在稻麦种植系统中，通过17年的原位15N追踪研究，揭示了残留肥料氮在土壤有机质和固定铵池中的转化过程及其功能作用

《Geoderma》：17-year in situ 15N tracing reveals turnover and functional roles of residual fertilizer nitrogen in soil organic and fixed ammonium pools of a rice–wheat system

长期氮肥施用下水稻-小麦轮作系统中残留氮素分配与周转机制研究。研究发现，残留氮素主要存在于土壤有机氮（SON）和固定铵（FN）池，占总量的98.2%。SON中氨基酸态氮（AAN）和铵态氮（AN）为活性池，贡献率达94.5%，其周转速率受氮肥长期输入显著影响，AN和AAN的半衰期缩短至19年。固定铵在无氮处理下保持稳定，而在氮肥处理中因离子竞争作用加速释放。持续氮肥管理使作物累计氮素利用率提升至58.1%，同时土壤氮素损失率降低至6.8%。该研究揭示了有机无机氮耦合转化机制，为优化氮肥管理策略提供了理论依据。

　　
### 中文解读：长期氮肥施用对水稻-小麦轮作体系中残留氮素动态及功能分化的影响研究

#### 研究背景与意义
在东亚集约化农业体系中，氮肥过量施用导致残留氮（N）累积已成为威胁土壤健康和环境安全的突出问题。尽管已有研究关注残留氮的形态（如有机氮与固定铵态氮）及其稳定性，但长期动态监测数据仍显不足，尤其是关于氮肥施用如何重塑土壤氮库结构及其对作物氮利用效率的影响。该研究通过17年的原位15N示踪实验，系统解析了水稻-小麦轮作体系中残留氮的赋存特征、动态转化机制及其功能分异规律，为精准调控氮肥管理提供理论支撑。

#### 研究方法
研究依托长江三角洲太湖流域的长期定位观测站（2004-2021），采用钢制环池隔离（1.14米内径，地下1米）的土柱系统，确保土壤环境的高度可控性。实验设置两个处理组：持续氮肥施用组（N）与对照无氮施用组（CK），均于初始阶段施用15N标记的尿素（30 atom% 15N）。CK组后续不补充氮肥，N组按当地常规标准（水稻300 kg N/ha，小麦250 kg N/ha）持续施用尿素。土壤样品采集频率为每年水稻收获后，结合实验室酸解分项技术（6M HCl）对有机氮（SON）进行五级分项解析（酸溶性未知氮HUN、铵态氮AN、氨基酸氮AAN、酸溶性不可溶氮AIN、氨基糖氮ASN），并通过同位素稀释法计算各形态氮的贡献率。

#### 关键发现
1. **氮库主导形态与空间分布**
土壤总氮（TN）中，有机氮（SON）占比达81.6%，显著高于无机氮（16.8%）。其中，酸溶性不可溶氮（AIN）以27.2%的绝对含量成为SON主导组分，其次是氨基酸氮（AAN，25.8%）和铵态氮（AN，23.0%）。固定铵态氮（FN）作为无机氮主体（229.4 mg/kg），其占比在持续氮肥施用下下降至2.4%，表明长期施氮显著削弱了无机氮的固持能力。

2. **残留氮的赋存特征与稳定性**
初始施用的15N标记氮素中，89.3%富集于SON，其中AAN（36.7%）、HUN（24.7%）和AN（24.6%）构成主要活性库。经过17年观测，AAN和AN的15N含量下降速率达CK组的1.5-2倍，其半衰期分别缩短至19个生长周期（CK组为38个周期）。值得注意的是，酸溶性不可溶氮（AIN）的半衰期超过50个生长周期，成为唯一在17年间保持稳定（±5%）的组分，其累积量在N组较CK组增加20.9%。

3. **氮肥管理的动态调控效应**
- **无机氮转化**：持续施氮使固定铵态氮（FN）的15N含量以年均2.3%的速率递减，而CK组FN含量相对稳定。这种差异源于新施入的NH4+竞争性置换黏土矿物层间固定铵，导致 legacy FN的释放。例如，第5年N组的FN周转率较CK组提升40%，在第17年已释放总残留氮的17.3%。
- **有机氮矿化**：活性有机氮（AAN+AN+HUN）的年矿化速率在N组达1.2%，较CK组提高0.8个百分点。其中，AAN的年损失率（6.7%）显著高于其他组分，但累计损失量仅占初始输入的12.4%，表明有机氮的矿化在持续施氮下呈现“加速-平衡”特征。

4. **作物氮源利用的时空分异**
研究发现，作物氮吸收存在显著的源-汇耦合特征：
- **CK组**：依赖自然矿化的AIN（贡献率9.2%）和HUN（贡献率21.8%），因缺乏外源氮输入，矿化过程缓慢且波动大。
- **N组**：通过增强AAN（贡献率从35.1%增至41.6%）和AN（贡献率从29.9%增至27.0%）的矿化速率，使外源氮素在作物循环中的占比从38.7%提升至61.2%。值得注意的是，氨基糖氮（ASN）的积累量虽达总土壤氮的2.6%，但其生物有效性仅为0.3%，表明其是典型的“稳定态”组分。

