氮是陆地生态系统限制初级生产力的核心营养元素，土壤微生物介导的氮循环是连接大气、土壤与植被氮库的关键生物地球化学过程，调控土壤养分供给、温室气体排放、氮淋失污染等多重生态效应。土壤氮转化包含蛋白解聚、氨化、硝化、反硝化、异化硝酸盐还原（DNRA）、厌氧氨氧化、生物固氮等一系列耦合微生物反应，各类功能菌群、环境因子与人为干扰共同重塑氮转化通量与氮库留存能力，直接决定生态系统氮收支平衡。当前全球气候变化、农田集约化管理、新型土壤复合污染等各种压力作用于陆地土壤，从极地高寒生态到耕作农田均引发氮循环功能的显著分异，厘清不同驱动背景下微生物氮循环响应规律，是精准预测气候反馈、优化绿色农艺、管控土壤污染风险的核心基础。
围绕土壤氮循环的前沿研究可划分为气候驱动、农艺调控、新型污染物胁迫等主流方向：一是以高纬度冻土、亚北极草地为代表的寒区生态系统，聚焦持续升温对碳限制背景下微生物氮利用策略的长期重塑效应；二是农田种植模式调控，对比单作、间作体系根际微生物群落与全套氮代谢功能基因的差异，解析多样化种植保氮增产的微生物机制；三是农膜微塑料与农药、杀虫剂共存的农田复合污染场景，探究多重胁迫对硝化限速过程及氨氧化功能菌群的协同干扰作用。三类研究分别依托天然地热增温梯度、多年定位田间试验、室内多土壤微宇宙培养体系，结合15N同位素示踪、宏基因组测序、qPCR功能基因定量、土壤氮库等指标体系，从存量、转化速率、微生物功能三个维度系统解析氮循环响应机理，为不同生态系统氮循环模型优化、土壤养分管理、农田污染防控提供理论支撑与检测指标参考。
上周我们分享了土壤氮循环相关指标的推荐，本周以相关指标在文章中的应用案例解读给大家安排以下三篇文章的文献解读
土壤氮循环指标推荐
文献案例1：长期变暖下高纬度碳限制土壤中微生物氮循环趋于保守且更具韧性
英文题目：Microbial Nitrogen Cycling Becomes Conservative and Resilient to Long-Term Warming in High-Latitude Carbon-Limited Soils
发表期刊：Global Change Biology（IF:12）
发表时间：2025.12
样本类型：冰岛雷克伊尔亚地区亚北极天然地热梯度0–10cm表层矿质草地土壤
土壤氮库与微生物指标检测：采用氯仿熏蒸-浸提法测定微生物生物量碳、氮；1M KCl浸提结合分光光度法测定铵态氮、硝态氮，荧光法测定总游离氨基酸；干燃烧法配合元素分析仪测定土壤全氮，结合土壤容重计算单位面积土壤氮储量。
15N同位素库稀释示踪技术：分别使用15N标记氨基酸混合物、15NH4+、15NO3⁻开展室内原位温度微培养；GC-MS测定氨基酸同位素比值，EA-IRMS测定无机氮同位素组成，定量氨基酸、铵、硝态氮总生成速率、总摄取速率。
环境长期监测：土壤温度记录仪每30min连续记录10cm土层温度，长期追踪各样地升温幅度。
统计分析：R语言线性模型，升温强度、季节作为固定因子并纳入交互项；Sidak校正多重比较、Spearman相关性检验，对非正态数据采用对数、立方根、Yeo-Johnson转换后建模。
高纬度土壤储存全球近一半土壤有机碳库，区域升温速率是全球平均水平的2–4倍，温度升高会加速土壤有机质分解，极易形成碳氮耦合的气候正反馈。现有多数研究仅测定净氮转化速率，无法区分微生物氮总生成与总消耗过程，且普遍忽视寒区土壤中氨基酸有机氮是微生物首要氮源；同时现有增温试验多为短期人工增温，缺乏长达数十年持续升温的原位观测，难以区分短期氮流失与长期微生物适应后的稳态变化。本研究依托冰岛ForHot天然地热试验平台，构建0℃至12.3℃连续升温梯度，设置5年、10年、超过50年三种持续升温时长梯度，分别在融雪期、春季、夏季、秋季开展季节性土壤采样。借助15N同位素库稀释技术完整解析有机氮（氨基酸）、无机氮（铵、硝态氮）全套总转化通量，系统量化不同升温时长、升温强度、季节条件下土壤各氮库储量、微生物氮周转特征与土壤总氮累积流失量，阐明碳限制背景下长期升温驱动的微生物氮利用策略转变，揭示高纬度土壤面对持续变暖的氮循环缓冲机制，为全球气候模型优化高纬度生态系统碳氮耦合参数提供实测依据。
