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为解决农业环境问题，来自山东农业大学的研究人员开展包膜肥料研究，发现 CRF 能提升土壤肥力、玉米产量，意义重大。
在全球农业发展的大背景下，提高粮食产量成为保障粮食安全、满足人口持续增长需求的关键挑战。在中国、印度等以小农户农业为主的国家，农业系统高度依赖大量或过量投入。过去 30 年（1986 - 2016 年），中国农作物产量增长了 74%，同时合成肥料的使用大幅增加了 300%。然而，施用于农田的氮超过 50% 逃逸到环境中，引发了诸如全球变暖、水污染和土壤质量恶化等环境问题。面对这些环境挑战，急需可持续农业实践，在保护环境的同时维持生产力。4R 养分管理中的 “正确肥料类型” 作为其中重要部分，被视为减少农田氮损失的有效措施。近年来，包膜肥料（coated fertilizers）等增效肥料的广泛应用，被视作提高主要作物产量、应对全球氮损失挑战的双赢之举。
包膜肥料通常分为控释（controlled-release）和缓释（slow-release）两类。在中国，聚合物包膜尿素（CRF）和硫磺包膜尿素（SCF）是两种在农业生产中被广泛推广和使用的重要类型。这两种肥料的释放机制截然不同：CRF 遵循 “扩散机制”，而 SCF 呈现 “爆发机制”。与普通尿素相比，包膜肥料通过聚氨酯包膜材料提高氮素利用效率，该材料能调节氮释放或延缓其转化过程，使其更好地与作物氮需求同步。虽然包膜尿素生产成本较高，但其一次性施用策略，相较于普通尿素的分次施用，显著减少了劳动力投入，同时提高了肥料利用效率和作物产量。这种双重优势不仅产生了更高的经济效益，还减少了养分损失造成的环境污染，有助于可持续农业发展。不过，部分包膜材料依赖合成材料，这可能引发对环境可持续性的担忧。因此，包膜肥料对环境的影响和长期效应值得仔细考量。
氮素施用会导致 NH4+释放和土壤酸化，这与团聚体稳定性下降有关。相反，一些研究表明，氮肥可能通过增加作物秸秆和根系生物量向土壤系统的输入，潜在地改善团聚体结构和土壤有机碳（SOC）含量。硫磺包膜尿素对土壤酸化的影响尤其具有争议性。一些研究指出，土壤缓冲能力、还原条件和作物吸收可防止因施用 SCF 导致土壤 pH 值显著下降；而其他研究则表明，残留硫与水的反应会随着持续施用导致土壤逐渐酸化。此外，CRF 中使用的聚合物包膜材料短期内难以降解，引发了对农业土壤中微塑料积累的担忧，这可能威胁农业生态系统功能。因此，全面评估包膜肥料对土壤理化性质的长期影响，对可持续农业管理至关重要。
土壤微生物是土壤生态系统中的主要生物库，被广泛用作评估农业土壤质量的生物学指标。它们在土壤氮转化中发挥着关键作用，能产生参与氮代谢的关键酶，并作为生物催化剂帮助分解和转化来自植物的大分子物质。它们的代谢功能受土壤生态系统内相互作用的影响，包括土壤动物、植物系统和周围土壤环境之间的生态动态变化。微生物与较小土壤孔隙之间的相互作用，在干燥土壤条件下会增强微生物活性，而团聚体内养分、水分和氧气微环境的变化，可能会引发微生物群落的不同反应。在农业生态系统中，不同类型的氮肥通过多种途径对微生物群落产生显著影响。这些影响通过改变土壤理化性质（尤其是氮有效性和 pH 值）以及增加作物残茬生物量来实现，作物残茬生物量为微生物活动提供能量。此外，长期添加氮素会促进更复杂、紧密整合的微生物网络的发展。这些发现表明，土壤微生物群落对氮肥的反应，取决于所施用氮肥的具体类型和土壤的特定特征。因此，有必要通过长期肥料试验，进一步探究包膜肥料使用对微生物多样性和群落组成的影响。
大多数研究主要聚焦于通过普通尿素添加氮素对土壤微生物多样性和群落结构的影响。对包膜控释尿素的研究，主要集中在提高作物氮素利用、减少氮损失和增加产量方面。本研究旨在探究不同类型的尿素（普通尿素和包膜控释尿素）如何影响土壤理化性质（如团聚体结构和养分含量），以及它们对微生物群落结构和功能（如细菌多样性、共现网络和功能预测）的影响。此外，研究还通过整合夏玉米产量数据，探索土壤性质、微生物和作物生产力之间的潜在相关性。在中国黄淮海地区开展了一项为期 11 年的田间试验，使用普通尿素（CCF）、聚合物包膜尿素（CRF）和硫磺包膜尿素（SCF）进行肥料管理。研究提出以下假设：（1）由于氮释放机制不同，各种类型的尿素会导致土壤养分和 pH 值存在差异；土壤物理结构的差异主要取决于土壤化学性质以及包膜材料是否长期存在于土壤结构中；（2）土壤微生物群落对土壤理化性质的变化会有不同反应；（3）包膜肥料通过改善土壤性质和改变微生物群落的协同作用提高作物产量。
试验在中国山东农业大学的实验农场（36°11′N，117°06′E）进行，该农场位于中国黄淮海平原。2020 - 2023 年玉米生长季的总降雨量分别为 754.2、910.7、566.1 和 675.8 毫米。根据美国农业部（1999 年）的标准，土壤质地被归类为淋溶土。在种植夏玉米前，不同处理的表层土壤（0 - 20 厘米）的养分含量和 pH 值有所不同。
2020 - 2023 年，不同处理的夏玉米产量在同一年份存在显著差异。2021 - 2023 年，CRF 和 SCF 处理下的产量显著高于 CCF 处理（p＜0.05），2021 年分别增产 6.8% 和 15.8%，2022 年分别增产 11.2% 和 9.1%，2023 年分别增产 9.4% 和 6.2%。在这四年期间，各种氮肥处理下的夏玉米产量及其构成因素显著更高。
研究结果表明，2021、2022 和 2023 年，施用包膜肥料地块的产量显著高于普通尿素地块。与 CCF 处理相比，CRF 和 SCF 处理下的年均净利润显著更高。这种差异主要归因于 CCF 处理产量较低，且分次施肥增加了劳动力成本，尽管其肥料成本较低。
聚合物包膜尿素（CRF）能提高土壤养分有效性，同时减轻土壤酸化，增加有机碳和总氮（TN）水平。此外，CRF 有助于稳定土壤结构，维持良好的土壤环境。CRF 还简化了土壤细菌网络的复杂性，增强了微生物群落结构的稳定性，并促进了参与生物地球化学循环和植物生长促进微生物（PGPM）的细菌在关键区域的增殖。
