秸秆联合菱铁矿增强沼液还田土壤氮素保留效应研究

针对沼液(BS)还田导致的氮素流失问题，研究人员系统比较了秸秆不同预处理方式（原始秸秆RS、生物炭BC、秸秆+生物炭SBC、秸秆+菱铁矿SS）对土壤氮保留的影响。研究发现SS处理显著降低总氮(TN)累积淋失量36.32%，并促进反硝化功能基因(NirK、NorBC、NosZ)表达，为农业废弃物协同利用提供了创新方案（净收益约56.4美元/公顷）。

　　

论文解读

在当代农业生产中，沼液(Biogas Slurry, BS)还田和秸秆直接还田已成为普遍实践，但这两者的协同效应却暗藏矛盾。中国每年产生约8亿吨秸秆，其中近半数被直接还田，而沼液富含的氮素在还田过程中面临高达36%的淋失风险。更棘手的是，现有研究对秸秆还田如何影响氮循环存在截然相反的结论——田间试验显示秸秆能通过调节碳氮比(C/N)改善氮保留，而实验室模拟却指出秸秆矿化会加剧氮流失。这种认知鸿沟使得农业废弃物的可持续管理陷入困境。

为破解这一难题，来自上海的研究团队在《Environmental Research》发表了一项创新研究。他们首次系统评估了四种秸秆预处理方式（原始秸秆RS、生物炭BC、秸秆+生物炭SBC、秸秆+菱铁矿SS）对沼液还田土壤氮保留的影响，并揭示了微生物驱动的氮转化机制。

研究采用砂质壤土（采自上海崇明长期施用沼液的稻田）进行淋溶实验，结合高通量测序和功能基因定量分析。关键发现包括：SS处理使总氮(TN)累积淋失量显著降低36.32%，其作用机制呈现三阶段特征——初期菱铁矿促进异化硝酸盐还原为铵(DNRA)，中期铁氧化产物抑制硝化，后期富铁环境持续激活反硝化菌（如Bacteroidota和Anaeromyxobacter）及其功能基因（NirK、NorBC、NosZ）。相比之下，单独添加生物炭反而增加21.39%的氮淋失，这与生物炭加速硝化的副作用有关。

研究结果解析

1. 不同预处理对氮保留的影响
   SS组表现出最优的氮保留性能，其TN淋失量较对照降低36.32%，而RS组仅降低23.23%。值得注意的是，BC和SBC组分别增加21.39%和8.59%的氮淋失，证实生物炭在砂质土壤中可能通过增大孔隙度加速硝化。

2. 微生物机制揭示
   SS处理显著富集铁还原菌（Geobacteraceae）和反硝化菌（Bacteroidota），其相对丰度较对照提升2.1-3.8倍。功能基因分析显示，SS组nosZ（编码N₂O还原酶）表达量提升4.2倍，证实菱铁矿促进N₂O转化为惰性N₂。

3. 经济环境效益
   生命周期评估显示，SS处理每公顷可产生56.4美元净收益，主要来自减少化肥投入和降低水体富营养化风险。

这项研究为农业废弃物协同管理提供了范式转变：传统生物炭改良策略在特定土壤中可能适得其反，而铁-秸秆复合系统通过微生物-矿物互作实现"边吸附边转化"的双重屏障。未来研究可探索不同铁矿物（如磁铁矿、黄铁矿）与秸秆的配伍效应，以适配多样化农业场景。