeq high-throughput sequencing were applied to investi

10、gate abundance, community structure, and diversity of ammonia-oxidizing archaea (AOA) and ammonia-oxidizing bacteria (AOB) in loessial soil with continuous alfalfa growing.Through the study of N2O emission dynamic and the abundance,diversity,community structure of AOA and AOB of alfalfa soil with di

11、fferent growth years, to reveal the soil N2O emission of microbial drive mechanism, in order to provide scientific basis and effective theory reference for lucerne land rational utilization on western Loess Plateau and productivity sustainable development on rainfed agricultural area. The research m

12、ain conclusions are as follows:(1) The Alfalfa soil in the semi-arid rain-fed agricultural area of the Loess Plateau is the N2O emission source, and presents the seasonal variation characteristics of summer and autumn are higher than spring and winter. The N2O emission flux showed an obvious trend o

13、f unimodal variation and reached its peak in July, the emission fluxs were 0.1679 mgm-2h-1(2018) and 1715 mgm-2h-1(2019), With the extension of alfalfa growth years, the cumulative emissions and the warming potential gradually increased, which was shown as L2003L2005L2012.Compare with L2005 and L 20

14、12, The cumulative emissions and the warming potential were significantly greater in L2003 than in L2005 and L2012, high 4.47% and 14.14%.(2) The abundance of AOA and AOB in alfalfa soil were 6.14 106-12.68 106 copiesg-1 dry soil and 0.27106-7.7 106copiesg-1 dry soil, and both decreased gradually wi

15、th the deepening of soil layers.With the increase of alfalfa growth years, the AOA abundance in each soil layer was L2003L2005L2012, and the AOB abundance was L2005L2003L2012, and were significantly correlated with soil total nitrogen, nitrate nitrogen, organic carbon, microbial biomass carbon, micr

16、obial biomass nitrogen and urease activity.(3) The richness and diversity of AOA and AOB in alfalfa soil on Loess Plateau increased with the deepening of soil layer. With the extension of alfalfa growth years, the diversity of AOA in the 0-30 cm soil layer showed L2003L2005L2012, and Shannon index b

17、y L2012 was significantly higher than that of L2003(PL2003L2005, the diversity of AOB showed L2005L2003L2012, the richness showed L2003L2005L2012. In 30-60 cm soil layer, the diversity of AOA showed L2005L2003L2012, the richness showed L2012L2003L2005; The diversity of AOB showed L2012L2005L203, and

18、 the richness showed L2003L2012L2005. Correlation analysis found that the diversity of AOA and AOB were significantly correlated with soil organic carbon, nitrate nitrogen, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and urease. Long-term cultivation of alfalfa did not significantly affect

19、the diversity of AOB.(4) The dominant phylum (1%) of AOA were Crenarchaeota and unclassified _norank _Archaea, with relative abundance of 51.50%-96.16% and 3.80%-47.13%, respectively. The dominant genera (1%) were norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota, unclassified_k_norank_d_Archaea and no

20、rank_c_environmental_samples_p_Thaumarchaeota, with relative abundance of 51.50%-96.16%, 3.80%-47.13% and 0.04%-1.10%. Soil nitrate, organic carbon, microbial biomass carbon, microbial biomass nitrogen and urease activities were the main factors affecting AOA community genera groups. The relative ab

21、undance of alfalfa was not significantly changed after continuous alfalfa growing. The dominant phylum (1%) of AOB were Proteobacteria, unclassified_k_norank_d_Bacteria and ammonia_oxidising_bacteria_ensemble, with the relative abundance of 45.28%-67.73%, 20.92%-28.01% and 10.96%-31.58%, respectivel

22、y. With the increase of alfalfa growth years, the relative abundance of Proteobacteria was significantly increased, and the relative abundance of ammonia_oxidising_bacteria_ensemble was significantly decreased. The dominant genera were Nitrosospira, unclassified_k_norank_d_Bacteria, norank_p_ammonia

23、_oxidising_bacteria_ensemble, unclassified_o_Nitrosomonadales and norank_f_environmental_samples, with the relative abundance of 21.11%-52.01%, 17.88%-28.01%, 10.96%-31.58%, 10.95-23.07% and 2.566-15.96%, which were mainly affected by total nitrogen, organic carbon, microbial biomass carbon, microbi

24、al biomass nitrogen and pH. With the extension of alfalfa growth years, the relative abundance of Nitrosospira increased gradually, and the relative abundance of norank_psamammonia_oxidising_bacteria_ensembl decreased gradually.(5) RDA analysis results show that the soil organic carbon (P = 0.004) a

