《Applied Soil Ecology》：Agricultural and socio-ecological benefits of reducing chemical nitrogen fertilizer and using organic amendments: a sugar beet case study in China's black soil region
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黑土区甜菜种植中20%化学氮肥减量并有机替代可显著提升土壤质量指数10.64–19.15%、根茎产量3.78–12.36%及经济效益13.40–128.91%，同时促进有益微生物群落发育。
郭云龙|林晓晨|穆罕默德·法希姆·阿迪尔|穆罕默德·伊什法克|穆罕默德·里亚兹|沙法克·塞哈尔|杨松林|王岩|严志山|宋白泉
中国黑龙江省哈尔滨市国家甜菜作物改良中心，邮编150080
摘要
在中国甜菜生产中过量施用化学氮肥导致了资源浪费和环境污染。减少这些化肥并使用有机资源替代对黑土地区甜菜（Beta vulgaris）农田的影响仍不确定。因此，我们在黑土地区的两个地点进行了为期两年的田间试验（2022-2023年），评估了减少20%和40%氮肥的方案，并补充了有机资源（大豆秸秆、禽粪和有机肥料）。结果表明，与传统化学氮肥相比，减少20%的氮肥施用量会导致土壤有机质（SOM）含量和酶活性下降。20%的有机替代处理（使用大豆秸秆、禽粪和有机肥料）导致温室气体排放（N2O和CO2e）增加了0.74%至9.22%，同时土壤质量指数显著提高（10.64–19.15%）。甜菜根的产量增加了3.78–12.36%。这带来了显著的利润（13.40–128.91%）、生态（45.85–192.90%）和社会效益（46.03–194.04%）提升。此外，20%的有机替代处理（使用大豆秸秆和禽粪）增强了Sphingomonas和Bradyrhizobium的生长，并增加了微生物共存网络中的正向相互作用比例。总之，在两个试验地点，20%的有机替代化学氮肥（CNF）提高了甜菜产量，促进了中国黑土地区的土壤健康。这种方法支持可持续的甜菜种植和黑土资源的保护。
引言
全球人口增长和经济发展加剧了人为温室气体排放。研究表明，全球食品系统中的农业活动约占人为N2O排放量的60–80%，且这一增长率正在逐渐加快（Feng等人，2023年；Thompson等人，2019年）。长期过量使用化学氮肥在农业中导致了更严重的问题，包括土壤退化和温室气体排放增加（Liao等人，2024年；Liu等人，2023年；Yokamo等人，2025年）。黑土被认为是全球营养最丰富且高碳含量最少的土壤类型（Wang等人，2022a；Wang等人，2024b），在中国东北地区尤为突出。然而，由于高强度耕作和长期施用化学肥料，该地区经历了显著的有机碳损失、矿物质耗竭和农业生态功能下降（Wang等人，2024e）。中国黑龙江省拥有全国40%以上的大豆种植面积，同时该地区还饲养了超过1.5亿只家禽（Zhu等人，2023年）。由此产生的作物残余物和畜禽废弃物富含天然有机资源（Qiao等人，2019年）。添加有机肥料可以显著提高土壤有机碳含量，减缓退化并提高生产力。用有机替代品部分替代无机肥料已被证明是减少环境退化和保障粮食安全的有效方法。因此，这种方法正成为农业生产可持续性研究的重要焦点（Berhane等人，2020年；Ren等人，2023年；Shi等人，2024年）。
尽管有机肥料提供全面的营养、持久的效果和环境效益，但它们通常被视为化学肥料的可行替代品（Eyhorn等人，2019年）。然而，如果完全依赖有机肥料，可能会导致土壤中氮素不足，从而可能降低作物产量（Knapp和van der Heijden，2018年；Wu等人，2024年）。相反，部分用有机肥料替代化学肥料可以满足作物的营养需求，同时通过调节土壤中的氮转化过程来增强微生物活性。这种方法有助于缓解土壤退化并促进氮固定（Wang等人，2024a；Xu等人，2024a）。此外，它还积极影响土壤的物理化学特性以及微生物群落的结构和功能。例如，在粘壤土中施用猪粪可以显著增加土壤有机碳，并提高小麦-水稻系统的生产力和环境效益（Xu等人，2024c）。Yu等人（2020年）报告称，使用有机肥料可以提高水稻种植区的碳和氮含量。同样，将秸秆、生物炭和粪肥掺入红土中可以改善微生物群落结构并提高土壤质量（Chen等人，2024年）。总体而言，采用替代肥料策略对土壤质量和可持续农业发展有积极影响。已经有许多关于谷物作物（如小麦（Li等人，2023年）、玉米（Xu等人，2023a）、水稻（Liao等人，2023年）和其他粮食作物（Ishfaq等人，2023年）的有机替代研究。然而，这种替代对黑土地区甜菜产量及其社会/生态效益的影响尚未完全了解。
