何 廣，李 俠，2，趙若桐，張俊伶?

（1. 中國農業(yè)大學資源環(huán)境學院，北京 100193；2. 山西大同大學生命科學學院，山西大同 037004）

氧化亞氮（N2O）作為一種重要的溫室氣體，溫室效應潛力是二氧化碳（CO2）的298 倍，其排放問題是當前全球農業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1]。據(jù)估算，1981—2010 年間，全球陸地生態(tài)系統(tǒng)排放的N2O 高達13 Tg·y-1[2]，其中農田排放至大氣中的N2O可 達 4.1 Tg·y-1[3]。 在 土 壤 中， 硝 化 過 程（nitrification）、反硝化過程（denitrification）、硝化微生物的反硝化過程（nitrifier denitrification）以及硝酸鹽歧化過程（dissimilatory nitrate reduction to ammonium，DNRA）等均可產生N2O[4]。通常認為催化氨氧化反應的氨單氧化酶（amoA編碼）和催化亞硝酸鹽還原反應的還原酶（nirK和nirS編碼）分別是硝化過程和反硝化過程中產生N2O 的關鍵酶，目前僅知N2O 還原酶（nosZ編碼）可還原N2O，因此弱化N2O 產生過程或強化N2O 消納過程對N2O 減排至關重要。

過量施用氮肥是農田N2O 排放增加的一個主要原因[5]。據(jù)估算，每100 kg 氮肥就有約1 kg 氮以N2O 的形式排放到大氣層[6]。因此，深入研究農田土壤N2O 排放的影響因素并提出合理的減排措施，對全球氣候變化具有重要意義。針對N2O 減排的措施，主要包括施肥管理、施用硝化抑制劑和生物炭等[4]。目前針對土壤微生物影響N2O 排放的研究主要集中在硝化細菌和反硝化細菌，關于其他微生物的描述很少。最近的研究發(fā)現(xiàn)，對土壤接種促生微生物（Plant growth promoting rhizobium，PGPR）Bacillus amyloliquefaciens[7]和Trichoderma viride[8]后顯著降低了N2O 排放，該結果與土壤中反硝化相關功能基因豐度的提高，尤其是nosZ型微生物豐度的增加與群落結構的改變有關。叢枝菌根真菌能與陸地上約80%植物形成共生體。在共生體中，菌根通過根外菌絲吸收土壤中的養(yǎng)分，傳遞給宿主植物，作為交換宿主植物會向其供應光合產物。研究表明，AMF 可影響土壤中氮素轉化過程，進而影響氮素利用率等。最新的研究發(fā)現(xiàn)AMF 對N2O 減排也有重要作用[9-11]，表明土壤有益微生物在促生增效的同時可望實現(xiàn)溫室氣體減排。本文總結了AMF 減少N2O 排放進展，分析了AMF 介導N2O 減排的可能途徑，并提出了強化土著AMF 進行減排的措施。

1 AMF 減少土壤N2O 排放的作用

AMF 作為在自然界中分布最廣泛的一類共生微生物，可與大部分陸地植物形成共生關系[12]。研究發(fā)現(xiàn)AMF 可以吸收銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和氨基酸[13-14]。在一定條件下，AMF 也可加速有機物的降解。與此同時，AMF 還可通過地下菌絲網絡影響氮素在土壤中的循環(huán)過程[15]。最新的研究報道了AMF 對土壤中N2O 的減排作用。Bender 等[16]以番茄野生型/菌根突變體作為材料，發(fā)現(xiàn)接種AMF 處理顯著降低了野生型番茄土壤中N2O 排放量。同樣，在田間條件下Cavagnaro 等[17]發(fā)現(xiàn)AMF 減少了番茄根際土壤N2O 排放。Zhang 等[11]以水稻為材料，發(fā)現(xiàn)在淹水階段AMF 顯著降低了水田N2O 排放。Storer 等[10]利用分室裝置，發(fā)現(xiàn)AMF 根外菌絲降低了菌絲際有機殘體降解過程中產生的N2O。然而，Okiobe 等[9]發(fā)現(xiàn)菌絲殘體促進了菌絲際N2O 排放，表明菌絲代謝活性可能顯著影響AMF 的減排作用。