25、nd urease (P = 0.005) were the most important factors influencing the AOA community structure, soil nitrite nitrogen (P = 0.025), microbial biomass carbon (P = 0.013) and microbial biomass nitrogen (P = 0.048) were the secondary factors influencing the AOA community structure, soil ammonium nitrogen

26、 (P = 0.014) and the microbial biomass carbon (P = 0.037) were the main factors influencing the AOB community structure.(6) N2O emission is affected by both environmental and biological factors. Soil temperature, total nitrogen, soil organic carbon, microbial biomass carbon nitrite nitrogen and pH a

27、re environmental factors that affected N2O emission, and the norank_c_environmental_samples_p_Crenarchaeota, unclassified_k_norank_d_Archaea, norank_c_environmental_samples_p_Thaumarchaeota, norank_p_environmental_samples_k_norank of AOA community and the unclassified_k_norank_d_Bacteria of AOB comm

28、unity are biological factors that affected N2O emission.Key Words：N2O；Ammonia-oxidizing archaea；Ammonia-oxidizing bacteria；Abundance；Community structure目 录摘 要IISummaryIV第一章 绪论11.1研究背景11.2国内外研究现状31.2.1苜蓿人工草地N2O排放研究31.2.2 N2O排放的环境影响因子31.2.3 土壤微生物介导的N2O排放研究61.3研究内容71.3.1 黄土高原不同种植年限苜蓿草地温室气体排放特征71.3.2土壤氨

29、氧化微生物群落结构对苜蓿种植年限的响应71.3.3苜蓿种植年限影响黄绵土N2O排放的机制71.4技术路线8第二章材料与方法82.1 试验区概况82.2 实验设计92.3 测定指标及方法92.3.1土壤温室气体的采集与测定102.3.2土壤理化性状的测定102.3.3土壤酶活性的测定102.3.4土壤氨氧化微生物丰度及群落结构的测定102.4主要计算方法112.4.1温室气体排放通量的测定112.4.2温室气体累积排放量122.4.3增温潜势（GWP）122.4.4 多样性指数计算方法122.5数据处理14第三章结果与分析153.1黄土高原不同种植年限苜蓿草地N2O排放特征153.1.1不同种植

30、年限苜蓿土壤N2O排放的季节动态153.1.2 N2O累积排放量和增温潜势163.2土壤理化性质对苜蓿种植年限的响应173.2.1土壤水分对苜蓿种植年限的响应173.2.2土壤温度对苜蓿种植年限的响应183.2.2土壤养分对苜蓿种植年限的响应193.2.3土壤微生物量碳、氮和酶活性对苜蓿种植年限的响应203.3土壤氨氧化微生物群落结构和多样性对苜蓿种植年限的响应213.3.1土壤AOA群落结构和多样性对苜蓿种植年限的响应213.3.1.1土壤AOA丰度对苜蓿种植年限的响应213.3.1.2土壤AOA多样性对苜蓿种植年限的响应213.3.1.3土壤AOA群落结构对苜蓿种植年限的响应223.3.2

31、土壤AOB群落结构和多样性对苜蓿种植年限的响应263.3.2.1土壤AOB丰度对苜蓿种植年限的响应263.3.2.2土壤AOB多样性对苜蓿种植年限的响应263.3.2.3土壤AOB群落结构对苜蓿种植年限的响应273.3.3土壤理化因子对氨氧化微生物群落的影响313.3.3.1土壤氨氧化微生物群落多样性与土壤理化因子相关性分析313.3.3.2土壤氨氧化微生物群落结构与土壤环境因子相关性分析323.3.3.3冗余（RDA）分析343.4苜蓿种植年限影响黄绵土N2O排放的机制363.4.1 N2O排放通量与土壤物理性质的回归分析363.4.2 N2O排放通量与土壤因子相关分析373.4.3 N2O

32、排放与土壤氨氧化微生物群落的相关分析39第四章 讨论与结论414.1讨论414.1.1种植年限对苜蓿土壤N2O排放的影响414.1.2种植年限对苜蓿土壤氨氧化微生物群落特征的影响424.1.3苜蓿种植年限影响黄绵土N2O排放的微生物驱动机制444.2结论44参考文献46致谢56作者简介57导师简介58第一章 绪论1.1研究背景联合国环境规划署2019年发布的第10份排放差距报告显示1，2018 年度的温室气体排放总量达到了历史以来的最高点，约为553亿吨，要实现巴黎协定目标所允许的温室气体排放水平，现在比以往任何时候都更迫切需要所有国家采取紧急行动，实现大幅度减排。近100年以来，干旱半干旱区

