不同有机改良剂替代化学氮肥对红土中氮矿化过程的影响及其潜在机制

《Applied Soil Ecology》：Influences and underlying mechanisms of substituting chemical nitrogen fertilizer with different organic amendments on soil nitrogen mineralization in red soil

有机替代氮肥对酸性红壤氮矿化的双控制制机制研究。通过场试验和土壤孵化实验，比较了高C/N玉米秸秆（MS）和生物炭（CB）与低C/N牛粪（CD）和生物质残渣（BR）替代20%化学氮肥的影响。结果显示低C/N有机物（CD、BR）因提高土壤pH显著促进氮矿化（分别增加160%、385%），而高C/N物料（MS、CB）因降低pH导致氮固定（减少70%、113%）。机制研究表明土壤C/N比与pH共同调控氮矿化，且有机替代通过改变土壤环境（pH、微生物生物量C/N比）驱动微生物功能基因变化。该研究揭示了有机替代调控氮矿化的双因子机制，为红壤区氮肥优化提供理论依据。

　　

林嘉俊|陈云|赖嘉俊|彭继英|王小龙

中国华南农业大学农业学院，广州，510642

摘要

用有机改良剂部分替代化学氮肥是实现可持续农业的关键策略。然而，这种做法对酸性红土中氮矿化的影响尚不清楚。本研究结合了田间试验和土壤培养实验，通过用高C/N比的有机改良剂（包括玉米秸秆MS和生物炭CB）以及低C/N比的改良剂（包括牛粪CD和沼气残渣BR）来替代20%的化学氮肥，探讨了不同有机替代方式对土壤氮矿化的影响。所有处理的总氮施用量均为300公斤氮/公顷。结果表明，不同氮替代方式对净氮矿化速率（Rm）的影响存在二元性。与单独施用化学肥料（CK）相比，CD和BR使Rm分别增加了160%和385%；而MS和CB则使Rm分别减少了70%和113%，表明发生了净氮固定。我们发现，净氮矿化受到土壤C/N比和土壤pH值的双重调控，这两者都受到有机改良剂的影响。宏基因组分析证实，有机替代显著改变了氮循环的遗传潜力。这些变化主要是对改良后土壤环境的适应性响应，由土壤pH值和微生物生物量化学计量的变化驱动。具体而言，提高土壤pH值的低C/N比改良剂（CD和BR）促进了净氮矿化，而高C/N比改良剂（CB）和酸化改良剂（MS）则抑制了这一过程。本研究阐明了不同类型有机改良剂如何调节酸性红土中的氮矿化机制，为选择适当的有机改良剂以提高土壤肥力并避免意外后果提供了实用指导。

引言

土壤氮矿化是农业氮循环中的关键过程，决定了土壤氮对作物的有效性（Xiao等人，2022年）。超过95%的土壤氮以有机形式存在，微生物将其转化为植物可吸收和利用的无机氮（Myrold和Bottomley，2008年）。土壤微生物被认为是农业土壤中氮转化的重要驱动因素，其活性和组成对土壤条件非常敏感（Streit等人，2014年；Fang等人，2020年）。这些微生物群落中的功能基因及其编码的过程是氮循环的关键调节因子（Weedon等人，2012年）。以往关于土壤氮转化的研究主要集中在控制硝化和反硝化的关键功能基因上（Duan等人，2018年；Li等人，2020年）。然而，氮矿化本身——包括有机氮向铵（氨化）和硝酸盐（硝化）的转化——是一个由微生物介导的关键步骤（Yu等人，2014年；Hu等人，2018年；Kuypers等人，2018年）。因此，了解不同农业条件下氮矿化的调控机制对于提高氮利用效率和减少农田氮损失至关重要。

施肥是管理农田氮供应的常见方法（West等人，2014年；Kanter等人，2020年）。然而，长期大量使用化学氮肥导致作物氮利用效率低下，并引发严重的环境问题，如水污染和温室气体排放（An等人，2019年；Zhang等人，2020年）。虽然氮肥施用可以提高净氮矿化速率（Liang等人，2015年），但过量施用可能会抑制土壤中天然有机氮的矿化，从而削弱土壤的固氮能力（Wang等人，2018年）。用有机改良剂部分替代化学氮肥被认为是一种潜在的“双赢”方法，既能减少环境影响（Sheoran等人，2019年；Song等人，2022年），又能补充土壤氮储量（Mohanty等人，2013年；Wang等人，2015年）。因此，这种氮替代（NS）做法对土壤氮矿化的影响越来越受到关注，因为它在优化氮管理方面发挥着重要作用（Javeed等人，2023年；Mgolozeli等人，2024年）。

