許冬寧 吳曉青 周方園 范素素 張新建 肖桂青 王加寧

摘要：氮肥為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了作物生長需求的氮素，但長期不合理施用氮肥造成資源浪費(fèi)、經(jīng)濟(jì)損失和影響深遠(yuǎn)的環(huán)境問題。微生物在氮素循環(huán)中發(fā)揮重要作用，值得研究總結(jié)?；谝延醒芯砍晒瑲w納土壤氮素循環(huán)中的固氮、硝化、反硝化、氨化和同化/異化作用等重要微生物驅(qū)動(dòng)過程及機(jī)制；歸納了微生物技術(shù)調(diào)控農(nóng)業(yè)氮損失

旨在提升農(nóng)業(yè)環(huán)境可持續(xù)性的策略包括增加氮固定、減少溫室氣體排放、控制氮素流失和氨揮發(fā)等。這些策略展示了微生物在減少氮肥依賴和提高作物產(chǎn)量中的應(yīng)用潛力，同時(shí)也指出了實(shí)現(xiàn)田間有效應(yīng)用的研究局限和技術(shù)挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田土壤；氮素循環(huán)；氮素?fù)p失；微生物調(diào)控；氮肥減施增效

中圖分類號(hào)：Q93?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)：1002-4026（2024）02-0117-10

Research progress on microbial regulation technologies to reduce

nitrogen loss in agricultural soils

Abstract∶Nitrogen fertilizers provide the nitrogen necessary for crop growth in modern agricultural production， but their excessive use in the long term leads to waste of resources， economic losses and profound negative environmental impacts. Microorganisms play a critical role in the nitrogen cycle; therefore， there is a significant need for further research in this field. Here， we summarize our findings on the mechanisms and processes by which microorganisms drive the soil nitrogen cycle， including nitrogen fixation， nitrification， denitrification， ammonification， and nitrogen assimilation/dissimilation. We further summarize microbial technologies and strategies for mitigating agricultural nitrogen loss and improving agricultural sustainability， such as nitrogen fixation， greenhouse gas emission reduction， nitrogen bioretention， and ammonia volatilization. These strategies illustrate the potential of microorganisms in reducing the dependence on nitrogen fertilizers and increasing crop yields， while also highlighting the challenges of research and effective field application of these technologies.

Key words∶agricultural soils; soil nitrogen cycling； soil nitrogen loss； microbial regulation； nitrogen fertilizer use efficiency

隨著世界人口的不斷增長，人們對糧食的需求也不斷增加，氮肥為提高作物產(chǎn)量和保障糧食安全做出了巨大貢獻(xiàn)。氮素是構(gòu)成DNA、蛋白質(zhì)、酶等有機(jī)分子不可或缺的元素，也是生命體得以生存和繁衍的關(guān)鍵營養(yǎng)物質(zhì)。在生物組織的所有化學(xué)元素中，氮素僅次于氧、碳和氫。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中，為滿足作物對氮素的生長需求，施用氮肥已成為提高作物生產(chǎn)力的有效途徑。但是氮肥長期不合理施用，造成主要作物種植系統(tǒng)的氮素利用效率較低，一般在30%～50%[1]，也對全球氣候變化和生態(tài)環(huán)境安全造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響，約有50%的肥料氮以氨（NH3）揮發(fā)、氮轉(zhuǎn)化過程釋放出的各種氣體（NO2、NO、N2O和N2）以及硝酸鹽（NO-3）和亞硝酸鹽（NO-2）淋失等形式排放至大氣、深層土壤或水體中。上述氮損失途徑，不僅造成了資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，也對環(huán)境健康構(gòu)成威脅。例如，NH3是空氣中唯一的堿性氣體，會(huì)與SO2和NOx等酸性物質(zhì)反應(yīng)生成氨氣溶膠，是霧霾中PM2.5的主要貢獻(xiàn)者[2]；N2O是重要的溫室氣體之一，溫室效應(yīng)是CO2的300倍以上；NO-3不易被土壤吸附，非常容易淋溶流失，造成水體的富營養(yǎng)化，導(dǎo)致藻華爆發(fā)和生物多樣性喪失[3]。

