Science Advances | 中国农业大学农学院周顺利/温媛团队揭示农田土壤N2O吸收潜力及其碳氮协同调控机制

氮肥是保障作物生长发育、挖掘产量潜力和维护粮食安全的关键措施，但过量氮投入会加速土壤氮转化过程，引发农田N2O大量排放，导致氮肥资源利用效率降低，高产与绿色协同困难。如何在稳固作物高产潜力的前提下，有效管控农田温室气体排放，破解高产与减排的现实冲突，是推动我国农业绿色可持续发展亟待解决的关键科学问题。

近日，中国农业大学农学院周顺利教授和温媛副教授团队在Science Advances期刊在线发表了题为“Unlocking Soil Nitrous Oxide Sink Through Labile Carbon”的研究论文。该研究突破传统土壤净通量观测局限，通过引入15N2O库稀释技术，定量区分了大气-土壤界面同时发生的N2O总排放和总吸收过程。研究同时提出增加土壤活性碳库以增强N2O吸收的新思路，将农田N2O减排从以减氮为核心的传统策略拓展至“碳增益、氮减排”的协同调控策略。

图1 15N2O库稀释技术定量大气-土壤界面N2O总排放和总吸收过程的流程图

研究发现，不同农田土壤的N2O吸收/排放比率差异极大（0.28–0.79），而活性碳与无机氮的比值是决定N2O吸收率的核心变量。当比值升高时，活性碳作为电子供体，可显著促进反硝化微生物进行“完全反硝化”——将N2O进一步还原为氮气（N2）。控制试验表明，通过添加外源活性碳（如乙酸钠）调控活性碳与无机氮比值，可显著降低净N2O通量。进一步的机理研究揭示了多元调控路径：充足的活性碳不仅提供电子，还刺激了微生物呼吸作用，消耗氧气从而形成更多厌氧微环境，同时显著增加nosZ基因丰度。值得关注的是，研究还发现土壤物理结构对N2O吸收率的重要影响。受扰动土壤因氧气扩散增强而削弱了厌氧微环境的形成，N2O减排效果有限；而在结构完整的原状土壤中，调控活性碳与无机氮比值的减排潜力可能更高。

图2 可溶性有机碳提高N2O吸收率和N2O减排的机制图解

过去农田N2O减排多聚焦于氮肥减量。本研究将活性碳的价值由土壤固碳拓展到土壤N2O汇功能激活，构建了兼顾高产与高效的农业温室气体减排新理论与技术途径。该碳氮协同调控理念契合国家“双碳”战略，可为秸秆还田、有机肥替代化肥等农艺措施提供新的优化方向——在作物栽培管理中，把碳源类型、土壤碳氮配比纳入施肥方案考量，既保障了作物氮素供给、维持高产，又能最大化挖掘农田减排潜力，助力农业绿色低碳转型，服务国家粮食安全与碳中和双重战略目标。

中国农业大学农学院博士研究生徐艺萍为论文第一作者，中国农业大学温媛副教授为论文通讯作者。中国农业大学周顺利教授、臧华栋教授，丹麦奥胡斯大学Jørgen E. Olesen教授，美国康奈尔大学骆亦其教授和英国阿伯丁大学Pete Smith教授为此项工作提供了指导和帮助，已毕业中国农业大学博士研究生赵德强参与了此项工作。研究得到国家重点研发计划（2021YFD1500500）、国家玉米产业技术体系（CARS-02-16）、中国农业大学“2115”人才培育发展计划和中国农业大学研究生自主创新项目的支持。