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农业土壤是人为产生的氧化亚氮(N₂O)的主要来源，但对其排放量的估计存在较大不确定性，主要原因是氮过程十分复杂。大多数土壤氮模型仅包括硝化和反硝化等主要氮过程，这使得它们难以准确模拟实际土壤中的氮转化过程和估算土壤N₂O的排放。

天津大学地科院晏智锋课题组构建了一种新的微生物显式模型(Microbial-Explicit Model incorporating Comprehensive Nitrogen processes, MEMCN)，该模型综合考虑了氮循环的各个过程，包括硝化、反硝化、厌氧氨氧化(ANAMMOX)、异化硝酸盐还原铵(DNRA)、矿化和微生物同化（即生长）和死亡（图1），旨在评估和量化各种氮过程对气态氮(N₂O、NO和N₂)产生的影响。

图1 MEMCN模型中涉及的反应过程

通过对实际农田土壤培养实验数据的模拟和验证，MEMCN模型很好地重现了NH₄⁺、NO₃^-、NO₂^-、NO、N₂O和N₂的动态变化。此外，模拟结果显示，除硝化和反硝化过程外，ANAMMOX和微生物同化过程对控制农业土壤中的氮转化最为重要。在厌氧条件下，ANAMMOX在模拟开始时（即48小时）直接增加了139%的N₂排放；而在好氧条件下，微生物同化在模拟结束时（即336小时）间接降低了88%的NO、54%的N₂O和58%的N₂排放。相应地，在厌氧条件下，厌氧氨氧化菌的生物量在模拟开始时显著增加；而在好氧条件下，亚硝酸盐氧化菌的生物量显著增加。相比之下，DNRA、矿化和微生物死亡等过程对土壤氮转化的影响较小，在模拟过程中DNRA细菌和异养微生物的生物量没有显著变化。模拟结果表明，有必要在土壤氮模型中加入ANAMMOX和微生物同化过程，而只有在微生物生物量发生显著变化时才需要采用微生物显式模型。

本研究综合考虑了包括ANAMMOX和DNRA在内的各个氮循环的过程，同时将反应速率与微生物生物量联系起来，构建了一种微生物显式模型，为我们深入理解农业土壤中气态氮的来源、转化和释放机制提供了新的视角。目前，相关研究成果以论文“A microbial-explicit model with comprehensive nitrogen processes to quantify gaseous nitrogen production from agricultural soils”发表在土壤学顶刊Soil Biology and Biochemistry。

论文信息：Yan Zhifeng*, Chang Baoxuan, Song Xiaotong, Wang Gangsheng, Shan Jun, Yang Liuqing, Li Si-liang, Butterbach-Bahl Klaus, Ju Xiaotang,2024.A microbial-explicit model with comprehensive nitrogen processes to quantify gaseous nitrogen production from agricultural soils.Soil Biology and Biochemistry189, 109284. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2023.109284.

图2不同微生物氮循环过程对NO，N₂O和N₂的排放的影响（a, c, e为培养初期; b, d, f为培养后期）