中科院瀋陽生態所高肥力農田土壤氮轉化的同位素示蹤研究獲進展

隨著氮肥的大量施用， 農田氮盈餘逐年增加， 其中在旱地土壤主要以硝態氮形態累積。 硝態氮是氮淋失的主要形態， 也是反硝化作用產生活性含氮氣體的重要底物， 因此農田高硝累積將對周圍水體和大氣環境造成危害。 化肥和有機肥配合施用， 被認為可以增加肥料氮的微生物固持， 減少硝態氮在土壤的累積， 緩解硝態氮累積帶來的環境風險。 有研究表明， 有機肥配施造成的氮迴圈改變， 可能帶來新的氮污染。 例如， 肥料氮在微生物的作用下或能會生成大量可溶性有機氮（EON）， 從而以有機氮的形式流失進入水體。

為了研究外源肥料氮在高肥力農田土壤中的轉化特徵及其轉化為EON的潛力， 中國科學瀋陽應用生態研究所穩定同位素生態學組助理研究員全智採集遼寧省新民市常年種植設施蔬菜的大棚土壤（硝氮含量：152mgkg-1）， 在實驗室內進行為期120天的恒溫培養試驗。 試驗通過單獨施入或混合施入15N標記底物（15N-硫銨， 15N-黑麥草）， 研究外源銨氮和黑麥草氮在6個不同土壤氮庫間的轉化和去向（銨氮NH4+、硝氮NO3-、EON、微生物生物量氮MBN、固定態銨MFN、非微生物有機氮NMON）。

研究發現：

1、高肥力農田土壤硝化能力較強， 3天內即可完成對施入銨的硝化；配施黑麥草增加了異養微生物對銨的固持， 但對硝化潛勢未產生顯著影響。 120天培養期間， 單施硫銨處理僅有2-4%的添加銨進入土壤有機氮庫（MBN+NMON）；硫銨和黑麥草配施促進了微生物對銨的固持（22%），

減少了其硝化的比例。 固持的氮素在培養前期主要以MBN形態存在， 隨著微生物的死亡和休眠， 逐漸轉化為NMON形態儲存， 釋放進入土壤浸提態氮庫的比例較小（圖1）。 研究表明， 通過配施有機物料來減少農田硝態氮累積是可行的， 但需要注意配施有機物的數量和品質， 以減少有機物自身礦化硝化帶來的硝態氮累積。 相關研究以The fate of fertilizer nitrogen in a high nitrate accumulated agricultural soil為題， 發表在Scientific Reports上。

2、培養期間土壤EON含量和EO15N豐度均較低， 大部分EON均來自土壤原有氮庫；在添加後的1-120天內， 外源添加硫銨和黑麥草氮僅貢獻3-4%和8-13%（圖2）。 有意思的是， 隨著微生物的死亡和休眠， 研究中並未觀察到EO15N豐度和回收的上升。

研究人員認為， 旱地農田土壤EON是一個穩定的氮庫， 主要由難降解的有機物組成， 受到外源添加影響較小。 此外， 該研究建議未來的EON研究需要根據研究目的將其易降解和難降解組分區分開來：前者更多的參與氮迴圈， 後者更多的參與氮淋失（圖3）。 相關研究成果以Formation of extractable organic nitrogen in an agricultural soil: A 15N labeling study為題， 線上發表在Soil Biology and Biochemistry上。

研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、國家重點研發計畫和遼寧科技支撐計畫專案的資助。

圖1.標記底物在單施硫銨處理（+15NH4+， 80mgNkg-1）和硫銨黑麥草配施處理（+15NH4++Ryegrass， 160mgNkg-1）不同氮庫中的回收。 圖右側圖例中“Incroporated into SOM”即為非微生物有機氮NMOM。

圖2.不同來源底物（硫銨氮、黑麥草氮和土壤氮）對培養期間土壤EON和MBN的貢獻。 柱狀圖中數位為貢獻比例（%）， 當比例<5%時未列出。

圖3.土壤NH4+、NO3-、EON、MBN、MFN、NMON間的轉化關係圖。 該圖顯示土壤中EON成分複雜， 其中易降解（labile）成分雖然在氮素周轉中發揮了重要作用， 但由於其周轉快速， 其在土壤總EON庫中的比例很低；難降解（recalcitrant）成分占比較高， 由於其緩慢的周轉， 可能是氮淋失的主要貢獻者。