自工業革命以來，人類活動不斷推動對化石燃料消耗、加速森林砍伐步伐、提升對人工合成氨需求，進而導致溫室氣體排放持續增加，改變大氣化學組成，全球氣候正發生顯著變化。全球氣候變化一方面導致冰川消融、海平面上升、極端氣候頻發，嚴重威脅人類賴以生存的生態系統；另一方面，氣候變化可能深刻改變生態系統的結構和功能，並進一步對氣候變化產生反饋效應（Xiao et al. Science, 359：878, 2018）。
農業生態系統特別是稻田生態系統支撐了地球近一半人口的主糧供應。在中國，約三份之二人口的主糧依賴於稻田生態系統。為了維持稻田生態系統的生產力，需要投入大量資源，尤其是化學肥料合成氨。未來氣候變化條件下，糧食生產乃至整個稻田生態系統的結構與功能如何變化是一未知且急需回答的重大科學問題。而要回答此問題，取決於深入理解氮肥在稻田土壤中的轉化及其對氣候變化的響應機理。
前期，我們的研究結果表明，在未來大氣CO2濃度升高條件下，稻田生態系統土壤氧化還原過程發生顯著變化，導致氧化還原電位降低，促進鐵錳等氧化物還原（Cheng et al. Ecology Letters, 2010）。傳統氮循環理論框架認為，銨態氮（NH4+-N）易在有氧條件下被氧化，但是在厭氧條件下穩定。因此，稻田生態系統銨態氮深施被長期認為是一項促進水稻氮養分利用率、維持水稻作物高產的有效措施。增加銨態氮肥施用能否有效維持水稻生態系統對未來大氣CO2濃度升高的響應？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，通過結合室內培養和野外大田實驗，利用穩定同位素15N示蹤技術，深入闡述銨態氮在厭氧條件下的轉化機理。我們的研究結果表明，稻田土壤中的銨態氮，在厭氧條件下能夠以鐵氧化物作為電子受體，被氧化最終生成氮氣。我們的研究還發現，大氣CO2濃度升高會有益於稻田生態系統中一些特定的以CO2為碳源的自養微生物生長代謝，該類微生物通過介導稻田土壤中的厭氧氨氧化鐵還原耦合反應以獲取能量（圖1）。進一步計算表明，全球稻田生態系統在未來氣候變化條件下，由於厭氧氨氧化鐵還原耦合作用所造成的氮素損失可能佔到該系統中總施氮量的20%，進而可能對整個陸地生態系統氮循環產生重要影響。總之，我們的研究發現不僅提供了對陸地生態系統中氮元素與鐵元素耦合循環的新見解，也可能為未來全球氮肥的合理生產與施用以及評估其對生態環境影響提供一定的理論與實踐依據。
該研究成果於2020 年10 月16 日在《科學》雜誌子刊《Science Advances》（https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabb7433）正式發表。浙江大學生命科學學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，程磊教授實驗室博士生徐陳超為本文第一作者，博士後張乃方博士、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於方鑑為共同作者；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基金面上、優青和重大研究計劃培育項目、浙江自然科學基金傑青項目和中央高校基本科研業務費專項資金資助。
圖1 | 微生物介導厭氧氨氧化鐵還原耦合響應氣候變化的概念性框架