微生物在氮素形態(tài)的轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮著重要的作用。大氣中的氮?dú)猓∟2）是氮元素的最大儲(chǔ)存庫，然而只有少量的固氮細(xì)菌或真菌能夠直接利用它，其他生命體則依賴于活性更強(qiáng)的氧化態(tài)氮和還原態(tài)氮（統(tǒng)稱為活性氮）來滿足其需求。土壤中氮素在微生物的作用下通過以下過程進(jìn)行有序循環(huán)：N2通過固氮作用（nitrogen fixation），轉(zhuǎn)化形成NH3，NH3經(jīng)過同化作用（assimilation）轉(zhuǎn)化成有機(jī)氮，有機(jī)氮經(jīng)過氨化作用（ammonification）降解形成NH+4，隨后通過硝化作用（nitrification）轉(zhuǎn)化成NO-2和NO-3，再通過反硝化作用（denitrification）轉(zhuǎn)換成N2O或者N2，或者通過硝酸鹽異化還原成為NH+4（dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA），NO-2與NH+4在厭氧氨氧化作用（anaerobic ammonium oxidation，ANAMMOX）下形成N2[3-4]。

通過了解氮循環(huán)的過程以及微生物在氮循環(huán)中發(fā)揮的主要作用，研究者嘗試直接利用微生物調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化過程，或者利用物理化學(xué)手段對微生物活動(dòng)進(jìn)行干預(yù)，以實(shí)現(xiàn)對氮素轉(zhuǎn)化的間接調(diào)控。這些技術(shù)可以通過改善土壤環(huán)境，減少氮素的流失和排放，達(dá)到節(jié)約資源、減少環(huán)境污染的目的。盡管微生態(tài)調(diào)控技術(shù)的研究和應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但由于氮循環(huán)的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制非常復(fù)雜，人們對微生物在控制氮損失過程中的重要性認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致目前基于微生物控制農(nóng)田土壤氮損失的規(guī)?；瘧?yīng)用的案例較少。本文從農(nóng)田土壤氮素循環(huán)中重要的微生物驅(qū)動(dòng)機(jī)制和利用微生物控制主要氮損失途徑兩個(gè)方面進(jìn)行綜述，以期為推動(dòng)微生物技術(shù)在氮肥減施增效和防治面源污染領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論參考。

1 微生物與土壤氮素循環(huán)

目前，活性氮的主要來源是通過固氮作用將大氣中的氮?dú)夤潭ㄏ聛?，包括閃電作用下的自然固氮、陸地或水生系統(tǒng)中的生物固氮以及人工合成固氮[4]。無論是哪種固氮作用，都需要微生物的參與才能實(shí)現(xiàn)氮素的轉(zhuǎn)化，并使其能被生物體吸收利用。實(shí)際上，氮素轉(zhuǎn)化是氮元素在-3價(jià)和+5價(jià)之間的一系列氧化還原反應(yīng)。不同類型的微生物（如細(xì)菌、真菌和古菌）可能會(huì)參與一個(gè)或多個(gè)過程，而且它們的代謝途徑也是多種多樣的。根據(jù)氮素轉(zhuǎn)化的類型，土壤氮素循環(huán)主要包括以下幾個(gè)重要的過程：固氮作用、硝化作用、反硝化作用、氨化作用、同化/異化作用。

1.1 固氮作用

固氮作用（nitrogen fixation）是指微生物通過自生固氮、共生固氮和聯(lián)合固氮等方式，將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為氨的過程。這些微生物擁有固氮酶，能夠在常溫常壓下將N2還原成NH3。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，有超過100個(gè)屬的細(xì)菌和古菌中都存在固氮微生物，包括好氧和厭氧的固氮細(xì)菌、藍(lán)細(xì)菌以及與豆科植物共生的根瘤菌和與非豆科植物共生的放線菌等。其中，根瘤菌與豆科植物共生體系的固氮能力最為強(qiáng)大[5]。固氮酶主要有3種類型：鉬-鐵（MoFe）、釩-鐵（VFe）和鐵-鐵（FeFe）。它們具有相似的序列、結(jié)構(gòu)和功能特性，但金屬輔因子不同。所有的固氮酶都由催化和電子轉(zhuǎn)運(yùn)兩部分組成，以鐵、釩和鉬等為活性中心的催化部分其編碼基因分別為anfDGK、vnfDGK和nifDK。另外，nifH、anfH和vnfH基因編碼含鐵的電子轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，其中nifH基因常作為檢測固氮微生物的標(biāo)記基因[4]。

