水稻田藏匿“微生物氮泵” | 前沿动态

水稻养活了全球半数以上人口，但高产背后长期依赖大量氮肥投入。以中国稻田为例，氮肥施用量普遍较高，而氮素利用率长期偏低（不足40%），大量未被作物吸收的氮通过氨挥发、淋溶、径流和气态排放进入环境。其中，氮气（N₂）排放被认为是农田氮损失的重要去向，却因大气中N₂背景浓度高达78%，长期难以被精确定量，成为稻田氮循环研究中的“黑匣子”。

长期以来，学界通常认为稻田释放的N₂主要来自当季施入的化肥氮。中国科学院南京土壤研究所颜晓元团队，通过原位¹⁵N同位素示踪与膜进样质谱技术，在完整水稻生长季尺度上直接追踪稻田N₂、氨气（NH₃）和氧化亚氮（N₂O）的来源。结果显示，稻田释放的N₂中有72%~75%实际来自土壤有机氮，而不是当季化肥氮。这一发现修正了以往对稻田氮损失来源的理解，也提示全球氮循环模型和农业减排核算需要重新校准。2026年4月22日，相关研究成果于美国国家科学院院刊《Proceedings of the NationalAcademy of Sciences of the United States of America》（《PNAS》）。

研究团队据此提出“微生物氮泵”机制。简单说，化肥氮并不一定直接“变成”排放到大气中的N₂，而更像是启动土壤微生物活动的开关。当尿素或铵态氮进入稻田后，微生物迅速利用这些易获得氮源，但为了维持自身碳氮比平衡，它们会加速分解土壤有机质以获取碳源。在这一过程中，土壤有机氮被同步释放出来，并进一步经硝化—反硝化过程转化为N₂排出。也就是说，化肥输入可能通过激活微生物代谢，把土壤中多年积累的“老氮”不断“泵”向大气。

这一过程还与水稻根系活动密切相关。虽然稻田整体处于受淹缺氧环境，但水稻根系可通过通气组织向根际释放氧气，形成局部“氧气岛”。在这些微环境中，铵态氮先被硝化为硝态氮，再扩散到周围厌氧区域，被反硝化微生物还原为N₂。由此，根系、微生物、土壤有机质和外源氮肥共同构成了受淹稻田中复杂的氮转化网络。

研究还发现，不同水稻品种对这一“氮泵”效应具有明显调节作用。与常规粳稻相比，杂交水稻在提高产量的同时，可显著降低单位产量气态氮损失。其原因可能在于，杂交水稻根系吸收能力更强，能够更快固定化肥氮，缩短肥料氮激发微生物氮泵的时间窗口；同时，根际环境的改善也有助于提高微生物氮利用效率，减少土壤有机氮被过度矿化和排放。

这项研究的意义不仅在于解释了稻田氮素“去了哪里”，也为农业减排提供了新靶点。过去的氮肥管理往往侧重“少施肥、减投入”，而“微生物氮泵”机制提示，稳定土壤有机氮库、优化水稻品种、调控根际微生物过程，同样是减少氮损失的重要方向。