马铃薯与大豆间作增加了土壤N2O排放，但通过氮增效技术得到缓解

《Industrial Crops and Products》：Potato intercropping with soybean increased soil N 2O emissions, but was alleviated by nitrogen-enhanced-efficiency techniques

　　

尽管间作改善了时空资源利用、促进了土壤养分吸收并提高了作物产量，但非禾本科/豆科系统中的复杂根际互作可能刺激N₂O排放。本研究通过两项盆栽试验，在马铃薯/大豆系统中探讨了这一权衡，并测试了潜在的缓解策略。研究结果证实，与马铃薯单作和大豆单作相比，马铃薯/大豆间作分别显著增加了35.70%和19.04%的N₂O排放。该效应归因于根际互作，因为在根系分隔处理下观察到更低的排放。土壤NH₄⁺-N、NO₂^--N和充水孔隙度（WFPS）与N₂O排放呈正相关。第二项试验表明，虽然微生物菌剂接种有利于减少N₂O，但硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑琥珀酸（DMPSA）最为有效，同时将一氧化氮（NO）和N₂O排放分别降低了92.78%和60.77%。总之，尽管马铃薯/大豆间作下N₂O排放的增加可能削弱其生态效益，但这一权衡可通过靶向增效技术得到有效管理。采用硝化抑制剂或具有减少N₂O排放能力的微生物菌剂接种，是减少活性氮损失并改善保护性农业中氮管理的有效策略。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**

氮素是作物必需的元素，对全球粮食安全至关重要，但过量施用氮肥导致农田活性氮大量损失，包括氨（NH₃）、氧化亚氮（N₂O）和一氧化氮（NO）排放，以及氮淋溶。当前全球氮循环已超出行星边界安全阈值，引发空气质量下降、气候变化和酸沉降等环境问题。间作作为一种保护性农业实践，通过种间竞争和时空生态位分化提高资源利用效率，并促进根际微生物活性，从而改变氮转化和损失。然而，间作对土壤N₂O排放的影响存在不确定性：部分研究显示间作增加N₂O排放，另一些则表明减少。近期数据综合分析表明，非禾本科与豆科作物间作倾向于增加N₂O排放，其机制尚不明确。此外，硝化抑制剂（NIs）和微生物菌剂等增效技术在不同间作系统中的减排效果有待验证。本研究旨在通过盆栽试验，验证非禾本科作物（马铃薯）与豆科作物（大豆）间作对N₂O排放和NH₃挥发的影响，并评估增效技术的缓解潜力。论文发表在《Industrial Crops and Products》。

**主要技术方法**

研究人员采用两项盆栽试验，土壤取自中国昆明（24.85°N，102.87°E）的丘陵农田，经风干、过筛（2 mm）后均质化。试验Ⅰ设置7个处理（含马铃薯单作、大豆单作、根瘤菌接种、根系分隔、间作、间作加根瘤菌、间作加臂形草），氮肥按120 kg N ha^-1分两次施用。试验Ⅱ设置7个处理（含大豆单作、间作、微生物菌剂接种、硝化抑制剂DMPSA、间作加臂形草），氮肥按60 kg N ha^-1一次施用。气体采样采用静态箱法，N₂O用气相色谱仪（ECD检测器）测定，NO用NO-NO₂-NO_x分析仪测定，NH₃用间歇流动空气法测定。土壤理化性质包括矿质氮、溶解性有机碳（DOC）等，DNA提取后进行高通量qPCR分析氮循环功能基因丰度。统计分析采用方差分析（ANOVA）和结构方程模型（SEM）。

**研究结果**

**3.1 试验Ⅰ中的NH₃挥发和N₂O排放**
追肥后各处理NH₃通量迅速上升，1-3天内达到峰值。大豆单作加根瘤菌（Soy+Rhizob）处理累积NH₃挥发最高，而马铃薯/大豆/臂形草间作（Pot+Soy+Brachi）处理显著低于其他处理。对于N₂O，第一次追肥后约10天出现峰值，第二次追肥后3-5天达到峰值。马铃薯/大豆间作（Pot+Soy）处理在第二次峰值中通量最高（98.13 μg N m^-2 h^-1），显著高于单作和根系分隔处理。累积N₂O排放方面，马铃薯单作（Pot）显著低于其他处理，而Pot+Soy+Rhizob处理均值最高，但与Soy+Rhizob和Pot+Soy无显著差异。

**3.2 试验Ⅰ中NH₃挥发和N₂O排放的驱动因素**
SEM分析显示，土壤NH₄⁺-N含量、NO₂^--N含量和WFPS是N₂O排放的显著、正向直接驱动因素。NH₃挥发与土壤pH及N₂O排放呈显著相关。

**3.3 试验Ⅱ中累积N₂O和NO排放**
Pot+Soy处理累积N₂O排放最高，显著高于所有其他处理。微生物菌剂（Pot+Soy+Inoc）和臂形草间作（Pot+Soy+Brachi）均显著降低N₂O排放，且两者间无显著差异。硝化抑制剂DMPSA（Soy+NI和Pot+Soy+NI）也显著降低N₂O排放。对于NO，Soy+NI和Pot+Soy+NI处理累积排放显著低于其他处理，且两者间无显著差异。Soy处理NO排放最高，但与其他处理差异不显著。

**3.4 试验Ⅱ中氮循环功能基因丰度**
氨氧化过程中，古菌amoA基因（amoA-1）占主导，其丰度在Soy处理中显著低于Soy+NI、Soy+Inoc和Pot+Soy+NI处理。亚硝酸还原基因nirS-1和nirK-3中，nirS-1丰度在Soy处理中显著低于其他处理，而nirK-3在各处理间无显著差异。N₂O还原基因nosZ-1在所有处理中（除Pot+Soy外）均显著高于Soy处理。

**讨论与结论**

讨论部分指出，大豆单作高NH₃挥发源于豆科作物氮需求低导致矿质氮残留，以及根分泌物促进脲酶活性。间作通过时空生态位分化、竞争性养分吸收和冠层物理拦截显著降低NH₃挥发，臂形草间作效果更佳。N₂O排放增加归因于根际互作促进次生代谢物释放，为反硝化提供电子供体并创造厌氧条件，根系分隔处理证实了该机制。臂形草通过强吸收和生物硝化抑制（BNI）降低N₂O。硝化抑制剂DMPSA通过失活氨单加氧酶（AMO）抑制硝化第一步，同时增加nosZ基因丰度，成为最有效策略。微生物菌剂通过增加nosZ丰度促进完全反硝化，也显著减少N₂O，但对NO无效。研究结论：本研究证实了马铃薯/大豆间作在等氮条件下显著增加N₂O排放，但这一权衡可通过硝化抑制剂DMPSA（同时减少N₂O和NO）或微生物菌剂接种（减少N₂O）等氮增效技术有效管理，为保护性农业中活性氮管理提供了可行策略。