沼液部分替代化肥通过改善土壤质量及调控氮循环基因实现小麦增产与N2O减排协同效应

针对化学肥料(CF)过度使用导致的土壤退化与N2O排放问题，中国农业科学院团队创新性采用沼液(BS)部分替代CF的策略。研究发现50%BS替代显著提升土壤质量指数(SQI)57.8%，同步实现小麦增产24.4%、氮素利用率(NUE)提高32.2%，并降低N2O排放26.9%。该研究通过宏基因组技术揭示Arch-amoA基因调控机制，为农业碳中和提供关键技术路径。

　　

随着全球农业集约化发展，化学肥料(CF)的过度使用已引发严峻的生态环境问题。中国作为世界最大的化肥消费国，氮肥施用量高达565 kg ha^-1，远超美国的138 kg ha^-1，但氮素利用率(NUE)却不足30%。这种"高投入、低效率"模式不仅造成资源浪费，更导致土壤酸化、养分失衡等土壤质量指数(SQI)下降问题，同时催生强效温室气体N₂O的排放——其百年尺度增温潜势是CO₂的298倍。面对粮食安全与环境保护的双重压力，寻找CF的可持续替代方案迫在眉睫。

中国农业科学院的研究团队创新性地将目光投向沼液(BS)——一种畜禽粪便厌氧发酵的副产物。中国每年产生38亿吨畜禽粪污，BS作为富含氮磷钾的有机肥源，理论上既能改善土壤结构，又可实现废弃物资源化利用。但现有研究存在三大瓶颈：BS替代率缺乏精准量化、增产与减排的协同机制不明、微生物驱动N₂O排放的基因调控网络尚未解析。

研究人员设计六种施肥策略：空白对照、100%CF、以及25%-100%梯度BS替代CF，通过盆栽试验系统评估SQI、小麦生长指标、NUE、N₂O排放及宏基因组特征。关键技术包括：静态暗箱法监测N₂O通量、主成分分析构建SQI评价体系、Illumina NovaSeq 6000平台宏基因组测序、随机森林算法识别关键驱动因子，以及结构方程模型(SEM)解析多级互作网络。

研究结果揭示：

1. 土壤质量与作物响应：50%BS处理使SQI提升57.8%，显著提高土壤总碳(TC)16.72 g kg^-1、总氮(TN)1.27 g kg^-1及碳氮比(C/N)13.32。这种改良促进小麦分蘖数增加43.5%，干物质积累提升21.6%，最终实现24.4%的增产效果，印证了"健康土壤-高效作物"的互作机制。

2. 温室气体减排效应：50%BS处理使N₂O累积排放量降至0.87 kg N ha^-1，较100%CF降低26.9%。更值得注意的是产量缩放排放量（yield-scaled emission）下降44.8%，表明单位产量下的环境成本显著降低。随机森林分析显示土壤pH、C/N和有效氮是调控排放的关键因子。

3. 微生物基因调控机制：宏基因组数据表明，50%BS处理显著抑制古菌氨单加氧酶基因(Arch-amoA)表达，其与N₂O排放的相关系数达0.79。SEM模型证实Arch-amoA对排放的驱动效应(路径系数0.74)远超细菌氨氧化基因(Bac-amoA)。同时，反硝化末端还原酶基因nosZ的富集(R2=0.38)有效促进N₂O向N₂转化，形成"双基因闸门"调控机制。

4. 氮素利用优化：50%BS处理使NUE提升32.2%，归因于BS的缓释特性与化学氮肥的速效性互补。这种"速缓协同"模式通过增强氮转运基因(nasA、nasC)表达，使植株氮吸收量增加52.6%，有效减少氮素损失。

该研究突破传统有机替代研究仅关注表观效应的局限，首次从基因-通路-系统多尺度阐明BS替代的生态农学机制。提出的50%BS替代方案兼具操作可行性与环境经济效益：按中国小麦种植面积2400万公顷计算，全面推广可年减排N₂O 7.68万吨，相当于2290万吨CO₂当量。研究结果发表于《Environmental Technology & Innovation》，为农业绿色转型提供兼具科学性与实践性的解决方案，对实现"双碳"目标具有重要战略意义。未来研究可拓展至不同土壤类型验证普适性，并探索comammox等新型氮循环路径的调控潜力。