氧化亚氮（N₂O）是一种强效温室气体，其全球增温潜势是二氧化碳的 298 倍。农业土壤是人为源N₂O排放的主要来源，约占全球人为排放总量的 60%。土壤微生物量作为氮循环的核心驱动因子，其与外源碳氮输入如何协同影响N₂O排放，长期以来尚未明确。针对以上问题，东北地理所等科研团队首次阐明了土壤微生物量大小与氮素有效性和外源碳输入的交互作用对N₂O排放的调控机制，为不同土地利用类型的温室气体减排提供了科学依据。

为破解这一科学难题，研究团队选取了源自同一母质但土壤基质存在差异的农田土壤和草地土壤，通过葡萄糖预培养调控微生物量大小，随后添加不同碳氮比的黑麦草残体（低碳氮比）和热水浸提黑麦草残体（高碳氮比），并设置施氮与不施氮处理，探究了微生物量大小、外源碳氮输入对不同土地利用类型N₂O排放的影响。研究发现，在无外源碳氮输入条件下，微生物量的增加使农田土壤和草地土壤的N₂O排放量分别提升 105% 和 18%，证实了微生物量大小是调控N₂O排放的关键因子（图1）。不同土地利用类型对碳氮输入的响应存在显著差异：农田土壤中，高碳氮比黑麦草残体与施氮结合处理的N₂O排放量最高；而草地土壤则在低碳氮比黑麦草残体与施氮组合下排放量最大。

图1土壤微生物量大小、植物残体和氮素添加对氧化亚氮（N₂O）排放的影响

分析表明，低碳氮比的植物残体易分解，能快速为微生物提供能量，促进反硝化过程；高碳氮比残体则会增强微生物对氮素的固定，在农田土壤中却因微生物量增加而缓解了这一效应，反而促进了N₂O排放。值得注意的是，在低碳农田土壤中，微生物量的增加主要响应外源碳的输入，微生物量碳的动态变化是主要控制因子。而碳含量较高的草地土壤对氮素添加更为敏感，其N₂O排放因子显著高于农田土壤（图2）， 进一步证实微生物量氮和无机氮的动态变化是驱动其N₂O排放的关键调控因子。研究成果不仅深化了对土壤碳氮循环与温室气体排放关系的科学认知，更为我国践行 "双碳"目标、推进农业绿色低碳发展提供了新的技术路径。

图2土壤微生物量大小和植物残体添加对农田和草地土壤氧化亚氮排放因子（EF）的影响

该研究揭示了微生物量大小与外源碳氮输入的化学计量特征、土壤属性之间的复杂交互作用，明确了不同土地利用类型N₂O排放的关键驱动因子。基于研究结果，未来可通过调控土壤微生物量水平、优化外源碳输入类型（如根据土壤碳含量选择合适碳氮比的有机肥或作物残体）等措施，实现农田生态系统的温室气体精准减排。

该成果发表于国际重要期刊《美国土壤科学学会杂志》（Soil Science Society of America Journal）。研究由东北地理所尤孟阳副研究员（现广州大学副教授）、李禄军研究员（通讯作者）、美国加州大学戴维斯分校William R. Horwath教授和威斯康星大学麦迪逊分校Xia Zhu‐Barker共同完成，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院国际合作项目等共同资助。

论文信息：

Mengyang You, Lu‐Jun Li, William R. Horwath, Xia Zhu‐Barker. 2025. Linking changes in soil microbial biomass size and nitrogen availability to increased N₂O production,Soil Science Society of America Journal, 89: e70143. https://doi.org/10.1002/saj2.70143

前期相关论文：

1. Lu-Jun Li, Rongzhong Ye, Xia Zhu-Barker, William R. Horwath. 2019. Soil microbial biomass size and nitrogen availability regulate the incorporation of residue carbon into dissolved organic pool and microbial biomass. Soil Science Society of America Journal,83: 1083-1092. https://doi.org/10.2136/sssaj2018.11.0446

2. Lu-Jun Li, Xia Zhu-Barker, Rongzhong Ye, Timothy A. Doane,William R. Horwath. 2018. Soil microbial biomass size and soil carbon influence the priming effect from carbon inputs depending on nitrogen availability. Soil Biology & Biochemistry.119: 41–49. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.01.003