1.2 硝化作用

硝化作用（nitrification）是在需氧條件下NH3或NH+4向硝酸鹽（NO-3）轉(zhuǎn)化的一系列氧化過程。硝化過程主要涉及3個(gè)氮素轉(zhuǎn)化的階段：第一步，NH3或NH+4轉(zhuǎn)化成羥胺（NH2OH），該過程主要由氨氧化細(xì)菌（AOB）或氨氧化古菌（AOA）中的氨單加氧酶（AMO）催化[6]。在AOB中，AMO包含由amoA、amoB和amoC基因編碼的3個(gè)多肽亞基。根據(jù)預(yù)測，amoA和amoC被認(rèn)為是內(nèi)膜蛋白，而周質(zhì)amoB可能包含一個(gè)銅催化的活性位點(diǎn)，因此，銅被認(rèn)為在氨氧化中發(fā)揮重要的作用[7]。第二步，羥胺通過羥胺氧化還原酶（HAO）酶轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽（NO-2），在AOB中，HAO酶中的活性位點(diǎn)是鐵血紅素P460，因此不易受到Cu螯合劑的抑制。在AOA中沒有發(fā)現(xiàn)HAO的同源蛋白，因此AOA的氨氧化途徑還不太清楚[8]。第三步，亞硝酸鹽（NO-2）轉(zhuǎn)化成硝酸鹽（NO-3），該過程由亞硝酸鹽氧化細(xì)菌、光能利用菌、厭氧氨氧化細(xì)菌中的亞硝酸鹽氧化還原酶（NXR）催化完成[9]。

1.3 反硝化作用

反硝化作用（denitrification）是微生物在缺氧條件下，還原硝酸鹽，釋放出分子態(tài)氮（N2）或氮氧化合物（NO、N2O）的過程。主要的反硝化過程由4種主要酶催化，分別是硝酸鹽還原酶（NAR）或周質(zhì)硝酸鹽還原酶（NAP）、亞硝酸鹽還原酶（NIR）、一氧化氮還原酶（NOR）和氧化亞氮還原酶（NOS）。在第一步中，NAR或NAP是鉬酶，分別由nar和nap基因編碼，將硝酸鹽還原為亞硝酸鹽[10]。在第二步中，厭氧細(xì)菌通過硝酸鹽還原酶（NIR）將NO-2在缺氧條件下轉(zhuǎn)化為NO。它是反硝化作用的標(biāo)志性反應(yīng)，也是最重要的限速步驟。NIR基因包括NirS和NirK兩種類型，前者包含由nirS編碼的血紅素-細(xì)胞色素和血紅素cd1（cd1-NIR）活性中心位點(diǎn)，后者包含由nirK編碼包含銅（Cu-NIR）活性中心位點(diǎn)[11]。在第三步中，細(xì)菌、古菌和真菌利用一氧化氮還原酶（NOR），將NO還原為N2O。已發(fā)現(xiàn)3種類型的NOR，即細(xì)胞色素c依賴型（cNOR）、醌依賴的（qNOR）和含銅的qCuNOR[12]。在反硝化過程的最后一步，N2O通過末端氧化還原酶還原為N2，這是由NOS完成的。NOS位于多種變形菌門細(xì)菌的周質(zhì)，由nos基因簇編碼，其3種轉(zhuǎn)錄本分別為nosZ、nosR和nosDFYL[13]。

