矿物结合态有机质中化肥氮与凋落物氮的快速结合及稳定性差异

《Soil Biology and Biochemistry》：Rapid Incorporation but Contrasting Stability of Fertilizer Versus Litter Nitrogen in Mineral-Associated Organic Matter

　　## 摘要- 肥料氮和残茬氮在3周内迅速进入矿物结合有机质（MAOM）。- 进入MAOM的肥料氮较少（占施入氮量的11.9%至20.8%），低于残茬氮（21.1%至30.8%）。- 肥料来源的MAOM-N在连续化学提取中更易被去除。- 微生物活动与低碳农田土壤中MAOM-N的形成相关联。- 低碳农田土壤中进入MAOM的肥料氮少于草甸土壤。## 引言农业生产者在作物生长周期内，尤其是早春作物建立期的关键阶段，需要确保作物获得充足的氮（N）供应，但此时施入的大量氮素容易通过反硝化作用和淋溶作用而损失（Fowler等，2013）。例如，播种种子和施肥同时进行的做法虽然操作便利且已被证明有助于提高产量，但在作物根系建立、能够有效吸收氮素之前的数周内，会导致土壤中积累过量氮素（Bowles等，2018；Fontaine等，2024）。当通过覆盖作物残茬分解提供氮素时，氮素供应与作物需求之间的同步性可能更高，因为这一过程比无机肥料施用更为渐进和持续，但会受到气候、土壤和管理措施等因素的影响（Thapa等，2022）。对于无机肥料和覆盖作物残茬两种来源的氮素，我们需要进一步了解其在土壤中的归宿，以提高作物氮利用效率。新的土壤氮素输入可以快速稳定，并通过与粉砂和黏土矿物颗粒的结合而逐步释放。矿物结合有机质（MAOM）由与粉砂和黏粒级矿物结合的化合物组成，富含相对较低分子量的有机化合物（Theng，1979；Six等，2002；Lavallee等，2020）。MAOM可以在新基质添加后的数天内形成（Heckman等，2013；Balabane和Balesdent，1992；Kong等，2007），并储存了全球农业土壤氮素的40%-80%（Jilling等，2018；Griffen等，2026）。历史上，MAOM被认为是一个相对稳定的氮库，植物和微生物难以利用（Theng，1979；Hassink，1997）。然而，较新的证据表明，部分MAOM处于活跃循环状态，可以被植物和微生物利用（Keiluweit等，2015；Jilling等，2018，2021；Villarino等，2023；Leuthold等，2025）。这意味着MAOM可以在生长季早期捕获过剩的氮素，减少易损失的无机氮库。被保留的氮素能否为作物提供养分，取决于其与矿物的结合强度以及释放的时间尺度是否与作物需求同步（Jilling等，2025）。在本研究中，我们将MAOM-N的稳定性操作性地定义为在连续化学提取过程中对释放的抵抗能力。这种操作性稳定性不同于生物可利用性和周转时间，后者取决于植物或微生物在土壤条件下能否获取和利用MAOM-N。对释放的抵抗能力可以反映结合键的强度、结合点的数量，以及有机质是直接结合到矿物上还是与其他有机质结合（Sollins等，2006；Kleber等，2015）。较弱的相互作用，如范德华力，容易被破坏；而较强的结合，如共价键，则需要更多能量才能断裂（Kleber等，2015；Jilling等，2018）。根系分泌物和微生物活动可以触发有机质从矿物表面释放，使其具有生物可利用性（Keiluweit等，2015；Meier等，2017；Jilling等，2021，2025；B?lscher等，2025），但以此方式释放氮素的时机和数量可能取决于所涉及的有机-矿物结合键的类型和强度。MAOM形成的途径应该会影响其所储存氮素的数量和稳定性。从分解残茬中释放的可溶性植物化合物可以直接吸附到矿物表面（Córdova等，2018；Sokol等，2019），或者在吸附前被微生物处理（Whalen等，2022）。微生物可以吸收肥料来源和残茬来源的氮素，其残体和代谢产物提供了可以与矿物结合的含氮有机化合物。这些化合物的化学组成可能随微生物群落结构、氮素来源和碳可利用性的变化而改变，从而影响所形成的MAOM的形成和稳定性。例如，残茬化学性质，特别是碳氮比和难降解化合物的存在，会影响其被微生物处理和纳入MAOM的速度和效率，但这也因土壤条件而异（Castellano等，2015；Cotrufo等，2022；Craig等，2022）。微生物是将无机氮还是有机氮输入更有效地转化为MAOM，目前尚不清楚。但微生物的能量需求表明，有机氮输入伴随提供的碳可能刺激微生物活动和MAOM的形成（Pan等，2023）。高浓度的无机氮可以通过直接的化学效应（如渗透胁迫或酸化）或间接效应（如微生物群落活动和组成的变化）来抑制或改变微生物活动（Zhang等，2018）。另一方面，在残茬输入的同时添加无机氮可能协同促进MAOM的形成（Meng等，2024）。最后，已有的土壤有机质含量可能改变新MAOM形成的动态过程。例如，有机质贫乏土壤中矿物的表面可能有更多未被占据的区域，因此对新有机质的直接吸附潜力更大；而有机质丰富土壤中矿物的相互作用可能仅限于已有MAOM与新MAOM之间的结合，即有机-有机结合（Georgiou等，2025）。