土壤氮轉(zhuǎn)化過程：新方法與新認(rèn)識

氮素生物地球化學(xué)循環(huán)通過驅(qū)動碳-氮耦合、溫室氣體釋放及氮素遷移過程，深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)功能、環(huán)境質(zhì)量與人類健康。隨著人類活動的加劇，人為活性氮數(shù)量急劇增加，引發(fā)了諸多環(huán)境問題。超過80%的人為活性氮首先進(jìn)入土壤，除極少數(shù)殘留于土壤中外，絕大部分以不同形態(tài)進(jìn)入生物圈、大氣圈和水圈。土壤氮轉(zhuǎn)化過程及其速率的組合特點(diǎn)對氮去向具有“調(diào)配器”作用，闡明土壤氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)及其關(guān)鍵控制因子是應(yīng)對活性氮問題的關(guān)鍵所在。以歐美等發(fā)達(dá)國家為主，學(xué)界基于對溫帶土壤氮循環(huán)的研究，建立了現(xiàn)有的土壤氮循環(huán)和氮調(diào)控的理論體系。我國也基于這一理論體系，指導(dǎo)土壤氮素循環(huán)研究和氮肥管理。但是，這一體系并不能很好地解釋：

①在強(qiáng)烈風(fēng)化和淋溶的熱帶-亞熱帶濕潤地區(qū)，具有高度擴(kuò)散性的氮素卻在土壤中相對富集；

②熱帶-亞熱帶酸性土壤硝化和反硝化過程普遍微弱，但是N2O排放總量卻非常大；

③同樣是自然生態(tài)系統(tǒng)，有的地表徑流輸出的氮素以硝態(tài)氮為主，有的卻以溶解有機(jī)氮為主等諸多現(xiàn)象。

究其原因，一是研究對象的代表性不完整，缺乏對溫帶之外地區(qū)土壤氮素轉(zhuǎn)化特征的充分認(rèn)識，導(dǎo)致理論體系不完整；二是研究方法的局限性，傳統(tǒng)的氮凈轉(zhuǎn)化速率方法只能反映某一形態(tài)氮含量的凈變化，卻不能反映導(dǎo)致含量變化的各個氮轉(zhuǎn)化過程的實(shí)際速率。

針對上述問題，本書編寫團(tuán)隊(duì)從2008年開始引入并完善了土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率研究方法，系統(tǒng)地研究了土壤氮轉(zhuǎn)化規(guī)律、氮素保持機(jī)制，以及土壤氮轉(zhuǎn)化特性對氮去向的調(diào)控作用，獲得了一些新認(rèn)識。本書對這些新認(rèn)識和新方法進(jìn)行了總結(jié)。

基于15N成對標(biāo)記技術(shù)和

Ntrace

發(fā)現(xiàn)土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率存在明顯的地帶性規(guī)律，特別是地帶性森林土壤初級自養(yǎng)硝化速率及硝化能力(自養(yǎng)硝化速率/氮礦化速率)，從溫帶到亞熱帶-熱帶呈現(xiàn)顯著降低的規(guī)律，而微生物硝態(tài)氮同化速率則表現(xiàn)為增加趨勢，從而形成了銨態(tài)氮主導(dǎo)型和硝態(tài)氮主導(dǎo)型的土壤無機(jī)氮組成比例的地帶性分布規(guī)律；土壤氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)決定的無機(jī)氮主導(dǎo)型與環(huán)境條件、氣候特點(diǎn)(主要是降水)的契合程度決定土壤氮素保持能力。以我國亞熱帶紅壤為例，紅壤呈酸性，自養(yǎng)硝化能力弱，使得無機(jī)氮以銨態(tài)氮為主，減少了氮淋溶風(fēng)險，并且酸性土壤環(huán)境能有效地避免NH3揮發(fā)損失；微生物硝態(tài)氮同化能力強(qiáng)，進(jìn)一步降低了硝態(tài)氮淋溶和反硝化損失風(fēng)險。這些氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)使得亞熱帶酸性森林土壤具有較高的無機(jī)氮供應(yīng)能力和保持能力。該研究成果填補(bǔ)了亞熱帶濕潤地區(qū)酸性森林土壤氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)的知識空白，闡明了氮素富集機(jī)理。

