2023年10月6日，中国农业大学与荷兰瓦赫宁根大学农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）导师陈永亮副教授携中荷AGD项目2021级博士生黑泽文（第一作者）在Global Change Biology杂志上发表了题为“Full substitution of chemical fertilizer by organic manure decreases soil N2O emissions driven by ammonia oxidizers and gross nitrogen transformations”的研究论文。该研究揭示了有机肥全量替代化肥通过降低土壤AOB丰度、有机氮矿化速率和自养硝化速率，最终降低N2O排放16.3% ~ 210.3%，为实现农业绿色可持续发展提供了理论支撑。
氧化亞氮（N2O）是大氣中重要的溫室氣體之一，其增溫潛勢在百年時間尺度上是二氧化碳的298倍。從工業革命初期至過去十年中，農田N2O的排放量從每年0.3
Tg增加到每年3.0 Tg，对全球土壤N2O排放的贡献也由4%增加至33%，占据了全球土壤N2O排放总增量的82%。考虑到全球人口的持续增长以及对食物和肥料需求的增加，预计全球N2O排放将持续上升。农田土壤N2O的排放受农田管理措施影响，如有机肥全量替代化肥。另外，施肥量、作物类型以及作物生育期在N2O的排放中也发挥着至关重要的作用。在华北平原，由于施肥引发的N2O排放很大程度上依赖于土壤中的氨氧化微生物和氮转化过程，因此深入探索氨氧化微生物和氮转化过程的作用对于预测农田土壤中的N2O排放至关重要。
图1 有机肥全量替代化肥下不同玉米生育时期土壤AOA (a-b), AOB (c-d)和comammox Nitrospira (e-f)的丰度和Alpha多样性
研究基于中国农业大学曲周有机肥全量替代化肥13年的长期定位实验，探索玉米拔节期、灌浆期和成熟期氨氧化微生物和氮初级转化速率对N2O排放的影响。利用qPCR和高通量测序探索AOA、AOB 和Comammox Nitrospira的丰度，物种组成和多样性，采用15N同位素标记技术和15N示踪模型探索土壤氮素初级转化速率，通过静态箱-气相色谱法田间原位测定土壤N2O排放。我们提出以下三个研究假设：（1）有机肥全量替代化肥可以降低AOB的丰度和多样性，但提高AOA和Comammox Nitrospira的丰度和多样性；（2）有机肥全量替代化肥可以降低土壤矿化，自养硝化速率，但是提高土壤对氮的固定速率；（3）N2O排放和土壤矿化，自养硝化速率呈正相关关系。
图2 有机肥全量替代化肥下不同玉米生育时期土壤AOA (a), AOB (b)和comammox Nitrospira (c)在属水平下的物种组成堆叠柱形
图3 有机肥全量替代化肥下土壤氮的初级转化速率
图4 有机肥全量替代化肥下N2O排放及其驱动因素
(a) 玉米不同生育期累积N2O排放，(b) N2O排放驱动因素的随机森林分析，(c-e) N2O排放与AOB丰度，有机氮矿化，自养硝化速率的相关性分析。
图5 有机肥全量替代化肥下氨氧化微生物和初级氮转化速率调控N2O排放机理图
本研究深入解析了有機肥全量替代化肥下氨氧化微生物和氮轉化過程在調控N2O排放中的作用。首先，有機肥全量替代化肥降低了玉米三個生育時期AOB的豐度和多樣性，並改變了AOB的群落組成（圖1和2），表明有機肥替代主要影響氨氧化微生物中AOB的豐度和多樣性。其次，有機肥全量替代化肥下，有機氮礦化率和自養硝化速率均降低（圖3），表明在華北平原有機肥全量替代化肥時，這兩個過程主導了氮的轉化過程。最後，在有機肥全量替代化肥下，AOB豐度、有機氮礦化和自養硝化速率與N2O排放呈正相關關系（圖4），表明微生物功能基因和氮轉化過程可以作爲評估全有機肥全量替代化肥下N2O排放的重要指標（圖5）。因此，該研究加深了我們對有有機肥全量替代化肥下N2O排放和調控因素的認識。
研究工作得到国家重点研发计划(2021YFD1700900)的资助，国家自然科学基金(41877046)，国家留学基金委项目（No. 201913043）和海南大学的资助。
项目介绍：中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD 计划）是由国家留学基金委资助，面向可持续、绿色生态的国家粮食安全重大战略需求，以培养多学科交叉创新、高层次复合型人才为目标的博士生培养计划。该计划依托国际智力资源和先进培养体系，中国农业大学（CAU）与荷兰瓦赫宁根大学(WUR)共建基于AGD 计划的博士生联合培养新模式，项目第一期于2019-2021年共选拔和资助90名优秀硕士生、第二期于2023-2025年共选拔和资助30名优秀硕士生攻读荷兰瓦赫宁根大学博士学位或中国农业大学联合培养博士。AGD计划总体目标是为中国农业可持续发展的转型做贡献，从高资源投入、高环境代价的生产模式转向高养分利用效率、低环境代价的可持续集约化生产模式。项目扎根中国大地，探索绿色高质农业发展道路，为全球农业可持续发展提供中国经验和中国样板。
原文鏈接：http://doi.org/10.1111/gcb.16957
