《Frontiers in Plant Science》：Replacing chemical fertilizers with organic fertilizers at equivalent nitrogen levels enhances soil nitrogen transformation rates in Northwest China’s farmlands, consequently impacting crop yields
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本研究通过两年田间试验，深入探讨了在等氮量条件下，以不同比例（0%、30%、60%、100%）用有机肥替代化肥氮对内蒙古阴山北麓马铃薯和小麦种植体系中土壤氮素转化及作物产量的影响。结果表明，60%替代比例（T2处理）可显著提升作物关键需肥期（马铃薯块茎膨大期与小麦拔节期）土壤硝态氮含量，并通过提高土壤脲酶（SU）和碱性蛋白酶（ALPT）活性优化氮素向作物经济器官的转运，最终使马铃薯和小麦产量分别提升18.8%和22.8%，氮肥利用率（NUE）提高73.4%-76.1%。该研究为干旱冷凉地区实现化肥“减量增效”提供了可行的“速缓协同”氮素管理策略。
引言：探寻西北旱区农业的绿色肥源
中国西北地区农田土壤贫瘠、生态系统脆弱，但却是全球重要的马铃薯产区。长期依赖化肥追求高产加剧了土壤沙化、盐渍化及地力衰退等问题，严重制约农业可持续发展。因此，推行化肥“减量增效”策略，在保障高产的同时兼顾环境保护，成为推动该地区农业绿色转型的迫切需求。内蒙古农牧交错带有机肥资源丰富，用有机肥替代部分化肥有助于增加土壤有机质、促进养分缓释并提升作物品质，但也面临着低温缺水抑制微生物活性、有机氮矿化迟缓等挑战。目前，多数研究聚焦于有机肥氮部分替代对土壤肥力与作物产量的宏观效应，而对特定区域与作物体系下氮素转化过程及其酶学调控机制缺乏系统认知。为此，本研究在内蒙古乌兰察布市栗钙土区展开为期两年的田间定位试验，以探究等氮量下不同比例有机肥替代化肥氮对土壤氮转化、关键酶活性及作物产量与氮肥利用效率的影响，旨在为干旱半干旱区马铃薯和小麦绿色施肥技术体系的构建提供理论依据与技术支撑。
材料与方法：严谨设计揭示肥效机理
试验于2022年（马铃薯）和2023年（小麦）在内蒙古乌兰察布市察右中旗开展。供试土壤为栗钙土，播种前0-40 cm耕层土壤基础理化性质显示有机质含量为2.02%，pH为8.30。试验设置5个处理：不施氮肥对照（CK）、全量化肥氮（T0）、30%有机肥氮替代（T1）、60%替代（T2）和100%替代（T3），所有处理保持等氮量投入。马铃薯品种为“克新1号”，小麦品种为“永良4号”，采用滴灌，肥料均作基肥一次性施入。在作物各生长阶段，采集0-40 cm土层土壤样品，测定土壤全氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）含量以及土壤脲酶（SU）和碱性蛋白酶（ALPT）活性。同时，采集植物样品测定各器官氮素积累与转运及最终产量。数据采用方差分析、相关性分析、主成分分析（PCA）及结构方程模型（SEM）进行统计检验与机理解析。
结果与分析：60%替代方案表现卓越
马铃薯和小麦产量及构成因素
产量分析显示，有机肥替代比例增加，作物产量呈先增后降趋势。T2处理（60%替代）下，马铃薯块茎产量达47.13 t·ha-1，较全量化肥处理（T0）显著增产18.8%；小麦产量达6.06 t·ha-1，较T0增产22.8%。增产主要源于单株结薯数、薯块重量或有效穗数、千粒重的显著增加。而100%全替代处理（T3）的产量则显著低于T2处理，表明过量替代可能因氮素供应延迟而影响产量形成。