發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)利用明顯削弱亞熱帶地帶性土壤的氮保持能力。我們發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)利用可以顯著激發(fā)紅壤初級自養(yǎng)硝化速率，明顯抑制微生物硝態(tài)氮同化能力，使得農(nóng)業(yè)利用土壤硝態(tài)氮產(chǎn)生量高、消耗量低，導(dǎo)致土壤無機(jī)氮從以銨態(tài)氮為主導(dǎo)(森林)轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵鯌B(tài)氮為主導(dǎo)。在多雨的氣候條件下，硝態(tài)氮極易通過徑流、淋溶、反硝化等過程脫離土壤。由此明確了農(nóng)業(yè)利用破壞亞熱帶酸性土壤氮保持能力的氮過程機(jī)理。該研究成果為熱帶-亞熱帶農(nóng)田土壤氮素調(diào)控提供了明確的“標(biāo)靶”，即降低土壤自養(yǎng)硝化速率，提高微生物硝態(tài)氮同化能力，這可能是該地區(qū)有效的氮素調(diào)控措施。

發(fā)現(xiàn)土壤氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)與植物氮形態(tài)吸收偏好的契合程度是提高氮利用率、減少氮損失的基礎(chǔ)。我們的研究成果表明氮肥施入土壤后，土壤氮轉(zhuǎn)化特點(diǎn)決定無機(jī)氮主導(dǎo)形態(tài)，如銨態(tài)氮肥施用于土壤后，銨態(tài)氮滯留時間及硝態(tài)氮濃度隨土壤初級硝化速率的大小而變化：土壤初級硝化速率大，銨態(tài)氮滯留時間短，硝態(tài)氮成為主導(dǎo)氮形態(tài)；反之，則銨態(tài)氮滯留時間長。對于前者，有利于喜硝作物對氮肥的吸收利用；對于后者，有利于喜銨作物對氮肥的吸收利用，因而氮肥利用率高。該研究成果為氮素管理措施的選擇提供了明確的指導(dǎo)方向，即能夠改善兩者契合關(guān)系才有可能提高氮利用率。

（5）

構(gòu)建了植物-土壤系統(tǒng)15N示蹤模型(即NtracePlant模型)，結(jié)合15N成對標(biāo)記盆栽實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對植物-土壤系統(tǒng)中植物氮吸收速率和多個土壤氮轉(zhuǎn)化過程初級轉(zhuǎn)化速率的同步定量，解決了植物氮吸收與土壤氮轉(zhuǎn)化過程互饋?zhàn)饔玫亩炕y題。我們發(fā)現(xiàn)植物氮吸收與土壤氮轉(zhuǎn)化過程間存在明顯的反饋關(guān)系，特別是在土壤供氮能力不足時，植物活動會調(diào)控一些氮轉(zhuǎn)化途徑，增加土壤氮供應(yīng)。例如，喜銨作物水稻能夠強(qiáng)烈抑制自養(yǎng)硝化速率，以延長銨態(tài)氮滯留時間，滿足其對銨態(tài)氮的需求，并減少氮損失；同時，水稻根際活動還會激發(fā)另一條硝態(tài)氮產(chǎn)生途徑，即有機(jī)氮異養(yǎng)硝化，增加根際硝態(tài)氮供應(yīng)，滿足銨硝協(xié)同吸收需求。水稻銨態(tài)氮吸收速率和氮肥利用率均與初級自養(yǎng)硝化速率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)、與銨態(tài)氮滯留時間呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)，而氮損失率正相反，支持上述水稻-土壤氮轉(zhuǎn)化過程互饋的氮調(diào)控與利用策略結(jié)論。該研究成果構(gòu)建了植物-土壤氮轉(zhuǎn)化過程互饋?zhàn)饔枚拷馕龇椒ǎ瑸橥ㄟ^強(qiáng)化土壤自然供氮，構(gòu)建低化肥氮依賴型綠色農(nóng)業(yè)模式提供了理論支撐。

