土壤中的甲烷氧化菌消耗CH₄是降低大气CH₄浓度的途径之一，多项研究表明土壤氮的可利用性是CH₄氧化过程的关键调控因素。盐渍化土地面积占全球陆地面积的10%，但有关盐渍化土壤CH₄通量过程的研究还很罕见，导致盐渍化土壤CH₄通量及其对氮输入的响应机制尚不明确。由于甲烷氧化菌多数为自养型细菌，其与生产者（植物）之间的关系历来被忽视。本研究分析了晋北盐渍化草地CH₄通量响应氮输入增加的模式及其机制，揭示了根际效应是植物群落变化影响土壤甲烷氧化菌活动的媒介。

   山西农业大学草地生态系统碳氮过程与生态系统管理团队依托山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站，对8个氮添加水平下（1、2、4、8、16、24、32 g N m^-2）2017~2019年生长季盐渍化草地CH₄通量及其潜在影响因子进行监测。发现盐渍化草地是弱的大气CH₄汇，生长季CH₄吸收速率在3.30~16.27 μg m^-2 h^-1。随氮输入量增加，CH₄吸收速率呈单峰型响应，峰值对应氮输入量为10 g N m^-2 yr^-1，影响甲烷氧化的关键功能基因（pmoA）丰度响应比的变化趋势（对应促进与抑制临界转换对应的氮输入量为7 g N m^-2 yr^-1）解释了这种非线性响应（图1）。

图1 不同水平氮添加对盐渍化草地CH₄通量及pmoA功能基因丰度的影响

研究发现植物群落特征和根系动态参与调控盐渍化草地CH₄吸收，盐渍化草地CH₄吸收在低N输入下，受地上生产力变化的调控；而在高氮输入下则由植物群落多样性变化调控（图2）。进一步分析发现，根际的pH显著低于非根际，而可利用氮含量显著高于非根际（图3），根际土壤理化性质对低氮和高氮输入的响应，及根际与非根际土壤理化性质之间存在明显差异（图4）；在低氮输入情境下（< 7 g N m^-2 yr^-1），根际pmoA功能基因丰度显著高于非根际，而在高氮添加情境下根际与非根际pmoA功能基因丰度无显著差异，表明植物参与调控CH₄通量的机制是根际效应对土壤环境及甲烷氧化菌的影响。此项研究在盐渍化土壤甲烷氧化的生物学机制上取得了重要突破。

图2 氮输入（a）及低氮（c）、高氮（e）输入分别影响盐渍化草地CH₄通量的路径

图3 根际和非根际土壤pH（a）、无机氮含量（b）及pmoA功能基因丰度（c）对氮输入的响应

图4 根际和非根际土壤理化性质对低氮和高氮输入的差异性响应

        以上研究成果以“Plant community mediated methane uptake in response to increasing nitrogen addition level in a saline-alkaline grassland by rhizospheric effects”为题在线发表于《Geoderma》（IF₂₀₂₂=7.422），以“氮添加对盐渍化草地根际土壤理化性质的影响”为题网络发表于《应用生态学报》。该研究得到国家自然科学基金（31800402, 31872406）和山西农业大学高层次人才科研专项（2021XG008）等项目资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2022.116235