升温能够显著降低土壤总溶解氮与总游离氨基酸浓度，春季土壤氨基酸本底含量最高且受升温影响下降幅度最为剧烈，铵态氮浓度不会随升温强度发生显著改变，但存在极强季节分异，融雪期、春季铵态氮含量显著高于夏、秋季，微生物生物量氮不受升温与季节条件调控；土壤总氮储量随升温程度升高持续下降，升温前5年氮流失速率最高，每升高1℃每公顷流失0.11吨氮，升温10年及50年后土壤氮储量趋于稳定、氮流失停止。升温同步显著提升氨基酸总生成速率与总微生物摄取速率，二者提升幅度保持匹配，净蛋白解聚速率不受升温调控，季节是决定净解聚的核心因素，春夏净解聚数值为负值、秋季更高，升温会显著缩短氨基酸周转时间，提升微生物有机氮循环周转效率。升温对铵态氮总生成速率无显著影响，但全季节范围内微生物铵摄取速率随升温持续上升，进而造成净氮矿化速率随升温降低，铵周转不存在温度响应，仅春夏融雪期铵周转速度显著慢于夏秋，土壤硝态氮含量低于检测限，硝化相关转化过程无明显变化。在碳限制条件下微生物优先利用氨基酸同步获取碳源与氮源，减少对无机铵的依赖，升温初期会引发土壤氮大量淋溶和气态流失，长期持续升温后微生物形成保守型氮循环策略，强化系统内部氮固持，降低生态系统氮损失风险。
图1.土壤升温强度与季节变化对（a）总溶解氮、（b）微生物氮、（c）土壤总游离氨基酸、（d）铵态氮含量的影响。p值代表经数据转换后线性模型分析得出的升温效应、季节效应以及二者交互效应；线条代表各季节下升温存在显著影响（p＜0.05）；线条周边阴影区域为回归方程95%置信区间；箱线图仅展示季节带来的显著差异（p＜0.05）；不同字母表示经Sidak事后多重检验后，不同季节间存在统计学显著差异。
图2.土壤升温强度对升温5年（2013年）、10年（2018年）及50年以上地块土壤总氮储量的影响。线条代表各采样年份下升温效应具有统计学显著性（p＜0.05），线条周边阴影区域为回归分析的95%置信区间。
文献案例2：单作转换为间作促进根际微生物组功能与土壤氮循环
英文题目：Conversion of monocropping to intercropping promotes rhizosphere microbiome functionality and soil nitrogen cycling
发表期刊：Science of the Total Environment（IF:8）
发表时间：2024.07
样本类型：中国东北黑土区大豆单作、玉米-大豆间作根际土壤
土壤理化指标：测定土壤pH、含水量、速效磷、速效钾、全碳、全氮、铵态氮、硝态氮、氯仿熏蒸法测定微生物生物量碳（MBC）、微生物生物量氮（MBN）。
微生物群落扩增子测序：细菌16S rRNA V3-V4区、真菌ITS1区高通量测序，计算Shannon多样性、生态位宽度、ASV物种组成；构建微生物共发生网络分析拓扑结构。
鸟枪宏基因组测序：土壤微生物DNA组装、基因预测，基于NCycDB数据库注释全部氮循环功能基因。
qPCR定量检测：对nifH、amoA、nxrA、hzsB、nrfA、nirS、nosZ等关键氮循环基因进行绝对定量。
统计方法：Wilcox检验、Kruskal秩和检验、Mantel检验、随机森林模型、Pearson相关性、共发生网络拓扑分析。
全球集约化单作农业长期施用化肥会造成土壤退化、微生物多样性下降、氮淋溶与温室气体排放加剧。间作通过多种作物共存、根系分泌物多样化提升土壤养分利用效率与作物产量，但当前研究尚未从宏基因组全景解析单作、间作下全套土壤氮循环功能基因分异，根际微生物介导氮代谢调控产量的内在机制尚不清晰。本研究在东北黑土区设置三年定位田间试验，分为大豆单作、玉米-大豆间作两大种植系统，配套无肥、低量化肥、高量化肥、低量有机肥、高量有机肥五种施肥处理，在大豆R6成熟期采集根际土壤。通过扩增子解析微生物群落差异、宏基因组完整注释氮代谢通路、qPCR验证关键功能基因丰度，结合土壤理化指标与作物产量数据，明确种植模式如何重塑根际微生物群落结构、氮循环功能基因组成，筛选调控土壤氮转化的核心环境因子，确定与作物产量显著相关的氮功能菌群与基因，阐明间作通过优化氮循环实现稳产增产的微生物机理，为可持续农艺管理提供理论依据。