1.4 氨化作用

氨化作用（ammonification）又叫脫氨作用，微生物分解有機(jī)含氮化合物產(chǎn)生銨態(tài)氮（氨氣等）的過程。土壤中的各種動(dòng)植物殘?bào)w和有機(jī)肥，包括堆肥、綠肥和廄肥都含有豐富的含氮有機(jī)物，含氮有機(jī)物主要為蛋白質(zhì)、多肽、核酸、肽聚糖、幾丁質(zhì)等，也有少量水溶性有機(jī)含氮化合物，如氨基酸、氨基糖和尿素等。除可溶性氨基酸外，這些物質(zhì)都不能被植物直接吸收，必須經(jīng)過微生物分解，將NH+4釋放出來，才能供植物利用。氨化作用是土壤氮素轉(zhuǎn)化的起點(diǎn)，也是有機(jī)氮化合物轉(zhuǎn)化為植物可以直接吸收利用的氮形態(tài)的關(guān)鍵一步[14]，因此，氨化作用對于土壤氮素的轉(zhuǎn)化和循環(huán)過程意義重大。很多細(xì)菌和真菌具有這一作用，這些微生物可以分泌蛋白酶、脲酶、核酸酶、角質(zhì)酶等，在細(xì)胞外將含氮有機(jī)物分解為多肽、氨基酸和氨等。土壤中有機(jī)態(tài)氮礦化分解釋放出的氮素被認(rèn)為是土壤礦質(zhì)態(tài)氮的直接補(bǔ)給源，土壤氮素的礦化過程對于土壤-植物系統(tǒng)氮素的轉(zhuǎn)化與循環(huán)具有關(guān)鍵性的作用[15]。

1.5 同化/異化作用

同化/異化作用主要指硝酸鹽（NO-3）經(jīng)過中間體亞硝酸鹽（NO-2）還原為銨（NH+4）的過程[4]。同化硝酸鹽還原產(chǎn)銨作用（assimilatory nitrate reduction to ammonium， ANRA），是指NO-3由同化硝酸鹽還原酶（NAS）催化生成NO-2，再由同化亞硝酸鹽還原酶（cNIR）催化還原成NH+4，最后NH+4形成生物量氮（如氨基酸或蛋白質(zhì)）的過程。異化硝酸鹽還原產(chǎn)銨作用（dissimilatory nitrate reduction to ammonium， DNRA），是指NO-3由膜結(jié)合硝酸鹽還原酶（NAR）或質(zhì)周硝酸鹽還原酶（NAP）催化產(chǎn)生NO-2，再由周質(zhì)細(xì)胞色素c亞硝酸鹽還原酶（ccNIR）、八面體血紅素亞硝酸鹽還原酶（ONR）或八面體血紅素連四硫酸鹽還原酶（OTR）催化還原成NH+4[3， 16]。ANRA與DNRA的區(qū)別主要在于：ANRA涉及的NAS位于細(xì)胞質(zhì)中，NO-3同化需要通過ATP依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)體將NO-3轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)，是耗能過程，ANRA產(chǎn)生的NH+4全部用于生物量氮的合成，但NAS的表達(dá)在富銨的環(huán)境（例如施肥的土壤）中受到抑制。而DNRA是產(chǎn)能過程，該過程產(chǎn)生的NH+4可部分用于生物量氮的合成，研究表明，DNRA可將土壤中3.9%～84.4%的NO-3轉(zhuǎn)化為NH+4，對降低N2O排放量、減少氮肥損失和面源污染具有重要作用[16-17]。盡管NO-3→NO-2→ NH+4是目前報(bào)道最多的DNRA途徑，但是隨著研究的不斷深入，一些新的DNRA途徑也逐漸被發(fā)現(xiàn)，對這些途徑的代謝機(jī)制有待進(jìn)一步闡明[16]。

