3篇GCB+1篇EST | 南师大蔡祖聪团队程谊教授在全球土壤氮矿化、同化、硝化及硝酸异化还原取得系列进展

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氮循环过程是指氮元素在地球大气圈、生物圈、土壤圈、水圈之间迁移转化和周转循环的过程。构成陆地生态系统氮循环的主要环节是：生物体内有机氮的合成、氨化作用、硝化作用、反硝化作用等等。南京师范大学地理科学学院蔡祖聪教授团队程谊教授等通过收集分析了全球陆地生态系统中土壤氮矿化、同化、硝化及硝酸异化还原的研究数据，取得了一系列优秀成果。自2021年8月以来，共有4篇论文发表在国际生态环境领域顶级期刊上，其中3篇论文发表《Global Change Biology》上，1篇论文发表在《Environmental Science & Technology》。小编按发表时间整理如下：

进展一：全球土壤总氮矿化的格局及驱动因素

土壤氮素矿化(GNM)即微生物作用下土壤有机氮产生铵态氮的绝对量。GNM过程是植物和微生物生长所需矿质氮的重要来源，主要受气候和土壤的调控。作者共收集了337篇已发表文献中关于土壤氮矿化的970个观测数据进行了整合研究。

研究发现：全球尺度上土壤氮素初级矿化过程主要受土壤微生物生物量、容重以及降雨量的影响，其速率随土壤微生物生物量和降雨量的增加或土壤容重的下降而增加。结构方程模型表明土壤容重通过影响土壤全氮和微生物生物量改变土壤氮素初级矿化速率，而降雨通过影响土壤全氮改变土壤氮素初级矿化速率。森林和草地比农田具有更高的土壤氮素初级矿化速率，其主因是前两者拥有更高的土壤全碳和微生物生物量以及更低的容重和pH值。该研究结果为准确预测陆地生态系统土壤供氮能力提供了理论基础和关键技术参数。该文章公众号前面推送过（GCB Meta分析| 土壤总氮矿化的全球格局及驱动因素）。

进展二：全球总硝化速率主要由土壤碳氮化学计量比和全氮驱动
土壤硝化作用(GN)，即铵态氮氧化成硝态氮，是生态系统氮素转化的重要途径，产生影响净初级生产力的土壤硝酸盐，而硝化作用的副产物氧化亚氮(N₂O)是一种重要的温室气体。土壤硝化过程包括自养和异养硝化，均受气候和土壤的调控。然而，气候条件、土壤性质以及二者交互如何影响土壤氮素硝化过程至今不清楚。作者收集了基于330项¹⁵N标记研究的901项观测数据。从氮素初级转化过程的新颖视角揭示了全球尺度上土壤硝化特征及其驱动因子。研究发现：全球尺度上土壤氮素初级硝化过程主要受土壤碳氮比和全氮的影响，其速率随土壤全氮的增加或碳氮比的下降而增加。降雨和气温正是通过影响土壤全氮或者碳氮比改变初级硝化速率。GN在不同的生态系统类型中存在显著差异，在农田中最高，这主要是由于农田土壤较高的pH值会促进硝化细菌活动所导致的。自养和异养硝化作用对全球GN的贡献率分别为63%和37%。结构方程模型表明，土壤GN主要受碳氮和土壤全氮的影响。微生物生物量和pH也是影响土壤GN的重要因素，它们的作用相似。降雨和气温正是通过影响土壤全氮或者碳氮比改变初级硝化速率。土壤全氮和温度驱动异养硝化，而C:N和pH驱动自养硝化。此外，GN与N₂O和CO₂排放量呈正相关。本研究表明，人为活动引起的土壤C:N、土壤全氮、微生物生物量和土壤pH值的变化可能会影响GN，这将影响全球气候和土地利用变化下土壤的硝酸盐积累和气体排放。
进展三：全球土壤硝酸异化还原成铵（DNRA）的模式和驱动因素
硝酸盐异化还原成铵（DNRA）是陆地生态系统氮（N）循环中常被忽视的一个过程，其可以通过将流动性的硝酸盐（NO₃⁻）转化为非流动性铵盐（NH₄⁺）来固持土壤氮素，从而避免NO₃⁻通过反硝化、淋溶和径流等方式损失。然而，土壤DNRA的全球分布模式和控制因素仍知之甚少。作者收集了85项已发表的陆地生态系统DNRA研究的231项观测结果进行整合分析。研究发现：全球DNRA平均周转速率为0.31 ± 0.05 mg N kg⁻¹ day⁻¹，而且水稻土中DNRA周转速率（1.30 ± 0.59 mg N kg⁻¹ day⁻¹）显著高于森林（0.24 ± 0.03 mg N kg⁻¹ day⁻¹）、草地（0.52 ± 0.15 mg N kg⁻¹ day⁻¹）和未施肥农田土壤中的DNRA周转速率（0.18 ± 0.04 mg N kg⁻¹ day⁻¹）。在较高海拔和较低纬度区域土壤中，土壤DNRA显著增强。土壤DNRA与降水、温度、pH、土壤全碳和土壤全氮呈正相关关系，降水是土壤DNRA的主要驱动因子。全碳和pH值也是重要因子，但其影响因生态系统类型而异：全碳增加了森林土壤中的DNRA周转速率，而pH提高了未施肥农田土壤和水稻土中的DNRA周转速率。较高的温度通过降低全碳来抑制土壤DNRA。此外，氧化亚氮（N₂O）排放与土壤DNRA呈负相关关系。因此，未来气候和土地利用的变化可能会与改变土壤基质有效性和/或土壤pH的管理措施产生交互作用，从而促进土壤DNRA并对土壤氮素固持和降低N₂O排放产生正效应。进展四：全球土壤氮同化模式和驱动因素
土壤氮同化过程是指土壤微生物将无机氮转变为微生物生物量氮。这个过程独具优势，不仅兼具保氮功能，且对环境不会造成负面影响，此外，微生物生物量氮会发生再矿化释放出铵态氮，最终提高有效态氮数量。土壤氮同化包括铵态氮同化和硝态氮同化，均受气候和土壤的调控，但气候条件、土壤性质以及二者交互如何影响土壤铵态氮同化和硝态氮同化过程尚不清楚。作者共收集了274篇已发表文献中关于陆地生态系统的1966个观测数据进行了整合研究。研究发现：全球尺度上土壤铵态氮同化和硝态氮同化速率分别7.41±0.72和2.03±0.30 mg N kg⁻¹ day⁻¹，且硝态氮同化速率与铵态氮同化速率比值为0.79±0.11。土壤铵态氮同化和硝态氮同化速率均随初级氮矿化速率、初级硝化速率、土壤微生物生物量、土壤有机碳和全氮增加而增加，而随土壤容重降低而增加。土壤氮矿化和硝化分别是铵态氮同化和硝态氮同化的最主要驱动因子。结构方程模型证实土壤微生物生物量、全氮、pH和降雨通过提高矿化和硝化速率进而提高铵态氮同化和硝态氮同化速率，而温度和土壤容重通过降低土壤微生物生物量和全氮进而降低铵态氮同化和硝态氮同化速率。草地和森林土壤铵态氮同化速率高于农田土壤，这可能与前两者拥有更高的氮矿化速率有关。与此相反，硝态氮同化速率与铵态氮同化速率比值则是农田土壤最高。该研究结果为准确预测陆地生态系统土壤保氮能力提供了理论基础和关键技术参数。

