文章信息
原名：Controlled-release nitrogen fertilizer and long-term straw return synergistically improve wheat yield and reduced the nitrogen losses by regulating soil microbial communities and soil organic nitrogen components
译名：控释氮肥与秸秆长期还田通过调控土壤微生物群落和土壤有机氮组分协同提高小麦产量并减少氮素损失
期刊：Field Crops Research
2024年影响因子/JCR分区：6.4/Q1
第一作者：Tianyang Zhou
通讯作者： Junfei Gu、Jianchang Yang
第一单位：扬州大学农学院 / 江苏省作物遗传生理重点实验室 / 江苏省作物栽培生理重点实验室
文章亮点
·揭示 “控释氮肥 + 秸秆还田” 协同机制：首次系统阐明二者组合通过调控土壤微生物群落与有机氮组分，实现 “增产 – 减损 – 固碳” 三重协同，突破单一措施效果局限，明确协同效应主要源于优化土壤碳氮比与微生物代谢平衡。
·解析有机氮组分差异化响应：细化土壤有机氮（SON）为酸解性氮（AHN，含氨基酸氮、氨基糖氮等）与非酸解性氮（N-AHN），发现秸秆还田优先提升 AHN（尤其是易矿化的氨基酸氮、酸解铵态氮），控释氮肥则减少 N-AHN 积累，二者结合使 SON 年固存量达 40.3 kg/ha，为土壤肥力提升提供量化依据。
·锁定关键功能微生物：通过随机森林与冗余分析，识别出调控有机氮组分的关键微生物与减少气态氮损失的功能微生物，阐明微生物群落结构与氮循环功能基因（如硝化基因 amoA、反硝化基因 nirK）的响应规律，填补微生物介导氮循环的机制空白。
文章摘要
土壤有机氮是土壤总氮的主要存在形式，对氮素的留存、转化和供给起着关键调控作用。控释氮肥与秸秆还田虽能分别提升土壤肥力、减少氮素损失，但二者长期结合应用时，对土壤有机氮动态变化、气态氮排放以及微生物介导的氮循环过程所产生的协同效应，目前仍缺乏清晰认知，这在一定程度上限制了该组合措施在农田耕作系统中的优化应用。
本研究以2015年启动的小麦田长期秸秆还田试验为基础，设置了四种处理方式，分别是秸秆移除配合普通尿素、秸秆移除配合控释氮肥、秸秆还田配合普通尿素、秸秆还田配合控释氮肥，通过长期监测，探究不同处理下气态氮损失情况、土壤有机氮各组分含量变化以及土壤微生物群落特征。
结果显示，秸秆还田不仅能使土壤有机氮含量年均提升33.8kg/ha，还能优化其组成结构，具体表现为显著增加易矿化的酸解性氮含量（年均增加124.6kg/ha），同时减少难分解的非酸解性氮含量；控释氮肥则能有效降低氮素气态损失，使氨挥发量减少19.0%、氧化亚氮排放量减少27.8%。而秸秆还田与控释氮肥组合应用的协同效应远超单一措施，在两个小麦生长季内，该组合处理使小麦产量平均提升6.7%，气态氮损失占施氮量的比例降低21.3%，氮收获指数提升3.1%，土壤有机氮年固存量达到40.3kg/ha。
从作用机制来看，控释氮肥与秸秆还田会改变土壤中的关键微生物群落结构，例如与酸解性氮调控相关的Sarcopodium、Bacillus等微生物，以及影响气态氮损失的Sporacetigenium、MND1等微生物的丰度会发生显著变化，同时还会影响氮循环相关的代谢功能基因表达，秸秆还田有助于维持土壤氮循环活性，控释氮肥则能减少氮素损失相关过程，最终实现小麦增产与氮素减损的协同效果。该研究结果为高产水平下，小麦田通过“秸秆还田+控释氮肥”组合措施提升土壤有机氮各组分含量、优化氮素管理提供了有价值的参考。