尽管MAOM已被广泛表征，但我们对氮素输入类型和已有有机质储量是否同时影响MAOM-N的形成量及其稳定性（即从MAOM中释放的抵抗能力）知之甚少。这一点在早春的例子中尤为相关，因为农田中可能同时存在超出植物需求的肥料氮和覆盖作物残茬氮。需要更多的实验将MAOM-N的形成与从矿物表面释放的抵抗能力测量相结合（如Jilling等，2024；Leuthold等，2025）。为填补这一空白，我们旨在比较不同氮素输入的MAOM形成动态。我们使用为期3周的培养实验来追踪有机氮和无机氮被纳入新MAOM-N的过程。我们定量分析了由1?N标记的无机肥料、1?N标记的黑麦根系、1?N标记的黑麦地上部分单独施用或组合施用（氮肥料+1?N根系或氮肥料+1?N地上部分）所形成的新MAOM-N。我们将这些氮素来源施用于低碳农田土壤和高碳草甸土壤（碳含量分别为0.72%和2.37%），定量分析了纳入MAOM的1?N量，并通过后续的连续化学提取来估算其稳定性。我们的研究目标为：(1)确定氮素输入类型（无机氮、有机氮或组合）如何影响进入MAOM的氮素输入量；(2)评估肥料来源的MAOM-N是否比根系或地上部分残茬来源的MAOM-N更容易被化学脱稳；(3)确定肥料是否存在对残茬形成新MAOM-N的抑制效应；以及(4)在具有不同管理历史的两种土壤（农田与草甸）中评估这些动态过程。我们的总体假设是，在3周培养期内，MAOM将保留来自残茬和肥料两种来源的相当比例的氮素。我们预计更多残茬氮而非肥料氮会被纳入MAOM，因为残茬提供了刺激微生物处理和MAOM形成的碳（图1）。我们进一步预测，肥料来源的MAOM-N更容易被化学提取，因为部分肥料铵离子（NH??）可以与黏土进行弱结合。相比之下，残茬氮以植物或微生物来源的有机化合物形式进入MAOM，这些化合物预期会形成更强的矿物结合（Nommik和Vahtras，1982；Nieder等，2011）。最后，我们预测肥料添加将通过改变微生物活动来减少残茬来源的氮素被纳入MAOM的比例（Frey等，2004；Morrison等，2018；Kavamura等，2018）。## 章节片段### 土壤两种土壤均为来自Hollister系列的黏壤土（典型裂土），以2:1型黏土矿物为主，粒径分布相似，但草甸土壤的黏土含量略高（农田：35%砂粒、36.3%粉砂、28.8%黏粒；草甸：28.8%砂粒、37.5%粉砂、35%黏粒）（表1）。通过X射线衍射分析的黏粒组分表明，这两种土壤均以2:1型层状硅酸盐黏土为主（Griffen等，2026），pH值均为7.9。一种土壤采集自永久性草甸。### 培养测量呼吸作用作为微生物活性的替代指标进行了测量，因为微生物是氮循环的关键驱动因素。在培养过程中，草甸土壤的累积呼吸量显著高于农田土壤，整体平均呼吸量为471.2±27.2 μg C g?1土壤，而农田土壤整体平均值为274.4±22.8 μg C g?1土壤（图2）。氮素输入类型也有显著影响，但未观察到呼吸量方面的交互效应。### MAOM作为短期氮库本研究表明，MAOM可以快速积累新的氮素输入。在所有输入和土壤处理中，添加的肥料和残茬中的1?N在仅3周的培养期内就进入了MAOM库，平均回收率根据氮素来源类型和土壤来源的不同，在11.9%至30.8%之间。这代表了总MAOM-N中一个虽小但重要的比例，同位素来源的氮素从草甸肥料处理的1.3%到农田根系残茬处理的3.6%不等。### CRediT作者贡献声明**Marco Keiluweit：** 写作 – 审阅与编辑，方法学，资金获取，概念化。**Rachel Hestrin：** 写作 – 审阅与编辑，方法学，概念化。**Gabriella Griffen：** 写作 – 审阅与编辑，方法学，概念化。**Andrea Jilling：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，资金获取，概念化。**Emma Bergh：** 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿撰写，可视化，方法学，形式分析，概念化。### 生成式AI及AI辅助技术在写作过程中的使用声明作者在撰写过程中使用了GPT-5.6 Luna和Claude Opus工具，选择性地优化了手稿的语言表述，以提高清晰度并保持一致的格式。### 利益冲突声明? 作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。### 致谢新罕布什尔大学的土壤生物圈过程项目得到了美国国家科学基金会生态系统项目（资助编号2103114）和新罕布什尔州农业实验站的支持。G.M.G.、R.H.和M.K.开展的工作由美国国家科学基金会（资助编号2103076）资助给马萨诸塞大学安姆斯特分校，以及美国农业部国家食品与农业研究所Hatch多州项目（NC1178）资助。A.J.开展的工作由美国国家科学基金会支持。---Emma Bergh | Andrea Jilling | Amanda Daly | Jessica Ernakovich | Gabriella Griffen | Rachel Hestrin | Marco Keiluweit | Aniko Konya | Andrew Whitaker | A. Stuart Grandy