33、温度增加最明显的地区，尤其是半干旱地区对全球变暖的贡献达到了44%。氧化亚氮（N2O）作为地球上三大主要的对流层温室气体之一，其辐射增温效应约分别占温室气体16%，它参与地球生态系统中的氮循环2-3。N2O是大气中三种主要温室气体中浓度最低的，但其增温效应最高，约为CO2的50200倍4。N2O能在大气中停留很长时间，对环境的影响存在潜伏性和长期性5，此外N2O还能与空气中的物质反应形成光化学烟雾，从而破坏臭氧层，因此，其也被认为是一种破坏大气中臭氧层的重要物质6。有研究发现，如果大气中的N2O浓度增加一倍，将破坏大气中约10%的臭氧层，导致穿过臭氧层的紫外线辐射显著增加，而达到地表的紫外线过

34、多就会对人类身体健康产生不利影响7-8。普遍认为大气环境中的N2O大约有70%是自然排放的，剩余的30%主要是化石燃料的燃烧等人类活动产生的，而自然产生的N2O就包括有农田土壤、草地、森林排放出来的N2O，而农田生态系统中80%的N2O排放量主要是由于氮素利用不合理导致的9-12。控制土壤中N2O排放的过程包括硝化过程和反硝化过程，均是由微生物参与作用，而硝化过程中的氨氧化过程是土壤中氮循环的限速步骤，主要是在氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的参与下完成13。黄土高原属于典型的半旱地农业区，区内沟壑纵横、地形破碎，水资源严重缺乏。此外，黄土高原土壤类型为黄绵土，质地松软，抗冲蚀能力差

35、，由于干旱少雨，导致地上植被稀疏，覆盖率低，导致其生态环境十分脆弱14。紫花苜蓿 (Medicago sativa) 是我国人工草地种植面积最大的草种, 具有抗旱、耐寒、耐贫瘠、保持水土、产量高等优良特性和较强的生态适应性，而且还具有土壤改良、培肥地力、植物修复等众多生态功能15-16，其根系经根瘤菌侵染形成根瘤后能固定空气中的游离氮，增加土壤中的氮素含量，据估算，每公顷苜蓿草地每年可以从大气中固定35305 kg N素，远高于其他作物地和天然草地，在我国半干旱地区，每公顷苜蓿1年可在土壤中固定270kg氮，相当于825kg硝酸铵17。紫花苜蓿由于抗逆性强，长期以来一直是该地区生态恢复的首选牧

36、草，对西北旱地农业生态脆弱区的生态修复、土壤结构改善、土壤肥力增强、水土保持等有着重要作用，因此在黄土高原地区种植面积逐年扩大18。据统计，甘肃省豆科牧草的种植面积为758000hm2，其中紫花苜蓿种植面积约529000 hm2，占国内总种植面积的三分之一，居全国首位19。目前，关于多年生苜蓿草地的研究大都集中在水分恢复效应17和养分变化15-16等方面，对苜蓿土壤温室气体排放研究也局限于土壤水分、温度等土壤理化的角度2,9-10，而基于微生物视角开展苜蓿土壤温室气体排放的研究相对匮乏。土壤微生物是土壤有效养分重要的库源和转化者，是土壤中的活性组分，每克土壤中栖息着大约100 亿个微生物20，

37、几乎所有的土壤生物化学过程都直接或间接地与土壤微生物有关。土壤微生物对生态系统功能如土壤结构维持、有机物质的分解和养分循环、温室气体排放等发挥着重要作用21。同时，土壤微生物能够迅速对周围环境的变化做出反应，是表征土壤质量变化最敏感、最有潜力的指标22。氨氧化细菌（Ammonia-oxidizing bacteria，AOB）和氨氧化古菌（Ammonia-oxidizing Archaea，AOA）在氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶的催化下，将NH3氧化成NO2，是硝化作用的关键步骤，也是限速步骤23，该过程的中间产物NH2OH会发生化学分解而释放出N2O。研究表明，在 35%60% 孔隙含水率（W

