《Agriculture》：Growth-Point Detection and 3D–2D Two-Stage Localization of Cucurbit Rootstock Seedlings Using YOLO11-Pose-LGA
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摘要：回收利用粪肥氮（N）可减少矿物肥料的投入，但其对土壤排放的影响尚需评估。本研究开展了一项为期30天、无植物的培养试验，比较了单独施用尿素（N1）、以15%（N2）和30%（N3）成熟羊粪替代尿素，以及不施肥对照（N0）。酸性茶园土壤（pH 4.24；有机
摘要：回收利用粪肥氮（N）可减少矿物肥料的投入，但其对土壤排放的影响尚需评估。本研究开展了一项为期30天、无植物的培养试验，比较了单独施用尿素（N1）、以15%（N2）和30%（N3）成熟羊粪替代尿素，以及不施肥对照（N0）。酸性茶园土壤（pH 4.24；有机质49.4 g kg?1）与粪肥（pH 7.6）在80%水填充孔隙度（WFPS）条件下进行培养。第1–30天累积分子态N?O在N0–N3处理中分别为894.1 ± 15.7、911.5 ± 18.4、960.4 ± 6.0和900.6 ± 13.4 ng g?1干土（平均值 ± 标准误；n = 3）。与N1相比，N2的差异为48.9 ng g?1（未校正95%置信区间为2.8至95.1），N3的差异为?10.9 ng g?1（?57.0至35.3）；经Holm校正后均不显著。N3处理的累积CO?（1478.0 μg g?1）显著高于N1（950.6 μg g?1）。两种替代处理在第30天均提高了DNA归一化的氨氧化细菌（AOB）amoA和nirS基因丰度，而此时N?O通量已下降。氨氧化古菌（AOA）amoA和nirK缺乏显著的处理 × 天数交互作用，nosZ也无显著的特定日对比。探索性结构方程模型（SEM）和Mantel分析未能确定微生物驱动因素：经分类天数调整后，无N?O预测因子保持显著，且无Mantel关联在错误发现率（FDR）校正后存活。30%替代率值得田间评估，但实验室非显著性并不能证明排放等效性或农艺效益。
论文解读
一、研究背景与研究目的
农业土壤是氧化亚氮（N?O）的重要排放源，其产生与氮肥管理密切相关。集约化施肥的茶园因大量氮投入与酸性土壤条件并存而受到特别关注。用粪肥氮部分替代矿物肥料氮，可将农业废弃物中的养分归还土壤，同时减少矿物肥料投入。已有全球综合研究发现，粪肥替代可在不显著改变N?O排放的前提下改善作物生产力和土壤碳储量。然而，替代效果取决于物料类型、替代比例和受体土壤性质。成熟羊粪作为一种回收氮源，其碱性pH与茶园强酸性土壤形成鲜明对比，这一物料—土壤组合值得评估。已有茶园土壤培养研究比较了猪粪或稻草的25%和50%替代并报告了N?O减排，但关于在强酸性茶园土壤中使用其他有机肥时，适度替代率如何影响氮有效性和排放的问题仍未解决。因此，本研究在四川西部酸性茶园土壤中比较了15%和30%羊粪氮替代尿素的效果，以评估适度替代水平对N?O排放、矿质氮动态和氮循环功能基因丰度的影响。
二、研究内容与主要结论
研究人员于2024年7月至9月在成都农业农村部沼气科学研究所开展了为期30天的无植物培养试验。供试土壤采自四川西部茶园0–20 cm土层，为酸性黄壤（pH 4.24，有机质49.4 g kg?1）。试验设四个处理：不施肥对照（N0）、单独尿素（N1）、15%羊粪氮替代（N2）和30%羊粪氮替代（N3），每处理三次重复。各施肥处理均接受300 kg N ha?1的田间当量总氮投入。土壤在80%水填充孔隙度（WFPS）和25°C条件下培养30天。研究测定了N?O、CO?和CH?通量及累积排放量、溶解性有机碳（DOC）、NH?+-N和NO??-N动态，以及氨氧化古菌（AOA）amoA、氨氧化细菌（AOB）amoA、nirS、nirK和nosZ功能基因的DNA归一化丰度。统计分析采用重复测量方差分析（ANOVA）、Holm校正的特定日对比、探索性Pearson相关、Mantel检验和结构方程模型（SEM）。
三、关键技术方法
研究采用封闭顶空气体培养系统监测气体通量，气相色谱仪（GC-2014C，岛津）分别以电子捕获检测器（ECD）测定N?O、火焰离子化检测器（FID）测定CH?、经甲烷转化器催化转化后测定CO?。土壤矿质氮以1 mol L?1 KCl提取后分别以靛酚蓝比色法和紫外分光光度法测定。DNA提取采用ZymoBIOMICS DNA Microprep Kit，定量PCR（qPCR）使用QuantGene 9600系统对五种功能基因进行定量，以质粒标准品建立标准曲线。统计分析使用Python 3.14.7和R 4.4.2完成。
四、研究结果
4.1 温室气体通量的时间动态
