自工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)不斷推動(dòng)對(duì)化石燃料消耗、加速森林砍伐步伐、提升對(duì)人工合成氨需求，進(jìn)而導(dǎo)致溫室氣體排放持續(xù)增加，改變大氣化學(xué)組成，全球氣候正發(fā)生顯著變化。全球氣候變化一方面導(dǎo)致冰川消融、海平面上升、極端氣候頻發(fā)，嚴(yán)重威脅人類賴以生存的生態(tài)系統(tǒng)；另一方面，氣候變化可能深刻改變生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并進(jìn)一步對(duì)氣候變化產(chǎn)生反饋效應(yīng)（Xiao et al. Science, 359：878, 2018）。
農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)特別是稻田生態(tài)系統(tǒng)支撐了地球近一半人口的主糧供應(yīng)。在中國，約三份之二人口的主糧依賴于稻田生態(tài)系統(tǒng)。為了維持稻田生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力，需要投入大量資源，尤其是化學(xué)肥料合成氨。未來氣候變化條件下，糧食生產(chǎn)乃至整個(gè)稻田生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能如何變化是一未知且急需回答的重大科學(xué)問題。而要回答此問題，取決于深入理解氮肥在稻田土壤中的轉(zhuǎn)化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)理。
前期，我們的研究結(jié)果表明，在未來大氣CO2濃度升高條件下，稻田生態(tài)系統(tǒng)土壤氧化還原過程發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致氧化還原電位降低，促進(jìn)鐵錳等氧化物還原（Cheng et al. Ecology Letters, 2010）。傳統(tǒng)氮循環(huán)理論框架認(rèn)為，銨態(tài)氮（NH4+-N）易在有氧條件下被氧化，但是在厭氧條件下穩(wěn)定。因此，稻田生態(tài)系統(tǒng)銨態(tài)氮深施被長期認(rèn)為是一項(xiàng)促進(jìn)水稻氮養(yǎng)分利用率、維持水稻作物高產(chǎn)的有效措施。增加銨態(tài)氮肥施用能否有效維持水稻生態(tài)系統(tǒng)對(duì)未來大氣CO2濃度升高的響應(yīng)？為了回答這一問題，我們利用水稻FACE（Free Air CO2 Enrichment）長期研究平臺(tái)，通過結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)和野外大田實(shí)驗(yàn)，利用穩(wěn)定同位素15N示蹤技術(shù)，深入闡述銨態(tài)氮在厭氧條件下的轉(zhuǎn)化機(jī)理。我們的研究結(jié)果表明，稻田土壤中的銨態(tài)氮，在厭氧條件下能夠以鐵氧化物作為電子受體，被氧化最終生成氮?dú)?。我們的研究還發(fā)現(xiàn)，大氣CO2濃度升高會(huì)有益于稻田生態(tài)系統(tǒng)中一些特定的以CO2為碳源的自養(yǎng)微生物生長代謝，該類微生物通過介導(dǎo)稻田土壤中的厭氧氨氧化鐵還原耦合反應(yīng)以獲取能量（圖1）。進(jìn)一步計(jì)算表明，全球稻田生態(tài)系統(tǒng)在未來氣候變化條件下，由于厭氧氨氧化鐵還原耦合作用所造成的氮素?fù)p失可能占到該系統(tǒng)中總施氮量的20%，進(jìn)而可能對(duì)整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)產(chǎn)生重要影響?？傊覀兊难芯堪l(fā)現(xiàn)不僅提供了對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)中氮元素與鐵元素耦合循環(huán)的新見解，也可能為未來全球氮肥的合理生產(chǎn)與施用以及評(píng)估其對(duì)生態(tài)環(huán)境影響提供一定的理論與實(shí)踐依據(jù)。
該研究成果于2020 年10 月16 日在《科學(xué)》雜志子刊《Science Advances》（https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabb7433）正式發(fā)表。浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院為論文第一作者和通訊作者單位，程磊教授為該論文的通訊作者，程磊教授實(shí)驗(yàn)室博士生徐陳超為本文第一作者，博士后張乃方博士、博士研究生張凱杭、祝琬瑩、肖璟、李樹瑤以及碩士研究生朱辰和于方鑒為共同作者；本研究與中科院南京土壤所朱建國研究員合作完成，研究也得到了朱春梧研究員、屠奇超教授、陳欣教授、胡水金教授、RT Koide 教授和MK Firestone教授的合作與支持。該研究受到國家自然科學(xué)基金面上、優(yōu)青和重大研究計(jì)劃培育項(xiàng)目、浙江自然科學(xué)基金杰青項(xiàng)目和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助。
圖1 | 微生物介導(dǎo)厭氧氨氧化鐵還原耦合響應(yīng)氣候變化的概念性框架
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