长期有机废弃物施用下土壤氮素矿化响应如何？基于多种方法的综合评价

《Soil Use and Management》：How Does Soil Nitrogen Mineralization Respond to Long Term Organic Waste Products Applications? A Multi-Method Evaluation

　　

长期施用有机废弃物（Organic Waste Products, OWP）会增加土壤有机氮（Soil Organic Nitrogen, SON）储量，从而可能增强作物氮素供应。研究人员在法国北部的QualiAgro长期定位试验中研究了土壤氮素矿化，该试验自1998年起每两年施用三种城市堆肥和农家肥，施用量为4 tC/hm²。2014年，田间管理措施发生变更：OWP施用量减半、作物残体还田，并以有机肥替代矿物肥料。研究采用田间氮素平衡法（Field Nitrogen Balance）量化土壤氮素矿化，并与室内培养试验结果进行比较。研究人员还定量分析了与土壤有机质（Soil Organic Matter, SOM）动力学相关的不同指标（SOM物理分馏和热分馏、酶活性和微生物生物量），并将其与田间氮素平衡结果进行关联。根据田间氮素平衡法，在管理措施变更前（15年平均）和变更后（8年平均），重复施用OWP处理的矿化氮量均高于对照土壤，平均差异分别为36%和22%。这些结果与室内培养试验结果（矿化量约为20%）一致。关于不同OWP处理之间的差异，较高的氮素储量被更强的有机质稳定性所抵消，导致不同OWP处理之间的矿化氮量无显著差异。在管理措施变更前（15年平均），重复施用OWP的土壤矿化速率（每克SON）较高（平均高25%），但此后各处理间趋于相似。然而，与田间氮素平衡结果仍存在分歧，培养试验始终显示较低的矿化速率。在SOM动态指标中，以土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）标准化的脲酶活性是整个研究期间田间氮素平衡估算的氮素矿化速率的最佳预测因子（R = 0.64）。值得注意的是，该指标在管理措施变更前（R = 0.73）与矿化速率的相关性远高于变更后（R = 0.41；不显著）。

有机废弃物（Organic Waste Products, OWP）的资源化利用是农业可持续发展的重要方向，既能应对环境挑战，又符合循环经济原则，同时可减少对能源密集型矿物肥料的依赖。然而，长期施用OWP对土壤氮素供应能力的影响尚不明确：虽然多次施用可增加土壤有机碳（Soil Organic Carbon, SOC）和土壤有机氮（Soil Organic Nitrogen, SON）储量，但这些额外积累的氮素能否有效矿化并供应作物，以及不同来源OWP的效应差异，仍需深入评估。现有研究多采用室内培养试验评估氮素矿化，但田间条件下氮素矿化的直接证据相对缺乏；此外，亟需找到能够便捷反映氮素矿化动态的替代指标，以指导农业生产管理。基于此，研究人员利用法国北部 running 超过25年的QualiAgro长期定位试验平台，系统研究了长期OWP施用对土壤氮素矿化的影响，论文发表于《Soil Use and Management》。

该试验采用随机区组设计，包含五种处理：三种城市堆肥（生物垃圾堆肥BIO、绿化垃圾与污泥共堆肥GWS、城市剩余垃圾堆肥MSW）、农家肥（FYM）及不施OWP的对照（CON），1998—2013年每两年施碳4 t/hm²，2014年后减半至2 t/hm²并伴随管理措施变更。研究主要技术方法包括：（1）基于田间氮素平衡方程估算年净矿化氮量及矿化速率，平衡期避开高淋溶风险时段，并用标准化日数（Normalized Day, ND）校正温度和水分差异；（2）2025年采集土壤样品进行为期175天的室内好气培养试验（标准温度15°C），测定净氮矿化量及速率；（3）多种SOM动态指标测定：物理分馏获得粗颗粒有机质（Particulate Organic Matter, OMcoarse）和细颗粒有机质（OMfine）组分；Rock-Eval热分析结合PARTYSOC模型估算活性有机碳（OCactive）比例；测定β-葡萄糖苷酶和脲酶活性并以SOC标准化；采用熏蒸提取法测定微生物生物量碳计算Cmi/Corg比值。

土壤全氮储量演变结果表明，长期施用OWP显著增加土壤氮库，BIO和GWS处理增幅最大（达6.1—6.3 t N/hm²），FYM和MSW增幅较小，对照维持稳定；2014年减量后各处理氮库趋于稳定。

