土壤过程稳定同位素分析如何为气候变化策略提供信息：专访 Liz Baggs 教授

理解和量化土壤中发生的过程，可以为指导和制定应对及适应气候变化的新策略提供见解。通过稳定同位素分析，可以测量植物周围土壤（称为根际）中微生物过程的微小差异。通过比较不同作物基因型之间的差异，有可能筛选出那些能够增强土壤碳固存、调节氮素有效性以促进更可持续生产的品种。

爱丁堡大学粮食与环境安全Liz Baggs 教授领导的研究正在为全球挑战，特别是在应对氮排放和增强土壤碳固存方面，提供潜在的解决方案。正如她告诉 Elementar 的，她的工作"研究植物来源的碳如何驱动土壤内的微生物过程，以及这如何影响输入土壤的碳是被储存还是损失。"

土壤碳固存指的是碳被储存并稳定在土壤中，而不是被排放到大气中。它依赖于碳以稳定形式在土壤中积累，这些形式不易受微生物分解，从而减少了周转和损失。Baggs 教授的工作旨在理解这些过程，以帮助找到进一步降低碳和氮损失的方法。

稳定同位素分析对这项工作至关重要，无论是在追踪根际内碳或氮的移动方面，还是在区分土壤内发生的过程方面。在与詹姆斯·赫顿研究所的 Eric Paterson 博士和 Maddy Giles 博士的合作中，Baggs 教授使用稳定同位素追踪碳的移动，以测量土壤碳固存潜力，以及这与氮素有效性和损失如何相互作用。

Baggs 教授解释说："我们采用 Paterson 博士开发的一种方法，在富含或贫乏 ¹³C-CO₂ 的环境中种植植物。植物通过光合作用吸收这种 CO₂，改变后的 δ¹³C 信号通过植物进入根际。然后我们可以追踪有多少碳被呼吸消耗，有多少与矿物结合，这使我们能够计算净积累的潜力。我们利用被呼吸碳的同位素特征来确定它是来自植物还是来自土壤有机质。我们将此与植物来源的 ¹³C 在土壤中的位置成像结合起来，并研究与氮过程（例如导致温室气体N₂O排放的过程）的关系。"

通过这种方式理解植物源碳对土壤过程的影响，可能有助于我们为适应和减缓气候变化制定更具针对性的可持续作物生产方案。正如 Baggs 教授所解释的："我们将植物视为一种管理工具来调控这些过程。"

Baggs 教授的工作利用稳定同位素来理解特定作物品种周围土壤中发生的微生物过程，这可能对全球农业部门的气候变化减缓策略产生重要影响。正如 Baggs 教授解释的："我们可以向土壤中施用 ¹⁵N 标记的肥料，例如硝酸铵。然后我们可以利用排放的一氧化二氮（N₂O）的 δ¹⁵N 特征来计算土壤中正在发生哪些微生物过程。"

这项工作对减缓气候变化可能具有重要意义。许多现有的关于减少农业土壤排放的研究都集中在优化施氮量上，因为施用过量的无机氮会导致更多的排放。然而，Baggs 教授课题组的见解可能提供一种替代策略。

土壤中N₂O的产生可能源于几个不同微生物群落的活动，每个群落都有不同的驱动因素。其中之一是反硝化作用，它不仅能产生 N₂O，还能将其还原成 N₂。因此，了解植物根际中的主导过程有助于为 N₂O 排放的减缓策略提供信息，通过管理来降低 N₂O 排放，或增强 N₂O 向 N₂ 的还原。Baggs 教授的团队开创了一种方法，该方法不是基于阻止微生物过程，而是利用它们。

她解释说："反硝化作用的最终产物是N₂，而不是N₂O。我们不是试图停止这个过程，而是希望推动其向无害环境的氮气转化。碳通常限制着反硝化作用的最后还原步骤，因此我们正在探索植物源碳在驱动向 N₂ 还原中的作用。其他过程以N₂O为最终产物，在这些过程占主导地位的地方，可能会导致更多的净 N₂O 释放。我们监测这些过程的能力使我们能够制定不同的缓解方法。"

与 Paterson 博士和国际玉米小麦改良中心的研究人员合作，关于玉米基因型对土壤碳和氮影响的工作正在为撒哈拉以南非洲的试验中的基因型选择提供信息。作物对土壤有机质释放氮的影响可能会降低对无机肥料的依赖，前提是养分得到补充，例如通过添加作物残留物，这就是 Baggs 教授所说的"循环养分经济"。减少对无机肥料的依赖预计将带来更可持续的生产，在气候变化背景下尤其重要。

任何新过程或新技术的开发都涉及一定程度的不确定性，而这种创新要素正是吸引 Baggs 教授进入她的研究领域，并引领她开创稳定同位素方法用于区分与N₂O相关的微生物过程以及理解碳氮循环相互作用的原因。

Baggs 教授研究的另一个重要动机是其应用所能达到的规模。"如果我们能够获得关于不同基因型及其从土壤有机质中获取养分能力的信息，并将这些信息引入育种选择计划，我们可能就拥有了一种可行的方法来改善撒哈拉以南非洲小农户的境况。理解这些微观机制在现实世界中可能产生的潜在影响，正是我现在真正感兴趣的。"