5. **氮素循环的生态风险与调控潜力**
尽管残留氮素在17年间仅损失6.8%-13.8%，但CK组的土壤氮累积速率（年均0.7%）显著低于N组（年均1.2%）。这表明持续氮输入通过促进有机氮矿化（AN年矿化量达4.2 kg/ha）和固定铵释放（FN年释放量1.8 kg/ha），有效维持了土壤氮的动态平衡。研究同时发现，每增加100 kg/ha的年氮输入，可提升作物氮利用率0.8个百分点，且未观察到显著的环境损失（硝态氮淋失量<5 kg/ha·年）。

#### 科学机制与理论创新
1. **黏土矿物介导的氮固定与释放**
研究站点土壤的黏粒含量达29.9%，其2:1型层状硅酸盐矿物（如蒙脱石）具有显著的同离子置换效应。持续施氮导致黏土层间NH4+浓度梯度增大（N组较CK组高18.7%），促进 legacy FN的解吸释放。这种矿物-氮的协同作用机制，解释了为何N组的FN含量在17年间下降23.3%的同时，作物氮吸收量仍提升48.7%。

2. **有机氮组分的功能分异**
通过酸解分项技术，揭示了不同有机氮组分的功能差异：
- **AAN**：作为快速矿化组分（半衰期19年），其氮释放速率与微生物蛋白分解酶活性（r=0.76, p<0.01）呈显著正相关。
- **AN**：包含42.3%的有机铵（AN_ON），其矿化速率受根系分泌物（r=0.68）和土壤pH（p=0.03）双重调控。
- **AIN**：作为最稳定组分（半衰期>50年），其累积量与有机碳含量呈显著负相关（R2=0.63），表明长期施氮通过增强微生物分解能力，加速了SON向活性形态的转化。

3. **氮循环的时空耦合效应**
研究首次量化了水稻-小麦轮作体系中氮素的年际分配特征：
- 水稻季（6-10月）因淹水缺氧导致固定铵（FN）释放量达年总量的58%，显著高于小麦季（32%）。
- 残留氮素中，42.7%的AAN在早季（3-5月）通过根系分泌物直接供给小麦，而AN组分（24.6%）主要在水稻生长期（8-11月）通过铵态氮转化释放。
这种时空分异特征为设计精准施肥方案（如分季调控氮肥施用）提供了理论依据。

#### 实践应用与政策启示
1. **氮肥当季调控策略**
研究表明，在水稻种植季前（10-12月）施用氮肥，可最大化利用土壤残留氮（AAN）的矿化能力。实验数据显示，早季施氮可使AAN的周转率提升至年均7.2%，较晚季施氮提高32%。

2. **有机氮功能组分优化**
通过调控耕作深度（>20 cm）和有机肥配比（每公顷添加15-20吨秸秆还田），可将AAN占比从初始的35.1%提升至42.3%，同时将AIN占比从27.2%降至19.8%。这种功能组分优化可使土壤氮持留能力增强18.6%。

3. **环境风险防控机制**
研究证实，当固定铵（FN）占比超过20%时，硝态氮淋失风险将增加3倍（p=0.017）。因此建议：
- 控制年氮输入量在200-250 kg/ha，使FN占比稳定在15%-20%区间
- 采用深施技术（耕作深度>30 cm），可降低FN释放量达40%
- 推广“有机无机氮配比”施肥（有机氮:无机氮=3:1），可使残留氮稳定性提升25%

#### 研究局限与未来方向
1. **观测尺度的局限性**
研究周期为17年，未能覆盖黏土矿物晶型转变的长期效应（如蒙脱石向伊利石转化可能需要百年以上）。建议后续研究采用同位素指纹追踪技术，区分母质来源不同的矿物对氮固定的影响。

2. **微生物功能组落的动态关联**
现有研究显示，施氮处理使氨氧化菌（AOB）丰度提升1.8倍（p<0.005），但未深入解析其与不同有机氮组分的互作机制。未来需结合宏基因组学，解析关键功能菌群（如枯草芽孢杆菌、放线菌属）对AAN、AN等矿化产物的调控路径。

3. **跨区域适用性验证**
当前研究基于太湖流域的黏质潮土，其矿物组成（蒙脱石占比62%）与我国其他水稻土区存在差异。建议在南方红壤（pH 5.8-6.5）和北方褐土（pH 7.2-8.0）开展对比试验，验证机制普适性。

#### 结论
本研究系统揭示了长期氮肥施用下水稻-小麦轮作体系中残留氮的动态转化规律：
1. 残留氮素通过有机（SON）和无机（FN）双路径持留，其中SON占比达81.6%，且AAN（42.3%）和AN（23.0%）构成主要活性库。
2. 持续施氮通过增强微生物矿化能力（AN年矿化量达4.2 kg/ha）和促进黏土矿物层间NH4+置换（FN年释放量1.8 kg/ha），使作物氮吸收效率提升48.7%。
3. 研发“有机氮组分调控技术”，可将氮肥利用率从当前35.2%提升至41.5%，同时将环境损失（硝态氮淋失+氨挥发）控制在8 kg/ha·年以下。

该成果为制定“氮素利用-环境风险”双控型施肥标准提供了理论支撑，对实现联合国2030可持续发展议程中氮素养量平衡目标（SDG 15.3）具有重要实践价值。后续研究应聚焦于氮素矿化关键酶（如α-脲酶、蛋白酶）的基因表达调控机制，以及不同有机氮组分在土壤食物网中的转化学术。