氮肥通过提高作物产量、保持土壤肥力，为全球粮食安全做出了巨大贡献。然而大量氮肥的投入也导致了区域和全球范围内的严重环境污染，如水体富营养化、大气污染等。明确肥料氮的去向及其对环境的影响，对于指导发展更可持续的农业施肥实践至关重要。截至目前，虽然人们利用15N示踪技术探讨了不同施肥处理或土壤肥力背景下化肥氮的去向特征，然而，我们对化肥氮的具体去向，特别是半量有机无机配施处理农田土壤中化肥氮去向的理解仍不完善。
本研究基于国家土壤质量昌平观测实验站，连续开展10年的典型有机肥环境效应长期定位监测试验，系统剖析了15N标记尿素在化肥处理（CF，240 kg15N ha−1）和粪肥半量替代化肥处理（1/2N+M，120 kg 15N ha–1+120 kg粪肥 N ha−1）中在2个种植季的去向。
结果表明，在第一个作物生长季中，与CF处理相比，粪肥替代显著提高了化肥15N利用效率（15NUE 39.9% vs. 31.3%），抑制了15N的损失（6.9% vs. 7.5%），其中，15N淋溶损失降低了0.2%（10.8 kg 15N ha−1 vs. 5.1 kg 15N ha−1），15NH3挥发量降低了0.5%（6.6 kg 15N ha−1 vs. 2.8 kg 15N ha−1）。然而，与CF处理相比，1/2N+M处理中的15N2O排放略有增加（0.4 kg 15N ha−1vs. 0.5 kg 15N ha−1）。值得注意的是，在下一个生长季中，残留15N持续留存在0-20 cm 土壤中（CF vs. 1/2N+M：79.1%vs. 85.3%），对作物吸收氮（3.3% vs. 0.8%）和淋溶损失（2.2% vs. 0.6%）贡献较小。表明，长期有机肥半量替代化肥增强了化肥氮在土壤中的固持能力。
结构方程模型表明，施用粪肥不仅通过逐步分解其有机基质直接产生NH4+-N来维持微生物和植物的需求，还可以通过增加有机碳的供应来促进微生物对生物可利用氮的固持。固持氮可在整个作物生长季节持续释放，增强了作物对氮素的吸收和作物产量。这些结果表明，长期进行粪肥部分替代化肥处理可以有效提高作物氮利用效率，减少氮素损失，提高土壤中氮素的稳定性，但应进一步研究气候变化引起的N2O排放等负面影响。
图1 第一个作物生长季中化肥15N在土壤-作物-环境系统中的去向
图2 结构方程模型揭示粪肥半量替代对作物氮吸收的影响
该研究以“Fate of 15N-labelled urea as affected by long-term manure substitution”为题发表在Sciences of the Total Environment上，第一作者为中国农业科学院农业资源与农业区划研究所硕士研究生戴孚岳和中国农业科学院农业资源与农业区划研究所博士后樊秉乾，通讯作者为中国农业科学院农业资源与农业区划研究所王洪媛研究员。本研究得到了国家重点研发计划项目（2021YFD1700900），国家自然科学基金（31972519），中央公益性科研机构基本科研业务费（1610132022008）和泰山产业领军人才工程项目（LJNY202125）等项目的资助。
【引文方式及原文链接】
Dai, F. , Fan, B. , Li, J. , Zhang, Y. , Wang, H. , Wang, Z. , Bashir, M. A. , Ezzati, G. , Zhai, L. , Di, H. J. , & Liu, H. Fate of 15N-labelled urea as affected by long-term manure substitution. Science of the Total Environment. 2023, 893: 164924.
http://dx.doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.164924https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723035477