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玉米（Zea mays L.）肥料氮（N）回收效率（FNRE）在中国表现出区域差异，并且受土壤性质的影响比受气候的影响更大。然而，土壤因子如何调节玉米FNRE知之甚少。
近日，来自中国科学院南京土壤研究所沈仁芳所长团队，在国际一区Top期刊《Geoderma》上发表了研究论文。该研究利用昊为泰微生物扩增子绝对定量测序专利技术，对我国从北到南玉米种植区的8块大田土壤进行了检测，系统比较了不同土壤类型之间的细菌群落结构和氮循环功能。明确了不同土壤-玉米系统中生物量、氮素命运和细菌群落的差异主要由土壤 pH 值、土壤有机质（SOM）以及粘土和沙子含量驱动。该研究为玉米种植区肥料氮回收效率大化，以及减少氮流失提供了极其重要的理论和实践依据。
英文题目：Driving factors of variation in fertilizer nitrogen recovery efficiency in maize cropping systems across China and its microbial mechanism
中文题目：中国玉米种植系统肥料氮素回收效率变化的驱动因子及其微生物机制
发表期刊：Geoderma
发表时间：2024年
玉米（Zea mays L.）是全球主要谷物作物，中国玉米产量占全球的22.69%，种植面积占21.10%，主要依赖氮肥施用来提高产量。然而，过量施氮导致氮回收效率（FNRE）降低，仅约33%，并加剧环境污染。FNRE在中国表现出区域差异，东北地区（47%）高于中北部地区（28%），主要受土壤理化特性影响，如pH、土壤有机质（SOM）和粘土含量。
土壤pH与SOM不仅影响氮循环过程（如硝化、反硝化），也塑造微生物群落结构，进而影响氮素命运。尽管已有研究揭示土壤中微生物对氮循环的影响，但土壤-植物系统中微生物与FNRE的精确联系尚未明确。此外，常规的扩增子相对定量测序难以反映绝对微生物丰度，限制了对微生物与环境扰动关系的理解。
本研究选取中国主要玉米种植区的8种土壤，通过15N富集示踪实验与微生物扩增子绝对定量测序，分析不同土壤类型的细菌群落结构及其氮循环功能，探索土壤因子、细菌群落与肥料氮素命运的关系。研究目标包括：（1）识别驱动玉米FNRE的关键土壤因子及其佳范围；（2）阐明土壤因子通过微生物驱动的氮循环功能影响FNRE的机制。我们假设FNRE在不同土壤间存在显著差异，且与土壤特性和细菌群落的氮循环功能密切相关。
本研究从中国玉米主产区（HL、GZL、SY、WW、JN、FQ、JX、QY）8块玉米田表层（0–20 cm）采集土壤，用于后续实验。玉米盆栽实验是在南京中国科学院土壤科学研究所温室中进行。对8种土壤进行了施用和不施用氮肥处理（+N、–N），共48盆（3次重复）。+N处理通过添加15N标记尿素（150 mg N kg⁻¹）均匀混合入土壤，100天后收获玉米植株和土壤样品（图1）。
图1、 采样点地理位置及主要土壤特征。
植物与土壤样品分析主要是对植物样品70°C烘干称重，测定15N丰度及总N浓度。土壤样品分析NH4+-N、NO3−-N、pH、有效磷 (Olsen-P)、有效钾（AK）、SOM、全氮（TN）及矿物成分。硝化速率和反硝化潜力通过好氧/厌氧孵育法确定。
细菌16S绝对定量测序检测是将土壤样本送到上海昊为泰生物有限公司，进行DNA提取及16S rRNA基因V4-V5区段测序分析。利用添加系列内标序列来构建标准曲线，计算绝对丰度。通过PICRUSt2预测土壤细菌群落中参与氮循环的基因功能。