2 利用微生物對氮損失的調(diào)控

2.1 利用固氮菌增加氮固定、減少氮肥施用

生物固氮研究始于19世紀(jì)80年代，迄今已有近140年的歷史。目前，固氮菌劑主要應(yīng)用于替代或補(bǔ)充合成氮肥，從源頭上減少氮損失。據(jù)估計(jì)，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的生物固氮每年約有50～70 Tg[18]，而每年來自人工合成的總氮量約為210 Tg[19]。雖然豆科植物與根瘤菌的共生關(guān)系歷來是大部分生物固氮的來源[18]，但近年來人們對利用微生物接種提高非豆科作物固氮水平的興趣激增。

目前，已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的固氮微生物有內(nèi)共生固氮和根際聯(lián)合固氮兩種。以內(nèi)共生固氮菌作為微生物接種劑的重要用途就是在豆科植物栽培中優(yōu)化根瘤內(nèi)的固氮作用。大豆慢生根瘤菌（Br. japonicum）是一種受歡迎的大豆生物肥料，在宿主植物自身沒有常駐內(nèi)共生菌的情況下尤其有效[20]。內(nèi)共生結(jié)瘤微生物固氮效率高，通常每年固氮量為75～300 kg/ha，可為豆科植物生長提供100%的氮素來源[21]。一些研究表明，Br. japonicum與其他微生物如放線菌[22]、枯草芽孢桿菌（Ba. subtilis）、蘇云金芽孢桿菌（Ba. thuringiensis）[23]和巴西固氮螺菌（Azospirillum brasilense）[24]聯(lián)合施用，可以增強(qiáng)其固氮作用。雖然用內(nèi)共生固氮菌接種豆科植物通常會(huì)增加固氮作用，但有時(shí)也會(huì)因?yàn)榕c土著根瘤菌群落的競爭以及與宿主的相容性差等原因，導(dǎo)致施用效果不穩(wěn)定[1]。根際聯(lián)合固氮菌廣泛分布于非豆科作物的根際，能緊密結(jié)合作物根表或侵入根內(nèi)生長和固氮，近年來被廣泛研究用作微生物接種劑以減少玉米、小麥和水稻等糧食作物對氮肥的需求，在節(jié)肥增產(chǎn)方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。例如，研究發(fā)現(xiàn)在玉米[25-26]、水稻和小麥根系中接種固氮菌單菌株或復(fù)合菌群可以增加固氮[1]。在玉米中，施用菌群的固氮作用大約是單株菌的2倍[26]。另一方面，由于根際聯(lián)合固氮微生物不能形成根瘤等共生結(jié)構(gòu)，固氮作用受宿主根際脅迫因子如干旱、鹽堿等影響非常大，導(dǎo)致固氮效率比較低下，通常每年固氮量為1～50 kg/ha[21]。固氮菌葡萄糖醋桿菌（Gluconacetobacter diazotrophicus）在市場推廣后，在稻米中施用推薦氮肥用量的50%，產(chǎn)量反而提高了29%[27]。

為了能夠推動(dòng)固氮菌劑在農(nóng)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，固氮菌必須能夠在田間環(huán)境中生存，并保持較高水平的固氮以及與作物的互利共棲關(guān)系。生物固氮作用在代謝上是一個(gè)高度耗能的還原過程，固氮酶對氧氣高度敏感，遇氧會(huì)不可逆地失活，而且固氮產(chǎn)物NH+4會(huì)對固氮基因的表達(dá)產(chǎn)生反饋抑制，在田間施肥條件下，高濃度的NH+4會(huì)抑制固氮作用。目前，提高根際聯(lián)合固氮效率、擴(kuò)大根瘤菌寄主范圍、提高固氮酶對NH+4的耐受性等目標(biāo)已成為生物固氮研究的前沿領(lǐng)域和優(yōu)先發(fā)展方向[21， 28]。

近期研究還關(guān)注了叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi， AMF）通過對固氮菌的空間遷移，加強(qiáng)了植物與固氮菌等益生菌之間的關(guān)聯(lián)性。例如，固氮根瘤菌Br. diazoefficiens USDA 110可通過AMF真菌Glomus formosanum產(chǎn)生的外生菌絲網(wǎng)（ERM）將根瘤菌遷移至根系定植并產(chǎn)生根瘤[29]。