土壤氮素转化特征
在马铃薯季，各施肥处理均显著提升了土壤氮素转化指标。尤其在块茎膨大期，T2处理显著提高了土壤硝态氮含量。至淀粉积累期，T2和T3处理的土壤矿质氮水平仍保持相对较高。在小麦季，T2处理在多数生育期表现出最高的氮素转化效率，灌浆期其土壤全氮和硝态氮含量分别较CK高出约89.3%和57.1%。这表明60%有机肥替代能更好地满足作物关键需肥期的氮需求，并在后期维持一定的氮素供应。
土壤氮转化相关酶活性
酶活性测定结果显示，T2处理显著提高了土壤脲酶（SU）和碱性蛋白酶（ALPT）的活性。在马铃薯季，T2处理的SU活性较其他处理显著提升；在小麦季，T2和T1处理的SU活性也显著高于其他处理。这说明适量的有机肥替代能有效刺激土壤氮转化相关酶的活性，从而促进有机氮的矿化与释放。
氮肥利用效率
T2处理在马铃薯和小麦季的氮肥利用率（NUE）分别达到47.5%和48.6%，较全量化肥处理（T0）显著提高了73.4%和76.1%。相反，T3处理的NUE显著下降，可能与作物早期氮素供应不足导致吸收受限有关。
土壤氮含量与酶活性的相关性
相关性分析热图表明，马铃薯与小麦的产量均与土壤TN、NO3--N、NH4+-N含量呈极显著正相关，且与土壤脲酶活性的相关性高于与其他酶的相关性，其中小麦产量与土壤脲酶活性的相关系数高达0.82。主成分分析（PCA）将不同处理的产量明显区分开，证实有机肥替代显著影响了作物产量。结构方程模型（SEM）进一步揭示，土壤脲酶主要通过影响土壤全氮，进而影响硝态氮，从而间接正作用于作物产量。
讨论：机理阐发与应用展望
有机肥氮释放与作物需氮的契合
T2处理在作物需氮关键期（马铃薯块茎膨大期和小麦拔节期）提供了较高的硝态氮供应，并在后期维持了较高的矿质氮水平，这得益于化肥的“速效”与有机肥的“缓释”协同。然而，在试验所有的干旱冷凉条件下，100%有机肥替代因矿化延迟可能导致作物生长早期氮素供应不足，因此不建议在此类地区完全依赖有机肥。
土壤酶活性驱动的氮转化增强途径
T2处理显著提升的土壤脲酶和蛋白酶活性，为有机质分解和氮素释放提供了强大的生物驱动。脲酶活性与作物产量强相关，表明其在氮素转化及作物增产中扮演关键角色。不同酶活性间的弱相关性提示它们可能独立调控着氮素矿化的不同环节。
增产的生理生态基础
增产机制主要包括两方面：一是优化了氮素的空间分布，更多氮素积累于马铃薯块茎和小麦籽粒等“库”器官；二是提高了氮素供应与作物需求的同步性，缓解了传统化肥“前猛后缺”的弊端。试验地土壤有机质本底值较低，这可能放大了有机肥在贫瘠土壤上的改良与增产效应。
对区域农业可持续发展的应用启示
本研究推荐采用60%左右的有机肥氮替代比例，以实现减施化肥、稳定产量、提升地力的多重目标。该策略契合化肥“减量增效”国策，有机肥的施用还有助于提升土壤有机碳，对于易受风蚀沙化的阴山北麓地区具有固碳保土的生态潜力。未来研究应聚焦于长效定位观测、开发适应当地气候的功能微生物菌剂以提升有机肥矿化效率，并构建融合土壤地力、降水与作物需氮规律的有机肥替代比例动态预测模型。
结论
在内蒙古阴山北麓马铃薯和小麦种植中，采用60%有机肥氮替代化肥氮（等氮量）的策略，可通过“速缓协同”的氮素供应机制，显著满足作物关键需肥期的硝态氮需求，提升土壤脲酶和蛋白酶活性，从而优化氮素向经济器官的转运，最终实现作物增产（马铃薯18.8%，小麦22.8%）和氮肥利用率大幅提升（73.4%-76.1%）。这为干旱冷凉地区推行化肥减量、增效增产与农田生态保护提供了切实可行的栽培策略。未来需着力研发适合区域气候条件的功能微生物菌剂，以进一步提升有机肥的氮释放效率。
