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农田土壤温室气体氧化亚氮(N2O)的排放会加剧全球变暖，土壤有机氮的矿化可能增加活性氮NH3、NOx和NO3-的损失，也可能恶化大气和水环境。因此，增加土壤有机碳库，调控土壤矿化速率对减缓温室效应和水环境污染具有重要意义。目前，有关有机肥施肥方式下的土壤碳固存、温室气体排放和氮素淋洗/径流损失的路径和通量的单独研究报道较多，但温室气体与活性氮协同减排的综合研究有待进一步深入，同时关于土壤有机质矿化耦合土壤氮素供应的认识不一。因此，综合研究有机碳源添加对土壤碳库、温室气体排放和农田氮素循环的影响对紫色土农业绿色发展具有重要意义。本研究将从农田土壤氮供应和减控（保存）的角度揭示有机氮源添加对降低碳氮环境损失并提高或维持作物产量的影响机制，为筛选提升紫色土生产力并协同降低环境负效应的施肥措施提供科学依据。本研究旨在回答以下关键科学问题;(1)有机替代施肥对作物生产力和氮素利用效率有何影响？(2)有机替代减少温室气体和径流氮素损失的机理？
本研究依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站养分循环长期定位试验平台，系统研究了不同有机替代化肥方式下的农田温室气体排放、活性氮损失和土壤氮保持机制。田间长期试验设计6个处理:不施肥(CK)、普通化肥(NPK)、猪粪(OM)、秸秆还田(CR)、猪粪配施化肥（OMNPK）以及秸秆还田配施化肥(CRNPK)，每个处理三个重复，随机区组排布。年施氮量为280kg N ha-1，其中小麦季130kg N ha-1，玉米季150kg N ha-1。主要研究结果与结论如下:
(1)与NPK处理相比，有机替代化肥处理显著提高小麦和玉米叶片的光合作用速率，小麦叶片光合作用速率在4.8至45.3μmol m-2s-1范围内，而在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期的光合作用效率变化范围为-20.1至40.4μmol m-2s-1。不同有机替代处理之间的叶片的光合作用速率存在显著差异(p＜0.05)。秸秆还田配施化肥(CRNPK)显著提高玉米和小麦的光合作用效率，说明秸秆还田与化肥配施有利于提高作物光合作用。
(2)小麦与玉米的年均生物量分别为2.8-5.9和3.5-6.4Mg ha-1，小麦和玉米的籽粒产量分别为1.4-3.4Mg ha-1和2.7-5.4Mg ha-1。有机替代化肥处理与化肥比较，作物产量的均显著高于氮磷钾。除CK（不施肥）外，小麦年均吸氮量为32.8-82.5kg N ha-1，而玉米的年均吸氮量为67.4-143.5kg N ha-1。OM和CRNPK处理在小麦和玉米季均有较高的吸氮量，且与其他有机替代施肥处理没有显著差异。此外，玉米季的化肥氮利用效率(NUE)(27.3到37.3kg kg-1)高于小麦季的化肥氮利用效率（21.7到30.1kg kg-1）。表明，有机替代施肥的NUE（OM，OMNPK和CRNPK）显著大于NPK。
(3)小麦季的土壤二氧化碳(CO2)排放速率为118-252g C m-2之间，玉米季的土壤CO2排放速率在203-362g C m-2之间。与NPK处理相比，有机添加导致年度累积CO2排放量增加30-51％，小麦和玉米季的平均作物碳吸收量分别为174至378g C m-2和287至488g C m-2，有机添加使作物C的吸收量较NPK处理增加了4-23％处理。在有机添加处理中，小麦和玉米季的碳平衡分别在-160至460g C m-2和-301至334g C m-2范围内，均大于NPK处理。土壤有机碳固存率(SOCSR)为0.39至1.59Mg C ha-1。表明，有机添加是一种增加碳利用维持作物生产力的有效措施。
