持续的氮释放以及与氮循环相关的功能基因共同影响了长期施用控释肥料条件下氨（NH?）和一氧化二氮（N?O）损失之间的权衡关系

《Journal of Environmental Management》：Sustained nitrogen release and nitrogen-cycling functional genes jointly shape NH 3–N 2O loss trade-offs under long-term controlled-release fertilization

　　

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  聚氰酸酯（PCF）减少了氨（NH₃）的释放，与尿酶活性的抑制和硝化基因的富集有关。
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  控释尿素（CRU）在硝酸盐还原基因丰度较低的情况下，仍能维持氮（N）的供应，从而增加了氧化亚氮（N₂O）的生成。
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  PCF通过减少氨的释放，抵消了氧化亚氮带来的负面影响，使氮损失量比使用普通尿素（CU）减少了46–71%。
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  PCF能更好地调节氮循环相关基因，减少了氨（NH₃）和氧化亚氮（N₂O）的联合损失。

引言

确保全球粮食安全始终是可持续发展的核心目标（Ray等人，2022年）。然而，全球超过一半的农田中氮肥的过度施用（West等人，2014年），加上传统肥料本身的氮利用效率低下，加速了氮的环境损失（Gu等人，2023年）。这些氮的损失主要通过硝酸盐淋溶和气体排放的形式发生。目前，氨（NH₃）挥发和氧化亚氮（N₂O）排放这些气态氮的损失受到了密切关注，因为它们严重扰乱了全球氮循环（Liu等人，2022年；Cui等人，2024年）。除了造成巨大的经济损失外，这些气态排放还会加剧生态退化，推动气候变化和引发其他环境问题（Makowski，2019年；Guo等人，2020年）。因此，在不损害作物产量的前提下，同时减少这两种气态氮损失是可持续农业管理的关键要求。

为了克服传统尿素（CU）在同时减少这两种气态氮损失方面的局限性，控释尿素（CRU）通过精确控制释放提供了有效的替代方案（Yang等人，2021年）。CRU表面涂有聚合物（聚合物包覆肥料，PCF）或硫（硫包覆肥料，SCF）等材料，依靠物理屏障来调节养分溶解，从而显著延长氮的供应时间（Trenkel，2010年）。这两种包覆类型的释放机制本质不同：PCF通过半透膜扩散释放氮，而SCF则依靠硫包膜的物理破裂来释放氮，后者的精度较低（Azeem等人，2014年；Jariwala等人，2022年）。因此，虽然PCF能够实现可预测的、受扩散控制的养分释放，但SCF的释放动力学更容易受到环境因素的影响。这种不同的释放行为在不同程度上使氮的可用性与作物的生理需求同步。在玉米生产系统中，基部施用CRU能够通过维持抽丝后的光合能力和促进氮的再利用来显著提高作物产量（Li等人，2022a；Zhang等人，2022年；Guo等人，2024年）。除了农艺效益外，控释机制还防止了土壤中矿物氮的快速积累（Zhang等人，2019年；Wang等人，2025年），这对于限制氮的损失和推动CRU的广泛应用至关重要（Guo等人，2020年）。尽管有这些优点，CRU的净环境影响仍存在争议。虽然包覆技术成功减少了氨的挥发—— meta分析显示减少了多达39.4%（Zhang等人，2019年）——但其对氧化亚氮排放的影响却非常不一致。一些田间试验报告称氧化亚氮减少了32.4%（Maharjan和Venterea，2013年），而其他研究则指出高效肥料，特别是PCF，实际上可能会增加氧化亚氮的排放（Sistani等人，2011年；Guo等人，2024年）。鉴于氨挥发通常占气态氮损失的主要部分（Pan等人，2016年），CRU总体上减少了氮的总损失（Wang等人，2025年）。然而，考虑到氧化亚氮具有更高的全球变暖潜力，氨减排与潜在氧化亚氮加剧之间的权衡使得准确评估CRU的整体气候和生态效益变得复杂。

