农田土壤是温室气体氧化亚氮（N2O）热点排放源，其中旱地土壤贡献了近79%的N2O排放量。土壤N2O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N2O排放源自反硝化过程。有机物料施用在旱地农田土壤固碳和作物增产方面发挥了重要作用，但大量有机碳源输入可能会刺激N₂O排放从而抵消其固碳效益。此外，旱地土壤的高氮投入也会显著影响反硝化过程中N₂O的产生和还原以及N₂O/(N₂O+N₂)比值。然而，目前不同有机物料施用模式对旱地土壤反硝化速率及N₂O/(N₂O+N₂)比值的影响机制尚不清楚。
为了回答上述问题，南京土壤研究所研究员颜晓元研究团队通过采集旱地农田长期定位试验中不同施肥处理（包括不施肥、单施化肥、化肥配施秸秆以及化肥配施秸秆与生物炭）的土壤样品，解析了不同有机物料施用模式下土壤N2O和N2排放速率及其关键影响因素。结果表明，与单施化肥相比，化肥配施有机物料（秸秆或生物炭）对N2排放速率影响不显著，但显著提高了N₂O排放速率，而秸秆与生物炭联合配施显著降低了N₂O/(N₂O+N₂)比值。各施肥处理中，土壤N2排放速率主要受控于土壤DOC含量和关键OTUs丰度，而N2O排放速率和N₂O/(N₂O+N₂)比值则主要受DOC/NO3-比和特定细菌模块丰度的影响。综合考虑各处理中土壤有机碳含量和N₂O排放差异，发现秸秆与生物炭联合配施能够有效减缓秸秆还田导致的净全球增温潜势上升。进一步通过15N2O同位素异位体-溯源模型和高通量测序技术研究了有机物料施用对旱地土壤N2O和N2排放速率、反硝化细菌和真菌群落结构及互作关系的影响。发现，有机物料施用显著增加了N2O和N2排放速率，同时提高了真菌反硝化对于N2O排放的贡献，这主要归因于关键物种Chaetomium在反硝化细菌和真菌相互作用网络中的显著富集。此外，有机物料施用也显著提高了互作网络中携带nosZ基因且具备完全反硝化能力的关键物种（如Achromobacter、Chelatococcus和Shinella）的丰度，这些细菌通过与反硝化真菌的互利合作，可以有效还原真菌反硝化产生的N₂O，从而降低了N₂O/(N₂O+N₂)比值。以上研究结果表明，通过合理的有机物料管理措施，旱地农田土壤能够兼顾固碳和N₂O减排的目标，为开发最佳农田有机物料管理模式提供了理论基础和数据支持。
上述研究工作得到了国家重点研发计划和中德科研合作项目的资助，并已发表在Journal of Environmental Management和Soil Biology and Biochemistry期刊上。
图1 有机物料施用方式对旱地土壤反硝化速率及其产物比值的影响
图2 有机物料施用对旱地土壤反硝化细菌和真菌的互作模式及其功能的影响
