在沿海盐碱棉田进行的长期（12年）试验中，秸秆还田结合深松耕作不仅减少了N?O的排放，还提高了土壤中的氮含量

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Straw return coupled with subsoiling tillage reduces N?O emissions and increases nitrogen content under long-term (12 years) trial in a coastal saline cotton field

滨海盐土棉田中，秸秆还田与深耕的长期协同作用显著降低N?O排放25.4%，通过调节土壤有机碳、pH及微生物群落结构，抑制反硝化活性并优化氮素利用效率。

　　

韩王|刘志涛|郭启元|尚伦晓|周龙浩|赵家学|黄婷|李晓宇|史晨曦|巴尔塔耶维奇·艾哈迈多夫·米拉齐兹|宋先亮|张小培|王春|阿齐兹·汗|毛莉莉

山东农业大学农学院，中国山东省泰安市271018

摘要

高盐度通过抑制微生物代谢和改变其群落结构，加剧了活性氮的损失并增加了N?O的排放。然而，在长期的棉花田实验（12年）中，秸秆还田和耕作对N?O排放、土壤性质、微生物群落以及参与氮循环的功能基因的影响尚不清楚。基于这项为期12年的长期连续田间实验，本研究评估了棉花秸秆管理（移除与还田）和耕作（不深耕与深耕）对盐碱棉花田中氮循环过程中土壤性质、微生物群落、功能基因和N?O排放的影响。秸秆还田显著增加了土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）和微生物生物量氮（MBN），同时降低了土壤pH值、盐分含量（SC）、容重（BD）、溶解有机碳（DOC）以及反硝化微生物（如Ramlibacter）和功能基因（如nir S和nos Z）的丰度。这些变化导致累积N?O排放量减少了25.4%。深耕显著增加了土壤总孔隙度（TP）和大于0.25毫米的土壤团聚体比例（R?.??），但降低了容重和盐分含量，并促进了硝化微生物（如Nitrososphaera、Nitrospira和Nitrosotenuis）和功能基因（如amo A/B/C、hao和nxr A/B）的活性。然而，深耕引起的硝化作用增加了硝酸盐氮（NO?^?-N）的含量，同时也使N?O排放量增加了39.1%。重要的是，秸秆还田与深耕的相互作用抵消了单独深耕带来的排放增加效应，使得N?O排放量比仅深耕时减少了22.7%，同时保持了较高的氮有效性。研究表明，秸秆还田与深耕相结合可以协同增强氮的保持能力并减少盐碱棉花田中的排放，为可持续发展提供了重要的理论基础和技术支持。

引言

根据联合国粮食及农业组织（FAO）的数据，2024年全球约有13.81亿公顷的土地被归类为盐碱土（FAO, 2024）。盐碱土具有更好的农业潜力，是重要的后备土地资源（Rukhsana和Molla, 2023）。然而，气候变化导致的海平面上升和极端天气条件使盐度每年增加0.1‰（Feist等, 2025），这加剧了土壤盐碱化并扰乱了氮循环（Shafiezadeh等, 2018; Hassani等, 2021）。高盐度主要抑制了微生物代谢（Hou等, 2022）并改变了微生物群落（Chen等, 2022; Chaudhary等, 2023），导致大量的活性氮损失和氮氧化物（N?O）排放——这是一种温室气体（Libutti和Monteleone, 2017; Sun等, 2023a）。由于棉花具有很强的耐盐性，它被认为是开发和管理重度盐碱土的先锋作物（Satir和Berberoglu, 2016; Abdelraheem等, 2019）。长期秸秆还田和深耕可以协同减少土壤盐分含量并改善土壤结构，从而重塑微生物群落组成。此外，这些措施通过促进还原性三羧酸（rTCA）循环和3-羟基丙酸/4-羟基丁酸（3-HP/4-HB）循环来增强微生物碳封存（Zhang等, 2023; Su等, 2024）。然而，它们长期相互作用如何重塑盐碱棉花田中的微生物介导的氮循环过程以及影响N?O排放仍知之甚少。

微生物是土壤氮循环的关键驱动因素，调控着固氮、矿化、硝化和反硝化等关键过程（Scarlett等, 2021; Mattoo和B.M, 2023）。这些过程受秸秆类型、耕作方式和土壤质地的影响。不同类型的秸秆对氮循环有显著影响。富含木质素的秸秆（如玉米秸秆）分解缓慢，为反硝化提供长期碳源，并降低N?O/N?比值（Budhathoki等, 2021; Tao等, 2021）。富含易分解碳和氮的豆科植物秸秆能快速刺激固氮微生物（El-Sherbeny等, 2023）。此外，深耕可以通过改善土壤通气性来提高硝化和反硝化的耦合效率（Nielsen等, 1996; Xue等, 2023）。然而，这些过程会随盐度水平而变化。在低盐胁迫（1.5–2.5‰）下，棉花根部分泌的脯氨酸丰富了根际固氮细菌，提高了固氮酶的活性（Chen等, 2019; Xia等, 2025）。在中等盐度（3‰–5‰）下，耐盐氨氧化细菌（AOB）的活性和amo A基因的表达不受影响（Santos等, 2018），从而加速了氨的氧化。而在高盐条件下（>5‰），反硝化细菌（如携带nir K/S基因的Pseudomonas）的活性受到显著抑制，导致N?O排放增加（Li等, 2023a）。此外，盐胁迫改变了土壤中的氮形态（如硝酸盐氮的积累和铵态氮的比例），并影响关键酶的活性，从而降低了氮的有效性（Singh和Bajwa, 1986; Guo等, 2023; Zhou等, 2024b）。因此，系统研究长期秸秆还田和深耕如何共同调节盐碱土壤中的氮循环微生物群及其功能基因对于制定有效的缓解策略至关重要。

