土壤氮转化过程：新方法与新认识

氮素生物地球化学循环通过驱动碳-氮耦合、温室气体释放及氮素迁移过程，深刻影响着生态系统功能、环境质量与人类健康。随着人类活动的加剧，人为活性氮数量急剧增加，引发了诸多环境问题。超过80%的人为活性氮首先进入土壤，除极少数残留于土壤中外，绝大部分以不同形态进入生物圈、大气圈和水圈。土壤氮转化过程及其速率的组合特点对氮去向具有“调配器”作用，阐明土壤氮转化特点及其关键控制因子是应对活性氮问题的关键所在。以欧美等发达国家为主，学界基于对温带土壤氮循环的研究，建立了现有的土壤氮循环和氮调控的理论体系。我国也基于这一理论体系，指导土壤氮素循环研究和氮肥管理。但是，这一体系并不能很好地解释：

①在强烈风化和淋溶的热带-亚热带湿润地区，具有高度扩散性的氮素却在土壤中相对富集；

②热带-亚热带酸性土壤硝化和反硝化过程普遍微弱，但是N2O排放总量却非常大；

③同样是自然生态系统，有的地表径流输出的氮素以硝态氮为主，有的却以溶解有机氮为主等诸多现象。

究其原因，一是研究对象的代表性不完整，缺乏对温带之外地区土壤氮素转化特征的充分认识，导致理论体系不完整；二是研究方法的局限性，传统的氮净转化速率方法只能反映某一形态氮含量的净变化，却不能反映导致含量变化的各个氮转化过程的实际速率。

针对上述问题，本书编写团队从2008年开始引入并完善了土壤氮初级转化速率研究方法，系统地研究了土壤氮转化规律、氮素保持机制，以及土壤氮转化特性对氮去向的调控作用，获得了一些新认识。本书对这些新认识和新方法进行了总结。

基于15N成对标记技术和

Ntrace

发现土壤氮初级转化速率存在明显的地带性规律，特别是地带性森林土壤初级自养硝化速率及硝化能力(自养硝化速率/氮矿化速率)，从温带到亚热带-热带呈现显著降低的规律，而微生物硝态氮同化速率则表现为增加趋势，从而形成了铵态氮主导型和硝态氮主导型的土壤无机氮组成比例的地带性分布规律；土壤氮转化特点决定的无机氮主导型与环境条件、气候特点(主要是降水)的契合程度决定土壤氮素保持能力。以我国亚热带红壤为例，红壤呈酸性，自养硝化能力弱，使得无机氮以铵态氮为主，减少了氮淋溶风险，并且酸性土壤环境能有效地避免NH3挥发损失；微生物硝态氮同化能力强，进一步降低了硝态氮淋溶和反硝化损失风险。这些氮转化特点使得亚热带酸性森林土壤具有较高的无机氮供应能力和保持能力。该研究成果填补了亚热带湿润地区酸性森林土壤氮转化特点的知识空白，阐明了氮素富集机理。

发现农业利用明显削弱亚热带地带性土壤的氮保持能力。我们发现农业利用可以显著激发红壤初级自养硝化速率，明显抑制微生物硝态氮同化能力，使得农业利用土壤硝态氮产生量高、消耗量低，导致土壤无机氮从以铵态氮为主导(森林)转变为以硝态氮为主导。在多雨的气候条件下，硝态氮极易通过径流、淋溶、反硝化等过程脱离土壤。由此明确了农业利用破坏亚热带酸性土壤氮保持能力的氮过程机理。该研究成果为热带-亚热带农田土壤氮素调控提供了明确的“标靶”，即降低土壤自养硝化速率，提高微生物硝态氮同化能力，这可能是该地区有效的氮素调控措施。

发现土壤氮转化特点与植物氮形态吸收偏好的契合程度是提高氮利用率、减少氮损失的基础。我们的研究成果表明氮肥施入土壤后，土壤氮转化特点决定无机氮主导形态，如铵态氮肥施用于土壤后，铵态氮滞留时间及硝态氮浓度随土壤初级硝化速率的大小而变化：土壤初级硝化速率大，铵态氮滞留时间短，硝态氮成为主导氮形态；反之，则铵态氮滞留时间长。对于前者，有利于喜硝作物对氮肥的吸收利用；对于后者，有利于喜铵作物对氮肥的吸收利用，因而氮肥利用率高。该研究成果为氮素管理措施的选择提供了明确的指导方向，即能够改善两者契合关系才有可能提高氮利用率。

