产量等效掩盖了水稻全量与部分有机肥替代下土壤氮素分配的差异

《Applied Soil Ecology》：Yield equivalence masks contrasting soil nitrogen partitioning under full and partial organic fertilizer substitution in paddy rice

　　

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  相似的稻米产量掩盖了截然不同的收获后土壤氮库构型。
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  在两个土层深度，施肥处理间的多元氮库特征均存在差异。
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  部分替代有利于硝酸盐积累；完全替代则有利于微生物量氮和溶解态有机氮库。
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  表层土壤群落表现出处理间分离及分类群特异性生物标志物。
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  宏基因组基因提供了功能背景信息，但无法证实氮转化速率。

引言

稻米产量的形成不仅取决于施入氮素的总量，还取决于土壤氮素的释放与有效性是否与关键生长期的作物氮需求同步（Coggins等，2025；Mason等，2022）。尽管集约化的化学氮素施肥可以维持较高的稻米产量，但过量的矿物氮投入往往降低氮素利用效率，并增加活性氮素通过淋溶和径流流失以及气态排放的风险（Cai等，2022；Hei等，2023）。在洱海流域等流域型稻田系统中，这一矛盾尤为突出，因为维持水稻生产必须与减轻农业非点源氮污染相协调（Yang等，2026；Zhao等，2023）。因此，有机肥料替代被推广为在维持作物生产力的同时减少化学氮素投入的策略。然而，尚未解决的问题并非仅仅是化学氮素能否在不减产的情况下被部分替代，而是有机肥料替代如何重塑具有不同周转速率、垂直分布和根系可及性的不同土壤氮库中氮素的释放与有效性，以及这些变化如何与稻米产量形成的不同组分相关联（Gao等，2024；Kumar等，2016）。

除了减少矿物肥料投入外，用有机氮源替代还可能通过将氮素在无机态、微生物量和溶解态有机氮库之间重新分配来改变作物表现（Geisseler和Scow，2014；Shu等，2022）。以往研究表明，完全和部分有机替代可以增加活性有机底物和微生物量，并改变残余矿物氮库，从而改变作物可利用的土壤氮环境（Iqbal等，2022；Wang等，2023）。因此，产量响应的差异不太可能仅由总氮投入量来解释，而可能取决于矿物氮、微生物量氮和溶解态有机氮中氮素有效性的配置格局（Hou等，2024；Kuzyakov和Blagodatskaya，2015）。然而，完全有机替代和部分有机替代并不一定以相同的方式影响水稻生产。对中国田间研究的一项元分析显示，水稻产量对不同替代比例表现出截然不同的响应：用畜粪部分替代合成氮肥使水稻产量提高了3.3%，而完全替代则使产量下降了4.1%（Zhang等，2020）。与完全有机替代相比，部分有机替代可能在维持较强化学氮供应的同时改善土壤肥力，这表明氮素有效性模式存在差异（Hou等，2023）。这些截然不同的产量响应通常被解释为反映了部分和完全有机替代之间氮素供应模式的差异。然而，这些解释主要基于产量结果，在不同替代策略下实现的相似产量是否得到了相似或截然不同的土壤氮库构型的支持，目前尚不清楚。

微生物群落结构和氮循环功能基因谱提供了互补的生态学维度，用于解释土壤氮的分配格局。有机改良剂可以改变微生物量、群落组成以及参与氮素保留和转化的特定基因的丰度（Li等，2023；Yang等，2024）。然而，土壤氮库状态的变化并不一定需要氮循环基因库的广泛重组，因为土壤氮的有效性还反映了微生物量动态、底物供应、生态选择和环境调控等因素。因此，整合这些测量数据有助于判断截然不同的氮库构型是与广泛的微生物群落转变相关，还是与微生物功能潜能的定向变化相关。

因此，本研究探讨了完全有机替代和部分有机替代是否通过相似或不同的土壤-微生物氮有效性构型来维持水稻生产，以及这些构型是否与稻米产量形成的不同组分相关联，而不仅仅是最终的籽粒产量。为回答这一问题，我们在洱海流域的一项长期稻田肥力试验中考察了四种施肥处理：不施肥（CK）、纯化学施肥（CF）、完全有机替代（OF）以及通过有机无机配施实现的部分有机替代（COF）。采用收获后采样来表征在上述长期施肥制度下经一个完整水稻生长季形成的整合性季末土壤氮素状态。我们首先量化了0-20 cm和20-40 cm土层的土壤氮素组分，以确定这些处理在矿物氮、微生物氮和溶解态有机氮库之间的氮素分配是否存在差异。然后将这些氮库模式与籽粒产量及选定的产量构成因子相关联，以评估相似的产量是否掩盖了构成因子层面的差异响应。最后，我们整合了微生物群落组成和氮循环功能基因谱，以确定氮库分配的差异是否伴随着微生物功能潜能的相应转变。

章节摘要

试验地点描述、试验设计与土壤采样

本研究在中国云南省大理市喜洲镇的一项长期施肥田间试验中进行（25.8°N，100.1°E）。试验点位于云南高原的洱海流域内，海拔约1900米。该地区属高原季风气候，年平均降水量为1048毫米，年平均气温为14.6°C。该地的轮作制度为水稻-蚕豆-水稻-大蒜的稻田-旱地轮作，其中水稻

稻米产量、产量构成因子及秸秆干生物量

CF、OF和COF三种施肥处理的籽粒产量无显著差异，范围为1.1 × 10⁴至1.3 × 10⁴ kg·ha^?1（图1a）。然而，产量构成因子在不同处理间表现出不同的响应（表S3）。COF处理的有效穗数显著高于CF处理，增幅达23.4%（p < 0.05；图1c）。各施肥处理间每穗粒数无显著差异（图1d）。结实率为

有机替代产生了截然不同的土壤氮分配格局

本研究显示，在总氮投入量相等的条件下，不同的有机替代制度主要与收获后土壤氮的保留形式差异有关，而非整体土壤氮素状态的均匀增加。尽管CF、OF和COF处理的表层土壤全氮和NH₄⁺-N无显著差异，但NO₃^?-N、微生物量氮（MBN）和溶解态有机氮（DON）对施肥制度响应明显。这表明有机替代主要影响了不同土壤氮

结论

本研究表明，CF、OF和COF之间相似的稻米籽粒产量与截然不同的季末土壤氮库构型并存。COF呈现出以矿物氮为导向的特征，表现为较高的表层土壤残余NO₃^?-N，而OF则表现出更多的氮素保留于微生物量氮和溶解态有机氮库中，同时心土层NH₄⁺-N含量更高。这些截然不同的氮库构型伴随着不同的产量构成因子响应：COF提高了有效穗数，

CRediT作者贡献声明

王永清：撰写——初稿，可视化，形式化分析。黄艳勤：撰写——审阅与编辑，调查，形式化分析。沈世州：项目管理，获取资助。任天靖：撰写——审阅与编辑。杜慧颖：撰写——审阅与编辑，项目管理，获取资助，概念化。

资助

本研究由中国云南省基础研究计划资助（202301AT070245）。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

王永清|黄艳勤|沈世州|任天靖|杜慧颖