玉米大豆间作体系下细菌、真菌的香农多样性显著高于大豆单作体系，间作微生物群落拥有更大生态位宽度，微生物共生网络模块化提升46%、稳定性更强，单作土壤中镰刀菌等土传病原真菌丰度显著更高；种植模式是造成土壤氮循环功能基因差异的首要驱动因子（决定系数R2=0.499），单作土壤富集ureC、gdh、nirABD、nosZ等氨化与反硝化功能基因，易引发硝酸盐流失、N2O排放升高，间作土壤中amoB、nxrA硝化基因、hzsB/hzsC厌氧氨氧化基因、nrfA异化硝酸盐还原（DNRA）基因丰度平均提高1.7倍，这类通路可将硝酸盐还原并以铵态氮形式留存，减少土壤氮损失；土壤速效磷、pH是调控根际氮循环功能基因空间分布的核心非生物因子，微生物生物量碳氮与多数氮代谢基因存在显著相关关系；厌氧氨氧化菌Candidatus Jettenia、硝化菌Lysobacter及DNRA相关菌群丰度与作物产量显著正相关，hzsB、nxrA、nrfA基因丰度能够正向解释产量差异，说明间作依靠富集保氮型微生物代谢通路提高土壤供氮能力，实现作物平均17%的增产效果。
图3.两种农作管理体系下的微生物多样性与群落特征。（A）五种施肥处理下，单作、间作体系细菌（16S）、真菌（ITS）香农-威纳指数柱状图；箱线图上方字母代表两种种植模式下处理间存在显著差异（P＜0.05，样本量n=6）。（B–C）基于布雷-柯蒂斯距离矩阵，各种植模式细菌、真菌群落前两大主成分的主坐标分析（PCoA）与非度量多维尺度（NMDS）排序图。（D）各种植模式细菌、真菌群落生态位宽度与β离散度箱线图；基于威尔科克森秩和检验标注显著性等级：*P＜0.05、**P＜0.01、***P＜0.001。（E–F）单作、间作体系细菌（E）、真菌（F）优势门级分类单元圈图；MCP代表单作，ICP代表间作；CK为不施肥小区，CF_I为施尿素60kg N/公顷，CF_II为施尿素120kg N/公顷，OF_I为施用羊粪（氮含量0.035%，折合每年60kg N/公顷），OF_II为施用羊粪（氮含量0.035%，折合每年120kg N/公顷）；各条带粗细代表对应分类单元丰度，外圈刻度为各类群标准化相对丰度。
图4.塑造微生物群落与功能基因的多重土壤环境因子。（A-B）基于布雷-柯蒂斯距离的单作、间作体系细菌（A）与真菌（B）群落组成，并通过曼特尔检验关联各土壤理化因子；线条粗细代表偏曼特尔相关系数，线条颜色表示基于9999次置换检验的显著性水平；环境因子间的两两相关关系采用皮尔逊相关系数以色阶图展示。（C-D）土壤理化影响因子与氮循环相关基因、隶属于不同氮代谢通路的优势功能类群之间的显著相关关系；星号代表统计学显著性（*P＜0.05、**P＜0.01、***P＜0.001）。文献案例3：微塑料与农药、杀虫剂的互作介导农田土壤微生物氮循环不良效应
英文题目：Interactions of microplastics with pesticides and anthelminthics mediate undesirable effects on microbial nitrogen cycling in agricultural soils
发表期刊：FEMS Microbiology Ecology（IF:3.2）
发表时间：2025.10
样本类型：希腊橄榄园砂黏壤土、法国试验田黏壤土、荷兰有机农场砂壤土三类农田表层土壤
土壤氮转化活性检测：1M KCl浸提结合分光光度法测定硝态氮；潜在硝化速率（PNR）采用氯酸盐抑制法培养测定。
微生物功能基因qPCR定量：特异性引物扩增AOB、AOA、Comammox三类氨氧化微生物的amoA基因、反硝化菌nirS基因，实时荧光定量PCR测定基因拷贝数。
微塑料制备与前处理：LDPE、PBAT、淀粉基农膜低温冷冻粉碎，分级筛选目标粒径微塑料；70%乙醇浸泡+紫外照射灭菌消除外源微生物污染。
室内微宇宙培养：恒温避光土壤微宇宙体系，定期补充去离子水维持田间持水量40%。
统计分析：双因素方差分析、Tukey HSD事后多重比较、Spearman相关性分析。
农业地膜、粪肥输入使农田土壤同时累积微塑料、农药、畜禽驱虫杀虫剂等多种污染物，但微塑料与有机污染物共存下对土壤微生物氮循环的交互毒性尚不明确。硝化作用是土壤氮循环限速步骤，氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）、全程氨氧化菌（Comammox）对环境胁迫高度敏感，其群落结构变化会直接改变硝酸盐生成与温室气体N₂O排放潜力。本研究选取欧洲三地理化、微生物背景差异显著的农田土壤，设置LDPE传统微塑料、PBAT可降解微塑料、淀粉基可降解微塑料三种类型，0.01%环境本底浓度、0.1%未来累积浓度两个添加梯度；分别设置无污染物、单独吡唑醚菌酯农药、单独阿苯达唑杀虫剂、两种污染物复合四组处理；室内避光微宇宙恒温培养90天，在30天、90天两个时间节点测定土壤硝态氮含量、潜在硝化速率，并定量三类氨氧化微生物与反硝化功能基因丰度，对比单一微塑料、微塑料+有机污染物复合胁迫对硝化过程的差异化影响，解析土壤本底微生物多样性、微塑料类型对污染毒性的缓冲/放大效应，阐明复合污染干扰土壤氮循环的内在机制，为农田塑料管控与土壤污染风险评估提供依据。
