有机肥料通过调节土壤氮库和微生物群，减少了N?O和NH?的排放

《Journal of Environmental Management》：Organic fertilizers reduce N 2O and NH 3 emissions by regulation soil nitrogen pool and microbiome

有机肥料类型显著影响土壤N?O和NH?排放，生物炭改良堆肥减排效果达23.0%和18.4%，机制涉及土壤氮库（TN、Org-N、NO??-N、NH??-N）与微生物基因（denitrification、dissimilatory nitrate reduction、mineralization）调控。

　　

Xinyao Fan|Yi Wang|Wenqi Liang|Xu Ma|Wenming Zhang|Chenxu Yu

甘肃农业大学资源与环境科学学院，兰州，730070，中国

摘要

有机肥料通常被认为有助于维持长期的土壤健康，但它们可能会增加N₂O和NH₃的排放，从而引发对空气污染和气候变化的担忧。在这项研究中，四种类型的有机肥料（原始羊粪RSM；堆肥羊粪有机肥料OF；添加生物炭的有机肥料CharOF；灭菌后的OF SOF）被施用于三种土壤中，以探讨它们对N₂O和NH₃排放的影响及其背后的机制。结果表明，传统的有机肥料（RSM和OF）显著增加了土壤中的N₂O和NH₃排放，而CharOF则将N₂O的排放量减少了23.0%，NH₃的排放量减少了18.4%。OF和SOF显著增加了土壤总氮（TN）和有机氮（Org-N），而CharOF显著提高了土壤中的NO₃^?-N、NH₄⁺-N和微生物生物量氮（MBN）。宏基因组测序显示，RSM和OF显著增加了反硝化基因norB和narI、异化硝酸盐还原基因nasA, napA和nirB以及矿化基因ureC，而CharOF则略微抑制了反硝化基因nirS和narI、异化硝酸盐还原基因nasA/B, napA, nirB和NR以及矿化基因ureC。RDA分析表明，NO₃^?-N、NH₄⁺-N、MBN和pH是影响氮循环相关基因和气体排放的环境因素。PLS-PM模型显示，土壤氮池与NH₃和N₂O排放的相关性更强。本研究为促进绿色农业中的低污染施肥实践提供了理论基础，并有助于农业可持续性的发展。此外，它还为有机肥料的生产及其在提升社会经济系统中的积极作用提供了新的视角。

引言

土壤中以一氧化二氮（N₂O）和氨（NH₃形式存在的气态氮损失是人类社会面临严重的环境问题，对空气质量和气候变化有着重大影响。N₂O是一种重要的温室气体（GHG），其100年全球变暖潜能值（GWP100）是二氧化碳的265倍（IPCC, 2023）。全球超过60%的N₂O排放来自农业活动（IPCC, 2013）。最近的一份报告指出，作为人为N₂O排放的最大来源，农业在中国的人为N₂O排放中占了49.3%（Liang et al., 2024）。NH₃的挥发是氮损失的主要途径之一，它可能引发一系列环境问题，从产生细颗粒物（PM）到沉积，导致许多不良的环境和人类/动物健康问题（Pozzer et al., 2017）。全球30%-40%的氨挥发是由农田施肥引起的（Chen et al., 2025）。农田中的N₂O和NH₃排放受到氮肥施用和土壤管理方式的影响，这些因素改变了氮的可用性和其循环过程以及土壤中的微生物活动（Yang et al., 2024; Shi et al., 2019）。

有机肥料可以显著改善土壤的物理化学性质和生物/酶活性，从而有效提高土壤质量和生态系统的多样性（Wang et al., 2024a）。它们在维持农业生产可持续性、提高作物产量和培育健康土壤方面发挥着关键作用（Zhao et al., 2019）。然而，当谈到有机肥料对土壤中N₂O和NH₃排放的影响时，情况变得复杂。动物粪便作为有机肥料的主要来源，已被证明会显著增加土壤中的N₂O排放，因为它为反硝化过程提供了良好的底物（Dendooven et al., 1998; Severin et al., 2015; Shakoor et al., 2021）。然而，也有研究表明有机肥料可以抑制氨氧化细菌并增加nosZ基因的表达，从而减少氮损失（Geng et al., 2021）。传统的有机肥料通过促进土壤反硝化作用而增加N₂O排放（Lazcano et al., 2021），但其他研究也表明有机肥料由于提高了氮的利用效率而减少了N₂O和NH₃的排放（Hou et al., 2023）。这种复杂性可能主要是由于涉及的各种土壤、作物和肥料的复杂组合。研究表明，传统的有机肥料（牲畜粪便和/或粪便堆肥）使小麦田和玉米田的N₂O排放分别增加了28.16%和69.44%，但显著降低了水稻田的N₂O排放（Hou et al., 2024）。储存的猪粪与生物炭混合使用可以增强油菜的氮吸收并减少N₂O和NH₃的排放（Zhang et al., 2019）。尽管如此，过去的研究表明，使用有机肥料可以长期改善土壤肥力和农业可持续性，同时仍能控制N₂O和NH₃的排放水平，以尽量减少其对环境的负面影响。