NS做法通过改变碳和氮的可用性以及微生物活性来调节土壤氮矿化（Javeed等人，2023年；Li等人，2021年）。与单独施用化学肥料相比，将其与有机改良剂结合使用可以增强碳和氮吸收酶的活性（Xiao等人，2021年），并改变养分化学计量和微生物群落结构（Dannehl等人，2017年；Cui等人，2022年）。这些变化反过来又影响微生物的营养需求和氮矿化（Zechmeister-Boltenstern等人，2015年；Zhang等人，2019年；Li等人，2021年）。长期以来，有机材料的碳氮比（C/N）一直被认为是土壤氮矿化速率的关键决定因素（Parton等人，1987年）。传统上认为，高C/N比的有机物会通过抑制微生物氮固定来降低净氮矿化（Khalil等人，2005年），而富含氮的有机物则会增加氮矿化（Mary等人，1996年）。然而，C/N比的预测能力并不总是可靠的。例如，Zhao等人（2014年）发现，施用高C/N比的生物炭比施用低C/N比的牛粪能显著提高土壤氮矿化速率。关于秸秆回用的研究结果也存在矛盾，一些研究显示氮矿化增强（Ma等人，2011年），而另一些研究则显示氮矿化受到显著抑制（Wang等人，2019年）。这些不一致性表明，NS做法的效果是改良剂基质质量（如C/N比）与其对土壤物理化学性质同时影响之间的复杂相互作用。尽管如此，具体效应和潜在的调控机制仍不清楚。

红土（Ultisols）广泛分布于中国南部的热带和亚热带地区，其特点是酸性强、有机质含量低、肥力差（Zhang等人，2019年；Xia等人，2022年）。该地区的集约化农业生产通过过量施用化学氮肥加剧了这些问题，导致严重的土壤酸化和退化（Guo等人，2010年）。因此，用有机改良剂部分替代化学肥料已成为恢复土壤健康、改善物理化学性质（Abbas等人，2024年；Tao等人，2024年）和确保可持续作物产量的关键策略（Lv等人，2020年；He等人，2022年）。尽管这一做法得到了广泛推广，但在酸性红土中仍面临重大挑战。首先，低pH值会显著影响微生物活性和氮转化过程，使得有机氮矿化的时间和程度难以预测，增加了养分释放与作物需求不同步的可能性（Wu等人，2019年；Cheng等人，2013年）。其次，有机改良剂质量的显著异质性——特别是pH值和C/N比——可能导致土壤氮平衡从快速净矿化转变为强烈固定，从而在不同材料和地点产生不一致的结果（Masunga等人，2016年；Lazicki等人，2020年；Palm等人，2001年）。然而，在亚热带Ultisol（红土）系统中，NS研究更多关注土壤性质和微生物群落的变化，而不是系统地分析不同改良剂类型对氮矿化动态的具体影响（Chen等人，2024年）。这引发了关于不同有机改良剂对氮矿化响应是否不同以及哪些关键因素在不同NS做法下调控氮矿化能力的重要问题。

我们假设不同的NS做法通过重塑土壤微生物群落和影响土壤物理化学性质来改变红土的氮矿化能力。因此，我们在华南珠江三角洲进行了一项田间试验，以研究不同NS做法对红土氮矿化的影响及其机制。在甜玉米种植系统中，我们应用了四种常见的本地来源的有机改良剂（玉米秸秆、生物炭、沼气残渣和牛粪）来替代部分化学氮肥，遵循等氮输入的原则。研究目标是：（i）探讨不同NS做法对红土中氮动态和矿化特性的影响；（ii）评估它们对土壤酶、微生物生物量、群落组成以及与氮矿化相关的功能基因的影响；（iii）确定不同NS做法对红土氮矿化的调控机制。本研究的结果将有助于阐明不同施肥策略如何影响红土中的氮供应。我们期望我们的发现能为优化红土耕地的全球氮管理提供科学依据。

研究地点

田间试验在中国广东省广州市的华南农业大学宁西试验农场进行（北纬23.24°，东经113.64°）。该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为22.5°C，年平均降水量为1871.5毫米。2020年6月至2022年12月的实验期间，研究区域经历了典型的亚热带季风气候。每月平均气温从2月的12.6°C到

氮矿化速率

培养过程中土壤矿质氮池（NH₄⁺ + NO₃^?）的动态变化见补充图S1。28天培养期间，不同处理的氨化速率（R_a）、硝化速率（R_n）和氮矿化速率（R_m）有显著差异（图1A–C）。所有处理的氨化速率在第7天达到峰值，范围从0.75毫克/千克/天（CK）到1.78毫克/千克/天（MS），之后在第14天降至负值，表明发生了净铵固定（图1A）。相比之下，

不同NS做法下的氮矿化动态

在本研究中，氨化和硝化速率在培养的前7天内增加，随后下降（图1A–C）。这种初始峰值后的下降与酸性红土中常见的氮矿化动态一致（Hassink等人，1993年；Curtin等人，1998年）。最初的增加可归因于改良剂中易分解有机氮的分解。随后，速率下降并最终达到

结论

本研究表明，用有机改良剂部分替代化学肥料对酸性红土中的氮矿化具有二元性影响。我们得出结论，这一过程受到土壤C/N比和土壤pH值的双重调控，这两者都直接受到改良剂性质的影响。具体而言，提高土壤pH值的低C/N比改良剂（如牛粪和沼气残渣）显著促进了净氮矿化。

CRediT作者贡献声明

林嘉俊：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，调查，正式分析，数据管理。陈云：撰写 – 原稿，方法学，调查，数据管理，概念化。赖嘉俊：撰写 – 审稿与编辑，验证，调查。彭继英：撰写 – 审稿与编辑，验证，调查。王小龙：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法学，数据管理，概念化。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了广东省自然科学基金（编号：2025A1515010987）的财政支持。我们感谢匿名审稿人和编辑对手稿提出的宝贵意见和建议。