2.2 減少氧化亞氮的釋放

氧化亞氮（N2O）是一種強(qiáng)效溫室氣體，是臭氧層消耗的主要原因之一，在大氣中的壽命為114年。雖然N2O僅占溫室氣體排放總量的0.03%左右，但根據(jù)其輻射能力，其造成全球變暖的潛力估計(jì)是CO2的300倍。目前認(rèn)為，人類活動(dòng)每年排放N2O的總量為6.7 Tg（以N計(jì)），主要來源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，約占N2O排放總量的60%。隨著農(nóng)業(yè)的不斷擴(kuò)大和集約化，這一比例可能會(huì)增加[30]。產(chǎn)生N2O的微生物過程有多條途徑，不同過程對N2O凈排放的相對貢獻(xiàn)受微生物群落和環(huán)境條件的影響[29]。在農(nóng)田土壤中，N2O主要通過兩種途徑產(chǎn)生：作為銨的不完全氧化（硝化菌反硝化）和亞硝酸鹽的不完全還原（反硝化）的副產(chǎn)物。此外，生物與非生物耦合的化學(xué)反硝化過程也會(huì)產(chǎn)生N2O排放[1， 31]。

針對N2O產(chǎn)生途徑，可以采取不同的策略來調(diào)控N2O排放。在硝化菌反硝化產(chǎn)生N2O的過程中，微生物群落構(gòu)成起著核心作用。每摩爾銨通過氨氧化古菌（AOA）產(chǎn)生的N2O少于氨氧化細(xì)菌（AOB）[32]，因此，AOB對AOA的平衡在富銨的肥沃土壤中具有重要意義。隨著土壤銨含量的升高，AOB會(huì)增加N2O產(chǎn)量[30]，而通常AOA只能在低銨條件下通過非生物反應(yīng)產(chǎn)生N2O[33]。因此，研究者提出通過利用靶向AOB的硝化抑制劑3，4-二甲基吡唑磷酸（DMPP）選擇性抑制AOB，增加AOA對AOB的相對豐度，來減少N2O的產(chǎn)生[34]。此外，植物促生菌劑能改變AOA與AOB菌群豐度比值，例如，向盆栽油菜土壤接種解淀粉芽孢桿菌（Ba. amyloliquefaciens）可提高二者菌群豐度比值，與對照相比，使N2O凈排放量降低50%[35]。

雖然反硝化微生物可以產(chǎn)生N2O，但表達(dá)N2O還原酶（由nosZ編碼）的微生物可以將N2O還原為N2，形成N2O的匯。因此，減少N2O排放的另一個(gè)策略是增加N2O還原菌的豐度。一般在大豆中施用Br. japonicum是為了增強(qiáng)固氮作用，然而，一些根瘤菌菌株也具有反硝化能力，當(dāng)N2O和NO-3同時(shí)存在時(shí)，那些表達(dá)N2O還原酶的Br. japonicum菌株優(yōu)先還原N2O[36]。在田間試驗(yàn)中，添加具有nosZ基因的Br. japonicum菌株降低了大豆田收獲后N2O的排放[37]。這些特性可能使具有nosZ基因的根瘤菌成為大豆栽培的理想接種劑，因?yàn)檫@些菌株既能固定氮又能減少N2O的排放。此外，許多微生物接種劑不具有nosZ基因，但有些菌劑可以促進(jìn)土壤微生物群落的變化，從而間接改變nosZ的相對豐度和N2O產(chǎn)量。如綠色木霉（Trichoderma viride）應(yīng)用于空心菜（Ipomoea aquatica），改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致nirK、nirS和nosZ的相對豐度增加，N2O產(chǎn)量顯著降低[38]。同樣，解淀粉芽孢桿菌（Ba. amyloliquefaciens）的添加增加了土壤群落中nosZ的豐度，從而N2O排放量減少50%[35]。