主要内容
氮是支撑小麦生长与产量形成的关键养分，然而当前农业生产中，常规氮肥（如普通尿素）施用后易因氨挥发、氧化亚氮排放等途径造成大量氮素损失，不仅降低氮素利用效率，还加剧农业面源污染；同时，长期单一施用常规氮肥还可能破坏土壤微生物群落结构，导致土壤肥力下降。秸秆还田作为常见的土壤改良措施，虽能为土壤补充有机碳和氮素、改善土壤结构，但单独应用时，由于秸秆碳氮比较高，会引发土壤微生物与作物争夺氮素的问题，且可能因微生物活动增强反而增加气态氮损失风险，难以兼顾产量提升与环境效益。
现有研究多集中于单一措施（如仅秸秆还田或仅控释氮肥）对小麦产量、氮素损失或土壤性质的影响，缺乏对控释氮肥与秸秆长期还田组合应用效果的系统探究，尤其对二者协同调控土壤有机氮（SON）组分（如酸解性氮、非酸解性氮）动态变化、土壤微生物群落结构与氮循环功能（如硝化、反硝化过程）的交互机制认知不足，无法为小麦田制定兼顾高产、氮素减损与土壤肥力维持的综合管理策略提供充分科学依据，这些研究空白与生产需求共同构成了本研究开展的背景。
该研究以江苏扬州扬州大学试验农场的小麦田为研究对象，基于2015年启动的长期秸秆还田试验，采用2×2因子随机区组设计，设置4个处理组：秸秆移除+普通尿素（N-CU）、秸秆移除+控释氮肥（N-CRNF）、秸秆还田+普通尿素（R-CU）、秸秆还田+控释氮肥（R-CRNF），每个处理设3次重复，小区面积6.30m×4.80m，用20cm混凝土墙隔离，供试小麦品种为扬麦16，种植密度240×10⁴株/ha，除特定施肥与秸秆管理措施外，磷钾肥施用、灌溉、病虫草害防治等均遵循当地高产管理方式，试验重点监测2021-2023年小麦生长季数据。
在指标测定方面，气态氮损失监测采用静态箱法测定氧化亚氮（N₂O）排放，于小麦生育前期每周2-3次、后期每周1次在9:00-11:00采集气体样品，用气相色谱仪分析浓度并计算排放通量；氨（NH₃）挥发采用海绵吸收法，普通尿素处理在分次施肥后首周每日监测，后续频次逐渐降低，控释氮肥处理同步采样，通过测定海绵中铵态氮浓度计算挥发速率与累积量。土壤氮素相关指标测定中，于小麦播种前和收获后采集0-20cm土层土壤，采用元素分析仪测总氮（STN），0.01mol/L CaCl₂提取后用自动分析仪测无机氮（SIN），土壤有机氮（SON）按STN与SIN差值计算；采用酸水解法将SON分为酸解性氮（AHN）与非酸解性氮（N-AHN），并进一步细分氨基酸氮（AAN）、氨基糖氮（ASN）等组分，通过蒸汽蒸馏法测定各组分浓度。
土壤微生物群落分析采用DNeasy® PowerSoil®试剂盒提取土壤总DNA，针对细菌16S rRNA基因V3+V4区和真菌ITS1区设计特异性引物进行PCR扩增，在Illumina MiSeq PE250平台进行高通量测序，利用QIIME软件分析测序数据，计算Chao1、Shannon等α多样性指数，通过冗余分析（RDA）揭示微生物群落与氮素指标的关联；采用PICRUSt软件预测细菌氮循环功能基因（如硝化基因amoA、反硝化基因nirK）的相对表达量。小麦生长与产量相关指标测定中，成熟期选取4m²代表性样方测产并换算为13%含水量下的产量，采集20株植株分器官测定生物量与氮含量，计算氮 uptake、氮收获指数（HIₙ）等指标。
