导读

氮肥施用导致大量氧化亚氮(N₂O)排放，N₂O不仅是一种强效温室气体，且会破坏臭氧层。淹水稻田中，N₂O主要通过反硝化作用产生，通过对反硝化功能基因和反硝化微生物组成进行调控，可增强N₂O还原，进而减少其排放。由废弃生物质限氧热解制备的生物炭(BC)在削减N₂O排放方面已展现出良好的前景。此外，零价铁(ZVI)的反应活性高且能提供大量电子，可促进完全反硝化的进行。然而，BC作为ZVI的载体 (ZVI/BC)通过化学和微生物学途径对厌氧稻田反硝化过程的N₂O排放的影响仍缺乏深入研究。本研究将BC、ZVI以及ZVI/BC分别添加至施入硝酸盐的水稻土壤中进行淹水厌氧培养，并设置了未添加土壤的非生物液相培养实验以探究硝酸盐还原的化学反应过程，通过测量N₂O排放量、土壤理化性质、微生物组成和反硝化功能基因丰度等，从化学和微生物途径阐明了BC、ZVI以及ZVI/BC减少N₂O排放的机制。本研究为减少农田N₂O排放提供理论支撑和科学参考。

在厌氧培养的25天内，所有处理组排放N₂O均在第二天达到最强，而在其余时间段并未出现明显的波动(图1A)。从N₂O累积排放量看(图1B)，未施加硝酸盐的土壤(CK)只有微弱的N₂O排放，而施加硝酸盐的土壤中(N)，N₂O排放最为剧烈，累积排放量最高。而在施入硝酸盐的土壤中进一步添加BC、ZVI和ZVI/BC均显著降低了N₂O排放，其中BC增强了ZVI的N2O减排效果。

图1 水稻土培养25天后不同处理组中N₂O排放通量(A)和N2O累积排放量(B)（来源：ScienceDirect）

从图2可看出，相对于CK处理组，硝酸盐刺激了反硝化功能基因的增加，显著降低了nosZ/(nirK+nirS)比值，促进了淹水水稻土壤N₂O排放。然而，相对于N处理组，BC施入通过下调nirK和nirS基因，且显著上调nosZ基因丰度，显著提高了nosZ/(nirK+nirS)比值。在NZVI和NZVI/BC处理组中，由于ZVI能与硝酸盐发生化学反应，减少了硝酸盐对反硝化的刺激作用，因此均下调了反硝化功能基因和nosZ/(nirK+nirS)比值，导致从微生物途径上有增加N₂O排放的风险。然而，他们均减少了反硝化底物，对减少N₂O的产生而言是十分有利的。此外，nosZ/(nirK+nirS)比值与N₂O排放量呈显著负相关(图2F)，进一步证明nosZ/(nirK+nirS)比值对水稻土壤N₂O排放具有重要控制作用。

图2 不同处理中反硝化功能基因丰度(narG (A)、nirS (B)、nirK (C) 和 nosZ (D))、nosZ/(nirK+nirS)比值(E)以及反硝化功能基因与N2O排放的相关性分析(F)（来源：ScienceDirect）

从图3A可看出，与nosZ/(nirK + nirS) 比值和nosZ基因呈显著正相关的细菌有unclassified_o__C0119、unclassified_f__Roseiflexaceae、Bryobacter、Candidatus_Solibacter、unclassified_o__Subgroup_7，这些细菌具有促进N₂O还原的潜力。此外，与nosZ/(nirK + nirS) 比值和nosZ基因呈显著负相关的细菌有unclassified_o__Gaiellales、Terrabacter、Conexibacter，这些细菌具有产生N₂O的潜力。从图3B可看出，unclassified_p__Chytridiomycota是减少N₂O排放的关键真菌，而Pseudeurotium是促进N₂O排放的关键真菌。

图3 nosZ 和nosZ/(nirK+nirS)比值与细菌(A)和真菌(B)的相关性分析（来源：ScienceDirect

BC通过改善土壤理化性质，重塑了微生物群落结构，提高了nosZ/(nirK + nirS)比值，从而减少了反硝化过程中N₂O的累积。然而，ZVI尽管降低了nosZ/(nirK + nirS)比值，导致有增加反硝化过程排放N₂O的风险，但是ZVI通过化学反应降低了硝酸盐含量，这不仅从源头上降低了反硝化底物，而且抑制了反硝化的进行，因此ZVI具有显著减少N₂O排放的效果。此外，单一ZVI有促进化学还原硝酸盐产生N₂O的风险，用BC负载ZVI后，不仅减少了该过程的发生，而且还增强了微生物减少N₂O排放的过程，尤其是提高了nosZ基因丰度。

图4 ZVI和BC相互作用减少N₂O排放的机制（来源：ScienceDirect）

本研究从化学和微生物学层面共同揭示了ZVI/BC对反硝化排放N₂O过程的影响。研究发现BC和ZVI均能减少水稻土壤N₂O的排放，而且他们的机制是完全不同的。虽然ZVI/BC对减少N₂O排放并未体现出协同增强的作用，但是从机制上看，却增强了ZVI与BC减少N₂O排放的机制的联系，这为探寻BC和ZVI相互作用进而发挥ZVI/BC的最优减排效果提供了线索。本研究为ZVI和BC减少农田N₂O排放提供科学参考，并为应对全球变暖提供了解决方案。

参考文献

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