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玉米是主要的粮食作物之一，对全球粮食安全具有重要意义。氮是植物所必需的大量营养元素，增加氮肥的投入是实现玉米高产的主要途径。但是，在集约化农田生产中，玉米的氮肥利用率仍处于较低水平，过量的氮肥施用导致严重的环境问题，如土壤酸化、地下水、地表水污染和温室气体排放等。因此，提高玉米的氮肥利用率是保证农业可持续发展的关键。造成作物氮肥利用率低的主要原因是大量的氮肥没有被植物所吸收利用，而是通过径流、淋失及气态形式损失。采用氮素高效管理措施，包括合理选择施用氮肥的形态，是提高作物产量及氮肥利用率的重要手段。铵态氮和硝态氮是土壤中存在的两种主要无机氮源，均可被植物直接吸收利用，在不同土壤中，铵态氮和硝态氮比例不同，对于不同植物，其对铵态氮和硝态氮的偏好也不同。理论上认为，最大化满足土壤氮素转化和作物铵硝偏好之间的匹配，可显著提高氮肥利用率，减少施氮量和氮肥损失。但是，如何实现这二者之间的匹配和契合，是提高玉米氮肥利用率过程中的重点和难点。土壤pH是影响土壤供应氮素形态和作物偏好氮素形态之间契合程度的关键因素，一方面，土壤pH影响氮素转化过程，决定了土壤中主导的无机氮形态，另一方面，pH的变化也可能影响作物对铵态氮和硝态氮的响应。因此，系统阐明pH-土壤氮形态-玉米铵硝偏好的耦合机制及其对氮肥利用率的贡献，可以为农田高效氮肥管理提供理论依据。
本文首先采用土培和水培试验相结合的手段，研究在发育于同一母质的酸性(pH4.50)和偏中性土壤中(pH6.50)外源施用15N标记的铵态氮和硝态氮对玉米生长、氮素吸收和氮肥去向的影响，明确pH对玉米铵硝偏好的影响以及此种偏好特性对玉米氮肥利用率的贡献。在此基础上，采集全国范围内共9种不同pH的土壤，设置一系列pH梯度(pH4.32～8.14)，以期探索出玉米铵硝偏好的临界pH值。明确上述规律后，通过玉米15N吸收试验和玉米根和地上部转录组学研究，探究不同pH条件下玉米对15N标记铵态氮和硝态氮的吸收速率，及其根和地上部转录组水平的变化，以阐明不同pH条件下玉米对铵硝响应的生理和分子机制。同时，通过根箱试验，开展玉米在吸收铵态氮和硝态氮过程中引起的根际土壤环境和细菌群落结构的变化，明确玉米对土壤中铵硝供应的反馈机制。最后，通过土培试验，研究在酸性土壤中硝化抑制剂与不同用量石灰配施对15N标记尿素转化过程和玉米氮素利用的影响，明确通过调控土壤氮素转化，使其与玉米铵硝偏好特性相匹配，以提高玉米氮肥利用率的可行性。
取得的主要结果如下:
(1)在酸性土壤中(pH4.50)，施用硝态氮肥提高土壤pH，降低土壤中交换性铝的含量，减轻土壤铝毒，进而有效促进玉米生长和氮素吸收;而施用铵态氮肥则会降低土壤pH，增加土壤中铝的溶解度，加剧土壤铝毒，进而显著抑制玉米根和地上部的生长和氮素吸收。而在与上述酸性土壤发育自同一母质的偏中性土壤中(pH6.50)，却得到相反的结果，与硝态氮相比，施用铵态氮显著促进了玉米根和地上部的生长与氮素吸收，并大幅提高氮肥回收率。水培试验也证实了在pH6.50的条件下，玉米表现出对铵态氮的生长和吸收偏好。若将土壤灭菌，铵态氮无法转化成为硝态氮，又会进一步加强铵态氮对玉米生长和氮肥利用的促进效果。监测15N标记氮肥在植物-土壤-环境系统中的去向可知，尽管铵硝处理间氮肥损失差异并不显著，但玉米幼苗收获后，硝态氮处理的土壤中仍有大量硝态氮肥以硝酸盐形式残留，这极大增加了氮肥的环境风险。
(2)通过将铵态氮处理下玉米干重和硝态氮处理下玉米干重的比值与土壤pH进行回归分析发现，当土壤pH为5.49、5.08、5.21时，玉米根、地上部和整株干重在铵硝处理下的比值为1.0，说明pH5.08～5.49可能是玉米铵硝生长偏好的临界pH范围。在偏酸性土壤中(pH4.32、4.36、5.02)，玉米对硝态氮肥的吸收较多，硝态氮处理下氮肥回收率较铵态氮处理显著增加;而在中性/偏碱性土壤中(pH6.52、6.68、7.90、8.02)，玉米对铵态氮肥的吸收较多，铵态氮处理下氮肥回收率较硝态氮处理显著增加。但是，一旦土壤pH超过6.52，施用铵态氮对玉米生物量和氮素吸收的提升幅度会随着pH的升高而降低。