2 AMF 影響土壤N2O 排放的作用機制

2.1 AMF 與硝化微生物的相互作用

在通氣狀況良好條件下，微生物硝化作用是土壤N2O 的重要來源。銨態(tài)氮的硝化過程由一系列生化反應組成，首先氨氧化細菌（AOB）或氨氧化古菌（AOA）將氨氧化為亞硝酸鹽[18]。亞硝酸鹽再進一步被亞硝酸鹽氧化細菌氧化為硝酸鹽[19]。硝化作用中的氨氧化過程（NH4→）是硝化作用的限速步驟，其中間過渡產物為羥胺（NH2OH），NH2OH既可被羥胺氧化還原酶（HAO）氧化為，也可通過形成硝?；龠M一步歧化產生N2O[20]。此外，氨氧化過程產生的亞硝酸鹽也可被硝化微生物還原為N2O[21]。

AMF 與硝化微生物的互作對N2O 排放有重要意義。AMF 和氨氧化微生物（AOA、AOB）均以N為底物，因此AMF 與氨氧化微生物（AO）存在潛在的競爭關系[22]，兩者間的互作取決于土壤銨態(tài)氮的有效性。在與氨氧化菌競爭土壤時，AMF一般處于優(yōu)勢[23]。在土壤中N較低時，AMF 會抑制氨氧化微生物對N的利用，降低其豐度和土壤硝化速率，進而減少了硝化過程中產生的N2O。Veresoglou 等[24]發(fā)現(xiàn)AMF 對N的競爭顯著降低了土壤硝化勢，施用真菌抑制劑后，AMF 對土壤硝化勢的抑制作用消失。Storer 等[10]利用分室裝置，在AMF 根外菌絲區(qū)的玉米殘體斑塊中加入銨態(tài)氮后，發(fā)現(xiàn)根外菌絲降低了N2O 排放，但加入硝態(tài)氮后N2O 排放在接種和未接種處理間差異不顯著，推測AMF 對N的競爭作用導致氨氧化菌對N的利用率降低，進而減少了N2O 的排放。

也有研究發(fā)現(xiàn)，接種AMF 后氨氧化微生物數(shù)量顯著增加。Teutscherova 等[25]發(fā)現(xiàn)接種AMF 雖然增加了菌根際AOB 豐度，但降低了N2O 的排放。在該研究中，AOB 的反硝化作用是N2O 的主要來源，因此推測AMF 菌絲分泌物促進了接種處理中N2O 還原菌的生長，促進了N2O 還原。AMF 導致氨氧化微生物數(shù)量增加的可能原因包括：在植物生長早期，AMF 侵染植物根系時對植物生長有抑制作用，導致菌根際含碳分泌物減少，抑制了異養(yǎng)微生物對NH4+的競爭，促進了自養(yǎng)氨氧化微生物的生長。另一方面，接種方法可能也影響AMF 的作用。在土壤中接種AMF 時，為消除其他微生物的影響，常需添加土壤過濾菌液，該方法在一定程度上過濾了氨氧化微生物捕食者，促進了氨氧化微生物生長[26]。

2.2 AMF 與反硝化微生物的互作

通常認為，在厭氧條件下N2O 主要由異養(yǎng)反硝化過程產生。在缺氧條件下，反硝化微生物以有機碳作為電子供體進行呼吸作用。在反硝化過程中N2O 可作為中間產物排放到大氣中[27]。目前僅有完全反硝化過程能夠將N2O 還原為N2（圖1），該過程由nosZ基因編碼的氧化亞氮還原酶（N2OR）所催化。許多反硝化微生物，如Pseudomonas chlororaphis[28]和硝化微生物[29]，由于缺少nosZ基因而無法合成 N2OR，導致反硝化過程終產物為N2O。同時其他含有nosZ-II 基因的微生物（多數(shù)缺乏nirK和nirS基因）可進一步將N2O 還原為N2[30]。

