生物炭与硝化抑制剂联用下热带土壤微生物氮限制的湿度驱动机制及其对氮循环的影响

推荐：针对热带农业土壤氮素利用效率低、损失严重的问题，研究人员通过生物炭(Biochar)与硝化抑制剂(NIs)联用实验，探究了不同湿度条件(60%与100% WHC)对微生物氮限制(MNL)、氮转化及N2O排放的影响。研究发现，非饱和条件下生物炭通过提升颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)促进氮矿化，缓解MNL；而饱和条件下抑制效应显著。该研究为热带农田精准氮管理提供了理论依据。

　　

热带农业面临集约化耕作导致的土壤退化与氮素流失难题，其中微生物驱动的氮循环过程是调控土壤肥力与温室气体排放的关键环节。生物炭(Biochar)和硝化抑制剂(NIs)作为改良剂，虽能调节氮素转化，但其联用效果受土壤湿度影响的机制尚不明确。中国海南热带农业生态研究所的研究团队通过控制实验，揭示了湿度对生物炭-NIs协同作用的调控规律，相关成果发表于《Geodesy and Geodynamics》。

研究采用室内培养实验，采集海南琼海市水稻-蔬菜轮作土壤，设置5种处理（对照、2%生物炭、生物炭+5%双氰胺(DCD)、生物炭+1% 3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)及复合添加），在60%和100%田间持水量(WHC)下测定微生物氮限制指标（矢量阈值模型）、氮转化速率（净氮矿化NNM/净硝化NN）及N₂O排放。通过测定β-葡萄糖苷酶(BG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)等胞外酶活性，结合¹⁵N同位素分析和功能基因定量（如氨氧化古菌AOA、nirK等），解析了碳氮耦合机制。

3.1 土壤性质
生物炭单独或联用NIs显著提升土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)及溶解性有机氮(TDN)，60% WHC下pH和速效磷增加，而100% WHC时硝态氮(NO₃^-)显著降低。DMPP处理在非饱和条件下提升δ¹⁵N值最显著，表明氮保留增强。

3.2 碳组分与酶活性
生物炭使颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)含量提升30-50%，驱动LAP和NAG酶活性升高。联用DMPP时，60% WHC下净氮矿化率(NNM)达1.50 mg N kg^-1 day^-1，较对照提高138%，印证了碳输入对氮转化的促进作用。

3.4 氮转化与功能基因
非饱和条件下，生物炭-DCD组合抑制AOB丰度达70%，减少硝化但提升NNM；饱和状态下nirK基因丰度升高导致N₂O排放增加，反映厌氧环境对反硝化的促进作用。

3.6 N₂O排放
湿度调控NIs效果：60% WHC时DCD减排效果优于DMPP（降幅40%），而100% WHC时DMPP因溶解性优势表现更佳，凸显湿度对抑制剂化学行为的调控。

研究证实热带土壤微生物氮限制存在湿度依赖性：非饱和条件下生物炭-NIs联用通过提升POC-DOC-酶活性链驱动氮矿化，缓解MNL；饱和状态则因缺氧抑制微生物活性。DCD在旱作、DMPP在淹水条件下的差异化表现，为区域特异性氮管理提供了技术选择。该研究创新性整合矢量阈值模型与功能基因分析，揭示了碳氮耦合对N₂O排放的调控路径，对实现热带农业可持续发展具有重要实践意义。