长期种植制度与氮输入质量对氮释放及有机质化学的影响

《European Journal of Soil Science》：Long-Term Impact of Cropping System and Nitrogen Input Quality on Nitrogen Release and Organic Matter Chemistry

　　

长期综合土壤管理策略对于提升土壤有机质（SOM）质量并促进可矿化氮（N）的有效性至关重要。本研究采用三部分分析框架，探讨作物轮作与有机氮改良剂如何影响土壤氮有效性与SOM化学特性。一项为期十二周的培养试验量化了五种种植制度下的潜在可矿化氮（Min N），这五种制度包括：连作玉米（CC）、连作大豆（Soy）、连作三叶草（Cl）、玉米-大豆轮作（CS）和玉米-三叶草轮作（CCl），并在四种氮肥管理制度下进行：无氮输入（N0）、合成氮尿素（NF）、未堆肥 manure（UCM）和堆肥 manure（CM）。为评估土壤氮的化学稳定性，研究人员采用热解技术计算了NH3-T50（50%氨释放时的温度），作为土壤氮热稳定性的指标。同时，X射线吸收近边结构（XANES）光谱表征了SOM中碳和氮的化学形态。Min N测定显示，包含豆科植物的种植制度显著提升了氮有效性，特别是施用CM或UCM的Cl和CCl处理。NH3-T50与Min N呈显著负相关，表明更具活性、生物可利用的氮形态与较低的热稳定性相关。XANES光谱表明，CC制度以酰胺和吡咯态氮结构为特征，这些是蛋白质残留物和有限微生物分解的标志。相比之下，CCl处理富含吡啶态、芳香族和脂肪族化合物，表明存在先进的微生物处理和稳定化途径。值得注意的是，UCM和CM处理在多变量空间中紧密聚集，表明尽管堆肥成熟度存在差异，但其SOM转化轨迹具有相似性。NF和N0处理下SOM化学的差异反映了向活性或难降解氮库的转变，这一转变受轮作背景和输入类型调控。这些发现强调，将豆科植物与有机氮改良剂相结合，能够促进更具微生物可利用性的土壤氮库，同时支持化学组成复杂且稳定的SOM的形成。Min N测定、热分析和分子光谱学的联合使用为理解可持续农业生态系统中作物轮作、氮管理与SOM质量之间的相互作用提供了可靠框架。

**论文解读：长期种植制度与氮输入质量对土壤氮释放及有机质化学的影响**

**1. 研究背景与问题**

氮（N）是农业生产系统中限制作物产量和品质的关键养分，而土壤有机氮的矿化过程占作物总氮吸收量的60%以上，是氮循环的核心环节。该矿化过程主要由微生物活动介导，并受到气候条件、土壤固有属性及作物管理策略等多重因素的共同调控，这使得准确预测农业系统中可供作物吸收的矿化氮量面临挑战。已有研究表明，增加作物轮作的复杂度，尤其是将禾本科与豆科作物组合，能够提升作物产量、促进土壤有机质（SOM）的形成与稳定、刺激微生物活性并改善土壤物理结构。此外，有机肥（包括新鲜或堆肥 manure）的施用被广泛用作氮源，可显著提高总氮矿化速率并增加有机碳输入。然而，现有研究在将土壤氮有效性与管理措施下的SOM化学特性进行关联方面仍存在空白，且缺乏将生物学培养、热分析与分子光谱学相结合的综合研究框架。因此，有必要依托长期田间试验，深入揭示作物轮作与氮肥管理策略对土壤氮供应能力和SOM化学组成的长期影响及其相互作用机制。该研究发表于《European Journal of Soil Science》。

