《Agriculture, Ecosystems & Environment》：High importance of organic fertilizer nitrogen applied to temperate grassland for plant nitrogen uptake in the years following fertilization
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当前，有机肥料在草原利用中存在效率低、氮素损失大等问题，且其长期命运不明。研究人员以德国草原为对象，用15 N 标记牛粪开展研究。结果发现，施肥后多年肥料氮对植物氮营养作用大且周转快。该研究为草原氮管理提供依据。
在广袤的草原生态系统中，氮元素就像是一把双刃剑，既对植物生长起着至关重要的作用，又因有机肥料利用效率低带来诸多问题。有机肥料施用于草原后，氮素常通过一氧化二氮（N
2 O）、氮气（N
2 ）、氨气（NH
3 ）排放以及氮淋溶等途径损失，不仅降低了肥料氮在土壤 - 植物系统中的表观留存，还引发了一系列环境问题，如影响空气质量、危害人类健康、破坏生物多样性以及造成水污染和富营养化等。此外，德国虽已实施相关肥料法规来限制有机肥料施用量，但有机肥料氮在草原植物 - 土壤系统中的长期去向依旧是个谜。更为严峻的是，近期研究表明山地温带草原土壤存在负氮平衡，植物氮营养很大程度上依赖矿化的土壤有机氮（SON），而近期肥料对植物氮营养的贡献极小。在气候变化的大背景下，温带草原升温加速了氮矿化过程，这使得深入了解有机肥料氮在土壤中的多年命运以及其重新分配到植物的时间动态变得刻不容缓，因为这对于制定合理的草原管理系统、防止氮素过度开采至关重要。
为了揭开这些谜团，来自国外的研究人员针对德国最大的草原带 —— 前阿尔卑斯地区开展了一项研究。研究成果发表在《Agriculture, Ecosystems》杂志上。
研究人员采用了一系列关键技术方法：首先，利用大型完整草原测渗仪进行实验，在德国 Graswang 和 Fendt 两个不同海拔的地点设置了对照处理（HE）和气候变化处理（LE），以模拟未来几十年的气候变化；其次，运用15 N 标记技术，在 2017 年的前 4 次施肥中使用15 N 标记的牛粪，后续施肥则使用未标记的牛粪，以此追踪肥料氮在植物 - 土壤系统中的去向；最后，通过对植物生物量、土壤和根系进行采样，并运用元素分析仪 - 同位素比率质谱仪（EA - IRMS）系统分析氮浓度和15 N 富集情况，同时结合统计学方法进行数据分析。
下面来看具体的研究结果：
气象条件 ：在 5 年的实验期间，模拟气候变化的处理导致土壤和空气温度升高，降水和土壤湿度降低。LE 站点的年平均气温比 HE 站点高约 2.0°C，生长季（4 月 - 9 月）平均气温高 1.5°C，10cm 深度土壤平均温度高 1.9°C，年降水量少 323mm，土壤湿度低 3.4vol%。植物生物量产量和氮含量 ：2017 - 2021 年，HE 和 LE 站点的年植物生物量产量相对稳定，约为 10 t ha?1 yr?1 。除 2018 年外，LE 站点的年生物量产量有高于 HE 站点的趋势，但不显著。2018 年干旱年份，LE 站点的植物生物量收获量显著低于 HE 站点。累积生物量方面，后续年份 LE 站点的产量差异几乎被平衡。植物氮出口方面，LE 站点的 5 年累积氮出口量显著低于 HE 站点，多数情况下年植物氮出口量大于年肥料氮添加量。LE 站点收获生物量中的氮浓度也显著低于 HE 站点。15 N 过量回收情况15 N。与 2017 年（约 15 - 16%）相比，2018 年（约 9 - 14%）15 N 肥料在植物生物量中的回收率相似，随后逐年下降，到 2021 年降至 1%。到 2021 年底，LE 和 HE 站点收获植物生物量中累积15 N 回收率分别为 33% 和 41%，HE 站点显著更高。土壤15 N 回收率在 0 - 30cm 土壤剖面中，HE 站点为 38.5%，LE 站点为 33.2%。在 10 - 20cm 和 20 - 30cm 深度，HE 站点土壤的15 N 回收率显著高于 LE 站点。地下生物量中15 N 回收率较低，HE 站点为 0.1±0.06%，LE 站点为 0.3±0.2%，两者差异显著。总15 N 回收和 5 年肥料氮平衡 ：2017 年施加的肥料15 N 总回收率，HE 站点为 75.6±10.8%，LE 站点为 67.6±3.8%。未回收的肥料15 N 在 HE 站点为 24.4±10.8%，LE 站点为 32.4±3.8%。HE 站点生物量的15 N 回收率比 LE 站点高 3%，10 - 20cm 土壤层高 5.6%。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了多项重要信息。在肥料氮利用和长期去向方面，变暖导致肥料氮损失增加，牛粪肥料氮在施用当年对草原植物氮营养贡献较小，但在后续年份贡献较大。这表明草原施肥主要是对土壤有机氮的补充，而非直接为植物提供养分。同时，肥料氮通过土壤有机氮快速循环，其周转时间约为 11 年，这解释了为什么在施用液体牛粪肥料后，土壤有机氮和有机碳（SOC）储量会快速下降。在气候变化对草原生产力和氮出口的影响方面，气候变化对草原生产力的影响因年份而异，干旱年份 LE 站点产量降低。虽然气候变暖理论上可延长生长季、提高生产力，但实际效果受多种因素制约，如降水和土壤湿度。此外，气候变化显著影响植物氮含量，HE 站点的生物量氮含量更高，累积氮出口更多。
综上所述，该研究明确了有机肥料氮在温带草原植物 - 土壤系统中的多年动态变化，为在气候变化背景下制定合理的草原管理策略提供了关键依据，有助于减少肥料氮损失、稳定土壤有机氮和有机碳储量，维持草原生态系统的平衡和可持续发展。
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