(4)CH4和N2O排放的季变化动态存在较大差异。CK，NPK，OMNPK和CRNPK四处理年均累积CH4通量为-2.60至-2.97kg C ha-1，N2O通量为0.44至4.58kg N ha-1。OM和OMNPK处理的年净增温潜势分别为3.97和1.80Mg CO2-eq ha-1，而它们单位产量的GWP分别为533和220kg CO2-eq Mg-1籽粒，显著高于其他处理(p＜0.05)。与NPK处理相比，有机替代处理中除CR处理外，均导致年平均GWP增加了26-88％，单位产量GWP增加了19-88％。研究表明，紫色土农田有机替代施肥方式较常规NPK化肥降低温室气体排放并维持作物产量。
(5)与NPK处理相比，有机添加显著减少了地表径流和壤中流的氮损失。各处理年均总氮(TN)损失量为8.3至27.6kg N ha-1，其中颗粒态氮(PN)为1.1至5.2kg N ha-1，硝态氮为6.4至19.1kg N ha-1（NO3--N）。其中PN和NO3--N的损失分别占TN损失量的13-19％和63-78％。结果表明，与NPK处理相比，有机替代可平均降低TN损失3.9至19.3kg N ha-1。与NPK处理相比，有机替代部分化肥显著减少TN损失，平均降低了地表径流中氮损失的85％和壤中流氮损失的117％。化肥和有机物料（猪粪或农作物秸秆）的配施可有效降低紫色土坡耕地氮素径流损失，缓解农业面源污染。
(6)不同有机替代处理有机氮矿化率显著不同。OM和CRNPK分别为47.51和46.93kg N ha-1，显著高于其他处理(p＜0.05)。与NPK处理相比，有机替代施肥方式显著提高土壤有机氮矿化速率(17-33％)。土壤有机氮(No)的矿化潜势增加15-20％;不稳定氮(kN)的速率为3-27％N的初始潜在比率(No x kN)为18-52％。结果表明，有机替代显著影响了土壤氮的供应和氮矿化动力学参数。
(7)有机替代显著的年累积NOx排放量为0.12到1.27kg N ha-1。与NPK处理相比，OMNPK和CRNPK处理分别降低了45％和186％的NOx年通量。相反，有机替代显著的年累计NH3排放分别为15.90到31.03kg N ha-1。与NPK处理相比，OM，OMNPK和CRNPK的年累计NH3排放量分别降低了40％，26％和24％.氮素平衡为103.1到164.2kg N ha-1。氮素平衡结果表明，与NPK相比，有机替代显著降低了活性氮环境损失。综合考虑产量和环境效应，有机替代施肥方式（全量秸秆还田与化肥混施-CRNPK）显著优于其余施肥方式。
(8)紫色土有机替代施肥方式的供氮机制主要化肥氮直接供应与有机氮的矿化，主要土壤氮素损失方式是反硝化，氨挥发作用以及硝酸盐淋溶。有机替代施肥方式的保氮机制主要是减少土壤活性氮损失，将更多的活性氮保存到土壤中，特别是淋溶硝酸盐的保持。
本研究依托中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站养分循环长期定位试验平台，系统研究了不同有机替代化肥方式下的农田温室气体排放、活性氮损失和土壤氮保持机制。田间长期试验设计6个处理:不施肥(CK)、普通化肥(NPK)、猪粪(OM)、秸秆还田(CR)、猪粪配施化肥（OMNPK）以及秸秆还田配施化肥(CRNPK)，每个处理三个重复，随机区组排布。年施氮量为280kg N ha-1，其中小麦季130kg N ha-1，玉米季150kg N ha-1。主要研究结果与结论如下:
(1)与NPK处理相比，有机替代化肥处理显著提高小麦和玉米叶片的光合作用速率，小麦叶片光合作用速率在4.8至45.3μmol m-2s-1范围内，而在玉米拔节期、抽穗期和灌浆期的光合作用效率变化范围为-20.1至40.4μmol m-2s-1。不同有机替代处理之间的叶片的光合作用速率存在显著差异(p＜0.05)。秸秆还田配施化肥(CRNPK)显著提高玉米和小麦的光合作用效率，说明秸秆还田与化肥配施有利于提高作物光合作用。