**2. 研究开展内容与结论**

研究人员依托位于加拿大安大略省渥太华（45°22′N, 75°48′W）的长期田间试验（始于1992年），采集了0–15 cm土层土壤样品。该试验采用随机完全区组设计，设置三种两年轮作制度：连作玉米（CC）、玉米-大豆（CS）、玉米-三叶草（CCl），以及连作三叶草（Cl）和连作大豆（Soy）等五种种植制度，并设四种氮肥管理：无氮（N0）、尿素（NF，100 kg N ha?1）、未堆肥 manure（UCM，50 t ha?1鲜重）和堆肥 manure（CM，50 t ha?1鲜重），其中N0适用于所有轮作，其余氮肥处理仅施用于CC、CS和CCl。通过十二周恒温培养试验量化潜在可矿化氮（Min N），利用热解-傅里叶变换红外光谱（Pyrolysis-FTIR）计算NH3-T50（50%氨释放温度）作为热稳定性指标，并采用X射线吸收近边结构（XANES）光谱表征SOM中碳和氮的化学形态。研究得出以下结论：包含豆科植物的轮作制度，特别是三叶草相关处理，显著提高了可矿化氮含量；NH3-T50与Min N呈显著负相关，表明热稳定性可反映氮库的活性程度；XANES光谱揭示CC制度以酰胺和吡咯态氮为主，而CCl处理富集吡啶态、芳香族和脂肪族化合物，表明存在更深入的微生物处理与稳定化途径；有机肥处理（UCM和CM）在SOM化学组成上表现出相似性，而NF和N0处理则导致不同方向的化学分异。该研究强调，将豆科作物整合进轮作系统并结合有机氮改良剂，能够促进微生物可利用氮库的形成，同时支持化学组成复杂且稳定的SOM的发育。

**3. 关键技术方法**

该研究采用三部分分析框架。样本来源为加拿大农业与农产品部位于渥太华的长期间试验地，采集0–15 cm土层样品。其一，采用12周恒温培养试验（25°C，60%最大持水量），结合2 M KCl提取和流动分析仪测定无机氮，以计算净氮矿化量（Min N）；其二，运用热重分析仪-傅里叶变换红外光谱联用技术（STA-FTIR），在程序升温至850°C过程中实时检测NH3释放，计算NH3-T50指示热稳定性；其三，采用同步辐射X射线吸收近边结构光谱（XANES）在加拿大光源（CLS）SGM光束线获取C和N K-edge光谱，经高斯峰拟合获得半定量官能团丰度数据。

**4. 研究结果**

**4.1 土壤全氮（TN）与碳氮比（C/N）**

通过两因素方差分析（轮作×氮肥处理）及单因素方差分析（N0水平下轮作比较），发现轮作（p=0.01）、氮肥（p<0.0001）及其交互作用（p<0.0001）均显著影响土壤TN。CC-CM处理TN最高，CC-N0最低。在N0条件下，CS、Cl、CCl和Soy的TN均显著高于CC。C/N比方面，CC-NF最高，CCl-N0最低，但轮作效应不显著（p=0.31），氮肥效应显著（p=0.03）。该结果表明 manure 添加显著提高连作玉米土壤全氮，但三叶草的固氮作用可削弱此效应，凸显轮作对维持土壤肥力的重要性。

**4.2 土壤可矿化氮（Min N）**

通过对12周培养期内各时间点（第1、3、5、8、12周）破坏性取样测定，第1至第8周处理间无显著差异，第12周出现显著差异（p=0.04）。在N0水平下，轮作效应极显著（p<0.0001），Cl（26.82 mg/kg）显著高于其他轮作，CCl（19.66 mg/kg）和CS（17.7 mg/kg）居中，Soy（15.78 mg/kg）和CC（12.9 mg/kg）最低。氮肥效应也显著（p<0.0001），在CC中UCM（20.36 mg/kg）>N0（12.9 mg/kg），在CCl中CM（22.4 mg/kg）和UCM（21.92 mg/kg）>NF（15.66 mg/kg）和N0（19.66 mg/kg），而CS中各处理无显著差异。这表明三叶草残留物和有机肥能够显著提升可矿化氮库，而大豆对土壤氮有效性的贡献有限。

