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摘要：从传统耕作制度转向免耕制度有助于改善土壤碳固存和维持作物生产力。然而，通过免耕对土壤反硝化作用的影响来理解土壤氮素（N）的过程仍然是不确定的。本研究收集了57项研究的323个观测数据，并量化了土壤反硝化作用以及反硝化群落的大小和活性对免耕和传统耕作的响应。结果表明，免耕条件下土壤反硝化作用导致土壤氧化亚氮（N2O）排放增加。免耕条件下，土壤N2O排放的响应大于总反硝化作用，同时( nirK + nirS) / nosZ比值显著增加（33%）。因此，免耕条件下土壤反硝化作用的增强可能对土壤氮循环和减缓N2O排放产生负面影响。
关键词：保护性耕作；反硝化作用；微生物多样性
文 章 信 息
译名：免耕通过对反硝化细菌群落活性和丰度的积极影响，增加了土壤反硝化作用
发表时间：2020年3月
期刊影响因子：9.8（2023）
第一单位：南京农业大学
通讯单位：南京农业大学
文 章 亮 点
1.Meta分析了免耕对土壤反硝化作用的影响；
2.免耕显著提高了土壤反硝化作用和N2O排放；
3.免耕提高了土壤反硝化细菌群落的活性和丰度；
4.( nirK + nirS) / nosZ对免耕的响应整体表现为正响应。
文 章 简 介
1 研究意义
免耕是保护性农业措施之一，被提议作为气候智能型农业的组成部分，其分布广泛且采用量较大。大量研究显示免耕有诸多潜在益处，但最新证据表明其作用可能被夸大，对作物产量、土壤有机碳储量等的影响存在争议。免耕通过改变土壤生物物理特性，可能会影响土壤反硝化作用，但其对土壤反硝化作用的影响及与非生物和生物因子的相互作用尚不清楚。在这项研究中，我们旨在确定免耕对土壤反硝化作用的影响，进行了基于全球数据集的荟萃分析，对传统耕作和免耕地块的相关研究进行比较。我们假设相对于常规耕作，免耕会增加土壤反硝化作用，并驱动微生物群落的活性和规模，且会导致N2O排放增加。2 研究方法
截止2019年6月，本研究数据通过China National
Knowledge Infrastructure、Web of Science和Google
Scholar搜索引擎，对关键词“耕作”、“反硝化”、“细菌群落”、“反硝化基因”等进行检索。要纳入我们的数据集，研究必须满足以下标准。（1）为了更好地代表自然条件下免耕对土壤肥力的影响，包括在野外条件下和/或在实验室中使用未受干扰的土芯进行测量的研究。（2）植物种类、土壤类型和其他管理措施（例如，施肥和灌溉）之间的免耕和传统耕作地块必须是相同的。（3）这些变量的平均值和样本量必须可用于两种方法。如果数据以数字形式呈现，则使用GetData图形数字化仪以数字方式提取值。本次荟萃分析共纳入了来自地球仪57项研究的323项观察结果（Fig.1;Figure.S1）。3 研究结果
平均而言，相对于传统耕作，免耕显著提高了土壤反硝化速率85%（95%CI：48- 124%，P < 0.001）（Fig.2）。与湿润气候(72%，95%CI：31 - 126%，P <0.001)相比，干旱气候(98%，95%CI：42 - 175%，P < 0.001)中土壤反硝化作用的增加高于湿润气候，但不显著(P <
0.511)。不同土地利用类型间的免耕效应无差异，可能是因为草地的样本量较小（P < 0.816; n = 5）。土壤反硝化作用对免耕的正响应在中质地和细质地土壤中均显著，而在粗质地土壤中不显著（P < 0.247）。分析中未检测到SOC和土壤pH值亚组之间的显著差异（均P < 0.74）。氮肥管理对免耕土壤反硝化作用有显著影响（P < 0.037），其中施氮肥对土壤反硝化作用的影响（101%，95%CI：59-154%）大于不施氮肥（46%，95%CI：9-97%）。有残留物保留的免耕效果比无残留物保留的免耕效果更好，但不显著（P < 0.263）。
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免耕对土壤反硝化作用（lnRR）的影响与平均土壤容重呈正相关（n < 56，P< 0.002 ; Fig.3a），但与土壤容重的变化无关（Fig. 3b）。土壤反硝化作用对免耕的响应较小，在所有研究中，与免耕持续时间呈负相关（n = 84，P = 0.085 ; Fig. 3c）。模型选择分析表明，免耕对土壤反硝化的影响最好通过土壤容重、气候和氮肥管理的变化来预测（Fig. 3d）。![]()