雖然利用微生物減少農(nóng)業(yè)土壤N2O排放取得了一定的進(jìn)展，但是由于產(chǎn)生N2O的生物和非生物網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，而目前對微生物發(fā)揮功能的微生態(tài)機(jī)制了解十分有限，導(dǎo)致利用微生物控制N2O排放的技術(shù)還不成熟，相關(guān)的研究還需要加強(qiáng)，例如，研究發(fā)現(xiàn)許多在實(shí)驗(yàn)室中具有較高N2O還原活性的菌株在田間條件下不能減少農(nóng)田土壤的N2O排放[39]。

2.3 控制硝酸鹽的淋失

在氮肥使用中被植物根系高效吸收的兩種主要N形態(tài)是銨離子（NH+4）和硝酸鹽（NO-3）。NH+4可直接用于合成谷氨酰胺，隨后還可以合成其他氨基酸。而NO-3則需要通過同化作用轉(zhuǎn)化為NH+4后才能被利用。因此，NH+4更為高效，可提高葉綠素、淀粉、單糖和氨基酸等重要作物參數(shù)的含量。此外，NH+4還能促進(jìn)根系分枝，增加養(yǎng)分吸收的表面積。而NO-3能刺激側(cè)根伸長，以尋找更多養(yǎng)分，并對不同的信號(hào)傳導(dǎo)途徑產(chǎn)生更直接的影響。因此，使用兩種氮形態(tài)的混合物有助于植物生長。在土壤中，NO-3不易附著于帶負(fù)電的土壤顆粒上，很容易從土壤中淋出，進(jìn)入水生生態(tài)系統(tǒng)，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和藻類大量繁殖。因此，在田間NH+4是更為高效的氮形態(tài)，但部分NH+4會(huì)被氨氧化去除，轉(zhuǎn)化為較不理想的NO-3[8]。

如前所述，硝化作用在NH+4轉(zhuǎn)化為NO-3的過程中發(fā)揮著重要作用，氨氧化過程是硝化作用中的第一步和速率限制步驟[8]，該過程由氨單加氧酶（AMO）催化。為減少氮損失和提高肥效，研究者根據(jù)AMO的特點(diǎn)研發(fā)了硝化抑制劑。常見的硝化抑制劑有雙氰胺（DCD）、3，4-二甲基吡唑磷酸（DMPP）、硝基吡啶等，這些抑制劑主要通過與AMO競爭性結(jié)合、螯合AMO催化位點(diǎn)中的Cu等方式發(fā)揮作用。使用硝化抑制劑已成為減少土壤NO-3淋失的重要措施之一，大樣本分析數(shù)據(jù)表明，硝化抑制劑平均可顯著減少47%的NO-3淋失量[40-41]。Cui等[42]在集約化菜田土壤中施用DCD，發(fā)現(xiàn)施用DCD后黃棕壤和潮土的NO-3淋失量分別減少了58.5%和36.2%。

使用硝化抑制劑或尿素酶抑制劑可以有效延緩氨氧化和尿素水解的速率，從而減少氮肥的流失和揮發(fā)。這有助于提高土壤中氮素的利用效率，同時(shí)減少對環(huán)境的負(fù)面影響。另外，應(yīng)用土壤改良劑如生物炭和石灰可以改善土壤結(jié)構(gòu)和pH，促進(jìn)微生物對氮的固定，增加土壤中氮的含量，有利于作物的吸收利用。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)管理則通過合理控制施肥的量、質(zhì)、時(shí)、地，實(shí)現(xiàn)氮素供應(yīng)和作物需求的同步，最大限度地提高氮肥利用效率，降低氮肥的浪費(fèi)。故而在未來應(yīng)用硝化抑制劑時(shí)，應(yīng)考慮將其與土壤特性和主要硝化物相匹配，以增加土壤中氮的保持能力，減少氮的損失。這樣可以有效提高作物的產(chǎn)量和氮素利用效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

