构建具有不同物理粒度的土壤有机质，以增强肥料氮的保持能力

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Building soil organic matter differing in physical fractions for fertilizer nitrogen retention

土壤有机质（SOM）构建策略显著影响氮肥在颗粒有机质（POM）和矿物结合有机质（MAOM）中的分配。通过13年田间试验结合15N示踪、宏基因组学及分子标志物分析，发现秸秆还田使氮肥优先富集于MAOM（6.6-9.0倍增加），而生物炭改良则促进氮肥在POM中的积累（15.6-19.2倍增加）。前者源于微生物氮同化及真菌残体形成，后者因生物炭的化学抗性和物理隔离效应。研究首次建立SOM构建策略与氮保留的分子分目标框架，为精准调控氮素循环与碳封存提供理论依据。

　　

全唐|李青德|王晓志|黄圆圆|蒂姆·J·丹尼尔|吴恩轩|王静|张菲艺|李振旺|Scott X. 张|蔡祖聪|伊夫·乌维拉吉耶|努马·法拉|徐明刚|克里斯托夫·穆勒|程毅

中国扬州大学环境科学与工程学院，扬州225009

摘要

提高土壤有机质（SOM）的形成以促进肥料氮（N）的保留是应对粮食安全和气候变化双重挑战的关键策略。颗粒有机质（POM）和矿物相关有机质（MAOM）在形成途径、持久性和功能上存在差异，因此对肥料氮的保留机制也有所不同。然而，在不同的长期土壤有机质构建策略（如秸秆和生物炭的施用）下，肥料氮在这两种有机质中的保留机制仍不明确。通过为期13年的田间实验，结合¹⁵N示踪、微生物宏基因组学以及分子生物标志物的应用，我们发现秸秆和生物炭两种土壤有机质构建策略均促进了肥料氮的保留（分别增加了8.4至17.4倍和10.9至13.5倍），但积累在特定的土壤有机质组分中。在秸秆处理下，肥料氮主要保留在MAOM中，MAOM中的¹⁵N回收率增加了6.6至9.0倍；而在生物炭处理下，肥料氮主要保留在POM中，POM中的¹⁵N回收率增加了15.6至19.2倍，导致POM中的¹⁵N与MAOM中的¹⁵N比值比秸秆处理高73%。秸秆通过高产微生物促进MAOM中的氮吸收，并随后形成主要是真菌的死亡物质氮（增加了55.3%–66.8%）。相比之下，生物炭的固有化学抗性扩大了POM的储存能力，通过物理阻隔和化学吸附促进了POM中的氮形成。结果表明，不同土壤有机质构建策略下的肥料氮保留具有组分特异性和应用特异性，这取决于生物和非生物的保留机制。这些发现首次建立了一个针对特定组分的框架，阐明了土壤有机质构建策略与肥料氮保留之间的联系，有助于更好地理解施用秸秆或生物炭的陆地生态系统中碳封存与氮保留的耦合关系。

引言

氮肥的施用支撑了全球近一半的人口（Erisman等人，2008年；Xia和Yan，2023年）。然而，在集约化农业系统中，氮肥的使用效率仍然很低，超过50%的施用氮通过淋溶和气体排放流失到环境中（Sutton等人，2021年；Wang等人，2025年）。解决这一矛盾的一个潜在方法是促进肥料氮在土壤有机质（SOM）中的保留（Grandy等人，2024年；Tang等人，2024年）。因此，增强土壤有机质发展的管理策略已成为保留肥料氮和碳（C）的有效方法（Elrys等人，2023年）。土壤有机质的功能受其化学组成、分子结构和相关稳定途径的异质性的影响（Jones等人，2023年）。将土壤有机质分为颗粒有机质（POM）和矿物相关有机质（MAOM）对于理解氮循环至关重要（Cotrufo等人，2021年；Daly等人，2021年）。然而，这些不同土壤有机质组分如何控制肥料氮的保留机制仍不清楚，这限制了我们管理和保护土壤以实现氮的有效利用和环境保护的能力。

全球可持续性倡议越来越重视土壤有机质的储存和稳定性，最近在POM与MAOM框架方面的进展推动了土壤有机质动态建模和预测的突破（Lavallee等人，2020年；Angst等人，2023年）。然而，这些努力主要集中在碳上，很大程度上忽视了土壤有机质组分对氮循环的连锁效应（Prairie等人，2023年；Luo等人，2025年）。忽视土壤有机质组分对氮循环的潜在影响可能会导致由于相对不受保护的土壤有机质池加速氮矿化和反硝化作用而加剧活性氮和N₂O的排放（Daly等人，2024年）。重要的是，不同的土壤有机质组分通常对氮的命运有不同的影响。POM是一种短暂的生物可利用氮库，其特点是微生物周转迅速，而MAOM由微生物死亡物质和有机-矿物复合物组成，提供长期的氮稳定（Villarino等人，2023年；Jilling等人，2025年）。例如，在相似条件下，POM的氮矿化速率可以是MAOM的3–5倍（Leuthold等人，2025年）。在农业土壤中，POM中的氮通常占总土壤氮的10–30%，但在生长季节对植物可利用氮的贡献不成比例（Daly等人，2021年）。相反，MAOM中的氮占土壤氮的大部分（50–80%），其平均滞留时间长达数十年至数百年（Hansen等人，2024年）。尽管如此，特定土壤有机质组分中保留的肥料氮量仍不清楚。显然，需要将土壤有机质组分与肥料氮保留机制的相互作用结合起来，以破解土壤氮保留的谜团，并推进建模，从而提供准确的氮保留能力估计。