(3)探究不同pH条件下玉米对铵态氮和硝态氮的吸收速率发现，无论在何种pH条件下，玉米对铵态氮的吸收速率均远高于硝态氮，且随着pH的升高，二者间差异越大。这种较高的吸收速率和较强的吸收能力使得中性和碱性条件下(pH6.00、8.00)玉米在铵态氮中有着更高的生物量。但是，在酸性条件下(pH4.00)，尽管玉米对铵态氮的吸收高于硝态氮，但玉米却在硝态氮中生长较好，表明铵硝吸收速率的差异不是酸性条件下玉米偏好硝态氮的原因。转录组学研究表明，在酸性条件下，与硝态氮处理相比，铵态氮处理显著下调参与玉米根系细胞壁合成（纤维素合成、果胶合成、木聚糖合成、次生细胞壁合成）和水解过程（木葡聚糖内源转糖基酶/水解酶活性、聚半乳糖醛酸活性、果胶酯酶活性、细胞壁过氧化物酶活性）的基因表达，使细胞壁的合成和松弛受到抑制，限制了细胞的扩大能力，进而限制玉米生长。这可能是相较于铵态氮，玉米在硝态氮处理下生长较好的原因之一。
(4)探究玉米在吸收铵态氮和硝态氮过程中根际环境和根际细菌群落结构的变化发现，pH是玉米根际细菌群落组装的重要影响因子，在硝态氮处理中，玉米根区（玉米种植区）及其相邻0.5cm区域土壤pH显著增加，而在铵态氮中，玉米根际和非根际土壤pH均显著降低。在根际效应和不同氮肥形态的共同作用下，铵态氮和硝态氮处理下玉米根区及其相邻0.5cm区域土壤细菌群落结构明显不同，玉米根系在铵态氮处理下招募耐酸耐铝的菌群（如Acidibacter、Burkholderia、Catenulispora）定植在其根际，在硝态氮处理下招募喜好较高pH的植物促生菌（如Sphingomonas、Sphingobium、Azospirillum、Novosphingobium）定植在根际。相比于硝态氮，在铵态氮处理下，玉米根际和非根际土壤均形成更为复杂的土壤细菌群落共生模式。
(5)探究酸性土壤中硝化抑制剂(DCD)与不同用量石灰配施对土壤氮素转化和玉米生长及其氮肥利用率的影响发现，在不施DCD的条件下，随着石灰用量（土壤pH）的增加，土壤硝态氮含量先增加后降低，其中以施用4g/kg石灰处理(pH6.87)对土壤硝态氮含量的提高幅度最大，土壤中的无机氮以硝态氮为主。在此条件下，玉米干重和氮素吸收随石灰用量的增加呈现先降低后趋于稳定的趋势;而在施用DCD的条件下，无论石灰用量如何，土壤硝态氮含量普遍较低，铵态氮含量则一直保持较高水平。当DCD与2g/kg(pH6.17)和4g/kg(pH6.87)石灰配合施用时，与单施石灰相比，玉米干重和氮肥回收率显著提高，氮肥损失也有降低趋势。说明了提高土壤氮素转化与作物铵硝偏好契合程度对提高氮肥利用率具有重要作用。
以上研究表明，将氮肥管理与植物铵硝偏好及土壤氮素转化紧密结合，有望进一步提高氮肥利用率，维持农业生产的可持续。该研究为针对不同作物和土壤制定合理的氮肥管理措施提供了理论依据。
本文首先采用土培和水培试验相结合的手段，研究在发育于同一母质的酸性(pH4.50)和偏中性土壤中(pH6.50)外源施用15N标记的铵态氮和硝态氮对玉米生长、氮素吸收和氮肥去向的影响，明确pH对玉米铵硝偏好的影响以及此种偏好特性对玉米氮肥利用率的贡献。在此基础上，采集全国范围内共9种不同pH的土壤，设置一系列pH梯度(pH4.32～8.14)，以期探索出玉米铵硝偏好的临界pH值。明确上述规律后，通过玉米15N吸收试验和玉米根和地上部转录组学研究，探究不同pH条件下玉米对15N标记铵态氮和硝态氮的吸收速率，及其根和地上部转录组水平的变化，以阐明不同pH条件下玉米对铵硝响应的生理和分子机制。同时，通过根箱试验，开展玉米在吸收铵态氮和硝态氮过程中引起的根际土壤环境和细菌群落结构的变化，明确玉米对土壤中铵硝供应的反馈机制。最后，通过土培试验，研究在酸性土壤中硝化抑制剂与不同用量石灰配施对15N标记尿素转化过程和玉米氮素利用的影响，明确通过调控土壤氮素转化，使其与玉米铵硝偏好特性相匹配，以提高玉米氮肥利用率的可行性。
取得的主要结果如下:
(1)在酸性土壤中(pH4.50)，施用硝态氮肥提高土壤pH，降低土壤中交换性铝的含量，减轻土壤铝毒，进而有效促进玉米生长和氮素吸收;而施用铵态氮肥则会降低土壤pH，增加土壤中铝的溶解度，加剧土壤铝毒，进而显著抑制玉米根和地上部的生长和氮素吸收。而在与上述酸性土壤发育自同一母质的偏中性土壤中(pH6.50)，却得到相反的结果，与硝态氮相比，施用铵态氮显著促进了玉米根和地上部的生长与氮素吸收，并大幅提高氮肥回收率。水培试验也证实了在pH6.50的条件下，玉米表现出对铵态氮的生长和吸收偏好。若将土壤灭菌，铵态氮无法转化成为硝态氮，又会进一步加强铵态氮对玉米生长和氮肥利用的促进效果。监测15N标记氮肥在植物-土壤-环境系统中的去向可知，尽管铵硝处理间氮肥损失差异并不显著，但玉米幼苗收获后，硝态氮处理的土壤中仍有大量硝态氮肥以硝酸盐形式残留，这极大增加了氮肥的环境风险。
(2)通过将铵态氮处理下玉米干重和硝态氮处理下玉米干重的比值与土壤pH进行回归分析发现，当土壤pH为5.49、5.08、5.21时，玉米根、地上部和整株干重在铵硝处理下的比值为1.0，说明pH5.08～5.49可能是玉米铵硝生长偏好的临界pH范围。在偏酸性土壤中(pH4.32、4.36、5.02)，玉米对硝态氮肥的吸收较多，硝态氮处理下氮肥回收率较铵态氮处理显著增加;而在中性/偏碱性土壤中(pH6.52、6.68、7.90、8.02)，玉米对铵态氮肥的吸收较多，铵态氮处理下氮肥回收率较硝态氮处理显著增加。但是，一旦土壤pH超过6.52，施用铵态氮对玉米生物量和氮素吸收的提升幅度会随着pH的升高而降低。
(3)探究不同pH条件下玉米对铵态氮和硝态氮的吸收速率发现，无论在何种pH条件下，玉米对铵态氮的吸收速率均远高于硝态氮，且随着pH的升高，二者间差异越大。这种较高的吸收速率和较强的吸收能力使得中性和碱性条件下(pH6.00、8.00)玉米在铵态氮中有着更高的生物量。但是，在酸性条件下(pH4.00)，尽管玉米对铵态氮的吸收高于硝态氮，但玉米却在硝态氮中生长较好，表明铵硝吸收速率的差异不是酸性条件下玉米偏好硝态氮的原因。转录组学研究表明，在酸性条件下，与硝态氮处理相比，铵态氮处理显著下调参与玉米根系细胞壁合成（纤维素合成、果胶合成、木聚糖合成、次生细胞壁合成）和水解过程（木葡聚糖内源转糖基酶/水解酶活性、聚半乳糖醛酸活性、果胶酯酶活性、细胞壁过氧化物酶活性）的基因表达，使细胞壁的合成和松弛受到抑制，限制了细胞的扩大能力，进而限制玉米生长。这可能是相较于铵态氮，玉米在硝态氮处理下生长较好的原因之一。
(4)探究玉米在吸收铵态氮和硝态氮过程中根际环境和根际细菌群落结构的变化发现，pH是玉米根际细菌群落组装的重要影响因子，在硝态氮处理中，玉米根区（玉米种植区）及其相邻0.5cm区域土壤pH显著增加，而在铵态氮中，玉米根际和非根际土壤pH均显著降低。在根际效应和不同氮肥形态的共同作用下，铵态氮和硝态氮处理下玉米根区及其相邻0.5cm区域土壤细菌群落结构明显不同，玉米根系在铵态氮处理下招募耐酸耐铝的菌群（如Acidibacter、Burkholderia、Catenulispora）定植在其根际，在硝态氮处理下招募喜好较高pH的植物促生菌（如Sphingomonas、Sphingobium、Azospirillum、Novosphingobium）定植在根际。相比于硝态氮，在铵态氮处理下，玉米根际和非根际土壤均形成更为复杂的土壤细菌群落共生模式。
(5)探究酸性土壤中硝化抑制剂(DCD)与不同用量石灰配施对土壤氮素转化和玉米生长及其氮肥利用率的影响发现，在不施DCD的条件下，随着石灰用量（土壤pH）的增加，土壤硝态氮含量先增加后降低，其中以施用4g/kg石灰处理(pH6.87)对土壤硝态氮含量的提高幅度最大，土壤中的无机氮以硝态氮为主。在此条件下，玉米干重和氮素吸收随石灰用量的增加呈现先降低后趋于稳定的趋势;而在施用DCD的条件下，无论石灰用量如何，土壤硝态氮含量普遍较低，铵态氮含量则一直保持较高水平。当DCD与2g/kg(pH6.17)和4g/kg(pH6.87)石灰配合施用时，与单施石灰相比，玉米干重和氮肥回收率显著提高，氮肥损失也有降低趋势。说明了提高土壤氮素转化与作物铵硝偏好契合程度对提高氮肥利用率具有重要作用。
以上研究表明，将氮肥管理与植物铵硝偏好及土壤氮素转化紧密结合，有望进一步提高氮肥利用率，维持农业生产的可持续。该研究为针对不同作物和土壤制定合理的氮肥管理措施提供了理论依据。