土壤微生物参与养分转化和维持土壤生态系统稳定性（Ablimit等人，2022年；Fan等人，2022年）。这些过程通过促进碳、氮和磷等关键元素的循环，直接作用于土壤肥力和作物生产力（Philippot等人，2024年）。此外，长期使用化学肥料会导致土壤酸化、压实和其他不良影响，从而降低微生物多样性和功能基因丰富度（Ren等人，2021年）。有机替代策略通过添加秸秆和有机肥料来改善土壤。这为土壤微生物提供了丰富的碳和养分，刺激其代谢，优化其群落结构，并增强纤维素酶和木质素酶等降解酶的活性（Tang等人，2023年）。在微生物功能层面，有机肥料改良通过代谢激活土壤养分，调节氧化还原反应，改善水分和养分保持能力，抑制病原体，并增强生态系统韧性（Mattila，2024年；Seneca等人，2021年；Usman等人，2025年）。此外，它促进了包括反硝化细菌和甲烷菌在内的功能性微生物的增殖，显著增加了与氨氧化、硝化-反硝化和甲烷代谢相关的功能基因的丰度（Chen等人，2023年；Levy-Booth等人，2014年）。这些微生物过程直接调节温室气体的产生和消耗平衡。
有机肥料对温室气体排放的影响复杂且取决于具体情境（Vitale等人，2017年；Wang等人，2024c），其中土壤微生物是关键驱动因素。虽然有机肥料中碳的微生物分解会导致短期内CO?排放增加（Hu等人，2023年），但从长期来看，这种初始释放被增强的土壤碳封存和有机碳含量增加所抵消，从而实现净排放减少（Han等人，2022年）。一氧化二氮主要通过微生物驱动的硝化和反硝化过程产生（Tedeschi等人，2021年）。虽然有机肥料中氮的缓释性质可能减缓峰值排放，但在高氮可用性或潮湿条件下仍存在风险（Xu等人，2023b）。因此，有机肥料对农田温室气体排放的影响高度依赖于具体情境，包括试验地点、土壤类型和施肥方法。
甜菜（Beta vulgaris L.）是一种属于苋科的二年生植物，以其强大的耐寒性和作为经济作物的高价值而闻名（Usmani等人，2022年）。它于1906年被引入中国东北地区，此后成为该地区最重要的糖作物（Liu等人，2024年）。鉴于甜菜对氮的高需求（Zhou等人，2024a），在减少环境影响的同时管理氮输入对其可持续种植是一个关键的科学挑战（Zhou等人，2024a）。在这项综合研究中，我们在中国东北黑土地区进行了为期两年的田间试验，评估了单独减少化学氮肥以及部分用不同比例和类型的有机肥料替代其对甜菜生产的影响。本研究的主要目标有三个：（1）研究减少化学氮肥和不同比例有机肥料对甜菜产量和质量的影响；（2）评估有机替代在甜菜生产中的农艺和社会生态优势；（3）分析微生物群落结构和功能对黑土中有机替代的响应。我们的研究为化学氮肥的有机替代提供了理论和实践见解，有助于保护黑土质量并推进可持续甜菜生产。
研究地点和设计
研究地点和设计
2022年和2023年，田间试验在中国黑龙江省的哈尔滨（126°25′ E, 45°49′ N）和双鸭山（129°55′ E, 45°35′ N）进行。哈尔滨地区的土壤被归类为黑土（粘壤土），双鸭山地区的土壤被归类为白土（沙壤土）。播种前的土壤理化特性在表S1中提供，同时展示了研究期间的平均季节温度和总降水量（见图）。
化学氮肥减少和有机替代对土壤性质的影响
2022年的试验结果表明，与传统化学氮肥处理（CK）相比，20%和40%的有机替代处理（OC20、OM20、OC40、OM40）使哈尔滨和双鸭山的土壤pH值显著提高了2.03–5.74%，AN含量提高了2.59–18.58%。在这些处理中，20%的有机替代处理（OC20和OM20）显示出统计学上的显著变化（P < 0.05）。所有处理都提高了两个研究地点的土壤质量指数（SQI）。
讨论
在这项研究中，仅减少20%的化学氮肥施用量就导致甜菜根际土壤有机质（SOM）、矿物养分含量和酶活性（如蔗糖酶、过氧化氢酶和尿素酶）下降。当氮肥不足时，作物会更加依赖土壤中的有机氮，这会促进土壤有机质的分解（Farzadfar等人，2021年）。这种不足还可能导致各种负面后果，例如作物根系生长受抑制。
结论
我们研究了连续两年内在黑土地区减少氮肥投入和使用有机替代品的综合效果。与传统化学氮肥施用相比，减少20%的化学氮肥，并结合20%和40%的有机替代处理，带来了土壤质量指数提高、甜菜产量增加以及生态和社会效益提升等优势。
作者贡献声明
郭云龙：撰写——初稿、调查、数据管理、概念化。林晓晨：可视化。穆罕默德·法希姆·阿迪尔：撰写——审稿与编辑。穆罕默德·伊什法克：撰写——审稿与编辑。穆罕默德·里亚兹：撰写——审稿与编辑。沙法克·塞哈尔：撰写——审稿与编辑。杨松林：可视化。王岩：撰写——审稿与编辑。严志山：撰写——审稿与编辑。宋白泉：撰写——初稿、验证、监督、方法学、资金支持
致谢
作者感谢中国国家重点研发计划（2025YFF1000400）、中国农业研究系统专项基金（CARS-17）以及耕地资源利用与保护共性技术创新团队（CARS-52）的支持。
