覆盖作物-玉米轮作系统中作物残茬与合成氮肥对N2O排放和氮去向的贡献：一项15N示踪研究

《Plant and Soil》：Contribution to N2O emissions and N fate of crop residues and synthetic N fertilizer in a cover crop–maize rotation: A 15N-tracing study

为解决保护性农业中作物残茬还田和覆盖作物对氮循环及N2O排放的影响不明问题，研究人员在西班牙半干旱区开展了一项15N示踪研究。结果表明，N2O主要来源于铵态氮肥(42%-61%)，蚕豆覆盖作物使N2O排放增加47%，而大麦覆盖作物将肥料氮回收率提高57%。研究强调了禾本科覆盖作物在提升氮利用效率和减少N2O排放方面的重要作用。

　　

在追求农业可持续发展的道路上，保护性农业技术如作物残茬还田和覆盖作物种植被广泛推广，它们能改善土壤肥力、增加土壤有机碳储量。然而，这些措施对氮循环特别是温室气体氧化亚氮(N₂O)排放的影响，尤其是在半干旱地区，仍不明确。氮素释放与作物需求不同步可能导致产量下降和氮肥利用率降低，而N₂O作为一种强效温室气体，其排放主要受硝化和反硝化等微生物过程驱动。在包含覆盖作物和主作物的集约化轮作系统中，不同成熟度和组成的残茬共存使得准确量化N₂O通量并区分各氮输入源的贡献变得复杂。此外，覆盖作物（如豆科与禾本科）对后续作物吸收肥料氮的影响缺乏实地数据，先前作物留下的难分解残茬对后续轮作中氮循环和气态氮排放的贡献也鲜有量化。

为了厘清这些复杂过程，西班牙马德里理工大学的研究团队在《Plant and Soil》上发表了一项创新研究，通过精细的¹⁵N示踪技术，揭示了覆盖作物-玉米轮作系统中氮的去向和N₂O的排放源。

研究主要采用了¹⁵N同位素示踪技术，包括¹⁵N标记的玉米残茬和合成氮肥（¹⁵NH₄NO₃和NH₄¹⁵NO₃）的田间微区实验。通过静态箱-气相色谱法监测N₂O和CO₂排放通量，并利用同位素比率质谱仪（IRMS）分析气体和样品中的¹⁵N丰度。同时，定期测定土壤铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）、可溶性有机碳（DOC）等生化指标，以及计算氮素在植物和土壤中的回收率。

气象条件、土壤矿质氮和DOC

实验期间累积降雨量为417毫米，平均气温14.3°C。土壤水分填充孔隙度（WFPS）在玉米灌溉期间波动较大（15%-64%）。施肥后土壤NH₄⁺浓度短暂升高，硝态氮浓度在蚕豆处理中始终较高。DOC浓度在各处理间无显著差异。

N₂O和CO₂排放

整个实验期，蚕豆处理的累积N₂O排放量比大麦处理高47%。每日N₂O排放与WFPS、CO₂排放和土壤NH₄⁺浓度呈正相关。覆盖作物处理（特别是蚕豆）的累积CO₂排放显著高于裸休闲地，表明其增强了微生物活性。

¹⁵N₂O排放

¹⁵N示踪显示，施肥后两周内，N₂O排放主要来自¹⁵NH₄NO₃肥料（42%-61%），其次是土壤内源氮（19%-42%）和NH₄¹⁵NO₃肥料（9%-18%）。标记玉米残茬对N₂O的贡献率较低（峰值仅3%）。肥料和玉米残茬的N₂O排放因子（EF）分别为0.23%和0.05%。

植物体内的氮回收

玉米残茬氮在覆盖作物生物量中的回收率平均仅为1.1%。后续玉米作物对残茬氮的回收率为7.7%，且覆盖作物处理间无差异。然而，玉米从NH₄¹⁵NO₃肥料中吸收的氮量是从¹⁵NH₄NO₃中吸收的2.3倍。大麦覆盖作物处理显著提高了玉米对肥料氮的回收率（42%），显著高于裸休闲处理（26%）。

土壤中的氮回收

肥料氮在0-60厘米土层中的平均回收率为22%。大麦处理显著增加了来自¹⁵NH₄NO₃肥料的土壤氮储量，尤其在深层土壤（40-60厘米），表明其有助于减少硝态氮淋溶风险。

研究结论强调，难分解的玉米残茬对短期N₂O排放和氮循环的贡献有限，其还田的益处不会导致氮污染转移。在半干旱灌溉系统中，铵态氮肥的氧化过程（如硝化作用）是N₂O排放的主要途径，这为地中海地区轮作系统中氮肥源的选择提供了关键依据。豆科覆盖作物（蚕豆）会通过提供富氮基质和激发土壤内源氮矿化而增加N₂O排放。相比之下，禾本科覆盖作物（大麦）能降低N₂O总排放，提高肥料氮的总回收率（植物+土壤），显示出在增强半干旱灌溉轮作系统氮循环方面的优势。然而，在制定综合土壤肥力管理策略时，需权衡豆科作物在减少合成氮投入和增加土壤有机碳方面的潜力，并全面评估其对净全球变暖潜势的影响。未来研究应结合¹⁵N标记和微生物分析，进一步阐明残茬质量对外源氮转化速率的影响，并确定特定地点的氮素主要损失途径，以优化肥料效率，降低环境风险。