微塑料与有机污染物对土壤氮循环的干扰效应具备极强土壤特异性，希腊橄榄园土壤微生物多样性偏低且长期遭受干旱胁迫，各类污染处理对硝化过程的抑制效果最为突出，法国、荷兰农田土壤的微生物群落缓冲能力更强，污染引发的相关变化微弱且不存在统一规律；单独施加LDPE、PBAT、淀粉三类微塑料都会显著提高AOB丰度、潜在硝化速率与土壤硝态氮含量，同时显著抑制AOA、Comammox，造成土壤氨氧化微生物出现AOB替代的群落更替现象，而携带nirS基因的反硝化细菌丰度不会受单一微塑料显著影响；微塑料与阿苯达唑共存会产生协同抑制作用，大幅降低AOB基因丰度、潜在硝化速率和土壤硝态氮含量，原因是微塑料能够吸附阿苯达唑，延长污染物在土壤中的滞留时间并放大其对硝化菌群的毒性，微塑料搭配吡唑醚菌酯则无统一抑制规律，作用效果随土壤类型、塑料类型发生改变；从时间动态来看，污染带来的抑制效应在培养30天时最为明显，培养至90天之后AOA、Comammox菌群丰度出现补偿性回升，土壤硝化功能得到部分恢复，PBAT、淀粉基可降解微塑料和有机污染物的交互作用与传统LDPE微塑料存在明显区别；从环境风险层面分析，仅存在微塑料时会提升AOB菌群占比，增大氧化亚氮（N2O）温室气体排放潜力，若农田中同时存在畜禽驱虫杀虫剂，硝化作用会被大幅抑制，土壤有效氮供给下降，对农田养分供应和作物生长造成不利影响。
图5.培养30天、90天采集的（a）希腊土壤、（b）法国土壤、（c）荷兰样品中的硝态氮含量。土壤添加质量分数0.1%不同类型微塑料（MP1：低密度聚乙烯微塑料；MP2：PBAT基微塑料；MP3：淀粉基微塑料；MP4：三类微塑料混合处理），设置无污染物对照，或进一步施用农药吡唑醚菌酯（PYR）、杀虫剂阿苯达唑（ALB），以及二者复合处理（A+P）。柱状图上方字母代表处理间存在统计学差异；大写字母表示同一污染物处理下各组差异，小写字母表示同种微塑料处理下各组差异，显著性水平为5%。图6.培养30天和90天的（a）希腊土壤、（b）法国土壤、（c）荷兰土壤样品的潜在硝化速率（PNR）。土壤添加0.1%不同类型微塑料（MP1为LDPE基微塑料、MP2为PBAT基微塑料、MP3为淀粉基微塑料、MP4为三类微塑料混合处理），设置不添加污染物对照组，或额外施用农药吡唑醚菌酯（PYR）、杀虫剂阿苯达唑（ALB），以及二者复合处理（A+P）。柱状图上方字母代表处理间存在统计学差异；大写字母表示同一污染物处理组内的差异，小写字母表示同种微塑料处理组内的差异，显著性水平为5%。
[1]Zevenhuizen A L, Richter A, Fuchslueger L, et al. Microbial Nitrogen Cycling Becomes Conservative and Resilient to Long‐Term Warming in High‐Latitude Carbon‐Limited Soils[J]. Global Change Biology, 2026, 32(1): e70673.[2]Shu D, Banerjee S, Mao X, et al. Conversion of monocropping to intercropping promotes rhizosphere microbiome functionality and soil nitrogen cycling[J]. Science of the Total Environment, 2024, 949: 174953.
[3]Lagos S, Lamprou E, Liu H, et al. Interactions of microplastics with pesticides and anthelminthics mediate undesirable effects on microbial nitrogen cycling in agricultural soils[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2025, 101(11): fiaf104.