生物土壤结皮通过硝化-反硝化协同促进N2O排放的水热响应机制

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2026.00009

摘要/Abstract

摘要：

生物土壤结皮（BSCs）是干旱区土壤表层的关键生态组成部分，具有防风固沙和水土保持功能，且对土壤氮循环和温室气体排放具有重要影响。氧化亚氮（N₂O）排放是干旱区氮循环中关键过程，但BSCs在调控N₂O排放中的作用机制尚不明确。本研究以腾格里沙漠地区典型的沙土与BSCs为研究对象，采用温度-水分双因子控制实验，并结合乙炔抑制法，分析不同水热情景下两类土壤N₂O排放特征及其产生途径。结果表明：（1）温度和水分显著影响N₂O排放，并且两者之间存在明显的交互作用。（2）在相同处理下，BSCs的N₂O排放通量和累积排放量均高于沙土。（3）反硝化过程是干旱区土壤N₂O的主要来源，在BSCs中，硝化过程的贡献显著增加，硝化-反硝化协同驱动的排放机制显现。（4）PLS-SEM模型模拟表明，温度和水分通过调控底物可得性与微生物生物量间接影响N₂O排放。本研究揭示BSCs通过改变土壤微生境、增强硝化-反硝化过程的耦合，进而促进N₂O排放的机制，为深入理解干旱区氮循环过程、区域温室气体减排与氮管理策略制定提供依据。

关键词: 生物土壤结皮, N₂O排放, 硝化作用, 反硝化作用, 水热响应

Abstract:

Biological soil crusts （BSCs） are a crucial ecological component of the soil surface layer in arid regions. They play important roles in windbreaks， sand fixation， and soil and water conservation and have a significant impact on soil nitrogen cycling， and greenhouse gas emissions. N₂O emission is a key process in the nitrogen cycle in arid regions， yet the mechanism by which BSCs regulate N₂O emissions remains unclear. In this study， typical sandy soil and crusted soil in the Tengger Desert region were taken as research objects. A two-factor （temperature-moisture） control experiment， combined with the acetylene inhibition method， was used to analyze the N₂O emission characteristics and production pathways of the two types of soil under different hydro-thermal scenarios. The results are as follows：（1） Temperature and moisture significantly affected N₂O emissions， and there was a significant interaction between them. （2） Under the same treatment， the N₂O emission fluxes and cumulative emissions of BSCs were higher than those of sandy soil. （3） Denitrification was the main source of N₂O in arid-region soils. In soils covered by crusts， the contribution of the nitrification process increased significantly， and the emission mechanism driven by the synergy of nitrification-denitrification was revealed. （4） The PLS-SEM model showed that temperature and moisture indirectly affected N₂O emissions by regulating substrate availability and microbial biomass. This study reveals the mechanism by which biological crusts promote N₂O emissions by altering the soil microhabitat and enhancing the coupling of the nitrification-denitrification process. It provides empirical evidence for a deeper understanding of the nitrogen cycle in arid regions and for the formulation of regional greenhouse gas reduction and nitrogen management strategies.

Key words: biological soil crusts, N₂O emissions, nitrification, denitrification, hydrothermal responses

中图分类号:

P941.73

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图/表 7

图1 N2O排放通量趋势注：T10、T20和T30为温度处理（对应10、20、30 ℃土壤温度）；W0、W10为水分处理（对应0、10 mm降水量）。折线图表示每个处理组的平均值（n=4）。排放过程包括总反应（硝化作用与反硝化作用的总和）、反硝化作用和硝化作用

Fig.1 Trend of N2O emission flux

图2 N2O累积排放量趋势注：T10、T20和T30为温度处理（对应10、20、30 ℃土壤温度）；W0、W10为水分处理（对应0、10 mm降水量）。折线图表示每个处理组的平均值（n=4）。排放过程包括总反应（硝化作用与反硝化作用的总和）、反硝化作用和硝化作用