当使用同时测量土壤反硝化作用和N2O排放的数据集（n = 34）时，发现免耕显著增加了土壤反硝化作用和N2O排放，分别增加了67%（95%CI：33-109%）和87%（95%CI：49-134%）（Fig. 4）。然而，反硝化终产物比例的变化对免耕响应为正但不显著，增加了2.5%（95%CI：20-31%）的N2O/（N2O/N2）的比率和0.3%（95%CI：30-44%）的N2O/N2的比率。![]()
与常规耕作相比，免耕显著增加了潜在的反硝化活性（66%，95%CI：33- 108%P < 0.001）和反硝化细菌的总数（116%，95%CI：36- 244%，P < 0.01;Fig. 5a）。总体而言，免耕对反硝化基因的丰度有积极的影响（Fig. 5a）。免耕对nirK（23%，95%CI：4-46%; P< 0.05）和nosZ（20%，95%CI：1-43%; P< 0.05）基因的激活作用显著，但对nirS（14%，95%CI：13-48%; P> 0.1）和narG（16%，95%CI：8-47%; P> 0.1）基因无显著性作用。免耕显著增加了（nirK+nirS）/nosZ的比值（33%，95%CI：4-70%; P < 0.05）。模型选择分析表明，潜在反硝化活性对免耕的响应通过土壤深度的中点来预测是是最佳的，即免耕效果与土壤深度的变化呈负相关(Fig. 5b)。![]()
4 讨论
本研究中，基于全球范围内的个体观测的荟萃分析，与农田和管理草地的传统耕作相比，采用免耕可以显著增加土壤反硝化作用。这证实了我们的第一个假设：免耕会刺激土壤反硝化作用。本研究表明，与传统耕作相比，免耕显著增加土壤反硝化作用。这一影响与土壤反硝化菌群的大小和活性变化相关。同时，免耕对反硝化作用的影响还受气候和管理措施等因素的影响。研究还发现，免耕条件下施氮会加剧土壤反硝化作用，且其对反硝化作用的积极影响随时间推移而减弱。此外，免耕导致的土壤反硝化作用增加会导致N2O排放增加，这可能与反硝化菌群结构差异及N2O还原菌群的变化有关。![]()
多项证据表明免耕条件下土壤反硝化作用的增加会导致N2O排放量增加。免耕对N2O排放的正响应大于土壤反硝化作用的正响应，研究显示免耕土壤的N2O潜在排放量显著高于耕作土壤。（nirK
+ nirS）/nosZ 比值对免耕呈正响应，且免耕土壤中的nosZ/16S rRNA 比值低于传统耕作土壤，意味着免耕时N2O的产生量大于还原量。最近的荟萃分析也显示免耕可减少土壤NO排放量，这进一步支持了免耕可能使土壤中产生的NO被反硝化菌群还原为N2O和/或N2的可能性。综上，免耕导致土壤反硝化作用显著增加，进而致使N2O排放量增加。该研究还存在一些局限性，如对免耕条件下土壤反硝化作用的响应与反硝化菌群结构的关系、nosZ基因作为N2O还原菌群标记的局限性、观测数据地理分布不均匀等。还需进一步研究土壤反硝化菌群落丰度和结构的变化，以及在不同气候区域进行深入研究，同时结合分子生物学技术开展更多研究，以更好地理解免耕对土壤反硝化的影响。5 主要结论
研究表明，从传统耕作到免耕，土壤反硝化作用增强，这与反硝化菌群的活跃和丰富相关。免耕条件下土壤反硝化作用的增加可能导致N2O排放增加，这与高响应性及较高的（nirK + nirS）/nosZ比值有关，表明产生N2O的微生物群落丰度较高。反硝化菌群的结构及未知的N2O还原微生物群落对调节土壤N2O排放起着重要作用。然而，由于缺乏广泛实行免耕地区的数据，可能对荟萃分析有影响。
Reference:
Wang, J. Y. and J. W. Zou (2020). "No-till increases soil
denitrification via its positive effects on the activity and abundance of the
denitrifying community." Soil Biology & Biochemistry 142.
https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2020.107706
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生彭东超