Bender 等[16]以番茄突變體（菌根無法侵染）作為材料，發(fā)現(xiàn)野生型番茄在接種AMF 后土壤N2O排放量顯著下降，且土壤中nirK（產生N2O 的關鍵基因）的豐度和菌根侵染強度呈線性負相關，和nosZ（消納N2O 關鍵基因）豐度則呈正相關，表明AMF可能通過影響反硝化相關微生物群落結構，進而調控土壤N2O 排放。其他研究發(fā)現(xiàn)，AMF 侵染玉米根系后顯著降低了玉米根際土壤中熒光假單胞細菌（一類缺乏nosZ基因的反硝化細菌）的豐度[28]。在草地中接種AMF 后促進了其他微生物對硝態(tài)氮的利用，并顯著降低了N2O 排放[17]。這些研究表明AMF可能降低了土壤中反硝化菌的相對豐度，或者促進了反硝化菌對N2O 的還原，進而降低了N2O 排放。

AMF 菌絲可以促進土壤反硝化潛勢，其分泌物及非活性的菌絲殘體可作為碳源被反硝化微生物和其他微生物所利用[31-32]。Okiobe 等[9]的研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽含量較高時，菌絲殘體顯著促進了土壤潛性反硝化作用。可能的原因是菌絲死亡以后不再與反硝化微生物競爭氮素，其殘體降解過程釋放的含碳化合物對反硝化微生物具有“起爆效應（Priming）”，導致反硝化作用產生的N2O 增加。

2.3 AMF 影響土壤中氮素有效性

農田N2O 排放的一個重要影響因素是氮素有效性[34]。向土壤施用氮肥后，氮素有效性顯著提高，硝化和反硝化作用也隨之增強，進而增加了 N2O的排放[35]，因此降低土壤氮素有效性是AMF 減少N2O 排放的可能途徑之一。研究表明AMF 可以直接吸收土壤中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和氨基酸[13-14]，除了滿足其自身生長對氮素需求外[36]，還可傳遞給宿主植物以交換植物光合產物[37]。Tanaka 等[13]發(fā)現(xiàn)AMF 根外菌絲吸收的氮素占玉米地上部氮吸收量的74%。

除了可直接吸收利用無機氮，接種AMF 還促進了微生物對有機氮的降解，從而提高植物對氮素的吸收，降低土壤氮含量，因而可降低反硝化過程排放的N2O[10]，增加二氧化碳和氮素濃度可以強化這種效應[38]。Xu 等[39]發(fā)現(xiàn)草地上接種AMF 后黑麥草殘體的礦化速率顯著提高（提高228%）。在低磷條件下接種AMF 后，根外菌絲顯著加快了菌絲袋中玉米葉片氮素養(yǎng)分的釋放。Leigh 等[40]研究AMF 對黑麥草降解的影響時，發(fā)現(xiàn)接種AMF 后黑麥草貢獻了宿主植物氮吸收量的20%。Storer 等[10]發(fā)現(xiàn)AMF根外菌絲顯著減少了玉米葉片降解過程中排放的N2O，表明AMF 可有效降低有機物料降解過程中的N2O 排放。

AMF 對有機氮礦化的作用包括兩個方面，一方面AMF 加速有機氮礦化，會促進氮素向土壤中釋放；另一方面AMF 通過自身吸收或促進宿主植物吸收土壤中的無機氮，也可降低土壤總無機氮的含量。因此，AMF 對有機氮降解過程中N2O 排放的影響取決于有機氮的礦化速率，以及植物-菌根共生體對無機氮的吸收速率。

