沈阳生态所高肥力农田土壤氮转化的同位素示踪研究获进展

随着氮肥的大量施用，农田氮盈余逐年增加，其中在旱地土壤主要以硝态氮形态累积。硝态氮是氮淋失的主要形态，也是反硝化作用产生活性含氮气体的重要底物，因此农田高硝累积将对周围水体和大气环境造成危害。化肥和有机肥配合施用，被认为可以增加肥料氮的微生物固持，减少硝态氮在土壤的累积，缓解硝态氮累积带来的环境风险。有研究表明，有机肥配施造成的氮循环改变，可能带来新的氮污染。例如，肥料氮在微生物的作用下或能会生成大量可溶性有机氮（EON），从而以有机氮的形式流失进入水体。

为了研究外源肥料氮在高肥力农田土壤中的转化特征及其转化为EON的潜力，中国科学沈阳应用生态研究所稳定同位素生态学组助理研究员全智采集辽宁省新民市常年种植设施蔬菜的大棚土壤（硝氮含量：152mgkg-1），在实验室内进行为期120天的恒温培养试验。试验通过单独施入或混合施入15N标记底物（15N-硫铵，15N-黑麦草），研究外源铵氮和黑麦草氮在6个不同土壤氮库间的转化和去向（铵氮NH4+、硝氮NO3-、EON、微生物生物量氮MBN、固定态铵MFN、非微生物有机氮NMON）。

研究发现：

1、高肥力农田土壤硝化能力较强，3天内即可完成对施入铵的硝化；配施黑麦草增加了异养微生物对铵的固持，但对硝化潜势未产生显著影响。120天培养期间，单施硫铵处理仅有2-4%的添加铵进入土壤有机氮库（MBN+NMON）；硫铵和黑麦草配施促进了微生物对铵的固持（22%），减少了其硝化的比例。固持的氮素在培养前期主要以MBN形态存在，随着微生物的死亡和休眠，逐渐转化为NMON形态储存，释放进入土壤浸提态氮库的比例较小（图1）。研究表明，通过配施有机物料来减少农田硝态氮累积是可行的，但需要注意配施有机物的数量和质量，以减少有机物自身矿化硝化带来的硝态氮累积。相关研究以The fate of fertilizer nitrogen in a high nitrate accumulated agricultural soil为题，发表在Scientific Reports上。

2、培养期间土壤EON含量和EO15N丰度均较低，大部分EON均来自土壤原有氮库；在添加后的1-120天内，外源添加硫铵和黑麦草氮仅贡献3-4%和8-13%（图2）。有意思的是，随着微生物的死亡和休眠，研究中并未观察到EO15N丰度和回收的上升。研究人员认为，旱地农田土壤EON是一个稳定的氮库，主要由难降解的有机物组成，受到外源添加影响较小。此外，该研究建议未来的EON研究需要根据研究目的将其易降解和难降解组分区分开来：前者更多的参与氮循环，后者更多的参与氮淋失（图3）。相关研究成果以Formation of extractable organic nitrogen in an agricultural soil: A 15N labeling study为题，在线发表在Soil Biology and Biochemistry上。

研究工作得到国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项（B类）、国家重点研发计划和辽宁科技支撑计划项目的资助。

　　图1.标记底物在单施硫铵处理（+15NH4+，80mgNkg-1）和硫铵黑麦草配施处理（+15NH4++Ryegrass，160mgNkg-1）不同氮库中的回收。图右侧图例中“Incroporated into SOM”即为非微生物有机氮NMOM。

　　图2.不同来源底物（硫铵氮、黑麦草氮和土壤氮）对培养期间土壤EON和MBN的贡献。柱状图中数字为贡献比例（%），当比例<5%时未列出。

　　图3.土壤NH4+、NO3-、EON、MBN、MFN、NMON间的转化关系图。该图显示土壤中EON成分复杂，其中易降解（labile）成分虽然在氮素周转中发挥了重要作用，但由于其周转快速，其在土壤总EON库中的比例很低；难降解（recalcitrant）成分占比较高，由于其缓慢的周转，可能是氮淋失的主要贡献者。