最新研究显示人类已超越地球氮安全界限。为了应对这一全球生态安全问题，云南大学生态与环境学院/西南跨境生态安全教育部重点实验室程晓莉团队联合全球十多家科研机构的专家学者借助功能基因技术和模型模拟技术系统地探索了土壤氮循环的微生物机制及其潜在应用。取得的系列成果发表于Cell Press旗下期刊《Trends in Microbiology》、生态学Top4期刊《Global Change Biology》和《Chemosphere》等期刊（已被引100多次），获评2023年度云南大学十大科技进展和2024年度清华地学-北大城环全球变化青年论坛学术报告三等奖等荣誉。该系列成果主要涉及以下两个方面：
（1）基础研究方面：解析土壤关键氮过程-功能基因丰度关系及其驱动机制
通过功能基因技术和数据同化技术发现（图1）：①氮沉降背景的土壤硝化基因丰度与硝化速率正相关，且氨氧化微生物的气候生态位主导了硝化过程（Zhang et al, 2024, Global Change Biology）；②氮沉降背景的土壤反硝化基因丰度与反硝化速率正相关，而这种关系受到施氮类型的影响（Zhang et al, 2022, Global Change Biology）；③氮沉降背景的土壤氧化亚氮排放与硝化、反硝化基因丰度的关系在室内培养中是显著的，而在野外观测中受到环境条件的影响变得不再明显（Zhang et al, 2022 & 2023, Global Change Biology）；④沿海拔梯度的土壤固氮基因丰度与生物固氮速率正相关，其中部分优势菌属起关键作用（Chen & Cheng et al, 2024, Chemosphere）。结果强调室内培养、野外观测和模型模拟的鸿沟需要逐渐弱化，而相关技术和理论的发展尤为迫切（Chen & Zhang et al, 2023, Global Change Biology）。
图1 土壤关键氮过程与微生物功能基因
（2）应用探索方面：提出硝化抑制剂预算模型进而综述研究挑战和未来展望
土壤关键氮过程-功能基因关系及其驱动机制的基础研究有利于推进可持续氮管理技术的发展和转化。硝化抑制剂可以通过抑制硝化相关微生物和酶的活性（例如氨氧化微生物）来降低环境氮损失并提高植物氮利用效率，进而达到缓解氮损失和氮污染的目的。然而，目前生产厂家和科研工作者主要关注硝化抑制剂带来的产量效益，而鲜少关注其潜在的环境和健康风险。鉴于此，程晓莉团队发展了首个硝化抑制剂预算模型（Zhang et al, 2024, Trends in Microbiology）。该模型通过“自上而下”理论框架来构建，并通过硝化抑制剂推荐剂量的实验测试数据来参数化。预算结果显示：主要的三种硝化抑制剂（DCD、DMPP和Nitrapyrin）施用后，残留土壤和进入食物网的部分不容忽视（图2）。进一步的综述分析表明合成和生物硝化抑制剂面临的研究挑战主要涉及①作用机制解译、②抑制性能维持、③支出-收益权衡、④环境和健康风险等四个方面（图3）。研究团队将持续关注这些实际问题。
图2 主要硝化抑制剂的全球预算
图3 合成和生物硝化抑制剂面临的挑战
相关文献：
Yong Zhang, Diego Abalos, Xiaoli Cheng*. Addressing challenges associated with nitrification inhibitors. Trends in Microbiology, 2024, DOI: 10.1016/j.tim.2024.06.004 (受邀论文)
Yong Zhang, Xiaoli Cheng*, Kees Jan van Groenigen, Pablo García-Palacios, Junji Cao, Xunhua Zheng, Yiqi Luo, Bruce A. Hungate, Cesar Terrer, Klaus Butterbach-Bahl, Jørgen Eivind Olesen, Ji Chen. Shifts in soil ammonia-oxidizing community maintain the nitrogen stimulation of nitrification across climatic conditions. Global Change Biology, 2024, 30(1), e16989
Yong Zhang, Ji Chen, Xiaoli Cheng*. Revisiting the relationships between soil nitrous oxide emissions and microbial functional gene abundances. Global Change Biology, 2023, 29(17), 4697-4699
Qiong Chen, Chunyan Long, Yong Bao, Xiuxian Men, Yong Zhang, Xiaoli Cheng*. The dominant genera of nitrogenase (nifH) affects soil biological nitrogen fixation along an elevational gradient in the Hengduan mountains. Chemosphere, 2024, 347, 140722
Ji Chen, Yong Zhang, Yakov Kuzyakov, Dong Wang, Jørgen Eivind Olesen. Challenges in upscaling laboratory studies to ecosystems in soil microbiology research. Global Change Biology, 2023, 29(3), 569-574 (同等贡献)
Yong Zhang, Feng Zhang, Diego Abalos, Yiqi Luo, Dafeng Hui, Bruce A. Hungate, Pablo García-Palacios, Yakov Kuzyakov, Jørgen Eivind Olesen, Uffe Jørgensen, Ji Chen. Stimulation of ammonia oxidizer and denitrifier abundances by nitrogen loading: Poor predictability for increased soil N2O emission. Global Change Biology, 2022, 28(6), 2158-2168
