南京土壤所等在极端干旱土壤微生物反硝化潜力研究方面取得进展

阿塔卡马沙漠（Atacama Desert）是地球上最古老的沙漠，由于其极端干旱的条件，也被认为是陆地生物圈中对生命活动最不利的环境之一，是地球上最类似火星的地方。另一方面，阿塔卡马沙漠深层土壤中含有世界上已知的最大的硝酸盐存储量，目前对这样极端的土壤在遭遇极端降雨等变化时，是否能进行反硝化作用并释放N₂O等温室气体还不清楚。

为了回答这个问题，中国和德国研究团队共同努力，沿着阿塔卡马沙漠的干旱梯度对土壤进行取样，并利用旱地反硝化过程全自动土壤培养系统（Robotized continuous Flow incubation system）在线监测了不同土壤的反硝化过程，研究了4个连续事件（添加水、硝酸盐、可利用碳（葡萄糖）和氧耗竭）对土壤N₂O和N₂排放的影响。结果发现，添加水和硝酸盐后可以检测到极低的N₂O通量；而添加葡萄糖后，所有土壤都存在明显的N₂O和N₂排放；在氧耗竭条件下，N₂的排放显著增加，N₂O的排放随之减少，表明不同干旱程度的土壤均具有完全反硝化的潜力。尽管极端干旱显著降低了土壤细菌的丰富度，但反硝化微生物潜力和相关基因丰度（napA、narG、nirS、nirK、cnor、qnorB和nosZ）没有显著差异。利用¹⁵N-N₂O同位素异位体的位嗜值技术（¹⁵N-N₂O site-preference SP approach）进一步检测N₂O产生的来源，发现在干旱程度较低的土壤中，真菌反硝化作用和细菌反硝化作用共同产生N₂O，随着干旱程度的增加，细菌反硝化作用逐渐占据主导。因此，即使在极端干旱的阿塔卡马沙漠，微生物丰富度显著降低，但由于存在巨大的微生物功能冗余，土壤反硝化功能可完整保存，反硝化潜力在条件适宜时可完全恢复。未来土地利用的变化或极端气候事件有可能使该地区巨大的硝酸盐储量不稳定，并可能造成可观的N₂O排放。

该研究结果发表在Soil Biology and Biochemistry，研究得到德国DFG、英国自然环境研究委员会、中国国家自然科学基金项目的资助。

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阿塔卡马沙漠超干旱梯度5个地点的土壤平均日N₂O (a)和N₂ (b)排放量

反硝化过程中δ¹⁵N^sp和δ¹⁸O_N2O的关系(a)和不同阶段的细菌反硝化产生N₂O的贡献率

阿塔卡马沙漠超干旱梯度5个地点的土壤优势细菌的相对丰度