**4.3 热稳定性（NH3-T50）**

通过热解-FTIR测定的NH3-T50处理效应显著（p=0.049），但轮作和氮肥的主效应均不显著。CC-N0最高（497.8°C），显著高于CC-CM；Cl-N0最低（461.45°C），显著低于CC-N0。Pearson相关分析显示NH3-T50与Min N呈显著负相关（r=?0.62, p<0.05），线性回归模型解释38%的Min N变异。该结果揭示热稳定性越高的土壤，其可矿化氮越少，即氮素主要以难降解的芳香族、杂环或木质素结合态存在。

**4.4 XANES与多变量分析**

利用 C 和 N K-edge XANES 光谱峰振幅数据进行主成分分析（PCA），结果显示PC1和PC2分别解释44.9%和19.9%的总方差（图注中另述PC1 43.2%、PC2 21.0%）。PCA分层显示CC处理聚集在PC1负轴，与酰胺和吡咯态氮相关；CCl处理位于正轴，与吡啶、吡唑、羧酸、碳酸盐、芳香族和脂肪族基团相关。CS处理沿PC1分散，其中CS-N0和CS-NF趋向CC簇，CS-CM和CS-UCM趋向CCl组。Cl和Soy处理在PC2方向上分散。单因素方差分析显示仅吡唑态氮在轮作间差异显著（p=0.012），其余官能团无显著差异（p>0.05）。Pearson相关分析发现吡啶态氮与Min N呈显著正相关（r=0.68, p<0.01），而NH3-T50与各官能团间无显著相关性（p>0.05）。

**5. 讨论总结**

讨论部分指出，manure添加在CC中显著提升TN和Min N，但在CS中效应不明显，可能归因于CS作物残留物质量和C/N比处于中间水平，缓冲了微生物对外源氮输入的响应。三叶草系统通过生物固氮和低C/N比残留物促进氮矿化，Min N较CC提升42%–114%。热稳定分析表明，轮作与氮肥的交互作用而非单一因素决定有机氮稳定性，长期种植玉米导致难降解、热稳定的氮素积累，而三叶草系统促进活性氮库的形成。XANES结果显示，CC系统保留较简单、蛋白质类化合物，反映有限的微生物转化；而CCl结合有机肥处理形成杂环和芳香族化合物，表明活跃的微生物加工及通过非生物缩合和矿物相互作用实现的稳定化途径。UCM和CM处理的聚类重叠表明两类 manure 对SOM化学的贡献相似。NF处理与铵态氮的强相关反映了无机氮或易变转化产物的积累。研究还讨论了与微生物效率-基质稳定化（MEMS）框架的一致性，即活性植物输入通过微生物高效利用可形成化学多样且稳定的SOM。

**6. 研究结论翻译**

本研究证明，作物轮作与氮肥施用相互作用，共同影响土壤氮动态、可矿化氮、C/N比及土壤有机质组成。包含豆科植物的轮作制度，特别是基于三叶草的轮作，始终与较高的潜在可矿化氮相关，凸显轮作多样性对维持土壤肥力的重要性。有机改良剂（UCM和CM）总体上相对于不施肥处理提高了可矿化氮，但各轮作间的响应存在差异，表明施肥效应具有背景依赖性。NH3-T50与可矿化氮之间的负相关关系表明，热稳定性指数可为活性氮库与抗性氮库之间的平衡提供有用见解。然而，基于热解的测量应被视为生物学测定的补充工具，可增强对土壤氮动态的解释，而非直接替代。XANES衍生的官能团分析为SOM组成提供了补充的机理见解，但由于重复有限，处理间差异总体较为细微，其中连作玉米系统与较简单的蛋白质类化合物相关，而包含豆科植物的系统与化学多样性更高、微生物加工更充分的有机质相关。总体而言，这些发现表明，整合作物轮作多样性与有机改良剂具有提高土壤氮有效性和影响土壤有机质质量的潜力，对长期土壤肥力管理具有重要意义。