微生物反硝化作用是厚包气带农田土壤硝酸盐污染自修复的重要途径。有机碳含量在土壤剖面中随深度增加呈指数型下降，是限制土壤反硝化的关键环境因子。土壤含氧量在包气带土壤中非常不稳定，会随土壤湿度时刻变化，而微生物反硝化作用一般是在低氧或厌氧环境中进行的，因此含氧量也是影响土壤反硝化作用的重要环境因子之一。提高土壤有机碳含量和降低氧气浓度均可提高土壤反硝化作用，但其对反硝化微生物菌群丰度和土壤微生物组成区系的影响尚不清晰。
中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心胡春胜研究组在华北平原开展了20余年的氮肥梯度长期定位实验。依托该定位实验，农业资源中心刘彬彬研究组、胡春胜研究组和王仕琴研究组选取了华北平原典型厚包气带0-10米不同层土壤开展合作研究。其中，王仕琴研究组主要对土壤的理化性质及变化规律进行了分析；刘彬彬研究组通过设计室内培养试验，改变土壤中的有机碳含量和氧气浓度，测定土壤反硝化速率、反硝化功能基因以及土壤微生物组成区系的变化，深入了解有机碳含量和氧气浓度对土壤反硝化作用的影响。研究表明，土壤有机碳通过提高土壤反硝化微生物数量进而提高土壤反硝化活性，且有机碳对深层土壤影响更加明显。由于氧气浓度几乎不改变土壤微生物组成区系，研究人员推测该过程是通过调节反硝化相关酶的活性来影响土壤反硝化作用及N2O到N2的转换率，并根据测序结果推测出，Pseudomonas和Bacillus在土壤反硝化过程中起到重要作用。
该研究揭示了有机碳含量和氧气浓度对底层包气带反硝化过程影响的分子水平和微生物水平的机理，即限制包气带土壤反硝化作用的原因不是土壤中缺少反硝化微生物，而是由低浓度有机碳所导致的低反硝化微生物丰度。同时为开发微生物驱动的硝酸盐淋失阻控技术提供了重要的理论依据。
相关研究成果发表在Environmental Microbiology上。博士研究生陈帅民为第一作者，研究员刘彬彬为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、中科院率先行动“百人计划”等项目的资助。
碳源和含氧量对厚包气带反硝化的影响
