過量施用氮肥會引起多個負面生態(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、降低氮的負面生態(tài)環(huán)境效應(yīng)有重要意義。

 

　　中國科學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，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，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)氮時提高玉米生物量和氮肥利用率，而在供應(yīng)硝態(tài)氮時效果較小。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)氮導致玉米根際pH升高，對非根際pH影響較小，而銨態(tài)氮導致整個土體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)土壤細菌群落結(jié)構(gòu)在兩種氮源之間差異顯著，而距根系較遠區(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基金和中科院戰(zhàn)略性先導科技專項的資助。

 

　　不同pH土壤上玉米銨硝偏好的機制