在可持续的经济和社会发展的整体框架下，资源管理（如土壤管理）需要与促进社会经济收益的目标保持一致。正如碳交换定价研究模型所显示的（Jin and Xu, 2024, 2025），新的可持续实践（例如生物炭土壤改良）和高效的资源管理（例如氮循环回收）可以在实现经济发展目标（提高农业生产力和增加农村收入）、社会福利（减少污染和改善空气质量）以及全球能源/环境可持续性方面发挥变革性作用。这项关于添加生物炭的有机肥料的研究旨在实现N₂O和NH₃排放的控制（即减少），同时协同提高土壤肥力和作物产量，这是朝着促进社会经济效益和农业脱碳的正确方向迈出的一步。为了实现这一目标，需要充分了解有机肥料的质量和特性，以确定它们的环境影响（Zhang et al., 2019）。尽管在这方面已经取得了很大进展，但仍然缺乏对有机肥料如何通过调节土壤微生物组来调控N₂O和NH₃排放的机制的系统和深入理解。回答这一关键问题对于优化有机肥料的配方和生产至关重要，以最大化其土壤施肥效益，同时尽量减少其对环境的负面影响（特别是N₂O和NH₃排放）。

因此，本研究的中心假设是，控制有机肥料的关键质量属性可以改变土壤氮池，并调节土壤微生物组中的氮循环相关基因，进而影响N₂O和NH₃的排放。为了验证这一假设，生产了四种类型的有机肥料，并将它们施用于三种土壤中进行微宇宙培养，以研究有机肥料的质量属性对N₂O和NH₃排放动态的影响，以及它们对土壤微生物组中氮循环相关基因的影响。研究了这些因素之间的相关性，以系统地阐明N₂O和NH₃排放缓解的机制。我们的目标是创建一种方法，将土壤质量改善与N₂O和NH₃排放缓解相结合，并为优化有机肥料的生产以促进可持续发展提供新的见解。

实验用土壤和有机肥料

土壤样本来自甘肃省武威市古浪县（37°55′N, 102°38′E）的小麦田（标记为MG）、庆阳市正宁县（35°42′N, 107°38′E）的玉米田（标记为EG）和陇南市（33°23′N, 104°55′E）的核桃园（标记为SG）（图1）。收集了表层土（0-20厘米深度），晾干后通过2毫米筛子筛选。从甘肃省会宁县的一个农场收集了羊粪，其中一部分直接用作有机肥料

N₂O和NH₃累积排放的变化

显然，使用有机肥料显著增加了N₂O和NH₃的排放，尤其是在RSM和OF的情况下，如图2和表3所示。与RSM组相比，CharOF组在SG土壤中的N₂O和NH₃排放分别减少了39.4%和9.6%；在EG土壤中分别减少了68.2%和10.6%；在MG土壤中分别减少了28.1%和2.4%；在第二轮实验中，分别在SG土壤中减少了13.4%和18.4%，在EG土壤中分别减少了12.6%和9.3%，在MG土壤中分别减少了23.0%和11.3%。与RSM组相比，N₂O和NH₃

有机肥料属性对土壤微生物组和与N₂O产生相关的基因的影响

作为提高土壤肥力的重要策略，有机肥料的应用受到了广泛研究。其中一个问题是有机肥料施用对气态氮损失的影响，这可能会引发严重的环境问题（Gao et al., 2024）。研究表明，有机改良剂对气体排放的影响受到改良剂类型和土壤类型以及管理方式的影响（Li et al., 2021; Zhang et al., 2016）。本研究比较了

结论

本研究探讨了有机肥料如何影响土壤氮池和土壤微生物组，特别是与氮循环相关的基因，从而影响NH₃和N₂的排放。结果表明，传统的有机肥料（粪便RSM）和堆肥（OF）通过增加有机氮（Org-N）以及与异化硝酸盐还原、矿化和反硝化相关的基因的丰度，显著促进了NH₃和N₂的排放；而添加生物炭的堆肥（CharOF）则直接影响

CRediT作者贡献声明

Xinyao Fan：撰写——原始草稿，项目管理，调查，正式分析，数据管理。Yi Wang：调查，数据管理。Wenqi Liang：调查，数据管理。Xu Ma：调查，正式分析。Wenming Zhang：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，项目管理，调查，正式分析，数据管理。Chenxu Yu：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，正式分析。

资助

本工作得到了甘肃省重大专项研究项目 [25ZDNA007]的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。