本研究使用15N标记尿素来测定氮肥去向。通过EA-IRMS分析玉米籽粒、秸秆、根系及土壤中的氮丰度和总氮浓度。肥料氮回收效率（FNRE）采用15N同位素稀释法确定。
玉米生物量、氮吸收与肥料氮命运
结果发现，氮添加和土壤类型对玉米生物量及总氮积累产生显著影响。+N 处理使玉米生物量增加 53.84%-229.77%，总氮吸收量增加 42.02%-154.96%。肥料氮吸收比例随土壤 pH 增加而下降，土壤氮吸收比例呈相反趋势，表明土壤氮是玉米氮吸收的主要来源。
图2、驱动因子与玉米生物量之间的关系。（a）土壤pH值，（b）SOM，（c）土壤粘土含量，（d）土壤沙子含量。pH、SOM、粘土和沙子含量的佳值对应于玉米生物量（y）在氮肥下达到大值的x值。
生物量与肥料氮命运的驱动因素
随机森林分析表明，SOM、pH、TN、质地（粘土与沙子）和NO3−-N是影响玉米生物量和 FNRE 的关键因素。建模分析显示，玉米生物量和 FNRE 随土壤 pH、SOM、粘土和沙子含量增加呈先升后降趋势，而氮损失表现出相反趋势。
图3、土壤驱动因子与玉米氮命运之间的关系。（a）土壤 pH 值，（b）SOM，（c）土壤粘土含量，（d）土壤沙子含量。pH、SOM、粘土和沙子含量的佳值是玉米 FNRE（y）达到大值和N损失（y）达到小值的x值的平均值。
细菌群落多样性与组成
土壤类型显著影响细菌多样性，而氮添加影响较小。优势菌群为酸杆菌门、变形菌门等。细菌多样性与丰度主要受 pH、SOM 和土壤质地影响，并在 pH 6.0-7.0 范围内达到大值。
图4、细菌群落结构和组成。（a和b）基于Bray-Curtis的非度量多维尺度（NMDS）（a）和分层聚类（b）分析，表示不同土壤之间细菌群落的差异。（c和d）在门水平上主要分类群（TOP10）的相对（c）和绝对（d）丰度。
图5、基于PICRUSt2预测细菌群落内氮循环功能（a）和氮循环基因与氮命运之间的 Spearman相关性（b）。
氮命运与土壤因子及基因丰度
土壤类型影响 N 循环基因丰度，尤其是 DNRA 相关基因（nasA、narI、nrfA 等）与 FNRE 正相关，与氮损失负相关。SEM 分析揭示土壤 pH、SOM 和质地通过调控微生物氮循环功能与玉米生物量，影响氮转化速率及 FNRE。土壤驱动因素通过直接或间接途径调节 FNRE，是影响土壤-玉米系统氮素利用效率的关键机制。
图6、氮循环示意图（a）及考虑了土壤驱动因子对氮肥回收效率（FNRE）直接和间接影响的结构方程模型（SEM）示意图（b）。
本研究评估了中国玉米种植系统中8种土壤的肥料氮命运，发现 FNRE差异（11.21%–55.99%）主要由土壤的 pH、SOM 和土壤质地驱动。发现佳土壤条件为 pH 6.50–6.62、SOM 35.25–46.90 g kg⁻¹、粘土含量 41.12%–44.42%、沙子含量 17.71%–23.41%，在此范围内，玉米生物量和土壤氮保持能力达到佳协调状态。
本研究还发现，土壤微生物群落的驱动因子与玉米生物量及氮命运变化因子一致，硝酸盐异化还原为铵（DNRA）相关微生物在土壤氮保留和氮命运中发挥关键作用。研究表明，土壤驱动因子通过影响玉米生长条件和调控与DNRA相关的微生物基因，来共同作用于 FNRE。
鉴于土壤质地由土壤形成过程决定，本研究建议通过调节土壤 pH 至 6.50–6.62 和提高 SOM 水平，优化氮管理策略，长期维持土壤氮供应和作物生产力，进而提升氮肥利用效率。
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