2.4 菌絲際環(huán)境條件影響N2O 排放

除了直接影響土壤氮素含量和菌絲際微生物以外，AMF 還可通過改變菌絲際環(huán)境條件（O2、含水量和土壤團聚體等）間接影響N2O 排放（圖2）。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，硝酸鹽還原酶（Nap）對氧氣并不敏感[41]，因此有機碳和硝酸鹽含量可能是影響硝態(tài)氮還原的主要因素[4]。AMF 作為植物光合產物的重要中轉站[32]，可影響反硝化微生物和異養(yǎng)硝化微生物的數(shù)量和活性。AMF 向菌絲際土壤分泌有機碳可增強異養(yǎng)微生物呼吸作用，加速厭氧環(huán)境的形成，間接影響反硝化過程[42]。土壤含水量也是影響土壤中氧氣含量、微生物活性以及氧化還原狀況的重要因素[43]。AMF 侵染植物根系后其菌絲可生長到遠離根系的土壤中吸收水分，提高植物對水分的利用率，降低土壤含水量，因此AMF 可通過降低土壤含水量間接影響N2O 排放。Lazcano 等[44]發(fā)現(xiàn)，在高含水量時AMF 顯著提高了植物光合速率，同時降低了土壤含水量和N2O 排放?？赡艿脑蚴堑秃拷档土薾osZ型微生物的數(shù)量，或抑制了N2OR的活性。這一結果表明當土壤中產生N2O 的微生物為優(yōu)勢類群時，AMF 促進植物吸收水分降低了反硝化過程產生的N2O。相反，還原N2O 的微生物為優(yōu)勢類群時，AMF 提高了水分利用率，增加了氧氣濃度進而抑制了N2OR 的活性，不利于N2O 還原。

土壤團聚體是影響土壤氧氣含量和水分的重要因素之一，AMF 菌絲分泌的球囊霉素作為土壤的黏結劑，促進了土壤中水穩(wěn)性團聚體的形成[45]。Leifheit 等[46]發(fā)現(xiàn)接種AMF 促進了土壤團聚體形成，同時木本植物殘體降解速率顯著降低，無機氮釋放速率也隨之降低，進而可能減少N2O 排放。大團聚體中的碳氮含量往往高于微團聚體[47]，這與Diba 等[48]觀察到大團聚體反硝化潛勢和N2O 排放顯著高于微團聚體的結果一致，且活性碳（labile carbon）是大團聚體中反硝化潛勢的主要限制因子。此外，大團聚體中的反硝化微生物數(shù)量顯著多于微團聚體[49]。因此，在土壤大團聚體中AMF 根外菌絲分泌的活性碳可緩解反硝化還原酶在電子競爭中的劣勢，促進N2O 還原。而在微團聚體中AMF 促進了氧氣在土壤中的擴散，影響了N2OR 的作用環(huán)境（厭氧），不利于N2O 的還原[9]。因此應用AMF減少N2O 排放時應考慮與保護性耕作相結合。整合分析結果發(fā)現(xiàn)，試驗周期、土壤養(yǎng)分含量和植物根系共同影響AMF 對土壤團聚體的作用[50]。

3 AMF 調控N2O 排放的影響因素

AMF 對土壤N2O 排放的調控過程受多種因素影響。如土壤養(yǎng)分的有效性顯著影響AMF-植物-土壤微生物三者相互作用的平衡[37]。在缺氮條件下，植物根系對氮素的吸收無法滿足自身生長，需要依賴AMF 吸收的氮素，同時植物向AMF 提供光合產物以支持其生長代謝，促進其對土壤氮素的吸收，進而減少N2O 排放[51]。相反，在氮素充足的條件下，由于根系吸收的氮素即可滿足植物生長需求，因此植物會減少向AMF 分配光合產物，減弱AMF 在N2O 減排中的作用。氮素含量過高還降低了AMF在土壤中的豐度和多樣性[51-52]，不利于AMF 減排。同樣，土壤磷有效性過高也顯著降低了AMF 侵染率及其在土壤中的豐度[39]。