雖然抑制微生物氨氧化以減少N2O排放的研究已有較多報(bào)道，但微生物菌劑對NO-3淋失的影響卻很少受到關(guān)注。在少數(shù)以改變硝化作用為目的的研究中，接種微生物增加了硝化作用。例如，Anabaena torulosa、Azotobacter spp.和T. virtuosa菌劑的不同組合提高了菊花根際的潛在硝化速率[43]，接種真菌菌群的盆栽玉米的土壤和滲濾液中NO-3水平也顯著升高[44]，這些菌劑的效果高度依賴于土壤和作物品種類型。同一屬的微生物對硝化過程可能產(chǎn)生不同的影響，例如，施用枯草芽孢桿菌確實(shí)達(dá)到了減少氨揮發(fā)和氮損失的目標(biāo)效果，但它也增加了細(xì)菌amoA基因的相對豐度，以及硝化菌群的豐度[45]。施用解淀粉芽孢桿菌可降低土壤硝酸鹽濃度[35]，含有T. virtuosa的菌群增加了潛在的硝化速率[43]，但與單獨(dú)施肥相比，同時(shí)施用T. viride 和尿素的土壤硝酸鹽水平較低[38]。

減少NO-3淋失可以采取的另一種途徑是異化硝酸鹽還原成銨（DNRA），該過程可將NO-3和NO-2還原為NH+4，允許在土壤生態(tài)系統(tǒng)中保留氮。研究表明，DNRA具有節(jié)能環(huán)保、降低N2O排放、節(jié)肥增效以及減少NO-3和NO-2污染的優(yōu)點(diǎn)，因此越來越受到關(guān)注[16]。DNRA在土壤氮素循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，如Pan等[46]考察了干旱農(nóng)田根際土壤和非根際土壤中硝態(tài)氮的異化還原過程，發(fā)現(xiàn)DNRA比反硝化過程起主導(dǎo)作用。盡管已發(fā)現(xiàn)了許多種具有DNRA功能的微生物，但是鮮有利用純培養(yǎng)的DNRA微生物控制農(nóng)田土壤NO-3淋失的報(bào)道。目前研究關(guān)注較多的是土壤性質(zhì)、氣候因素等環(huán)境條件對土壤DNRA的影響，但環(huán)境因子對DNRA速率的影響隨生態(tài)系統(tǒng)的不同表現(xiàn)出較大差異。例如亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)中，旱耕地、林地、水田和濕地生態(tài)系統(tǒng)中的DNRA速率不同，從大到小依次排序?yàn)闈竦?、旱耕地、水田、林地[16-17]。另外研究發(fā)現(xiàn)，大約40%的DNRA微生物攜帶至少一個(gè)反硝化基因，并且顯示出較高的N2O生產(chǎn)潛力，證明DNRA微生物在氮循環(huán)中的多重作用[47]。

2.4 控制氨揮發(fā)

農(nóng)田氨揮發(fā)是土壤氮素循環(huán)中氮損失的主要途徑之一，我國農(nóng)田氮肥損失中氨揮發(fā)約占11%，而在有利于氨揮發(fā)的條件下，氮肥的氨揮發(fā)損失率可高達(dá)40%～50%[48]。農(nóng)田土壤氨的產(chǎn)生主要來源于尿素水解和硝酸鹽異化還原成銨的這兩種過程[49]。尿素是目前使用最多的氮肥，占我國氮肥總量的60%。尿素造成的氨揮發(fā)占氮肥施用氨揮發(fā)總量的75%。尿素施入土壤后，被微生物等來源的土壤脲酶催化分解產(chǎn)生CO2和NH+4，NH+4和OH-反應(yīng)產(chǎn)生氨氣[49]。土壤脲酶是一類含鎳的酰胺鍵水解酶，其活性位點(diǎn)包含由氨基甲酸酯橋連在一起的兩個(gè)鎳原子。根據(jù)脲酶的特點(diǎn)，人們研發(fā)了脲酶抑制劑以抑制土壤脲酶活性，從而減緩尿素向NH+4的轉(zhuǎn)化。按照作用方式，脲酶抑制劑的種類主要包括3種：（1）與脲酶的巰基基團(tuán)反應(yīng)的化合物，如氫醌、對苯醌等；（2）絡(luò)合脲酶活性中心的鎳原子，如乙酰羥肟酸、乙酰氧肟酸等；（3）與脲酶活性位點(diǎn)結(jié)合的競爭

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