纤维素与淀粉在四种土壤中模拟收获后条件下的高效氮素固持潜力研究

针对传统农业收获后土壤中残留矿质氮(Nmin)易流失的问题，Kerui Zhao等通过15N标记实验，探究了纤维素和淀粉作为高碳改良剂(HCA)对四种不同性质土壤的氮固持效应。研究发现，纤维素可长期降低50-140 kg N ha-1的Nmin含量，而淀粉诱导的氮固持更快但存在再释放现象。高达41%的标记氮被转化为稳定氨基酸形态，为减少农业氮流失提供了新策略。

　　

在农业生产中，过量施用的氮肥和作物残体矿化常导致收获后土壤中积累大量矿质氮(N_min)。这些氮素极易通过淋溶或气体排放损失，不仅污染地下水（欧洲27%监测点硝酸盐超标），还降低农业经济效益。尽管冬季覆盖作物能部分吸收残留氮，但其效果受气候和轮作限制。微生物介导的氮固持被认为是潜在替代方案，但碳(C)限制会抑制该过程。因此，德国Forschungszentrum Jülich的Kerui Zhao团队在《Geoderma》发表研究，探索氮零添加的高碳改良剂(HCA_N-free)——纤维素和淀粉如何通过调控微生物过程实现氮素长效固持。

研究采用¹⁵N标记的(NH₄)₂SO₄示踪技术，在模拟德国北莱茵-威斯特法伦州收获后条件（8.6°C，65%持水量）下，对四种不同质地和pH的土壤（碱性粉砂质Luvisol和Regosol，酸性砂质Luvisol和Gleysol）进行98天培养实验。通过连续提取法分离矿质氮(N_min)、可交换氮和固持有机氮(N_ret)，结合氯仿熏蒸提取法测定微生物量碳氮(C_mic/N_mic)，并利用气相色谱和同位素比质谱(EA-IRMS)分析气体排放及¹⁵N去向。

HCA对土壤氮动态的影响

纤维素处理使N_min降低50-140 kg ha^-1，效果持续98天；而淀粉处理初期固氮更快，但后期出现再矿化。酸性砂土中，淀粉诱导的CO₂排放峰值为732.9 mg C m^-2h^-1，显著高于纤维素处理，反映其更易被微生物利用。

微生物介导的氮转化

HCA处理下¹⁵N在N_ret中的回收率（39-66%）远超对照（4-33%），且N_mic贡献不足10%。结构方程模型(SEM)显示，SOC含量通过调控C_mic间接影响N_min固持，而pH对N_ret形成具有最大正向效应（路径系数0.22）。

氨基酸的关键作用

盐酸-氢氟酸逐级提取结合6M HCl水解发现，氨基酸氮(AAN)占N_ret的20-29%。HCA处理使¹⁵N-AAN回收率提升至12-41%，其中碱性黏土CKA高达41%，表明微生物衍生的氨基酸是稳定氮库的核心组分。

该研究证实，纤维素与淀粉通过差异化的微生物利用策略（细菌主导淀粉快速降解 vs 真菌主导纤维素缓慢分解）实现氮素固持，且形成的氨基酸能长期稳定于土壤矿物表面。这一发现为设计"碳调控型"施肥方案提供了理论依据，尤其适用于无法种植覆盖作物的农田系统。未来需通过田间试验验证其在真实农业环境中的长效性。