根际氮循环微生物响应与化学抑制剂施用后的氨释放减缓有关：一项为期三年的田间研究

《Journal of Environmental Management》：Rhizosphere nitrogen-cycling microbial responses are associated with ammonia mitigation following chemical inhibitor application: a three-year field study

　　

摘要

农业施肥过程中氨（NH₃）的挥发是全球人为活性氮污染的主要来源。脲酶抑制剂（UI）和硝化抑制剂（NI）被广泛用于减少农田中氮气的损失。然而，它们对NH₃减排的长期影响以及与之相关的根际微生物反应仍不清楚。在这项研究中，我们在华北平原进行了为期三年的野外实验，以评估化学抑制剂对根际和土壤中NH₃挥发及氮循环微生物的影响。脲酶抑制剂使NH₃的累计挥发量减少了53.8%，并使小麦产量增加了20.5%。此外，该抑制剂还抑制了根际中两种主要的NH₃产生途径，即尿素水解和反硝化作用。这些变化伴随着尿酶活性的降低以及功能基因ureC和nrfA丰度的减少，表明微生物产生NH₃的能力减弱。长期使用抑制剂对整个细菌群落的组成影响不大，但改变了根际中关键氮循环微生物的丰度。总体而言，研究结果表明根际微生物的反应与脲酶抑制剂应用下的NH₃减排效果密切相关，并为改善碱性农田的氮管理提供了基于实地的证据。

引言

近年来，过度施用氮肥大大提高了作物产量，但也带来了环境问题，包括氨（NH₃）的挥发（Han等人，2022年）、硝酸盐淋溶和一氧化二氮（N₂O）排放（Ren等人，2023年）。尿素是全球使用最广泛的氮肥，施用后平均产生12.64千克NH₃-N/公顷和0.80千克N₂O-N/公顷（Paul等人，2024年）。氨的挥发还间接贡献了N₂O的形成，每年估计产生10万至16万吨N₂O（Liu等人，2020b年）。由于N₂O是一种强效的温室气体（Kavanagh等人，2021年），因此减少NH₃的挥发对于提高氮利用效率和减轻化肥使用对环境的影响非常重要。

化学抑制剂，特别是脲酶抑制剂（UI）和硝化抑制剂（NI），被广泛用于减少农业土壤中的氮损失。这些抑制剂可以有效降低NH₃的挥发和N₂O的排放（Murray等人，2023年）。脲酶抑制剂通过结合酶的活性位点来抑制尿酶活性，从而减缓尿素水解（Sha等人，2023年）。硝化抑制剂抑制氨的氧化，并延缓铵氮（NH₄⁺-N）向硝氮（NO₃^?-N）的转化，从而减少硝酸盐淋溶和反硝化作用（Alam，2023年）。尽管它们的农学效益已有充分记载，但对其长期对土壤微生物群落的影响以及在田间条件下与NH₃减排相关的微生物反应知之甚少。

土壤微生物在氮循环中起着重要作用，并与NH₃的挥发密切相关。农业土壤中两种主要的微生物途径会导致NH₃的产生：一种是脲酶介导的尿素水解，产生碳酸铵并进一步分解释放氨气（Li等人，2021年）；另一种是反硝化作用，将硝酸盐（NO₃^?）还原为铵（NH₄⁺），可能会增加NH₃的挥发（Wen等人，2025年）。nrfA基因编码细胞色素c亚硝化还原酶的催化亚基，常被用作反硝化作用的功能标记（Zhang等人，2025年）。因此，理解反硝化作用背后的微生物机制对于减少NH₃挥发和调节农田中的氮平衡至关重要，尤其是在碱性高地的根际和土壤中。

根际和土壤代表了具有不同物理化学性质和微生物群落的两种不同微环境。根系分泌物富集了特定的微生物群体，影响微生物群落的结构和功能（Yu等人，2021年）。先前的研究表明，根际过程比土壤中的反应更敏感于环境变化（Li等人，2023年），而且根际中的氮循环微生物具有相当的生态适应性（Chen等人，2019年）。这些观察结果表明，在长期使用抑制剂期间，根际微生物的反应可能与土壤中的不同。因此，比较这两个区域有助于我们更好地理解与NH₃减排相关的微生物反应。

在这项研究中，我们在华北平原进行了为期三年的野外实验，以研究脲酶抑制剂和硝化抑制剂对氮循环功能基因和微生物群落组成的影响。具体来说，我们旨在比较两种土壤环境中微生物的反应，并评估它们与长期抑制剂应用下NH₃减排的关联。我们假设：（1）根际对化学抑制剂的反应会比土壤更强；（2）化学抑制剂会显著改变土壤微生物群落的多样性和组成；（3）NH₃挥发的减少将与酶活性和功能基因的协调变化相关。这项研究为长期使用化学抑制剂后的微生物反应提供了新的见解，并为改善碱性农田的氮管理提供了科学依据。

章节片段

野外实验

野外实验在中国河北省 Clerkou实验站进行（北纬36°78′01″，东经114°94′51″；海拔40米）。该地区属于温带半湿润大陆性季风气候，年平均气温为13.2°C，年降水量为490毫米，其中大部分集中在6月至9月。该地区主要采用的是冬小麦-夏玉米轮作系统。

设置了三种施肥处理：仅施用尿素（U）、尿素与...

NH₃挥发和土壤物理化学性质

脲酶抑制剂显著减少了小麦生长季节期间的NH₃累计挥发量。U、UI和NI处理下的NH₃累计损失分别为22.5千克/公顷、10.4千克/公顷和20.9千克/公顷（图1a）。与U处理相比，UI处理使NH₃挥发量减少了53.8%（P < 0.05），而NI处理没有显著效果。UI处理还使小麦产量增加了20.52%（P < 0.05）（图1b）。尽管NI处理...

讨论

农业氨（NH₃）的挥发占全球人为氨排放量的80%-95%（Skorupka和Nosalewicz，2021年），在华北平原的碱性高地土壤中尤为明显（Ma等人，2021年）。脲酶抑制剂和硝化抑制剂被广泛用于减少氮损失（Folina等人，2021年）。然而，它们在田间条件下的微生物反应仍不清楚。在这项为期三年的野外研究中，脲酶抑制剂显著减少了NH₃的挥发

结论

这项为期三年的野外研究评估了脲酶抑制剂和硝化抑制剂对碱性农田土壤中NH₃挥发的影响，并考察了根际和土壤中的相关物理化学和微生物反应。主要结论如下：（1）脲酶抑制剂在冬季小麦生长季节减少了NH₃的累计挥发量53.8%，并显著提高了作物产量；而硝化抑制剂对NH₃没有显著影响

Ying Zhu：撰写——原始草稿、可视化、方法论、概念化。Shanghua Wu：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、数据管理、概念化。Xuejun Liu：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。Jingxia Wang：撰写——审稿与编辑、资源管理、调查。Zhipeng Sha：撰写——审稿与编辑、调查。Xuliang Zhuang：撰写——审稿与编辑、项目协调、资金管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42277215）的支持，以及ESC（STQT2022B02）和BAST（BYESS2023458）的青年精英科学家资助计划的支持。

Ying Zhu|Shanghua Wu|Xuejun Liu|Jingxia Wang|Zhipeng Sha|Xuliang Zhuang|Guoqiang Zhuang

中国科学院生态与环境科学研究中心，北京，100085，中国