黄河灌区稻田与旱地深层土壤氮损失机制及微生物驱动差异研究

本研究针对旱田与稻田深层土壤氮循环机制不清的问题，采用15N配对示踪技术，系统解析了宁夏黄河灌区0-200 cm土壤剖面反硝化、厌氧氨氧化(anammox)和异化硝酸盐还原为铵(DNRA)的速率差异。研究发现稻田氮损失速率(0.74-9.06 nmol N g?1·h?1)显著高于旱地(0.29-1.99 nmol N g?1·h?1)，反硝化贡献率达66.59-85.47%，且稻田微生物群落多样性更高。该研究为优化农业氮管理提供了理论依据。

　　

在全球氮肥利用率不足40%的背景下，农田土壤氮素流失已成为环境污染和资源浪费的双重挑战。传统研究多聚焦于表层土壤氮循环，而对深层土壤（>100 cm）的氮转化机制知之甚少，特别是稻田与旱地系统的差异更缺乏系统比较。这种认知空白导致农业面源污染防控措施缺乏针对性，制约着"藏粮于地"战略的实施。

宁夏大学的研究团队在《Geoderma Regional》发表的研究，创新性地采用土壤浆¹⁵N配对示踪技术，对宁夏黄河灌区稻田和旱地0-200 cm剖面（每40 cm分层）进行了分层采样分析。通过测定反硝化(denitrification)、厌氧氨氧化(anammox)和异化硝酸盐还原为铵(DNRA)的速率，结合高通量测序技术解析微生物群落结构，揭示了不同耕作系统下深层氮损失的驱动机制。

关键技术包括：1) ¹⁵N标记的KNO₃和¹⁵NH₄Cl双同位素示踪技术；2) 气相色谱法测定²⁹N₂和³⁰N₂生成量；3) 基于16S rRNA基因的微生物多样性分析；4) 分层采样策略（0-40 cm至160-200 cm共5层）。

氮损失速率的垂直分布特征
稻田土壤氮损失速率呈现明显的垂直递减趋势（9.06→0.74 nmol N g^?1·h^?1），而旱地则呈"U型"分布，在80-120 cm层最低（0.29 nmol），深层（160-200 cm）回升至1.99 nmol。这表明稻田的氮阻控措施应重点针对表层，而旱地需关注深层氮的再活化。

主导途径的生态系统差异
反硝化在稻田氮损失中占绝对优势（66.59-85.47%），而旱地anammox贡献率相对较高。这与稻田特有的淹水环境促进专性厌氧菌（如Desulfobacca、Anaerolinea）增殖有关，这些菌属在0-40 cm层丰度最高。

微生物群落的响应机制
稻田的Chao1、ACE和Shannon指数均显著高于旱地，且特有菌群Thiobacillus（硫杆菌属）和Syntrophobacter（互营杆菌属）与DNRA过程呈正相关。这种微生物"指纹"特征可作为评估土壤氮转化潜力的生物标志物。

该研究首次证实长期耕作方式会通过改变土壤质地和微生物群落结构，进而调控整个土壤剖面的氮循环路径。特别是发现160-200 cm深层的氮损失贡献不可忽视，这对完善全球氮循环模型具有重要启示。从应用角度看，研究建议稻田系统应优化水分管理抑制表层反硝化，而旱地需警惕深层氮的累积风险，为制定差异化施肥策略提供了科学依据。