土壤氮轉化過程：新方法與新認識

氮素生物地球化學循環通過驅動碳-氮耦合、溫室氣體釋放及氮素遷移過程，深刻影響著生態系統功能、環境質量與人類健康。隨著人類活動的加劇，人為活性氮數量急劇增加，引發了諸多環境問題。超過80%的人為活性氮首先進入土壤，除極少數殘留于土壤中外，絕大部分以不同形態進入生物圈、大氣圈和水圈。土壤氮轉化過程及其速率的組合特點對氮去向具有“調配器”作用，闡明土壤氮轉化特點及其關鍵控制因子是應對活性氮問題的關鍵所在。以歐美等發達國家為主，學界基于對溫帶土壤氮循環的研究，建立了現有的土壤氮循環和氮調控的理論體系。我國也基于這一理論體系，指導土壤氮素循環研究和氮肥管理。但是，這一體系并不能很好地解釋：

①在強烈風化和淋溶的熱帶-亞熱帶濕潤地區，具有高度擴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同樣是自然生態系統，有的地表徑流輸出的氮素以硝態氮為主，有的卻以溶解有機氮為主等諸多現象。

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土壤氮素轉化特征的充分認識，導致理論體系不完整；二是研究方法的局限性，傳統的氮凈轉化速率方法只能反映某一形態氮含量的凈變化，卻不能反映導致含量變化的各個氮轉化過程的實際速率。

針對上述問題，本書編寫團隊從2008年開始引入并完善了土壤氮初級轉化速率研究方法，系統地研究了土壤氮轉化規律、氮素保持機制，以及土壤氮轉化特性對氮去向的調控作用，獲得了一些新認識。本書對這些新認識和新方法進行了總結。

基于15N成對標記技術和

Ntrace

發現土壤氮初級轉化速率存在明顯的地帶性規律，特別是地帶性森林土壤初級自養硝化速率及硝化能力(自養硝化速率/氮礦化速率)，從溫帶到亞熱帶-熱帶呈現顯著降低的規律，而微生物硝態氮同化速率則表現為增加趨勢，從而形成了銨態氮主導型和硝態氮主導型的土壤無機氮組成比例的地帶性分布規律；土壤氮轉化特點決定的無機氮主導型與環境條件、氣候特點(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，自養硝化能力弱，使得無機氮以銨態氮為主，減少了氮淋溶風險，并且酸性土壤環境能有效地避免NH3揮發損失；微生物硝態氮同化能力強，進一步降低了硝態氮淋溶和反硝化損失風險。這些氮轉化特點使得亞熱帶酸性森林土壤具有較高的無機氮供應能力和保持能力。該研究成果填補了亞熱帶濕潤地區酸性森林土壤氮轉化特點的知識空白，闡明了氮素富集機理。

發現農業利用明顯削弱亞熱帶地帶性土壤的氮保持能力。我們發現農業利用可以顯著激發紅壤初級自養硝化速率，明顯抑制微生物硝態氮同化能力，使得農業利用土壤硝態氮產生量高、消耗量低，導致土壤無機氮從以銨態氮為主導(森林)轉變為以硝態氮為主導。在多雨的氣候條件下，硝態氮極易通過徑流、淋溶、反硝化等過程脫離土壤。由此明確了農業利用破壞亞熱帶酸性土壤氮保持能力的氮過程機理。該研究成果為熱帶-亞熱帶農田土壤氮素調控提供了明確的“標靶”，即降低土壤自養硝化速率，提高微生物硝態氮同化能力，這可能是該地區有效的氮素調控措施。

發現土壤氮轉化特點與植物氮形態吸收偏好的契合程度是提高氮利用率、減少氮損失的基礎。我們的研究成果表明氮肥施入土壤后，土壤氮轉化特點決定無機氮主導形態，如銨態氮肥施用于土壤后，銨態氮滯留時間及硝態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，銨態氮滯留時間短，硝態氮成為主導氮形態；反之，則銨態氮滯留時間長。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方向，即能夠改善兩者契合關系才有可能提高氮利用率。

（5）

構建了植物-土壤系統15N示蹤模型(即NtracePlant模型)，結合15N成對標記盆栽實驗，實現了對植物-土壤系統中植物氮吸收速率和多個土壤氮轉化過程初級轉化速率的同步定量，解決了植物氮吸收與土壤氮轉化過程互饋作用的定量化難題。我們發現植物氮吸收與土壤氮轉化過程間存在明顯的反饋關系，特別是在土壤供氮能力不足時，植物活動會調控一些氮轉化途徑，增加土壤氮供應。例如，喜銨作物水稻能夠強烈抑制自養硝化速率，以延長銨態氮滯留時間，滿足其對銨態氮的需求，并減少氮損失；同時，水稻根際活動還會激發另一條硝態氮產生途徑，即有機氮異養硝化，增加根際硝態氮供應，滿足銨硝協同吸收需求。水稻銨態氮吸收速率和氮肥利用率均與初級自養硝化速率呈顯著負相關關系(P<0.05)、與銨態氮滯留時間呈顯著正相關關系(P<0.05)，而氮損失率正相反，支持上述水稻-土壤氮轉化過程互饋的氮調控與利用策略結論。該研究成果構建了植物-土壤氮轉化過程互饋作用定量解析方法，為通過強化土壤自然供氮，構建低化肥氮依賴型綠色農業模式提供了理論支撐。

（6）

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

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

蔡祖聰

2025年4月于南京

（摘自“序”）

本文摘編 自 《 土壤氮轉化過程：新方法與新認識 》一 書 ， 有修改 。

《土壤氮轉化過程：新方法與新認識》

ISBN 978-7-03-083005-0
張金波 蔡祖聰 孟磊 著

責任編輯：周 丹 王騰飛

本書系統總結了作者團隊在土壤氮轉化過程方面的研究成果，內容分為上下兩篇。上篇重點介紹土壤氮轉化研究的新認識，共6章，分別介紹了土壤氮轉化過程及其對氮去向的調控原理、土壤氮初級轉化速率的地帶性規律、農業利用對土壤氮轉化過程的影響、土壤-作物氮形態契合程度與氮肥利用率的關系、植物對異養硝化的驅動作用及其生態意義、植物-土壤氮轉化過程的互饋作用。下篇主要介紹土壤氮轉化研究的新方法，也分為6章，分別為土壤氮初級轉化速率研究方法、土壤 N2O溯源方法，以及本書上篇相關新認識工作的具體實驗方法。
本書可作為土壤學、農業科學、作物學、環境科學、生態學等學科的本科生與研究生教學用書，亦可作為相關領域科研工作者的專業參考書目。

（本文編輯：洪弘）

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