以上系列研究的第一作者是Ahmed S. Elrys和程谊教授，程谊教授和张金波教授为通讯作者。其他作者还包括德国吉森大学Christoph Müller教授，加拿大阿尔伯塔大学Scott X. Chang教授以及团队蔡祖聪教授等。

此外公众号前面还推送过中科院地理所牛书丽团队三篇全球氮循环的Meta分析文章（GCB Meta分析 | 土壤硝化速率的全球格局及控制因素；GCB Meta分析 | 微生物驱动全球土壤氮循环；GCB Meta分析 | 全球土壤反硝化速率的变化及其控制因素），可与该系列结合来阅读。

文章信息及链接：

（1）Elrys, A. S., Ali, A., Zhang, H., Cheng, Y., Zhang, J., Cai, Z.-C., Müller, C., & Chang, S. X. (2021). Patterns and drivers of global gross nitrogen mineralization in soils. Global Change Biology, 27, 5950– 5962. https://doi.org/10.1111/gcb.15851（2）Elrys, A. S., Wang, J., Metwally, M. A. S., Cheng, Y., Zhang, J.-B., Cai, Z.-C., Chang, S. X., & Müller, C. (2021). Global gross nitrification rates are dominantly driven by soil carbon-to-nitrogen stoichiometry and total nitrogen. Global Change Biology, 27, 6512– 6524. https://doi.org/10.1111/gcb.15883（3）Yi Cheng, Ahmed S. Elrys, Abdel-Rahman M. Merwad, Huimin Zhang, Zhaoxiong Chen, Jinbo Zhang, Zucong Cai, and Christoph Müller.Environmental Science & Technology 2022 56 (6), 3791 3800. https://doi.org/10.1021/acs.est.1c07997（4）Elrys, A.S., Chen, Z., Wang, J., Uwiragiye, Y., Helmy, A.M., Desoky, E.-S.M., Cheng, Y., Zhang, J.-b., Cai, Z.-c. and Müller, C. (2022), Global patterns of soil gross immobilization of ammonium and nitrate in terrestrial ecosystems. Glob Change Biol. Accepted Author Manuscript. https://doi.org/10.1111/gcb.16202

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