从根本上说，气态氮的排放受到复杂的微生物驱动的生化网络的严格调控（Kuypers等人，2018年），因此理解CRU对这些网络的影响对于解决环境争议至关重要。具体而言，氨的挥发主要由尿酶催化的水解和随后的氨氧化决定（Silva等人，2017年；Leininger等人，2006年），而氧化亚氮主要是在微生物硝化和反硝化过程中产生的中间产物（Braker和Conrad，2011年）。由于这些生化途径对底物可用性和土壤微环境的变化反应不同，微生物群落的功能组成最终决定了氮的总损失（Putz等人，2018年）。CRU特有的延迟溶解作用远远超出了简单的矿物氮浓度调节。更重要的是，其长期连续施用重塑了土壤微环境，改变了氮基质的生物利用性（Zhang和Shangguan，2023年）。正如我们之前的研究所表明的，这种长期的土壤物理和化学性质变化与土壤细菌群落结构及其碳和氮功能潜力的持续变化相关（Guo等人，2025年）。在基因层面上，这些变化的物理化学条件与土壤氮循环相关功能基因的变化密切相关（Levy-Booth等人，2014年；Sun等人，2021年；Liao等人，2024年）。总体而言，这些变化伴随着氨氧化微生物基因丰度的变化以及控制氧化亚氮生成的反硝化基因的变化（Li等人，2022b；Zhang等人，2025年）。然而，在长期CRU管理下，具体控制氨（NH₃）和氧化亚氮（N₂O）之间权衡的功能基因网络在宏基因组学层面仍然知之甚少。特别是，目前尚不清楚PCF和SCF是否在硝化和反硝化途径中引发不同的调控反应，以及这些基因变化如何最终影响氮的总损失。

以往的CRU研究主要集中在作物农艺表现或总体排放指标上，很少结合宏基因组功能谱和土壤氮动态来探索氮损失的内在机制。此外，很少有研究在长期田间条件下同时比较不同包覆肥料与普通尿素，并进行多年氮通量监测。为了填补这一知识空白，本研究采用了长期田间实验（始于2013年）并结合宏基因组测序。本研究从三个相互关联的层面探讨了氨（NH₃）和氧化亚氮（N₂）之间的权衡：功能基因丰度、持续的基质供应和气态氮通量。基于聚合物和硫的包覆技术代表了两种商业上占主导地位但在机制上不同的CRU技术。在田间条件下比较这两种包覆类型与普通尿素，可以为研究包覆类型如何不同地影响微生物氮循环网络提供机会。我们的具体目标是：（1）评估PCF和SCF在作物产量、氨挥发和氧化亚氮排放方面的长期田间表现；（2）通过整合宏基因组和生化分析，阐明关键氮循环功能基因和氮转化酶的变化；（3）评估这些不同包覆肥料在减少氮损失方面的潜力。

章节片段

实验地点

这项长期田间实验最初建立于2013年，位于中国黄淮海平原的山东农业大学实验农场（36°11′N, 117°06′E）。2021年至2025年夏季玉米生长季节的累计降水量分别为910.7毫米、566.1毫米、680.9毫米、911.1毫米和718.0毫米（图S1）。根据美国农业部土壤分类系统（Soil Survey Staff，1999年），该土壤被归类为Alfisol土。

土壤无机氮动态和酶活性

在2023年和2025年两个生长季节中，CRU的应用显著改变了土壤中的无机氮分布（图1）。在0–20厘米层中，PCF使铵离子（NH₄⁺）和硝酸根离子（NO₃^?）的浓度分别增加了39.6%–446.8%和42.0%–358.5%（p < 0.05）。SCF的效果更为多变，铵离子浓度增加了13.5%–104.2%，而硝酸根离子浓度在2023年减少了14.4%，到2025年增加了27.1%。这种富集现象也延伸到了20–40厘米层。

CRU应用下抑制尿素水解和调节硝化作用减轻氨挥发

两种CRU处理都显著减少了氨的挥发，其中PCF的减排效果更一致且更为明显（72.3%–92.8%），而SCF的效果变化较大（28.8%–89.7%）（图5a）。这种差异反映了不同肥料配方及其释放特性的根本不同（Azeem等人，2014年）。抑制氨挥发的主要机制涉及物理屏障

结论

基于2013年建立的长期田间实验，本研究表明，在控释肥料条件下，氨和氧化亚氮的总损失与氮的释放动态及其相关功能基因网络密切相关。在持续使用CRU的管理下，尽管硝酸盐还原基因丰度下降，但氮的排放量仍有所增加，而显著的氨减排则伴随着

CRediT作者贡献声明

郭 Xu：写作 – 审稿与编辑，原始草稿撰写，数据整理。何在聚：资源协调，项目管理工作。王星星：研究工作。任浩：资源协调，项目管理工作。任百昭：监督工作，资源协调。张吉旺：资源协调，项目管理工作。刘鹏：资源协调，项目管理工作。宋振桥：资源协调，项目管理工作。赵斌：写作 – 审稿与编辑，资金筹集，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（2023YFD2303304和2018YFD0300603）、国家自然科学基金（32071960）以及山东省重点研发计划（LJNY202103）的支持。

Xu Guo|He Zaiju|Wang Xingxing|Ren Hao|Ren Baizhao|Zhang Jiwang|Liu Peng|Song Zhenqiao|Zhao Bin