38、ater filled pore space，WFPS）时硝化作用是土壤 N2O 排放的主要来源24。本研究依托布设在甘肃省定西市安定区李家堡镇的甘肃农业大学旱地农业综合试验站的长期定位试验，测定生育期和休闲期不同种植年限苜蓿土壤N2O气体排放动态，同时采用定量PCR和Illumina MiSeq高通量测序分析不同种植年限的苜蓿土壤AOA和AOB的丰度、多样性以及群落结构，探讨N2O排放通量与其相关非生物因素和生物因素的偶联关系，明确影响N2O排放的主控因子，解析黄土高原不同种植年限苜蓿地N2O排放的微生物学驱动机制。1.2国内外研究现状1.2.1苜蓿人工草地N2O排放研究农业土壤作为N2O气

39、体的重要排放源，释放量占全球总量的70%90%3。其产生途径包括反硝化 作用、硝化作用、硝化微生物的反硝化作用及硝酸盐异化还原成铵等作用，其中硝化作用和反硝化作用是农业土壤产生N2O的最主要途径25-26。有研究发现27，氧化亚氮排放通量有着明显的季节变化规律，不同作物在不同生育期排放的N2O量也不相同。段翠清等27对陇中黄土高原8年苜蓿地生育期N2O的排放动态研究表明，土壤对N2O呈吸收排放状态，苜蓿地N2O的变化范围为0.02-0.11 mgm-2h-1，苜蓿地的综合增温潜势显著低于农田的综合增温潜势。王涛28等对黄土高原旱塬区陇东苜蓿草地N2O释放动态研究表明，从返青期至越冬期，3年龄陇

40、东苜蓿草地N2O释放通量在-0.0990.085 mgm-2h-1间，并呈上升下降上升下降的变化趋势，远低于湿地生态系统和国际释放平均水平0.627 mgm-2h-1。因此，旱塬区陇东苜蓿草地是较弱的N2O排放源。徐坤29对宁夏地区不同种植年限苜蓿地温室气体排放通量研究发现，不同种植年限苜蓿地土壤植被系统与土壤系统的N2O通量排放趋势基本一致，呈现出“夏秋高冬季低”的季节变化规律，总体表现为：4a5a3a8a1a，并且在5月和8月中旬各出现了N2O排放峰值，表现出的“源”效应。N2O排放通量受到种植年限的影响，排放最高值出现在4年生的苜蓿地中，而排放最低值出现在1年生的苜蓿地中。1.2.2 N

41、2O排放的环境影响因子土壤质地通过影响土壤的通气状况及土壤含水量，从而影响到土壤中硝化潜势和反硝化潜势，以及氧化亚氮在土壤中的扩散速率，同时土壤有机物质的分解速率也与土壤质地息息相关，其通过影响产生氧化亚氮的底物供应进而影响到土壤中的氧化亚氮排放30。目前土壤质地对旱地农田土壤氧化亚氮排放通量的影响已有一些研究31-32。对旱地农田土壤氧化亚氮排放通量的研究发现由于重质地土壤保水能力强，因此在该质地旱地土壤中，氧化亚氮的排放通量较高，而在轻质地的旱地土壤中，排放通量相对较低，这可能是因为重质地的旱地土壤具有更强的保水性能。徐华等33通过研究土壤质地对农田旱地土壤氧化亚氮的排放发现，不同土壤质地

42、的小麦和棉花地中，氧化亚氮排放通量表现为壤土最高，其次为沙土，粘土最低。土壤氧化亚氮排放量在不同质地水田中略有不同，李良谟和伍期途34研究结果表明，在水稻苗期不同土壤质地的氧化亚氮排放通量依次为红壤型水稻土潜育型水稻土淹育型水稻土；徐华等35通过研究不同质地土壤的氧化亚氮排放发现，沙质稻田土壤中的氧化亚氮排放通量显著高于壤质和粘质稻田土壤。此外，在不同质地的土壤中施用氮肥对氧化亚氮排放的影响也有所不同，Mosier等36研究发现，在粘质壤土中，氧化亚氮排放通量对氮素的变化有着更敏感的响应，在沙质壤土中，氧化亚氮排放通量对氮素含量的变化没有明显的响应。也有研究发现，在土壤孔隙含水量较高条件下，粘

43、土氧化亚氮排放的增加是由于粘质土壤的温度系数Q10比沙质土壤大，促进了反硝化作用37。土壤温度通过影响土壤内部微生物活性、硝化和反硝化速率以及N2O传送速率等多方面，进而左右土壤N2O的排放38。有研究表明39，苜蓿地N2O排放通量与5cm地温呈线性函数关系，土壤N2O排放通量发生的频率呈现正态分布，15-25度范围内集中了67%的排放量40。另外，温度对土壤N2O排放通量的影响随土壤深度增加而逐渐减弱41，温度过低时，土壤主要表现为对N2O的吸收。高琳等42对马铃薯地温室气体排放量进行研究发现马铃薯田N2O排放通量分别与采气时段土壤 5cm、15cm 和25cm 的温度均呈明显的负相关关系(

