自工業革命以來，人類透過大量燃燒化石燃料、改變土地利用等活動導致大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體濃度大幅上升，引發全球地表平均溫度快速增加。據估算，全球氣溫在2030至2052年間相較於19世紀平均值的增幅可至1.5°C。氣候變化可能對自然生態系統的結構與功能乃至人類的可持續發展帶來難以估量的風險。
為了滿足人類對糧食的需求，全球每年有超過1.1億噸的氮肥（主要為銨態氮肥）被投入到農田生態系統。稻田生態系統支撐著全球近一半人口的主糧供應，中國每年投入水稻田的氮肥約佔全球水稻田氮肥施用總量的36%。因此，深入解析銨態氮在稻田土壤中的轉化及其對氣候變化的響應，對於理解未來氣候變化條件下稻田生態系統化肥投入與糧食生產的變化趨勢至關重要。
浙江大學生命科學學院程磊教授團隊圍繞稻田銨態氮肥轉化及其對氣候變化的響應進行了長期深入的系統研究。前期研究發現，在厭氧條件下，稻田土壤中的銨態氮能以鐵氧化物為電子受體被氧化，最終生成氮氣，且大氣CO2濃度升高會促進這一氮素流失過程（Xu et al., Science Advances, 2020）。在水稻生長期間，稻田土壤同樣也存在有氧的微環境，微生物能夠介導銨態氮向硝態氮的轉化，調節土壤中植物可利用氮的形式與含量，並可產生並排放大量含氮溫室氣體。然而，目前關於稻田土壤硝化微生物響應氣候變化的機制尚不明確。
2024年11月5日，浙江大學生命科學學院程磊教授團隊在Nature Geoscience線上發表題為“Inhibition of autotrophic nitrifiers in a nitrogen-rich paddy soil by elevated CO2”的研究論文。課題組利用長期水稻 FACE（Free Air CO2 Enrichment）研究平臺，結合野外大田和多個室內培養實驗，闡述了稻田土壤自養硝化微生物響應大氣CO2濃度升高的微生物生態學機理。
團隊透過連續5年對田間土壤樣品進行分析，發現大氣CO2升高持續降低稻田土壤中氨氧化細菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和亞硝氧化細菌（NOB）的相對丰度。進一步結合室內培養實驗，發現CO2升高降低了這些硝化微生物的絕對丰度和生長活性；且這個效應在稻田中不受環境氮可用性變化的影響，而主要源自CO2濃度升高引起的土壤缺氧脅迫增強的結果（圖一）。
圖一：大氣CO2濃度升高對自養硝化微生物的影響
透過結合穩定同位素探針和宏基因組學等技術，團隊從稻田土壤中拼裝得到了19個較高質量且在微生物群落中占主導地位的硝化菌宏基因組組裝基因組（MAG），其中17個是未被鑑定的新物種。進一步分析表明，未來大氣CO2升高會導致這些原本佔據主導且新的硝化微生物物種，特別是AOA和NOB，走向功能性喪失。這個發現揭示，未來氣候變化可能會對生態系統地下部分具有重要功能屬性的微生物生物多樣性產生難以預料的影響。這也預示未來我們不僅要關注氣候變化對地上部分的生物多樣性造成威脅，更要重視其可能會對生態系統地下部分生物多樣性的影響。
進一步的薈萃分析結果表明，硝化微生物丰度的降低以及土壤無機氮庫的縮減可能是未來大氣CO2濃度升高條件下稻田和自然溼地土壤中廣泛存在的現象。這些系統中無機氮庫的減少可能會降低流入到水體和其它低地系統中的無機氮含量。正如一些模型和實驗研究所揭示的，未來氣候變化可能會繼續降低水體和低地生態系統中的氧含量與氧化還原電位，使其轉變為更為缺氧，進而導致這些系統中硝化菌會逐漸被反硝化菌取代，長期來看可能逐漸耗竭其中的硝態氮，進而重現類似於太古代/早元古代時發生的全球氮危機（global nitrogen crisis）。因此，如何保持這些低地、水體生態系統系統的穩定性和可持續性將會是人類在未來氣候變化條件下面對的一大挑戰。
浙江大學生命科學學院為論文第一作者和通訊作者單位，課題組博士後張凱杭博士為本文第一作者，程磊教授和課題組博士後徐陳超博士、肖璟博士為該論文的共同通訊作者，博士研究生雷韋磊、梁懋君、何俊攀、賴彥岑、李瑞陽、碩士研究生張慧欣、計算機學院博士研究生董家驊作為共同作者參與了此項工作。本研究與中科院南京土壤所朱建國研究員合作完成，研究得到了鄭州大學李樹瑤博士、浙江大學蔣明凱研究員、北卡州立大學胡水金教授、楊百翰大學RT Koide 教授和加州大學伯克利分校MK Firestone教授的支援。程磊教授受國家自然科學基金委傑出青年科學基金專案、重大研究計劃整合專案、重點專案以及浙江省自然科學基金重點專案等資助，李樹瑤博士和徐陳超博士受國家自然科學基金委青年基金專案等資助，肖璟博士受浙江自然科學基金青年探索專案等資助。
https://www.nature.com/articles/s41561-024-01583-2
來源：浙江大學