Fig.2 Trend graph of cumulative N2O emissions

表1 温度、土壤类型、降水对N2O排放、累积排放通量的三因素方差分析

Table 1 Three-factor Analysis of variance of temperature， soil type and precipitation on N2O emission and cumulative emission flux

影响因子	因变量	N₂O排放通量				N₂O累积排放通量
影响因子	因变量	自由度	均方	F值	P值	自由度	均方	F值	P值
土壤类型	总反应	1	271.891	20.455	0.000	1	32 676.513	12.021	0.001
	反硝化	1	140.224	18.605	0.000	1	17 579.782	9.163	0.003
	硝化	1	21.811	19.494	0.000	1	2 347.393	18.932	0.000
降水	总反应	1	230.853	17.368	0.000	1	26 348.350	9.693	0.002
	反硝化	1	143.733	19.071	0.000	1	16 720.353	8.715	0.004
	硝化	1	10.418	9.311	0.003	1	1 108.008	8.936	0.003
温度	总反应	2	171.359	12.892	0.000	2	19 663.916	7.234	0.001
	反硝化	2	96.507	12.805	0.000	2	11 340.013	5.910	0.003
	硝化	2	10.591	9.466	0.000	2	1 132.256	9.132	0.000
土壤类型×降水	总反应	1	47.931	3.606	0.050	1	7 195.752	2.647	0.106
	反硝化	1	15.065	1.999	0.159	1	2 766.099	1.442	0.232
	硝化	1	9.115	8.147	0.005	1	1 021.559	8.239	0.005
土壤类型×温度	总反应	2	50.200	3.777	0.025	2	6 043.845	2.223	0.112
	反硝化	2	20.651	2.740	0.068	2	2 642.506	1.377	0.255
	硝化	2	6.554	5.858	0.004	2	706.676	5.699	0.004
降水×温度	总反应	2	47.846	3.600	0.030	2	5 954.587	2.191	0.115
	反硝化	2	22.643	3.004	0.052	2	2 937.968	1.531	0.219
	硝化	2	4.792	4.283	0.015	2	540.494	4.359	0.014
土壤类型×降水×温度	总反应	2	9.385	0.706	0.495	2	1 404.114	0.517	0.598
	反硝化	2	2.953	0.392	0.677	2	443.017	0.231	0.794
	硝化	2	3.781	3.379	0.037	2	428.993	3.460	0.034

图3 不同处理下N2O排放通量与培养天数的非线性拟合注：T10、T20和T30为温度处理（对应10、20、30 ℃土壤温度）；W0、W10为水分处理（对应0、10 mm降水量）

Fig.3 Nonlinear fitting between N2O emission flux and incubation days under different treatments

图4 硝化与反硝化贡献率注：T10、T20和T30为温度处理（对应10、20、30 ℃土壤温度）；W0、W10为水分处理（对应0、10 mm降水量）

Fig.4 Analysis of contribution rates of nitrification and denitrification

图5 不同处理土壤化学性质与生物学性质注：T10、T20和T30为温度处理（对应10、20、30 ℃土壤温度）；W0、W10为水分处理（对应0、10 mm降水量）

Fig.5 Soil chemical and biological properties under different treatments

图6 土壤性质对N2O通量影响的偏最小二乘法结构方程模型注：W为降水，T为温度，Substrate为NH4+-N、NO3--N、TN、TDC、SOM、AP，Microbial biomass为MBC、MBN、MBP；实线和虚线分别表示显著和非显著路径；与箭头相邻的数字为路径系数，线条的宽度与路径系数的强度成正比；R2表示变量的方差解释程度；GOF表示模型拟合优度

Fig.6 Partial least squares structural equation modeling （PLS-SEM） for effects of soil properties on N2O flux

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生物土壤结皮通过硝化-反硝化协同促进N₂O排放的水热响应机制

Biocrusts enhance N₂O emissions through coupled nitrification-denitrification under temperature and moisture variability

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