《Applied Soil Ecology》：Bacillus velezensis bio-organic fertilizer reduces tomato nitrogen loss and alters the soil nitrogen cycling bacterial community
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NH3挥发受化学氮肥过量施用影响显著，Bacillus velezensis生物有机肥通过降低土壤活性氮、抑制脲酶活性、富集氮代谢相关基因（如gdhA、nirB等）及增加有益菌群（Arthrobacter等）实现减排31.01%，同时提升番茄产量31.75%和氮吸收效率1.82%。
Fuen Hou|Dongtao Su|Tao Zhang|Dongying Hou|Man Zhang|Kexing Hao|Xiaoping Zhu
山西农业大学农业经济与管理学院，中国山西省太原市，030031
摘要
温室蔬菜中NH?的挥发对环境和人类健康构成威胁，加剧了自然生态系统的污染。生物有机肥料可以作为合成氮（N）肥料的安全有效替代品。本研究探讨了氮肥施用对土壤氮循环和NH?挥发的影响，重点研究了Bacillus velezensis生物有机肥料的作用。实验设置了五种施肥处理：不施氮肥、仅施用化学肥料、施用化学肥料并添加B. velezensis菌剂、用有机肥料替代30%的化学肥料、以及用B. velezensis有机肥料替代30%的化学肥料。结果表明，与仅施用化学肥料相比，B. velezensis生物有机肥料可使NH?挥发量减少31.01%，番茄产量增加31.75%，并提高植物对氮的吸收率1.82%。该肥料还能降低活性氮含量，抑制尿素酶活性，并增加gdhA、glnA、nasA/B、nirB、pmoC和amoA基因的表达。此外，生物有机肥料显著丰富了土壤中的细菌多样性，提高了Arthrobacter、Archangium和Cellvibrio细菌的相对丰度。土壤中的NO??含量与NH?挥发量呈显著负相关（P < 0.05）。总体而言，B. velezensis生物有机肥料是改善土壤氮循环、提高番茄产量和减少氮损失的有效手段。
引言
温室蔬菜在全球蔬菜需求不断增长的情况下发挥着重要作用（Hsieh等人，2024年；Liang等人，2020年）。2022年中国蔬菜种植总面积为2240万公顷，其中温室蔬菜种植面积达470万公顷（Wu等人，2025年）。番茄被公认为全球重要的经济作物（Nie等人，2025年）。2021年，中国番茄种植面积约为114万公顷，产量达6750万吨，占全球番茄产量的近三分之一（FAO，2023年）。为了追求高产量，温室蔬菜生产系统中氮肥的施用量高于其他农业系统。调查显示，中国温室蔬菜生产系统的年氮肥施用量通常超过2000公斤/公顷，部分地区甚至超过3000公斤/公顷（Li等人，2025年）。虽然氮肥投入有助于作物生产，但也导致了大量的氮损失（Thorburn等人，2024年）。淋溶、径流和气体排放是氮损失的主要途径（Dai等人，2023年）。其中，硝酸盐淋溶是地下水中硝酸盐浓度升高的主要原因，直接导致水质恶化和生态系统富营养化（Rivett等人，2008年）。NH?挥发约占氮总损失的10.0–19.5%（L Ramalingappa等人，2023年）。温室蔬菜中的NH?挥发对环境和人类健康构成威胁，加剧了自然生态系统的污染并产生了细颗粒物（PM?）（Wester-Larsen等人，2022年）。鉴于支持绿色和可持续农业发展的压力日益增大，迫切需要开发氮肥的有效替代品。
生物有机肥料结合了生物肥料和有机肥料的优点（Guo等人，2024年）。它们主要由活性微生物和可生物降解的有机物质组成（Wu等人，2009年），可以作为合成氮肥的安全有效替代品（Sun等人，2020年）。生物有机肥料显著提高了温室蔬菜的产量，减少了化学肥料的使用量，从而提高了肥料利用率，降低了生产成本，并减少了非点源污染（Li等人，2024b）。Park等人报告称，硝化菌Alcaligenes faecalis亚种和Brevibacillus的NH?减排效率分别为21%和31%（Park等人，2023年）。Maihaiti等人发现，施用Bacillus amyloliquefaciens生物有机肥料可以改善土壤细菌多样性和丰富度，促进土壤硝化作用，并减少NH?挥发（Maihaiti等人，2023年）。