数据分析阶段，采用SPSS 16.0软件进行双因素方差分析（ANOVA），用Tukey法（P<0.05）比较处理间差异；通过随机森林模型识别调控氮素组分与气态氮损失的关键微生物属；利用R软件“lavaan”包构建结构方程模型（SEM），量化控释氮肥与秸秆还田对产量、氮效率及氮素损失的直接和间接效应，所有图表采用GraphPad Prism 9软件绘制。
该研究围绕控释氮肥与秸秆长期还田的协同作用展开，核心目标是明确不同秸秆管理（移除/还田）与氮肥类型（普通尿素/控释氮肥）组合下，土壤有机氮（SON）各组分（如酸解性氮、非酸解性氮及其细分的氨基酸氮、氨基糖氮等）的动态变化规律，厘清不同措施对SON组分构成的调控差异，填补对SON组分响应机制认知的空白。
同时，研究旨在系统探究控释氮肥与秸秆还田单独及组合应用时，对小麦田气态氮损失（氨挥发、氧化亚氮排放）的影响效应，分析二者是否存在协同减损作用，并量化这种协同效应的大小，为降低农田氮素气态损失提供数据支撑。
此外，研究还希望深入解析土壤微生物群落（细菌、真菌）的结构与多样性变化，识别调控SON组分转化和气态氮损失的关键功能微生物，阐明微生物群落及氮循环功能基因（如硝化、反硝化相关基因）在“控释氮肥+秸秆还田”协同提升产量、减少氮损失过程中的介导作用，最终为小麦田制定兼顾产量稳定、氮素高效利用与土壤肥力维持的综合管理策略提供科学依据。
该研究通过对小麦田长期试验的监测，明确了控释氮肥（CRNF）与秸秆还田单独及组合应用的效果差异。从产量与氮效率来看，秸秆还田在普通尿素和控释氮肥处理下均能提升小麦产量，但差异不显著；控释氮肥则较普通尿素显著增产，其中秸秆还田配合控释氮肥（R-CRNF）的协同效应最突出，两年平均产量较对照（N-CU）提升6.7%，同时氮收获指数（HIₙ）提高3.1%，氮偏生产力（PFPₙ）和氮内效率（IEₙ）也显著优于其他处理，仅秸秆还田会因秸秆分解输入额外氮素，导致IEₙ小幅下降。
在气态氮损失方面，普通尿素处理（N-CU、R-CU）的氨（NH₃）挥发出现4次峰值（与施肥时间同步），而控释氮肥处理（N-CRNF、R-CRNF）仅在播种后3天和30天出现2次峰值，且后期损失近乎可忽略；控释氮肥平均减少19.0%的NH₃挥发和27.8%的氧化亚氮（N₂O）排放。秸秆还田虽会使NH₃挥发和N₂O排放总量增加，但R-CRNF处理仍能将气态氮损失占施氮量的比例降低21.3%，显著低于其他处理。此外，控释氮肥还能减少总氮损失，N-CRNF较N-CU总氮损失降低12.24%，R-CRNF较R-CU降低11.11%。
土壤氮素组分变化上，秸秆还田年均提升土壤有机氮（SON）33.8 kg/ha，且显著增加酸解性氮（AHN，尤其是氨基酸氮、酸解铵态氮）含量124.6 kg/ha，同时减少非酸解性氮（N-AHN）；控释氮肥对SON的提升作用弱于秸秆还田，但能进一步减少N-AHN积累。二者组合的R-CRNF处理效果最优，SON年固存量达40.3 kg/ha，氨基酸氮、酸解铵态氮和氨基糖氮分别较N-CU增加66.23、71.04和13.00 kg/ha，土壤总氮（TN）和无机氮（SIN）含量也高于其他处理，且秸秆还田还能降低土壤容重，改善土壤物理性质。
土壤微生物群落方面，R-CRNF处理的土壤微生物多样性最高，细菌和真菌的Chao1、Shannon指数较N-CU分别提升21.6%和19.3%。秸秆还田和控释氮肥均会改变微生物群落结构：秸秆还田增加Ascomycota真菌和Bacillus细菌丰度，减少Tomentella真菌；控释氮肥则提升Proteobacteria细菌和Vishniacozyma真菌丰度，降低Sporacetigenium细菌。随机森林分析显示，Sarcopodium、Bacillus等是调控AHN组分的关键微生物，Sporacetigenium、MND1等则与气态氮损失密切相关；功能基因预测表明，R-CRNF处理显著上调硝化基因（amoA、amoB）表达，下调反硝化基因（nirK、nirS）和厌氧氨氧化相关基因，进一步证实微生物介导的氮循环功能变化是协同效应的重要机制。