秸秆还田通过向土壤中添加有机物质来调节氮循环。一方面，它可以增加土壤碳氮比（C/N），从而驱动微生物对无机氮（主要是NH??）的竞争性固定，减少硝酸盐的淋失（Wang等, 2014; Chaves等, 2021; Zhang等, 2025），并通过促进腐生细菌的生长来增强有机氮的矿化（Xie等, 2022; Phukongchai等, 2025）。另一方面，秸秆分解过程中释放的草酸和柠檬酸会降低土壤pH值（Liang等, 2023），通过改变氨氧化微生物的群落结构（例如，从氨氧化古菌AOA转变为氨氧化细菌AOB）来影响硝化过程（Lin等, 2023; Ren等, 2024）。然而，在盐碱条件下，需要通过微生物组和功能基因来确定秸秆还田是否以及如何通过特定地富集固氮微生物（如Rhizobiaceae）（Sun等, 2022; Yin等, 2021）或抑制反硝化细菌（如Acinetobacter（Chen等, 2025）来增强固氮能力并减少氮损失。深耕通过打破犁底层（通常在30–40厘米深度）来改善盐碱土壤的通气性和水力传导性，并抑制表面盐分积累（Li等, 2023c）。同时，增加的氧气供应促进了好氧微生物的生长，可能加速了铵向硝酸盐的转化（Zhou等, 2024a; He等, 2025a）。此外，深耕引起的干湿交替条件可能影响反硝化细菌的厌氧栖息地，从而调节N?O/N?比值（Van Cleemput, 1998; Saggar等, 2013; Pinto等, 2022）。然而，对于高盐度棉花田中关键氮循环过程的理解仍然不足。因此，阐明秸秆还田和深耕对关键氮转化途径及相关微生物的影响至关重要。

为了解决这一空白，需要从长期田间实验中得出机制性理解——这些实验整合了土壤物理化学性质、微生物群动态、功能基因丰度和N?O通量的测量。基于此，我们进行了一项为期12年的全面研究。具体目标是：（i）评估秸秆管理和耕作对土壤氮库和N?O排放的影响；（ii）揭示这些措施如何调节土壤微生物群落结构和参与氮循环的功能基因的丰度，从而影响氮转化途径。我们假设：（i）秸秆还田主要通过诱导微生物固氮和土壤酸化来减少N?O排放，从而抑制氨氧化微生物的活性及其底物（NH??-N）的产生，限制硝化和后续反硝化的底物；（ii）深耕通过刺激硝化细菌群落及其功能基因来增加N?O排放，而不是通过改善土壤通气性；（iii）秸秆还田和深耕的相互作用将促进更稳定的微生物群落结构，使硝化和反硝化分离，使系统同时保持深耕带来的氮有效性优势和秸秆还田的低排放特性。为了验证这些假设，我们在一个代表性的生长季节（2024年）监测了原位N?O通量，并使用宏基因组测序和结构方程建模来阐明潜在的微生物机制。这项研究旨在为盐碱土壤中的高效氮管理提供理论基础。

研究地点和材料

本研究于2012年至2024年在中国山东省滨州市滨城区毛里村的一个棉花田进行（37°25′N, 118°08′E）。该地区属于温带季风气候，4月至10月降水量较多。2024年的降水量和平均温度见图S1。该地区的土壤被归类为盐碱冲积土，质地为粉壤（7%沙子，82%粉粒，11%粘土）。初始的物理化学

盐碱棉花田中的土壤碳和氮组分

秸秆还田（S）和深耕（T）显著影响了土壤的物理化学性质和碳氮组分（表S2、S3、图1、图S2）。秸秆还田降低了土壤pH值、盐分含量（SC）和容重（BD，p?p?

讨论

这项基于12年田间实验的研究阐明了秸秆还田和深耕如何调节盐碱棉花田中的氮循环功能和N?O排放的机制。与我们的假设一致，这两种管理措施通过不同的途径影响了土壤微生物过程和氮转化，它们的联合应用产生了协同效应，既保持了氮的有效性，又减少了环境排放。

结论

这项结合了12年长期田间实验和宏基因组学及分子生态学方法的研究，阐明了秸秆还田和深耕对盐碱棉花田中土壤氮循环功能和N?O排放的调节机制。主要结论如下：

长期秸秆还田使累积N?O排放量减少了25.4%。这一减少主要归因于溶解有机碳（DOC）可用性的降低和相关微生物过程的抑制

作者贡献声明

阿齐兹·汗：监督。 王春：监督。 毛莉莉：写作 – 审稿与编辑、监督、项目管理、资金获取、概念构思。 巴尔塔耶维奇·艾哈迈多夫·米拉齐兹：项目管理。 史晨曦：研究。 张小培：监督。 宋先亮：项目管理、资金获取。 赵家学：研究。 周龙浩：研究。 李晓宇：研究。 黄婷：研究。 刘志涛：方法学、研究。 韩王：写作

利益冲突声明

我和我的合作者声明没有可能影响本手稿工作的财务或非财务利益冲突。

我们确认提交的工作是原创的，之前未发表过，也没有在其他地方接受发表审查。此外，所有作者都已批准手稿的最终版本，并同意将其提交给《农业、生态系统与环境》期刊。

致谢

本研究得到了山东省农业研究系统（SDARS-03–04/06）、山东省自然科学基金（ZR2022MC085）、山东省重点研发计划（2023LZGC007）和国家重点研发计划（2022YFD1700605）的资助。