44、P0.05)，这可能与N2O的季节排放规律和温度的季节性变化有关。土壤水分主要通过影响土壤通气状况、土壤的氧化还原状况以及土壤中微生物的活性来影响土壤N2O的排放。有研究表明43，孔隙含水率在35% 60% 时，硝化作用是土壤N2O排放的主要来源，而在土壤孔隙含水率为70% 时，所有的 N2O排放量均来自于反硝化作用，但是当土壤完全淹水时，由于反硝化作用进行完全降低了土壤N2O的排放量。此外，干湿交替过程可引起土壤硝化作用和反硝化作用交替产生N2O，并且抑制N2O继续还原为 N2，从而促进N2O的产生与排放。孙海妮44在黄土高原半干旱区进行研究发现N2O排放峰均出现在施肥、降水雨或灌水后，这与

45、宋丽娜45的研究结果一致，这可能是灌水以后土壤由干变湿含水量增加，土壤进行干湿交替，促进硝化与反硝化作用释放更多的N2O。大部分异养微生物的生长与繁殖均离不开土壤中的碳氮养分，因此土壤中的碳氮含量被认为是是调控N2O排放的重要因子46，研究发现土壤碳氮含量与 N2O排放通量之间都具有显著正相关关系。因为土壤全氮与土壤有机质有着直接的耦合关系，有机质的含量对矿化作用有直接影响47，硝化和反硝化微生物在转化土壤中的NH4+ 和NO3 时，需要吸收利用土壤中的碳氮养分作为能源，但土壤中的碳氮含量较高时，异养硝化和反硝化微生物活性增强，促进了硝化和反硝化过程，从而产生大量的N2O48。此外，N2O通量

46、还与氮的矿化速率有关49，随着土壤全氮和有机质含量的增加，N2O 的排放通量增大。N2O释放同时受硝化和反硝化作用过程的控制50-51，与土壤中硝化细菌和反硝化细菌的活性、数量和种类有关。植物种类也影响着N2O的释放，豆科作物N2O的释放量显著高于非豆科作物52。豆科植物的生物固氮特性在增加植物可利用氮素的同时，也为硝化和反硝化过程提供了额外的底物，如大豆地N2O释放量显著高于玉米地53，加拿大农业领域释放的N2O中有22来源于豆科作物54。袁红朝等55发现土壤中有机碳含量的增加会促进土壤中的反硝化微生物活性，导致土壤中排放的N2O增加。而且土壤C/N 比也会影响氮素的转化过程，从而影响到N2

47、O的排放。通常土壤C/N比为2530时，微生物比较活跃，当 C /N比高于30 时，有机碳分解速率下降，微生物活性逐渐降低，土壤N2O的排放受到抑制; 当C /N比低于25时，有机碳分解速率逐渐增加，微生物活性逐渐增强，使土壤N2O 的排放速率逐渐增加56。土壤 pH 值可通过影响与氮转化相关的微生物的活性及改变相应的氮素转化过程而影响 N2O 的排放。研究发现，中性或弱碱性的土壤环境更适宜硝化和反硝化微生物的生存57，当土壤碱性较强时，反硝化酶Nos的活性增强，然而当土壤酸性较强时，反硝化酶Nos的活性逐渐降低，其他反硝化酶的活性增强，导致反硝化过程产生的N2O通量增加58；此外，当土壤pH降低时，有机碳的分解速率也随之降低59，减少了硝化和反硝化过程中消耗的氮素，从而使土壤排放的N2O减少；同时pH可以影响土壤中反硝化微生物的活性，进而影响氮素平衡。但土壤偏碱性时，NO2可以在土壤中暂时积累，当土壤酸化严重时， NO2直接参与反硝化过程最后生成N2O60。可见土壤pH也是影响农田N2O排放的主要因素之一。1.2.3 土壤微生物介导的N2O排放研究土壤氮循环主要包括4个过程，固氮作用、硝化作用、反硝化作用及氨化作用13，其中氨氧化作用作为硝化作用的第一步, 是硝化作用的限速环节，也是将铵态氮 (NH4+-N) 转化为亚硝态氮 (N