由于AMF 不具有宿主偏好性和專一性，根外菌絲可同時侵染同種或者不同種植物的根系，在根系之間形成菌絲橋。菌絲橋是植物間傳遞養(yǎng)分的重要途徑，對植物間氮素再分配有重要意義[53]。以往研究大多基于單一宿主植物探究AMF 對N2O 排放的影響，Bender[16]、Storer[10]、Cavagnaro[17]和Zhang[11]等的研究中均未考慮植物多樣性對菌根減排的影響。而Okiobe[54]等研究自然條件下的植物群落（不同植物混合種植）時，發(fā)現(xiàn)混合種植顯著抑制了N2O排放潛勢，而AMF 對反硝化潛勢（N2O+N2排放潛勢）沒有顯著的作用。可能的原因是植物多樣性的增加降低了土壤氮素有效性，此時氮素（電子受體）取代碳素（電子供體）成為反硝化過程的限制因子，進而降低了N2O 排放。

4 結論與展望

作為土壤中一類重要的有益微生物，農業(yè)管理措施往往忽視了菌根真菌的作用，施肥、耕作和農藥的施用等顯著降低了菌根真菌的多樣性，影響其功能的發(fā)揮。農業(yè)綠色發(fā)展的一個核心內容是保證土壤健康，土壤健康的一個重要內容就是充分發(fā)揮有益微生物的作用。菌根龐大的菌絲網絡，可以高效吸收磷素，同時具有N2O 減排潛力，提高氮素利用率。AMF 的這種多功能性，對充分發(fā)揮和挖掘有益微生物的作用，提高土壤的生態(tài)系統(tǒng)服務，促進農業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。

通過對AMF 減排的研究進行總結，發(fā)現(xiàn)AMF影響N2O 排放的途徑主要包括：

1）AMF 可通過與硝化微生物競爭NH4+降低氨氧化微生物的數(shù)量，或通過影響氨氧化微生物的活性，進而降低N2O 排放。

2）AMF 可通過菌絲分泌物及菌絲殘體直接影響反硝化微生物群落結構，也可通過影響菌絲際環(huán)境條件間接影響反硝化微生物的活性，進而影響N2O 排放。

3）AMF 促進菌絲際微生物分解有機氮，同時提高植物對土壤氮素的利用率，進而降低有機物料降解過程中的N2O 排放。AMF 還可以通過改變菌絲際環(huán)境因素（如pH，土壤結構）影響微生物代謝活性，進而調節(jié)N2O 排放。

關于AMF 減少土壤N2O 排放的過程和機制，還需進一步開展大量的研究。盡管證據(jù)表明菌根顯著影響N2O 排放，但AMF 與其他微生物的相互作用對N2O 排放的影響尚不明確。隨著參與土壤氮循環(huán)的微生物基因組測序工作的完成以及生理特性的鑒定，AMF 和這些微生物的互作將成為研究N 循環(huán)的一個重要熱點。例如碳氮比是決定Shewanella loihica進行DNRA 還是反硝化反應的決定因素[55]，而AMF 菌絲分泌物能夠有效提高環(huán)境中的碳氮比，因此可能促進該菌進行硝酸鹽歧化還原反應，抑制反硝化過程。同時研究發(fā)現(xiàn)許多非反硝化菌中也含有nosZ-II 基因，雖然nosZ-I 型微生物對N2O 的親和力低于nosZ-II 型微生物[56]，關于AMF 能否影響nosZ-II 型微生物從而減少N2O 排放尚沒有研究，應當予以關注。此外，區(qū)域土壤氣候條件、作物體系和管理措施、以及微環(huán)境等多種因素也顯著影響AMF 的減排強度。首先，不同農田生態(tài)系統(tǒng)中N2O排放的機制不同，如水田土壤主要通過反硝化過程產生N2O，而旱地中以硝化過程為主，二者間的主要功能微生物存在差異，AMF 如何影響這些過程還需進一步深入的開展研究。其次，施肥、水分以及耕作等措施顯著影響菌根真菌數(shù)量、多樣性及群落結構，不同管理措施顯著影響菌根作用的發(fā)揮。最后，菌根真菌是土壤微生物的一個部分，菌根與土壤其他生物如蚯蚓線蟲等的互作也會直接或者間接的影響N2O 排放。