2021-2022年(A-C)和2022-2023年(D-F)小麦生育期NH3挥发速率(A和D)、NH3挥发积累量(B和E)以及NH3挥发排放与施氮量的比值(C和F)。N-CU，普通尿素+稻草还田；N-CRN，控释氮肥+稻草还田；R-CU，普通尿素+稻草还田；R-CRN，控释氮肥+稻草还田。数据是平均值±标准误差。不同字母表示同一年不同处理间差异显著（P<0.05）。
2021-2022年(A-C)和2022-2023年(D-F)小麦生育期的N2O排放通量(A和D)、N2O排放的季节累积(B和E)以及N2O排放与施氮量的比值(C和F)。N-CU，普通尿素+稻草还田；N-CRN，控释氮肥+稻草还田；RCU，普通尿素+稻草还田；R-CRN，控释氮肥+稻草还田。数据是平均值±标准误差。不同字母表示同一年不同处理间差异显著（P<0.05）。
2021-2022年和2022-2023年，不同处理总氮素损失量(A)、气态活性氮素损失量(B)、其他氮素损失量(即氮素淋失和氮素径流)以及总氮素损失量与施氮量之比(D)。N-CU，普通尿素+稻草还田；N-CRN，对照减氮+稻草还田；R-CU，普通尿素+稻草还田；R-CRN，控释氮肥+稻草还田。数据是平均值±标准误差。不同字母表示同一年不同处理间差异显著（P<0.05）。
(A)2021-2022年和2022-2023年，在播前和收获后不同处理下不同SON组分和AHN组分的平均比例。2021-2022年(B和D)和2022-2023年(C和E)不同处理下收获后土壤样品和播前土壤样品中不同TN组分(B和C)和不同SON组分(D和E)含量的变化。N-CU，普通尿素+稻草还田；N-CRN，控释氮肥+稻草还田；R-CU，普通尿素+稻草还田；R-CRN，控释氮肥+稻草还田。TN，全氮；SIN，土壤无机氮；SON，土壤有机氮；N-ANN，非酸解氮；ANN，酸解氮；ASN，氨基糖氮；AAN，氨基酸态氮；AHAN，酸解氨态氮；UN，可水解性未知N。不同字母表示同一年不同处理间差异显著（P<0.05）。
对细菌(A)和真菌(B)群落在不同氮素处理和秸秆还田方式下不同SON组分含量、TN损失、其他N损失、NH3挥发、N2O排放、PFPN和N吸收的变化进行了冗余分析。细菌属(C)和真菌属(D)代表了不同的氮素处理和秸秆还田方式，其依据是随机森林模型得出的平均基尼系数(均值-下降-基尼指数)。N-CU，普通尿素+稻草还田；N-CRN，控释氮肥+稻草还田；R-CU，普通尿素+稻草还田；R-CRN，控释氮肥+稻草还田；N-ANN，非酸解氮；ANN，酸解氮；AAN，氨基酸态氮；ASN，氨基糖氮；AHN，酸解氨态氮；UN，未知N；TN损失，总氮损失；ON，其他氮素损失；STN，土壤全氮；SIN，土壤无机氮；SON，土壤有机氮；N吸收，氮素吸收；氮肥偏要素生产率。
