沸石提升土壤阳离子交换容量降低尿素施肥下的氮气排放并增强硝酸盐保留效应研究

《Environmental Technology & Innovation》：Zeolite-induced enhancement of soil cation exchange capacity reduces nitrogen gaseous emissions and improves nitrate retention under urea fertilization

本研究针对尿素施肥导致的NH3和N2O排放问题，通过添加10%沸石提升土壤CEC至29.8 cmol kg-1，发现其可减少50%的NH3与N2O释放，同时使土壤NO3-保留量翻倍，而NZone Max添加剂未显效。该结果为高氮利用效率农业提供了矿物基改良策略。

　　

在当今全球粮食需求持续增长的背景下，氮肥的施用已成为农业生产中不可或缺的一环。然而，氮肥利用率长期低于50%，大量未被作物吸收的氮素通过氨挥发、硝化-反硝化等途径转化为NH₃和N₂O等气体排放，不仅造成经济损失，更加剧了大气污染和气候变化。其中，N₂O作为温室气体，其全球增温潜势可达CO₂的数百倍，且对臭氧层具有破坏作用。尿素因其高氮含量和成本效益被广泛使用，但在高温、高pH值或低湿度条件下易引发严重的NH₃挥发问题。因此，如何通过改善土壤性质来提升氮素利用效率、减少环境损失，成为农业可持续发展的重要课题。

发表于《Environmental Technology》的这项研究聚焦于沸石这一天然矿物对土壤氮循环的调控作用。沸石具有多孔结构和极高的阳离子交换容量（Cation Exchange Capacity, CEC），能通过吸附NH₄⁺离子减少其转化损失。尽管沸石在重金属修复等领域已有研究，但其对氮气态排放的综合影响尚不明确。为此，研究人员设计了一项室内培养实验，比较了普通土壤与添加10%斜发沸石（目标CEC提升至29.8 cmol kg^-1）的土壤在尿素施肥下的氮损失情况，并同步评估了商用添加剂NZone Max的效果。

研究团队通过连续监测NH₃、N₂O和CO₂排放动态，结合培养末期土壤矿物氮、可溶性有机碳及微生物生物量碳的测定，系统解析了沸石对氮素转化的影响。实验采用德国哥廷根大学Reinshof试验站的农田土壤（Luvisol类型，初始CEC为12 cmol kg^-1），通过六铵钴氯化物法精确测定CEC，并利用Dr?ger-Tube法和气相色谱技术量化气体通量。此外，通过定量PCR（qPCR）技术分析了硝化、反硝化相关功能基因的丰度，从微生物机制层面探讨排放变化的成因。

3.1 土壤NH₃排放

NH₃排放峰值出现在施肥后第3天，普通土壤（S+U和S+UNZ处理）的峰值达290–400 mg N m^-2 d^-1，而沸石改良土壤（SZ+U和SZ+UNZ）峰值降至约120 mg N m^-2 d^-1。累积排放量显示，沸石使NH₃损失减少约50%，且NZone Max未产生显著抑制效果。这表明沸石的高CEC有效吸附了NH₄⁺，降低了其挥发潜力。

3.2 土壤N₂O排放

N₂O排放峰值与灌溉事件同步，普通土壤的排放强度显著高于沸石改良土壤。累积数据显示，沸石处理使N₂O排放量降低50%，且NZone Max在普通土壤中反而略微提升了排放。研究者认为，沸石通过延缓NH₄⁺向NO₃^-的转化，减少了反硝化底物，同时其多孔结构改善了土壤通气性，促进了N₂O向N₂的完全还原。

3.3 土壤CO₂排放

虽然累积CO₂排放量无显著组间差异，但沸石处理组的排放曲线更为平缓，表明其稳定了微生物呼吸过程。这种稳定性归因于沸石对土壤水分和养分的缓冲作用，避免了微生物活动的剧烈波动。

3.4 土壤矿物氮与有机碳

培养结束时，所有处理中NH₄⁺浓度均低于1 g N m^-2，而沸石改良土壤的NO₃^-浓度显著高于普通土壤（约11 g N m^-2 vs. 7 g N m^-2），接近施肥总量。沸石还降低了可溶性有机碳和微生物生物量碳，可能与矿物稀释效应有关。

3.5 土壤微生物基因丰度

qPCR分析显示，仅氨氧化细菌（AOB）基因对施肥有响应，而反硝化功能基因（如nirS、nirK、nosZ）无显著变化。但沸石处理组的nirS+nirK/nosZ比值降低，暗示其可能促进了N₂O的进一步还原。

4.1 讨论与意义

本研究表明，沸石通过提升土壤CEC，有效减少了尿素施肥下的NH₃和N₂O排放，同时增强了NO₃^-的保留能力，为氮素管理提供了“减排增汇”的双重效益。其机制包括：物理吸附NH₄⁺、改善土壤孔隙结构以优化微生物反应环境，以及调节功能微生物群落活性。相比之下，NZone Max在黏质土壤中未显效，提示其适用性可能受土壤质地限制。

4.2 局限性与展望

实验采用的沸石添加比例（10%）高于田间常规用量，未来需探索更低用量下的效果。此外，长期田间试验将有助于验证沸石在真实农业系统中的持久性。尽管未涉及作物生长，但既往研究已证实沸石对作物产量的提升作用，其与环境效益的协同机制值得深入探讨。

5. 结论

沸石改良土壤可通过提高CEC显著降低氮气态损失，增强氮素保留能力，并稳定微生物碳循环。这一矿物基策略为高投入农业系统的绿色转型提供了可行路径，尤其在低CEC土壤或集约化种植区具有广泛应用前景。