在干旱地区通过种植绿肥来减少氮的流失：从微生物角度探讨如何提高土壤氮的可用性以增加小麦产量

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Nitrogen reduction via cultivation of green manures in drylands: A microbial perspective on enhancing soil nitrogen availability to increase wheat yield

土壤绿肥与氮肥协同调控对黄土高原旱地小麦产量及氮循环的影响研究。绿肥（黑豆、油菜）结合适量氮肥（N120）可提高土壤总氮、硝态氮及微生物生物氮含量，促进氨基酸态氮等可水解氮积累。黑豆处理使可水解氮增加13.3%，显著优于休闲耕作对照。氮肥过量施用（N240）降低微生物互作和细菌多样性，但绿肥缓解了负面影响，促进矿质氮向微生物生物氮转化。绿肥结合低氮肥显著提高小麦产量并减少一氧化二氮排放，而油菜结合高氮肥可维持产量并减排。研究证实绿肥与适度氮肥协同可优化土壤氮循环，提升可持续农业效益。

　　

刘晨曦|魏世杰|李梦云|朱琦|蔡永春|韩高海|吕慧帅|王照辉|黄东林|魏晓敏|曹卫东|高亚军|张大斌

中国西北农林科技大学自然资源与环境学院，陕西省杨凌市712100

摘要

绿肥（GM）和氮肥（N）的应用在调节冬小麦（Triticum aestivum L.）种植系统中的土壤氮库方面起着关键作用。然而，这些策略对干旱地区土壤有机氮（SON）组分和微生物群落组成的影响及其潜在机制尚不清楚，同时微生物与SON组分之间的关系也尚未明确。为了解决这些问题，我们进行了一项为期8年的田间试验，研究了三种绿肥处理（黑豆（BB，Phaseolus vulgaris L.）、油菜（RS，Brassica napus L.）和休耕（FW，对照组）以及三种氮肥水平（N0、N120和N240）对中国黄土高原土壤氮库、小麦产量和微生物群落组成的影响。结果表明，氮肥和绿肥处理均增加了土壤总氮（TN）、NO₃^--N、微生物生物量氮（MBN）和总可水解氮（AHN）的含量。具体而言，种植黑豆作为绿肥作物使AHN含量增加了13.3%，主要通过增加氨基酸氮（AAN）、可水解NH₄⁺-N（AN）和氨基糖氮（ASN）来实现。值得注意的是，氮肥施用减少了土壤微生物间的相互作用和细菌多样性。然而，绿肥种植缓解了氮肥对土壤微生物群落的负面影响，并促进了过量矿质氮向MBN的转化。与仅休耕（FW-N240）相比，种植黑豆并结合减少氮肥施用不仅提高了小麦产量，还减少了N₂O的排放。总体而言，将豆科绿肥与适量的氮肥（N120）结合使用，通过促进微生物介导的氮循环，增强了土壤氮的有效性，为干旱地区农业生态系统中提高小麦产量和土壤肥力提供了可持续的策略。

引言

全球人口的增长和消费率的提高导致了食品需求的激增（Erisman等人，2008年）。为了满足这一增长的需求，农业实践中化学肥料，尤其是氮肥的施用量有所增加。这种对氮肥的过度依赖源于农田土壤中氮的缺乏，导致氮肥利用效率降低（You等人，2023年），硝酸盐淋溶污染加剧（Huo等人，2023年），水体富营养化加重（Lee等人，2019年），以及温室气体排放增加，进一步加剧了全球气候变化（Bodirsky等人，2012年）。此外，氮肥的长期过度使用显著改变了土壤微生物群落组成并降低了细菌多样性，这可能间接减少了土壤养分的有效性（Dai等人，2018年；Du等人，2025年）。因此，提高土壤的氮供应和保持能力，同时尽量减少化学氮的投入，对于确保粮食安全和环境可持续性至关重要（Breza等人，2023年；Zhang等人，2015年）。因此，研究有效的农业管理策略以维持作物产量并促进可持续农业发展尤为重要，尤其是在干旱地区。