Bacillus velezensis是一种促进植物生长的根际细菌（PGPR），被认为是维持农业生产力和促进可持续农业发展的有效工具（Bai等人，2024年）。它广泛存在于土壤、植物、海洋栖息地和肠道微生物群中（Reva等人，2019年）。B. velezensis可通过增强养分吸收（如氮和磷）以及帮助植物耐受不良环境条件来促进植物生长（Wang等人，2023年）。先前的研究表明，外源B. velezensis SAAS-63显著增加了生菜中的大量元素和微量元素积累（Balderas-Ruíz等人，2020年）。从优质燕麦中分离出的B. velezensis CH1菌株能够产生吲哚-3-乙酸（IAA）、形成强生物膜、固氮酶和铁载体（He等人，2024年）。B. velezensis K0T24的发酵上清液显著抑制了R. pseudosolanacearum的生长（82.47%）并抑制了其致病基因的表达（Cheng等人，2024年）。我们之前的研究表明，B. velezensis C44具有固氮能力，但在仅以1-氨基环丙烷羧酸（ACC）为氮源的琼脂培养基中生长较弱（图S1a）。C44在Pikovskaya（PKV）琼脂上生长良好，并形成了明显的晕圈（图S1b），表明其具有磷酸盐溶解能力（图S1b），同时表现出较强的IAA产生能力和生物膜形成能力（表S1）。
生物圈中的氮循环包括固氮、矿化、硝化、反硝化和厌氧铵氧化等生物过程（Riveros等人，2022年）。在自然界中，固氮作用为植物提供了硝酸盐（NO??）和铵（NH?+这两种氮来源（Hong等人，2025年）。反硝化是土壤氮循环的关键组成部分（Liu等人，2024a），涉及多种细菌和土壤酶，包括尿素酶、蛋白酶和硝酸盐还原酶（Gao等人，2019年；Idris等人，2024年；Jarosz等人，2023年；Krouk等人，2010年）。NH?挥发与土壤中NH?+的形成密切相关（He等人，2023a）。反硝化和反硝化作用将硝酸盐还原为铵（DNRA）是氮循环中的两种主要硝酸盐还原途径（Wang等人，2025年）。DNRA通过两个酶促步骤进行：首先通过硝酸盐还原酶将硝酸盐还原为亚硝酸盐，然后通过亚硝酸盐还原酶将亚硝酸盐还原为NH?+。需要进一步研究以明确B. velezensis生物有机肥料对这些过程的影响，并阐明减少氮损失的机制。
番茄是山西省的主要蔬菜作物之一（Chenchen等人，2025年）。山西省晋中市建造了15万平方米的智能控制温室，番茄产量达到每平方米15公斤（Song Guo等人，2023年）。在该地区用生物有机肥料替代化学氮肥对于改变土壤氮循环微生物和减少农业氮损失至关重要。因此，本研究的目标是：（1）评估B. velezensis在减少氮损失方面的有效性；（2）阐明B. velezensis生物有机肥料对土壤氮代谢细菌群落的影响；（3）从酶学、微生物学和遗传学层面探讨减少氮损失的机制和相互关系。
实验地点和生物肥料介绍
本实验于2024年4月至8月在中国山西省晋中市的山西农业大学东阳实验示范基地的塑料温室中进行（坐标：112°67′E, 37°55′N，海拔802米）（图1a, b）。该试验区域具有典型的温带大陆性气候。实验期间的日均最高气温和地表温度分别为29°C和25°C。灌溉共进行了六次（具体时间见表S2）
土壤理化性质的变化
所有处理组的土壤pH值范围为6.90至8.13。B. velezensis C44的最佳生长pH值为7.00–8.00（Ma Hongzhen等人，2023年）。因此，实验中的土壤pH条件适合该菌株的生长。在番茄生长期间，各处理组的pH值逐渐升高，M1、M2和M3组的pH值分别比M0组升高了0.21%、0.08%和1.06%（图2a）。M1和M3组之间存在显著差异
B. velezensis生物有机肥料对NH?排放、植物氮吸收、氮迁移和土壤理化性质的影响
B. velezensis接种剂、有机肥料和B. velezensis生物有机肥料均抑制了土壤中的NH?排放，显著降低了每日NH?挥发量，并有效促进了植物对氮的吸收。在促进植物氮吸收方面，B. velezensis生物有机肥料优于B. velezensis接种剂和有机肥料。一些先前的研究发现，施用有机肥料可以减少NH?挥发，这与本研究结果一致
结论
本研究显示，与仅施用化学肥料相比，B. velezensis生物有机肥料可使NH?挥发量减少31.01%，番茄产量增加31.75%，并提高植物对氮的吸收率1.82%。我们研究了B. velezensis生物有机肥料减少NH?挥发和改变土壤氮循环的机制。Bacillus. velezensis生物有机肥料降低了活性氮含量，抑制了尿素酶活性
CRediT作者贡献声明
Fuen Hou：撰写初稿、方法学设计、实验实施、数据分析。Dongtao Su：数据整理。Tao Zhang：数据分析。Dongying Hou：数据分析。Man Zhang：数据分析。Kexing Hao：项目监督、资源协调、资金筹集。Xiaoping Zhu：撰写修订、项目管理、资金筹集。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本论文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国山西省农业大学科技创新项目（CXGC2023037）和中国山西省农业大学科技创新项目（CXGC2023032）的支持。
