Abstract Soil denitrification produces the potent greenhouse gas nitrous oxide (N 2 O) and by further reduction of N 2 O, the harmless inert gas N 2 . N 2 O emission is determined by rate and timing of the N 2 O producing and reducing steps which are sensitive to a series of proximal and distal regulators such as pH and microbial community composition. Microbial community associations to N 2 O emission potential (N 2 O/(N 2 O+N 2 )) are commonly entangled with pH leaving the true role of community composition unclear. Here, we leverage a set of soil microbiomes strongly linked to rainfall above pH to test the hypothesis that microbiome vs. N 2 O emission potential (N 2 O/(N 2 O+N 2 )) correlations will be maintained across alternative distal drivers. N 2 O emission potential (N 2 O/(N 2 O+N 2 )) and denitrification gas (NO, N 2 O, N 2 ) kinetics were assessed by automated gas chromatography while community composition was assessed by 16S rRNA gene sequencing and qPCR of nosZI and II genes. Analyses revealed a sustained correlation between microbiome and N 2 O emission potential (N 2 O/(N 2 O+N 2 )) in the absence of a pH effect. Further, a continuum of gas accumulation phenotypes linked to NO accumulation and sensitive to carbon addition are identified. Separate phenotypes carried out N 2 O production and reduction steps more concurrently or sequentially and thus determined N 2 O accumulation and emission potential (N 2 O/(N 2 O+N 2 )). Concurrent N 2 O producing/reducing soils typically contained NO accumulation to a low steady state, while carbon addition manipulations which increased NO accumulation also increased sequentiality of N 2 O production/reduction and thus emission potential (N 2 O/(N 2 O+N 2 )). These features may indicate a conserved NO inhibitory mechanism across multiple effectors (rainfall, community composition, carbon availability). Highlights N 2 O emission potential is linked to microbiome changes associated with rainfall, but not to pH. Sequential vs. concurrent denitrification phenotypes differing in NO and N 2 O accumulation are identified. High N 2 O accumulation is associated with increased NO accumulation. Sequentiality of N 2 O production/reduction determines soil N 2 O emission potential. Sequentiality of N 2 O reduction was susceptible to manipulation via carbon addition.

Abstract Microbial nitrogen (N) transformations in soil, notably denitrification, result in the production of the potent greenhouse and ozone depleting gas nitrous oxide (N 2 O). Soil chemistry and microbiome composition impact N 2 O emission potential but the relative importance of these factors as determinants of N 2 O emission in denitrifying systems is rarely tested. In addition, previous linkages between microbiome composition and N 2 O emission potential rarely demonstrate causality. Here, we determined the relative impact of microbiome composition (i.e. soil extracted cells) and chemistry (i.e. water extractable chemicals) on N 2 O emission potential utilizing an anoxic cell based assay system. Cells and chemistry for assays were sourced from soils with contrasting N 2 O/N 2 O+N 2 ratios, combined in various combinations and denitrification gas production was measured in response to nitrate addition. Average directionless effects of cell and chemical extract on N 2 O/N 2 O+N 2 (Cell: Δ0.16, Chemical extract: Δ0.22) and total N 2 O hypothetically emitted (Cell: Δ2.62 μmol-N, Chemical extract: Δ4.14 μmol-N) indicated chemistry is the most important determinant of N 2 O emissions. Independent pH differences of just 0.6 points impacted N 2 O/N 2 O+N 2 on par with independent chemical extract differences, supporting the dominance of this variable in previous studies. However, impacts on overall N 2 O hypothetically emitted were smaller suggesting that soil pH manipulation may not necessarily be a successful approach to mitigate emissions over a fixed time period. In addition, we observed increased N 2 O accumulation and emission potential at the end of incubations concomitant with predicted decreases in carbon availability suggesting that carbon limitation increases N 2 O emission transiently with the magnitude of emission dependent on the both chemical and microbiome controls.