农田土壤是温室气体氧化亚氮（
N
2
O）热点排放源，其中旱地土壤贡献了近79%的
N
2
O排放量。土壤
N
2
O排放是多个微生物过程综合作用的结果，除了传统认为的硝化作用贡献外，旱地土壤中近50%的
N
2
O排放源自反硝化过程。这主要是因为在旱地农田土壤中，硝态氮的累积显著影响了反硝化过程中
N
2
O的产生和还原，以及其产物
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)比值。然而，现有研究对有机物料施用模式如何调控反硝化速率及
N
2
O/
(
N
2
O+
N
2
)比值的驱动因素和微生物机制仍不明确。
真菌反硝化作用对碳含量高的土壤
N
2
O排放具有显著贡献；然而，有机肥施用下细菌和真菌反硝化微生物之间的相互作用效果及机制仍不清楚。本文利用自动连续流培养系统（RoFlow），研究了高施氮农田土壤中4个处理：ⅰ）空白对照（Control），ⅱ）有机肥施用（Manure），ⅲ）化学氮肥（Urea），和ⅳ）化学氮肥和有机肥共同施用（Urea+Manure）下
N
2
O和
N
2
的排放速率、产物比值及土壤反硝化细菌和真菌互作的关系。
图
1
（
A
）土壤硝态氮和可交换性铵态氮浓度动态变化；
（
B
）实验结束时土壤硝化和反硝化过程相关功能基因丰度
研究发现有机肥添加显著提高了土壤反硝化气体排放通量。其中，Manure处理的
N
2
O累积排放比Control处理（2.82±0.83 kg N ha
-1
）显著高出6.7倍，而Urea+Manure处理相对于Control和Urea处理分别提高了12.36倍和36.00倍。反硝化功能微生物（包括细菌和真菌）大多数为异养微生物，有机肥的添加为其提供了能量和电子供体。有机肥的添加不仅会提高
N
2
O排放，同时也促进了
N
2
O的还原过程。有机肥施用有利于反硝化微生物的生长和代谢，改变反硝化群落的组成，从而会影响其中的
N
2
O和
N
2
排放。尽管有机肥施用对土壤
N
2
O和
N
2
的排放均起到了促进作用，但降低的反硝化
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值说明有机肥对完全反硝化过程的刺激作用。
图2 45天培养期间实验各阶段下各处理土壤
N
2
O（A1–3）、
N
2
（B1–3）和
N
2
O+
N
2
（C1–3）平均排放通量及其
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值（D1–3）
基于SP和
N
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O-δ
18
O的三端元溯源模型计算微生物过程对
N
2
O排放（细菌或真菌反硝化产生的
N
2
O）的贡献。在Control和Urea处理中，细菌反硝化对
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2
O排放的贡献分别为85%±8%和89%±17%；在Maunre和Urea+Manure处理中，这些贡献分别显著减少了36%和11%。有机肥施用土壤中促进的
N
2
O排放很大一部分是由真菌反硝化作用产生的（31%±15%）。有机肥施用可以改变不同反硝化功能微生物在土壤
N
2
O排放中的主导优势。培养Ⅰ阶段的
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值低于II阶段，说明了细菌反硝化作用在培养初期占主导地位。这可能是由于真菌的定殖生长速度相对低于细菌。有机肥添加处理的培养时间内，真菌反硝化对
N
2
O产生的贡献明显增加，从培养阶段I的28%增加到阶段II的52%。因此，阶段II期间
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值的增加不仅是由有限的碳可用性或电子供体引起的，也是真菌反硝化增强的结果。
图3 45天培养期间实验各处理（A）
N
2
O、
N
2
累积排放量及其（B）
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值，（C）细菌和真菌反硝化过程排放的
N
2
O及其（D）相对占比
有机肥施用后反硝化真菌（携带fungal
nirK
）在整个土壤反硝化微生物群落中的重要性和竞争力得以增强。这些变化体现在更多的fungal
nirK
-OTU参与微生物间相互作用以及反硝化真菌（携带fungal
nirK
）和反硝化细菌（携带bacterial
nirK
）节点之间的正负连接比值的增加。有机肥施用后反硝化细菌和反硝化真菌之间的关系由竞争朝向互惠转变。这种互惠的原因是真菌反硝化的最终产物
N
2
O可以被大多数反硝化细菌菌进一步利用，较低的
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值可以佐证了这一观点。另一方面，
N
2
O还原过程可以使得细菌和真菌反硝化菌都受益，主要通过提供能量并解除累积高浓度
N
2
O的生长抑制作用。
图4 基于细菌和真菌
nirK
基因的产
N
2
O微生物群落共现网络
另一方面，共现网络中关键物种的组成和相对丰度（反硝化细菌属和真菌属）对有机肥的添加呈现显著响应。
Chaetomiun
作为被广泛报道参与土壤反硝化过程的典型真菌属，在有机肥添加处理中显著富集，并且与细菌反硝化源
N
2
O排放贡献呈现显著负相关。同时，在有机肥添加后土壤中
Achromobacter
、
Chelatococcus
、
Shinell
等具备完全反硝化能力典型反硝化细菌的丰度显著增加，其丰度的增加与
N
2
累积排放和细菌反硝化源
N
2
O排放呈显著正相关，同时与
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值呈负相关。总体而言，有机肥料施用引起的微生物群落结构和丰度变化，尤其是反硝化细菌和真菌共存模式的转换，促进
N
2
O的还原过程，从而有效降低高施氮农田土壤的
N
2
O/(
N
2
O+
N
2
)产物比值。
