水稻作为全球近一半人口的主粮，全球种植面积超过1.55亿公顷。氮素（N）一直是限制水稻产量的关键因素，我国水稻氮肥年投入量630万吨，约占全球水稻氮肥用量的三分之一。稻田土壤中各氮素转化过程的速率决定了土壤氮素水平的高低。然而目前稻田土壤N保留以及N损失速率的大尺度分布规律及驱动因素尚不明晰。
为了回答上述问题，南京土壤所研究员颜晓元团队采集了全国主要稻区的土壤样品，研究了全国水稻土壤中自生生物固氮、反硝化、厌氧氨氧化（Anammox）、硝酸盐异化还原成铵（DNRA）以及净N2排放速率的空间变异规律及其关键影响因素。研究结果表明，稻田土壤可能是自生生物固氮的热区，其潜势比DNRA潜势高出10倍。经度、有机碳浓度以及固氮微生物群落组成和多样性是影响自生生物固氮潜势的关键因素。宏基因组组装基因组（MAGs）预测生物固氮代谢途径发现固氮基因nifH与反硝化相关基因（nirS/K和nosZ）以及有机碳氧化相关基因（yiaY和galM）具有显著共现性，表明固氮微生物在稻田土壤中具有异养能力。由于生物固氮是一个高耗能的过程，固定一个氮气分子需要16个ATP，在厌氧条件下，自生固氮菌可以利用硝酸盐作为厌氧呼吸的末端电子受体，通过结合有机碳氧化获得能量。上述结果表明有机碳氧化与硝酸盐还原耦合对增强稻田土壤自生生物固氮具有重要作用。
与自生生物固氮速率分布不同，稻田N2排放速率没有显著的区域差异，但是不同水稻种植方式显著影响了N2排放速率。水旱轮作和单季稻土壤的N2排放速率显著高于双季稻土壤。除此之外，稻田土壤N2排放速率与土壤pH之间呈单峰关系，N2O还原菌和土壤性质是调节区域N2排放速率差异的主要因素。稻田土壤nosZ Clade I和Clade II中具有显著的生态分化，而土壤pH是驱动其群落组成变化的关键因素。具体而言，在水旱轮作种植下，土壤水分和pH显著影响了nosZ Clade I型反硝化菌的丰度和组成，而在双季稻种植模式下，土壤质地和pH是影响nosZ Clade II型反硝化菌的丰度和组成的主要因素，从而驱动了N2损失。这些发现加深了我们对稻田生态系统 N2损失动态的理解，强调了N2O 还原微生物在稻田N2损失中的关键作用，表明平衡 N2O还原过程和 N2O产生过程可能是未来减缓N2O排放和减少N2损失的重要策略。
以上研究成果已发表在“Soil Biology and Biochemistry”和“Science of the Total Environment”期刊上。该研究工作得到了国家自然科学基金的资助。
图1 稻田土壤自生生物固氮潜势及其驱动因素
图2 不同种植模式下稻田土壤N2损失速率及其驱动因素