(2)小麦与玉米的年均生物量分别为2.8-5.9和3.5-6.4Mg ha-1，小麦和玉米的籽粒产量分别为1.4-3.4Mg ha-1和2.7-5.4Mg ha-1。有机替代化肥处理与化肥比较，作物产量的均显著高于氮磷钾。除CK（不施肥）外，小麦年均吸氮量为32.8-82.5kg N ha-1，而玉米的年均吸氮量为67.4-143.5kg N ha-1。OM和CRNPK处理在小麦和玉米季均有较高的吸氮量，且与其他有机替代施肥处理没有显著差异。此外，玉米季的化肥氮利用效率(NUE)(27.3到37.3kg kg-1)高于小麦季的化肥氮利用效率（21.7到30.1kg kg-1）。表明，有机替代施肥的NUE（OM，OMNPK和CRNPK）显著大于NPK。
(3)小麦季的土壤二氧化碳(CO2)排放速率为118-252g C m-2之间，玉米季的土壤CO2排放速率在203-362g C m-2之间。与NPK处理相比，有机添加导致年度累积CO2排放量增加30-51％，小麦和玉米季的平均作物碳吸收量分别为174至378g C m-2和287至488g C m-2，有机添加使作物C的吸收量较NPK处理增加了4-23％处理。在有机添加处理中，小麦和玉米季的碳平衡分别在-160至460g C m-2和-301至334g C m-2范围内，均大于NPK处理。土壤有机碳固存率(SOCSR)为0.39至1.59Mg C ha-1。表明，有机添加是一种增加碳利用维持作物生产力的有效措施。
(4)CH4和N2O排放的季变化动态存在较大差异。CK，NPK，OMNPK和CRNPK四处理年均累积CH4通量为-2.60至-2.97kg C ha-1，N2O通量为0.44至4.58kg N ha-1。OM和OMNPK处理的年净增温潜势分别为3.97和1.80Mg CO2-eq ha-1，而它们单位产量的GWP分别为533和220kg CO2-eq Mg-1籽粒，显著高于其他处理(p＜0.05)。与NPK处理相比，有机替代处理中除CR处理外，均导致年平均GWP增加了26-88％，单位产量GWP增加了19-88％。研究表明，紫色土农田有机替代施肥方式较常规NPK化肥降低温室气体排放并维持作物产量。
(5)与NPK处理相比，有机添加显著减少了地表径流和壤中流的氮损失。各处理年均总氮(TN)损失量为8.3至27.6kg N ha-1，其中颗粒态氮(PN)为1.1至5.2kg N ha-1，硝态氮为6.4至19.1kg N ha-1（NO3--N）。其中PN和NO3--N的损失分别占TN损失量的13-19％和63-78％。结果表明，与NPK处理相比，有机替代可平均降低TN损失3.9至19.3kg N ha-1。与NPK处理相比，有机替代部分化肥显著减少TN损失，平均降低了地表径流中氮损失的85％和壤中流氮损失的117％。化肥和有机物料（猪粪或农作物秸秆）的配施可有效降低紫色土坡耕地氮素径流损失，缓解农业面源污染。
(6)不同有机替代处理有机氮矿化率显著不同。OM和CRNPK分别为47.51和46.93kg N ha-1，显著高于其他处理(p＜0.05)。与NPK处理相比，有机替代施肥方式显著提高土壤有机氮矿化速率(17-33％)。土壤有机氮(No)的矿化潜势增加15-20％;不稳定氮(kN)的速率为3-27％N的初始潜在比率(No x kN)为18-52％。结果表明，有机替代显著影响了土壤氮的供应和氮矿化动力学参数。
(7)有机替代显著的年累积NOx排放量为0.12到1.27kg N ha-1。与NPK处理相比，OMNPK和CRNPK处理分别降低了45％和186％的NOx年通量。相反，有机替代显著的年累计NH3排放分别为15.90到31.03kg N ha-1。与NPK处理相比，OM，OMNPK和CRNPK的年累计NH3排放量分别降低了40％，26％和24％.氮素平衡为103.1到164.2kg N ha-1。氮素平衡结果表明，与NPK相比，有机替代显著降低了活性氮环境损失。综合考虑产量和环境效应，有机替代施肥方式（全量秸秆还田与化肥混施-CRNPK）显著优于其余施肥方式。
(8)紫色土有机替代施肥方式的供氮机制主要化肥氮直接供应与有机氮的矿化，主要土壤氮素损失方式是反硝化，氨挥发作用以及硝酸盐淋溶。有机替代施肥方式的保氮机制主要是减少土壤活性氮损失，将更多的活性氮保存到土壤中，特别是淋溶硝酸盐的保持。