（5）

构建了植物-土壤系统15N示踪模型(即NtracePlant模型)，结合15N成对标记盆栽实验，实现了对植物-土壤系统中植物氮吸收速率和多个土壤氮转化过程初级转化速率的同步定量，解决了植物氮吸收与土壤氮转化过程互馈作用的定量化难题。我们发现植物氮吸收与土壤氮转化过程间存在明显的反馈关系，特别是在土壤供氮能力不足时，植物活动会调控一些氮转化途径，增加土壤氮供应。例如，喜铵作物水稻能够强烈抑制自养硝化速率，以延长铵态氮滞留时间，满足其对铵态氮的需求，并减少氮损失；同时，水稻根际活动还会激发另一条硝态氮产生途径，即有机氮异养硝化，增加根际硝态氮供应，满足铵硝协同吸收需求。水稻铵态氮吸收速率和氮肥利用率均与初级自养硝化速率呈显著负相关关系(P<0.05)、与铵态氮滞留时间呈显著正相关关系(P<0.05)，而氮损失率正相反，支持上述水稻-土壤氮转化过程互馈的氮调控与利用策略结论。该研究成果构建了植物-土壤氮转化过程互馈作用定量解析方法，为通过强化土壤自然供氮，构建低化肥氮依赖型绿色农业模式提供了理论支撑。

（6）

基于15N成对标记技术建立了三氮库源N2O溯源方法，实现了定量区分硝态氮(反硝化过程)、铵态氮(自养硝化过程)和有机氮(异养硝化过程)三氮库源对土壤N2O排放的贡献。首次明确了亚热带酸性土壤N2O主要通过有机氮异养硝化和反硝化途径产生，自养硝化贡献较小的规律；明确了有机氮异养硝化过程产生N2O的重要性和普遍性，由此阐明了亚热带酸性土壤的自养硝化和反硝化作用弱，但N2O排放总量大的氮过程机理。该研究成果将土壤N2O产生从硝态氮和铵态氮二氮库源扩展至硝态氮、铵态氮和有机氮三氮库源，完善了N2O“管道漏气”概念模型，为提高区域或全球尺度N2O排放的模型估算精度提供了理论支撑。

《土壤氮转化过程：新方法与新认识》是我们对过去10余年土壤氮转化过程研究成果的总结，分上下两篇，上篇介绍了我们基于土壤氮初级转化速率研究方法获得的土壤氮转化方面的新认识，下篇介绍基于15N成对标记和15N自然丰度技术，开展土壤氮初级转化速率及N2O溯源等的研究方法，以及上篇相关新认识工作涉及的具体实验方法。由于土壤氮转化过程的初级转化速率是基于数值优化模型计算得出的，不可避免地会与真实的初级转化速率有所偏差。我们将成果展示给广大读者，是存有一个强烈的愿望：接受广大读者的批评，改进和完善15N成对标记和15N自然丰度技术，深化对土壤氮转化过程的认识程度，为更科学地施用和管理氮肥，充分发挥其增产作用，降低其对环境的不利影响提供科学依据。

蔡祖聪

2025年4月于南京

（摘自“序”）

本文摘编 自 《 土壤氮转化过程：新方法与新认识 》一 书 ， 有修改 。

《土壤氮转化过程：新方法与新认识》

ISBN 978-7-03-083005-0
张金波 蔡祖聪 孟磊 著

责任编辑：周 丹 王腾飞

本书系统总结了作者团队在土壤氮转化过程方面的研究成果，内容分为上下两篇。上篇重点介绍土壤氮转化研究的新认识，共6章，分别介绍了土壤氮转化过程及其对氮去向的调控原理、土壤氮初级转化速率的地带性规律、农业利用对土壤氮转化过程的影响、土壤-作物氮形态契合程度与氮肥利用率的关系、植物对异养硝化的驱动作用及其生态意义、植物-土壤氮转化过程的互馈作用。下篇主要介绍土壤氮转化研究的新方法，也分为6章，分别为土壤氮初级转化速率研究方法、土壤 N2O溯源方法，以及本书上篇相关新认识工作的具体实验方法。
本书可作为土壤学、农业科学、作物学、环境科学、生态学等学科的本科生与研究生教学用书，亦可作为相关领域科研工作者的专业参考书目。

（本文编辑：洪弘）

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