（6）

基于15N成對標(biāo)記技術(shù)建立了三氮庫源N2O溯源方法，實(shí)現(xiàn)了定量區(qū)分硝態(tài)氮(反硝化過程)、銨態(tài)氮(自養(yǎng)硝化過程)和有機(jī)氮(異養(yǎng)硝化過程)三氮庫源對土壤N2O排放的貢獻(xiàn)。首次明確了亞熱帶酸性土壤N2O主要通過有機(jī)氮異養(yǎng)硝化和反硝化途徑產(chǎn)生，自養(yǎng)硝化貢獻(xiàn)較小的規(guī)律；明確了有機(jī)氮異養(yǎng)硝化過程產(chǎn)生N2O的重要性和普遍性，由此闡明了亞熱帶酸性土壤的自養(yǎng)硝化和反硝化作用弱，但N2O排放總量大的氮過程機(jī)理。該研究成果將土壤N2O產(chǎn)生從硝態(tài)氮和銨態(tài)氮二氮庫源擴(kuò)展至硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有機(jī)氮三氮庫源，完善了N2O“管道漏氣”概念模型，為提高區(qū)域或全球尺度N2O排放的模型估算精度提供了理論支撐。

《土壤氮轉(zhuǎn)化過程：新方法與新認(rèn)識》是我們對過去10余年土壤氮轉(zhuǎn)化過程研究成果的總結(jié)，分上下兩篇，上篇介紹了我們基于土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率研究方法獲得的土壤氮轉(zhuǎn)化方面的新認(rèn)識，下篇介紹基于15N成對標(biāo)記和15N自然豐度技術(shù)，開展土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率及N2O溯源等的研究方法，以及上篇相關(guān)新認(rèn)識工作涉及的具體實(shí)驗(yàn)方法。由于土壤氮轉(zhuǎn)化過程的初級轉(zhuǎn)化速率是基于數(shù)值優(yōu)化模型計算得出的，不可避免地會與真實(shí)的初級轉(zhuǎn)化速率有所偏差。我們將成果展示給廣大讀者，是存有一個強(qiáng)烈的愿望：接受廣大讀者的批評，改進(jìn)和完善15N成對標(biāo)記和15N自然豐度技術(shù)，深化對土壤氮轉(zhuǎn)化過程的認(rèn)識程度，為更科學(xué)地施用和管理氮肥，充分發(fā)揮其增產(chǎn)作用，降低其對環(huán)境的不利影響提供科學(xué)依據(jù)。

蔡祖聰

2025年4月于南京

（摘自“序”）

本文摘編 自 《 土壤氮轉(zhuǎn)化過程：新方法與新認(rèn)識 》一 書 ， 有修改 。

《土壤氮轉(zhuǎn)化過程：新方法與新認(rèn)識》

ISBN 978-7-03-083005-0
張金波 蔡祖聰 孟磊 著

責(zé)任編輯：周 丹 王騰飛

本書系統(tǒng)總結(jié)了作者團(tuán)隊(duì)在土壤氮轉(zhuǎn)化過程方面的研究成果，內(nèi)容分為上下兩篇。上篇重點(diǎn)介紹土壤氮轉(zhuǎn)化研究的新認(rèn)識，共6章，分別介紹了土壤氮轉(zhuǎn)化過程及其對氮去向的調(diào)控原理、土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率的地帶性規(guī)律、農(nóng)業(yè)利用對土壤氮轉(zhuǎn)化過程的影響、土壤-作物氮形態(tài)契合程度與氮肥利用率的關(guān)系、植物對異養(yǎng)硝化的驅(qū)動作用及其生態(tài)意義、植物-土壤氮轉(zhuǎn)化過程的互饋?zhàn)饔谩Ｏ缕饕榻B土壤氮轉(zhuǎn)化研究的新方法，也分為6章，分別為土壤氮初級轉(zhuǎn)化速率研究方法、土壤 N2O溯源方法，以及本書上篇相關(guān)新認(rèn)識工作的具體實(shí)驗(yàn)方法。
本書可作為土壤學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、作物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生態(tài)學(xué)等學(xué)科的本科生與研究生教學(xué)用書，亦可作為相關(guān)領(lǐng)域科研工作者的專業(yè)參考書目。

（本文編輯：洪弘）

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