研究了2023-2024年小麦生长季细菌属和真菌属对不同SON组分(N-AHN、AHN、AAN、ASN、AHAN和UN)和气态N损失(N2O排放和NH3挥发)含量的影响，并用分类回归树法(A)的均方误差(MSE%)进行了识别。不同氮肥处理和秸秆还田方式下重要细菌和真菌的相对丰度(B)。细菌和真菌相对丰度对氮素去向的皮尔森相关分析(C)。N-CU，普通尿素+稻草还田；NCRN，控释氮肥+稻草还田；R-CU，普通尿素+稻草还田；R-CRN，控释氮肥+稻草还田；N-ANN，非酸解氮；ANN，酸解氮；AAN，氨基酸态氮；ASN，氨基糖氮；AHAN，酸解氨氮；UN，未知N；TN损失，总氮损失；ON，其他氮素损失；STN，土壤全氮；SIN，土壤无机氮；SON，土壤有机氮；N吸收，氮素吸收；氮肥偏要素生产率。
小麦生产系统氮素循环示意图(A)。用PICRUST(B)预测细菌群落在土壤氮循环中的代谢功能。➀：硝化；➁：反硝化；➂：异化硝酸盐还原为氨；➃：厌氧氨氧化；➄：氮固定化。
结构方程模型揭示了控释氮肥和秸秆还田对产量、氮素利用率、气态氮损失、SON组分、微生物多样性和群落组成的影响。红色箭头表示显著的正相关关系，而绿色箭头表示显著的负相关关系，其中显著水平设置为P<0.05。箭头旁边的数字是标准化系数。实线表示直接影响，而虚线表示间接影响。箭头的宽度表示标准化路径系数的强度。
该研究的意义首先体现在理论层面，其首次系统解析了控释氮肥与秸秆长期还田组合对土壤有机氮（SON）组分的差异化调控机制，明确了秸秆还田优先提升易矿化酸解性氮（如氨基酸氮、酸解铵态氮）、控释氮肥减少难分解非酸解性氮的规律，同时锁定了调控有机氮转化与气态氮损失的关键功能微生物（如Sarcopodium、Bacillus、Sporacetigenium），并阐明了氮循环功能基因（如硝化基因amoA、反硝化基因nirK）的响应模式，填补了“秸秆-氮肥-微生物-有机氮”交互作用机制的研究空白，为完善农田氮循环理论体系提供了关键数据与机制支撑。
从实践应用角度，研究证实“秸秆还田+控释氮肥”组合具有显著协同效应，能在提升小麦产量6.7%的同时，减少21.3%的气态氮损失占比、实现40.3 kg/ha的SON年固存量，有效解决了单一秸秆还田可能增加氮损失、单一控释氮肥提升土壤肥力有限的矛盾。这一组合方案可直接指导小麦主产区的生产实践，例如通过秸秆还田配合控释氮肥基施，既能满足小麦全生育期氮素需求，又能降低氨挥发与氧化亚氮排放，同时持续提升土壤有机氮储备，为农业生产中“产量保障-环境减损-土壤培肥”三者协同提供了可操作的技术路径。
此外，研究成果对推动农业绿色可持续发展具有重要价值。其量化的SON组分变化、微生物群落响应及氮损失数据，可为小麦田氮素精准管理提供科学依据，助力化肥减量增效目标的实现；同时，明确的协同机制与关键调控靶点，也为其他集约化农田（如玉米田、稻田）的养分管理与生态环境保护提供了可借鉴的研究范式，对缓解农业面源污染、维护土壤健康具有长远意义。
该研究的核心突破在于 “阈值思维” 与 “机制解析” 的结合：通过识别 SOC 15 g/kg 的关键阈值，将复杂的氮肥 – 碳库关系简化为可操作的管理节点，同时深入解析阈值两侧 “植物 – 微生物 – 土壤” 的差异化调控路径，避免了以往研究 “重现象轻机制” 的局限。
研究设计的严谨性值得关注：全球 Meta 分析确保结论普适性，中国长期定位试验揭示机制细节，二者相互验证，增强结果可信度；全球预测模型进一步将基础研究转化为空间化管理工具，体现 “从实验室到田间再到全球” 的研究逻辑。不过，研究未涉及不同氮肥类型（如尿素、铵态氮）与 SOC 阈值的交互作用，且高纬度地区（欧洲、加拿大）数据较少，未来可补充这些维度以完善结论。整体而言，该研究为农业碳管理提供了 “精准化、差异化” 的新范式，对推动农田生态系统可持续发展具有里程碑意义。
原文链接：https:///10.1038/s41467-025-57981-6