N?O通量在培养期间总体下降，处理 × 天数交互作用显著（p < 0.001）。经Holm校正的特定日对比显示，N2在第3天低于N3，在第10和20天高于N3；相对N1，N2在第1和20天较高、在第3和10天较低，N3在第10天较低、第20天较高。CO?通量在第1至第3–5天上升后总体下降，N3在第20天再次升高（处理 × 天数p = 0.00242）。N2和N3在第5天超过N1，N3在第20天经Holm校正后超过两者。CH?通量在净吸收与释放间波动，处理 × 天数交互作用不显著。
4.2 累积气体排放与表观排放因子
累积N?O在N0–N3中分别为894.1 ± 15.7、911.5 ± 18.4、960.4 ± 6.0和900.6 ± 13.4 ng g?1干土。六对两两比较经Holm校正后均不显著，包括N0对N1（校正p = 1.000）。与N1的差异，N2为+48.9 ng g?1（+5.4%），N3为?10.9 ng g?1（?1.2%）。累积CO?在N3中为1478.0 μg g?1，显著高于N1（950.6 μg g?1）和N2（1137.4 μg g?1）。累积CH?在N0–N3中分别为521.5、?39.0、?48.4和?192.5 ng g?1，仅N0与N3差异显著（校正p = 0.0402）。N1–N3的表观N?O排放因子分别为0.0085%、0.0324%和0.0032%。
4.3 DOC与矿质氮动态
DOC在第1至第5天下降后保持相对稳定，处理 × 天数交互作用显著（p < 0.001）。NH?+-N浓度呈现不同时间模式（处理 × 天数p < 0.001）：两种替代处理在第1和30天低于N1，在第5、7、10和20天高于N1。第1天时N1和N2的NH?+-N浓度已达390.1和309.4 mg N kg?1。NO??-N在第3天下降后向第30天上升（处理 × 天数p < 0.001），第30天顺序为N3 > N1 > N2，N3平均为81.6 mg N kg?1。总提取矿质氮在第3天时N1和N2分别平均为435.7和525.9 mg N kg?1，而N0仅为28.7 mg N kg?1。
4.4 功能基因响应
DNA归一化的AOB amoA和nirS在第30天时两种替代处理均显著高于N1（Holm校正后）。这些差异出现在N?O通量已降至处理均值低于700 ng kg?1 h?1之后。AOA amoA和nirK缺乏显著的处理 × 天数交互作用（GG p = 0.0501和0.345）。nosZ虽有显著交互作用（GG p = 0.0182），但N1–N3间无显著特定日对比。
4.5 探索性关联与时间混杂
在12个处理 × 天数均值中，N?O通量与DOC正相关（r = 0.905）、与NO??-N负相关（r = ?0.739），DOC与CO?通量负相关（r = ?0.741），三者经BH-FDR校正后p < 0.05。30个Mantel关联均未保留FDR显著性。探索性SEM中，经分类天数调整后无N?O预测因子保持显著，表明未调整天数的模型无法区分功能关系与共享时间趋势。nirS–N?O关联仅在49.7%的可估计复制标签映射中保持p < 0.05，对气体和土壤瓶间任意对齐的敏感性进一步限制了机制解释。
五、讨论与结论
讨论部分指出，15%和30%羊粪氮替代均未在Holm校正标准下显著改变累积N?O，试验未提供累积减排或比例依赖排放增加的证据。单日期的通量对比方向变化解释了为何个别日期的低排放未转化为累积减排。与先前使用猪粪或稻草的茶园土壤培养研究报告的减排结果不同，物料组成、土壤性质和培养条件的差异可能造成这种差异，但本研究未独立检验这些因素。矿质氮方面，施肥后24小时即出现大量NH?+-N积累，第1至第3天的变化代表该时段内可提取NH?+-N的净变化而非总转化量。高NH?+-N不能仅归因于肥料氮，因为土壤初始总氮为2.87 g kg?1且N0的矿质氮池在培养期间大幅变化，表明存在动态的本土氮贡献。第3至第5天N1和N2的总矿质氮分别下降216.4和238.8 mg N kg?1，仅靠硝化作用无法解释其总和下降。第30天AOB amoA和nirS的DNA归一化丰度增加发生在N?O通量下降之后，表明基因库与气体交换之间存在时间解耦，DNA丰度不能作为这些基因驱动早期排放峰的证据。碱性羊粪可能改变氨有效性和酸胁迫，为AOB响应提供合理基础，但粪肥pH本身不能量化中和能力或证明处理水平的土壤pH变化。
结论部分翻译如下：在本酸性土壤培养试验中，15%和30%羊粪氮替代在Holm校正标准下均未显著改变相对单独尿素的累积N?O。30%处理增加了累积CO?，而两种替代处理均在N?O通量下降后提高了第30天的DNA归一化AOB amoA和nirS丰度。这些基因响应和探索性关联不能建立因果排放机制。30%替代率值得田间评估，但实验室非显著性不能证明排放等效性、最优比例或农艺效益。田间评估应包括茶树氮吸收、产量、季节性排放以及与高残留硝酸盐相关的淋溶风险。