作为土壤中氮的主要形式，有机氮（SON）是评估土壤肥力的关键参数（Dong等人，2025年）。Bremner等人（1965年）和Stevenson等人（1982年）将SON分为AHN和非酸水解氮（NHN）。AHN又细分为四个组分：AAN、AN、ASN和可水解未知氮（HUN）（Bremner，1965年；Stevenson，1982年）。SON矿化为无机形式对于作物吸收是必要的（Chen等人，2024年）。作为SON矿化的主要贡献者，AN、AAN和ASN决定了土壤的氮供应能力和潜力（Li和Li，2014年；Wang等人，2010年）。Liu等人（Liu等人，2025年）的最新研究表明，在不同的氮水平下，AAN和ASN对土壤氮矿化的贡献不同。在较低的氮水平下，AAN是土壤氮供应的主要来源；而在较高的氮水平下，作物氮的吸收主要来自ASN组分。Tian等人（Tian等人，2017年）观察到，氮水平的提高导致AAN减少而ASN增加。相反，Jiao等人（Jiao等人，2020年）报告称，氮肥施用增加了AAN和ASN的浓度，但降低了总氮中AN的比例。然而，氮肥对SON组分的影响及其潜在机制仍存在争议，这突显了需要进一步研究不同氮输入水平下农业生态系统中SON的变化。

与合成氮肥相比，绿肥代表了一种环境可持续的有机替代品，可以在提高作物产量的同时减轻环境负担（Fan等人，2021年；Qiu等人，2024年）。绿肥的益处主要归因于它们被引入农田后带来的大量新鲜有机残留物。这些残留物改变了SON组分并加速了矿化过程，从而促进了植物可利用氮的循环（Xia等人，2025年）。然而，绿肥对SON组分的影响因所涉及物种的不同而异，从而导致对土壤氮库的不同影响（Chavarria等人，2016年；Muhammad等人，2020年）。具体来说，豆科绿肥由于其独特的生物固氮能力，增加了固氮细菌的相对丰度，从而丰富了SON含量（Coombs等人，2017年；Drinkwater等人，1998年）。相比之下，十字花科家族中的绿肥物种，如油菜，通过促进土壤微生物多样性来增强氮循环，进而增加了SON含量（Seitz等人，2024年）。此外，绿肥作物的种植通过释放根系分泌物改变了微生物组成和多样性，影响了氮的转化过程（Yan等人，2023年）。在农业实践中，绿肥方法通常与合成氮肥结合使用。虽然绿肥提供了有机碳和氮的输入，刺激了微生物活动，但肥料中的矿质氮改变了这些效应的方向和程度。这些改变的程度在很大程度上取决于无机氮的施用量，这可能会增强或减少绿肥对土壤氮库的益处。Daba等人（Daba等人，2025年）证明，种植绿肥并结合减少氮肥施用显著促进了土壤氮的周转并提高了氮的有效性。最近，人们对绿肥和氮肥联合施用对SON组分的影响越来越关注，但从微生物角度对这些过程的研究仍然有限。因此，从微生物的角度阐明绿肥种植与氮肥结合如何调节干旱地区农业生态系统中的SON转化过程至关重要。

土壤微生物在调节氮的积累和转化过程中起着关键作用。这些微生物对氮的转化通常被理解为一个包含六个连续过程的循环（Marcel等人，2018年）。在这个循环中，微生物功能基因对于调节这些转化过程是不可或缺的（Grassmann等人，2022年；Wu等人，2017年）。特别是，编码谷氨酸脱氢酶（gdh）和尿素酶α亚基（ureC）的基因在SON的矿化途径中起着关键作用（Mobley等人，1995年；Zehr等人，2003年）。在硝化过程中，由amoA基因编码的氨单加氧酶将氨转化为羟胺（Liang和Robertson，2021年），随后通过羟胺氧化还原酶（hao）和亚硝酸盐氧化还原酶（nxr）（Simon和Klotz，2013年）氧化为NO₃^-。在反硝化过程中，NO₃^-通过由nar（硝酸盐还原酶编码基因）、nap（硝酸盐还原酶编码基因）、nas（同化硝酸盐还原酶编码基因）、nir（亚硝酸盐还原酶编码基因）和nosZ（一氧化二氮还原酶编码基因）编码的酶依次还原为N₂（Song和Niu，2022年；Wang等人，2021年）。此外，在反硝化作用将硝酸盐还原为铵（DNRA）过程中，nrfA（细胞色素c亚硝酸盐还原酶编码基因）催化NO₂^-的六电子还原为NH₄?，从而在生态系统中保留了可利用的氮（Kraft等人，2014年；Simon和Klotz，2013年）。