不同土壤有机质组分的积累效率及其肥料氮保留特性可能受到所采用的土壤有机质构建方式的影响。施用秸秆（是否经过热解制成生物炭）是最有效的碳封存策略（Lessmann等人，2022年；He等人，2024年）。秸秆提供了易分解的碳，刺激微生物活动，加速POM中的氮矿化，同时促进微生物死亡物质的形成，这是MAOM中氮稳定的关键前体（Camenzind等人，2023年；Zhou等人，2023年）。在亚热带地区，长期施用秸秆可使土壤有机质碳（SOC）增加12–28%，并提高微生物对氮的固定能力15–35%（Li等人，2020年；Xu，2021年）。相比之下，生物炭的施用通常会导致POM组分增加更快（有时比秸秆高出50%以上），这是由于其固有的化学抗性和物理阻隔作用（Giannetta等人，2024年；Yuan等人，2025年）。虽然秸秆通过微生物吸收促进氮的生物途径稳定，但生物炭可能通过化学吸附和物理阻隔促进非生物途径的稳定。然而，在比较不同长期土壤有机质构建策略（如秸秆和生物炭的施用）如何影响肥料氮在POM与MAOM中的分配方面，实证研究还存在明显不足。

在本研究中，使用¹⁵N同位素示踪技术量化了长期施用秸秆或生物炭后土壤POM和MAOM组分中的肥料氮分配情况。此外，还结合了宏基因组学、生物标志物分析和酶活性测定来阐明微生物介导的氮吸收途径和有机氮转化过程。我们假设肥料氮在POM与MAOM中的保留比例受有机改良剂的可分解性和化学性质的影响。具体来说，基于秸秆的土壤有机质构建方式会促进微生物驱动的氮保留途径，其中易分解的碳刺激微生物活动和微生物死亡物质的形成，导致肥料氮优先积累在MAOM组分中。相反，基于生物炭的土壤有机质构建方式则有利于肥料氮在POM中的保留，其固有的化学抗性和物理阻隔作用降低了微生物在体内和体外的周转效率及修饰能力，从而改变了POM-N/MAOM-N的保留平衡。本比较研究的结果旨在阐明不同的土壤有机质构建策略如何将肥料氮导向功能不同的组分，为精确的土壤管理提供关键见解，以优化氮的生物有效性和长期封存之间的平衡。

地点描述和实验设计

2010年，在中国江西省鹰潭国家农业生态系统观测与研究站（116°55’E，28°15’N）建立了一个长期田间实验（Shi等人，2023年）。该地区具有温暖的亚热带气候，年平均气温为17.6°C，降水量为1795毫米。土壤被归类为典型的Ultisol（美国土壤分类系统），表层土壤（0–20厘米）的初始特性如下：pH值4.73（土壤：水比例为1:2.5），总碳含量2.92克/千克，总氮含量0.40克/千克，C/N比为

不同土壤有机质组分中的¹⁵N肥料氮保留

与对照处理相比，基于秸秆和生物炭的土壤有机质构建策略显著增加了土壤有机质中的氮保留量，土壤总氮含量分别增加了25.3–38.4%和32.1–40.2%（p < 0.05；图1，图S1a）。此外，这些处理方式将氮分配到了功能不同的土壤有机质组分中。具体来说，基于秸秆的处理方式使POM中的氮增加了132–265%，基于生物炭的处理方式使MAOM中的氮增加了300–348%

土壤有机质组分化控制肥料氮的保留途径

构建土壤有机质对于通过微生物固定、物理化学吸附和在团聚体中的物理保护来保留肥料氮至关重要（Gu等人，2024年）。然而，以往的研究往往将土壤有机质视为一个整体，没有区分POM和MAOM（Chen等人，2024年；Tang等人，2024年）。这种忽视阻碍了利用土壤有机质的异质性来优化肥料氮的保留。在这里，我们证明了肥料氮

结论

本研究表明，不同土壤有机质组分中肥料氮的保留效率和途径从根本上受到所采用的特定土壤有机质构建方式的影响。基于生物炭的土壤有机质构建主要通过物理化学保护和吸附作用促进POM组分中的氮保留。相比之下，秸秆激活了“微生物氮引擎”，通过加速微生物周转和真菌死亡物质的形成，使氮优先积累在MAOM组分中

CRediT作者贡献声明

蔡祖聪：撰写——审稿与编辑、监督、资源提供、概念构思。伊夫·乌维拉吉耶：撰写——审稿与编辑、软件使用、调查、数据分析。全唐：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学设计、资金获取、概念构思。努马·法拉：撰写——审稿与编辑、资源提供、调查。李青德：撰写——审稿与编辑、方法学设计、调查、数据管理。克里斯托夫·穆勒：撰写——审稿与编辑、验证

未引用的参考文献

参见Erisman等人，2022年。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文工作的利益冲突。

数据可用性

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利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42207361、4242570）、中国博士后科学基金（2023M742953）和江苏省自然科学基金（编号：BK20230566）的支持。