過量施用氮肥會引起多個(gè)負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)，土壤酸化是其中之一。我國南方紅壤本身呈酸性，氮肥施用加劇了紅壤酸化，提高了土壤毒性鋁和重金屬活性，制約了作物生產(chǎn)力發(fā)揮，降低了植物和微生物多樣性，對國家糧食安全、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅。合理利用氮素對于減緩紅壤酸化和實(shí)現(xiàn)酸性土壤可持續(xù)利用十分重要。玉米適合在南方紅壤地區(qū)高溫多雨的氣候條件下生長，但紅壤的較大酸性限制了玉米生產(chǎn)潛力的發(fā)揮。此外，玉米氮肥用量大，利用率低，氮肥加重的紅壤酸化進(jìn)一步限制了玉米生產(chǎn)力。因此，提高酸性紅壤上玉米氮肥利用率，減少氮肥用量，對于提升紅壤上玉米生產(chǎn)力、減緩紅壤酸化、降低氮的負(fù)面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)有重要意義。
中國科學(xué)院南京土壤研究所研究員沈仁芳課題組長期從事酸性土壤可持續(xù)利用研究。鋁毒是酸性土壤上植物生長的主要限制因子。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是對植物有效的兩種主要無機(jī)氮源。土壤中銨態(tài)氮通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，植物吸收銨態(tài)氮降低土壤pH，相反地，植物吸收硝態(tài)氮升高土壤pH。該課題組在土壤-植物系統(tǒng)種氮鋁相互作用方面開展系統(tǒng)深入研究，提出“協(xié)同提升酸性土壤作物耐鋁能力和氮肥利用率”的策略。前期在pH6.5的紅壤上，科研人員采用15N標(biāo)記和土壤滅菌方法對玉米開展研究。結(jié)果表明，相對于硝態(tài)氮，玉米生長偏好銨態(tài)氮，此種偏好性顯著提高了氮肥利用率（Zhang et al., 2019, Plant and Soil）。但是，在強(qiáng)酸性（pH<5.0）紅壤上，玉米的銨硝偏好性和氮肥利用率及其機(jī)制尚不清楚。
此次在pH4.5紅壤上的研究表明，在不添加石灰時(shí)，玉米偏好硝態(tài)氮且氮肥利用率高，但是在添加石灰提高土壤pH時(shí)，玉米生長和氮肥利用率在銨態(tài)氮與硝態(tài)氮之間沒有差異；石灰在供應(yīng)銨態(tài)氮時(shí)提高玉米生物量和氮肥利用率，而在供應(yīng)硝態(tài)氮時(shí)效果較小。這表明玉米銨硝偏好特性和石灰效果依賴于土壤pH，酸性土壤上玉米偏好硝態(tài)氮，而在pH較高的土壤上玉米偏好銨態(tài)氮。對玉米根系不同距離的土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)研究表明，硝態(tài)氮導(dǎo)致玉米根際pH升高，對非根際pH影響較小，而銨態(tài)氮導(dǎo)致整個(gè)土體pH降低；硝態(tài)氮在玉米根際富集，銨態(tài)氮在玉米根際虧缺；玉米根區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在兩種氮源之間差異顯著，而距根系較遠(yuǎn)區(qū)域差異不明顯；玉米根系在銨態(tài)氮下招募耐酸耐鋁菌群，而在硝態(tài)氮下招募根際促生菌。該研究解析了不同pH土壤中玉米銨硝偏好的機(jī)制（如圖），為提高酸性紅壤上玉米生產(chǎn)力和氮肥利用率、減輕紅壤酸化提供了思路。
相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Journal of Soils and Sediments和Geoderma上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。
不同pH土壤上玉米銨硝偏好的機(jī)制
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