参与氮循环的功能基因编码了介导关键氧化还原反应的酶，它们的表达模式直接影响氮氧化物的形成和还原，包括N₂O的排放（Kuypers等人，2018年）。因此，不同农业管理实践引起的参与土壤氮循环的功能基因丰度变化可能会显著改变N₂O的排放量。最近的研究表明，绿肥作物和氮肥施用通过促进关键氮循环基因的表达，增强了土壤氮循环，从而影响了N₂O的排放。Wang等人（Wang等人，2021年）报告称，种植绿肥作物增加了narG、napA和nosZ基因的丰度，从而增强了反硝化作用并减少了N₂O的排放。相反，Li等人（Li等人，2021年）发现，覆盖作物残渣的施用显著增加了累积N₂O的排放量。此外，You等人（You等人，2022年）表明，氮肥施用增加了与硝化和反硝化过程相关的基因的丰度，从而增加了N₂O的排放。然而，绿肥作物种植与适当氮肥施用共同调节土壤氮周转和N₂O排放的机制仍不完全清楚。

本研究基于一项正在进行的8年田间试验，分析了不同绿肥和氮肥处理对微生物群落组成的影响，以及土壤氮库、氮的有效性和农业生态系统中微生物之间的关系。我们测试了以下假设：H1：绿肥和氮肥都会增加土壤氮库，特别是SON组分。H2：绿肥种植可以减轻氮肥对土壤微生物多样性和结构的不利影响。H3：将绿肥与适量的氮肥结合使用，通过提高土壤氮的有效性来增加作物产量，同时减少累积N₂O的排放。这项研究将有助于理解土壤氮的有效性变化，并帮助调节氮循环过程，从而提高干旱地区农业生态系统中小麦的产量，为应对未来的气候和粮食安全挑战提供更可持续的养分管理策略。

实验地点描述和设计

这项正在进行的8年田间试验于2015年6月在陕西省永寿县的余家工村开始（纬度34.73°N，经度108.18°E；海拔1220米）。当地气候属于半干旱大陆性气候，年日照时间约为2166.2小时。该地区的年平均温度为10.8°C，年降水量约为524.4毫米。该地区的主要种植模式是冬小麦后夏休耕的单一种植系统。

土壤氮库

绿肥的种植显著增加了0–20厘米土层中TN、NO₃^--N、MBN和SON组分的内容（图1）。具体而言，BB和RS处理组的平均TN、NO₃^--N和MBN含量分别比FW处理组高16.7%和10.5%、58.9%和25.1%、22.6%和21.9%（图1，P<0.05）。在SON组分中，AHN、AAN、ASN和NHN的含量分别比FW组高11.4%、11.2%、10.3%、32.9%和16.6%。

N

土壤氮库对绿肥和氮肥的响应

与我们的第一个假设一致，氮肥施用显著增加了0–20厘米土层中的TN、NO₃^--N和MBN的含量（图1），这与Ricardo等人（Ricardo等人，2017年）的研究结果一致。MBN的增加归因于微生物对施用氮的吸收，随后通过微生物转化固定为SON（Hu等人，2022年；Ni等人，2021年）。这些结果表明，氮肥施用不仅维持了土壤氮的有效性，而且

结论

在中国黄土高原，将绿肥种植与减少氮肥施用相结合是一种可行的农业管理方式。这项为期8年的田间实验结果表明，绿肥和氮肥在调节干旱地区农业生态系统的土壤氮动态、微生物群落和小麦产量方面起着关键作用。虽然氮肥提高了土壤氮的有效性和细菌丰富度，但它减少了微生物

作者贡献声明

吕慧帅：软件支持。王照辉：方法学、概念设计。蔡永春：数据管理。韩高海：软件支持。曹卫东：方法学、概念设计。高亚军：方法学、概念设计。刘晨曦：初稿撰写、软件支持、方法学、数据管理、概念设计。黄东林：方法学、概念设计。魏晓敏：方法学、数据管理。张大斌：审稿与编辑、方法学、资金筹集、概念设计。魏世杰：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

中国的国家重点研发计划（2021YFD1700200，2023YFD1900900）、国家自然科学基金（资助编号31801942）、中央高校基本科研业务费（资助编号2452017042）以及中国农业研究系统专项基金-绿肥（CARS-22）为本研究提供了财政支持。