揭示土壤氮转化过程的机制性见解，以提高水稻系统的氮利用效率（NUE）

《Soil and Tillage Research》：Unraveling mechanistic insights into soil nitrogen transformation processes for improving NUE in paddy rice systems

水稻氮利用效率的区域差异机制及管理策略研究，通过实验室土壤培养、盆栽15N示踪和田间试验，量化了50个中国水稻种植区土壤的氮转化速率。发现北方土壤铵态氮平均滞留时间（19.5天）显著长于南方（5.4天），且铵态氮滞留时间与氮利用效率相关性最强。田间试验证实联合使用硝化抑制剂和脲酶抑制剂可有效提高碱性土壤的产量和氮利用效率，揭示了土壤氮转化过程对区域氮管理的重要性。

　　

陈申婷|艾哈迈德·S·埃尔里斯|池桥东|杨文彦|孟雷|蔡祖聪|张金波|顾宝静|克里斯托夫·穆勒

海南大学三亚育种繁殖研究所育种繁殖学院，中国三亚572025

摘要

水稻的氮利用效率（NUE）通常低于其他作物，但其区域差异背后的氮（N）过程机制仍不明确。本研究结合实验室土壤培养、¹⁵N示踪的盆栽实验以及来自中国50个稻田的田间试验，进行了多尺度研究。我们量化了土壤氮转化速率，评估了盆栽条件下的氮利用效率，并在两种土壤类型的稻田中测试了氮管理策略。结果表明，氮的总体转化过程（包括矿化、硝化和铵固定）存在显著的区域差异：北方土壤的铵平均滞留时间（19.5天）长于南方土壤（5.4天）。铵的滞留时间与氮利用效率的相关性高于温度、降水量或硝化速率。田间试验证实，稳铵处理（尤其是硝化抑制剂和脲酶抑制剂联合使用）能够提高碱性土壤的产量和氮利用效率。这些发现为针对不同地区的氮管理提供了机制基础，有助于提高水稻生产力并减少环境损失。

引言

水稻提供了全球约五分之一的热量摄入，并养活了近一半的世界人口（FAO, 2022; Tilman et al., 2011）。尽管水稻田仅占全球耕地面积的约11%，但其氮利用效率（NUE）一直较低，氮损失量却异常高（Carlson et al., 2017; Zhang et al., 2015）。与玉米和小麦相比，水稻的氮利用效率低3–7%，但氨（NH₃）排放因子高3–5%（He et al., 2021; Xu et al., 2024; Zhang et al., 2015），导致全球农业N₂O排放量的约11%和NH₃挥发量的约22%（Liu et al., 2022; Qian et al., 2023）。

水稻优先吸收铵离子（NH₄⁺）（Chen et al., 2024），但常见的淹灌排水方式会促进NH₄⁺氧化为硝酸盐（NO₃^?），从而增加反硝化和氮损失（Abid et al., 2019; Ishii et al., 2011）。因此，土壤中的氮转化过程（尤其是硝化、矿化和铵固定）在调节NH₄⁺的可用性、植物氮吸收策略和氮利用效率方面起着核心作用（Wang and Macko, 2011; Zhang et al., 2018）。尽管有这些普遍认识，不同地区的水稻氮利用效率仍存在显著差异。例如，中国北方的氮利用效率普遍高于南方（Wu et al., 2015），但其背后的土壤氮过程机制尚未明确。以往的研究主要集中在单个氮转化过程或净通量上，限制了将多种转化过程整合起来，并直接关联区域尺度上的土壤氮动态与肥料氮吸收和氮利用效率的能力。土壤性质强烈影响氮的总体转化过程，而气候通过温度和湿度调控微生物活性来影响这些过程（Elrys et al., 2023a; Geisseler and Scow, 2014; Ollivier et al., 2011）。然而，不同地区特定的土壤氮转化机制如何影响肥料来源的NH₄⁺的持久性和可用性仍知之甚少，这阻碍了基于过程的氮利用效率管理策略的发展。

在这里，我们量化了中国主要水稻种植区的氮总体转化速率，并利用基于过程的框架将其与水稻氮利用效率联系起来。我们引入了铵离子的平均滞留时间（MRT_NH4）作为综合指标，以反映硝化和铵固定对铵离子在土壤中持久性的综合影响。通过结合区域土壤采样、实验室培养、¹⁵N示踪的盆栽实验以及不同稻田土壤的田间试验，我们旨在识别驱动区域氮利用效率模式的主要土壤过程，并评估能够调节氮转化以提高水稻生产力的氮管理策略。我们假设：（1）土壤自身的氮转化动态主导了区域氮利用效率的差异；（2）延长铵离子的平均滞留时间可以在施肥条件下提高水稻的氮利用效率和产量。

部分内容摘录

土壤采样与性质分析

土壤样本来自中国主要水稻种植区的50个稻田（见图1）。每个地区的样本数量根据水稻种植面积确定。本研究将纬度高于40°的采样点称为北方稻田，其余采样点称为南方稻田。土壤样本在9月至11月水稻收获后采集。每个采样点选取五个地块（1米×

土壤性质

土壤样本来自中国主要水稻种植区的50个稻田。50个稻田的采样时间、地点和土壤类型信息详见表S3。在土壤样本中，16个样本的pH值低于5.5，22个样本的pH值在5.5到7.0之间，12个样本的pH值高于7.0（表S4）。总体而言，中国北方的土壤pH值大多低于6.0，而南方的pH值则在4.9到7.5之间

水稻生产区土壤氮转化特征

研究结果显示，中国北方稻田土壤的氮总体转化速率存在显著区域差异：氮矿化速率（P?P?

结论

这些发现表明，土壤氮转化动态是淹水稻田生态系统中水稻氮利用效率和产量的关键决定因素（图6）。水稻田中的氮循环具有高度开放性，铵离子的平均滞留时间（MRT_NH4）较短，硝化速率较高，氮损失风险较大。研究表明，缩短铵离子的平均滞留时间（主要由硝化活动和气候因素调控）会破坏水稻偏好的铵离子与硝酸盐的比例，从而增加通过反硝化途径的氮损失

作者贡献声明

池桥东：数据整理。艾哈迈德·埃尔里斯：写作——审稿与编辑。陈申婷：写作——初稿撰写、数据分析、数据整理。张金波：写作——审稿与编辑、监督、资金申请、概念构思。蔡祖聪：监督、概念构思。孟雷：资源协调、项目管理。杨文彦：资源协调、方法学设计。克里斯托夫·穆勒：写作——审稿与编辑、监督、数据分析。顾宝静：写作——审稿与编辑、监督。

利益冲突声明

所有作者均未披露任何相关利益关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2024YFD1501602, 2017YFD0200101）和海南省自然科学基金（425CXTD606）的支持。我们感谢中国科学院南京土壤研究所的严晓园教授在项目资金、实验设计和论文准备方面提供的宝贵支持，同时也感谢陶超普和柴彦超对研究的帮助。