土壤氮素矿化量（田间氮素平衡）结果显示，管理措施变更前，OWP处理矿化量稳定在约0.8 kg N/hm²·ND^-1，而对照持续下降至0.4 kg N/hm²·ND^-1；15年累计矿化量OWP处理平均较对照高36%（2.3 vs 1.5 t N/hm²）。变更后OWP处理矿化量维持稳定，对照则有所上升，使得处理间差异缩小至22%。各OWP处理间矿化量无显著差异，表明高氮储量被高有机质稳定性所抵消。

矿化速率结果表明，变更前OWP处理显著高于对照（平均高25%），但变更后对照追平甚至反超；2025年培养试验显示OWP处理矿化量有高于对照的趋势但无统计学差异，矿化速率各处理间亦无显著差异，与田间结果形成对比。

SOM动态指标测定结果显示，Rock-Eval活性碳比例在OWP处理中显著高于对照（约50% vs 35%—40%），但管理变更前后均如此，未能反映后期矿化动态变化；OMcoarse-N比例在变更前OWP处理较高（约20% vs 对照13%），变更后仅GWS和FYM显著高于对照；脲酶活性（SOC标准化）在变更前FYM和MSW较高，变更后各处理趋同仅MSW较高；β-葡萄糖苷酶活性呈现类似模式；微生物碳占SOC比例（Cmi/Corg）在各处理间无明显规律。

相关性分析结果表明，整个研究期间，田间氮素平衡估算的矿化速率与SOC标准化脲酶活性相关性最强（R = 0.62, p < 0.05），与β-葡萄糖苷酶活性亦显著正相关，而与培养试验指标、OMcoarse-N比例、Rock-Eval活性碳、Cmi/Corg无显著相关。然而这种相关性存在明显时间分异：变更前脲酶活性与矿化速率高度相关（R = 0.73, p < 0.05），变更后则大幅减弱（R = 0.41，不显著）。

讨论部分，研究人员首先分析了田间氮素平衡方法的不确定性，认为忽略反硝化、淋溶和大气沉降的影响较小，该方法的简化处理未妨碍显著趋势的检测，且能直接反映田间实际条件，可作为衡量土壤氮素矿化的参考方法。关于OWP重复施用的效应，变更前OWP处理矿化量和速率均高于对照，但不同OWP处理间矿化量无差异，这是因为BIO和GWS虽氮储量更高，但其有机质稳定性也更高（IROC值高），碳氮比更低，在等碳投入下氮输入更多，最终Stock与Rate相互补偿；FYM和MSW则IROC较低，有机质更易分解。变更后对照处理矿化量和速率上升，主要归因于作物残体还田和屠宰场副产品有机肥的施用，使对照土壤SOM动态特征趋近于OWP处理土壤，尽管文献中高粱秆等高碳氮比残体初期常导致氮素固定。

关于田间与室内方法的差异，2011年培养结果尚与田间一致，但2025年培养显示各处理矿化速率无差异，与田间结果分歧。研究人员认为这可能源于：培养条件缺失土壤动物对SOM的破碎作用和根际沉积效应；筛分扰动土壤结构使受保护SOM暴露；以及培养系统中微生物-土壤-植物相互关系的简化。这些系统性差异支持原位方法在真实评估中的必要性。

在SOM动态指标方面，Rock-Eval活性碳和OMcoarse-N因其反映的有机氮库平均驻留时间较长，对管理措施快速变化不敏感，难以追踪矿化速率的短期变化。相比之下，脲酶活性因作用于更短周转时间的氮库，能部分响应管理变更，但其在变更后的预测能力下降，提示该指标作为矿化速率替代指标的可靠性存在时间依赖性。

研究结论指出：田间氮素平衡和培养试验均证实长期OWP施用增强土壤氮素矿化；变更管理前OWP处理矿化速率更高，但此后与对照趋同，培养试验速率则始终低于田间估算；不同OWP处理间矿化量因Stock-Rate补偿效应而无显著差异；SOC标准化脲酶活性是与田间矿化速率最相关的指标，但其预测效度受管理历史影响。这些结果强调长期有机肥改良不仅改变土壤氮库大小，也改变其稳定性；同时揭示了室内培养在表征田间条件方面的局限，支持采用原位方法进行更真实评估。未来研究应致力于改进田间原位测量技术，并在不同气候土壤条件下扩展长期试验分析，以深入理解有机氮动态驱动机制。