氮肥源与施用量对内布拉斯加州胡椒薄荷生物量及氧化亚氮排放的生态调控效应研究

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Effect of fertilizer nitrogen on biomass yield and nitrous oxide gas emissions in peppermint in Nebraska

本研究通过两年田间试验，系统评价了尿素与聚合物包膜尿素在不同施氮量下对半干旱地区胡椒薄荷生物量产量及氧化亚氮排放的影响。结果表明，PCU在低氮水平下即可实现与尿素高氮量相当的产量，同时显著降低N2O排放通量。研究为高经济价值特色作物精准氮肥管理提供了实证依据，并提出基于氮源类型的排放因子细分可优化IPCC温室气体清单核算模型。

　　

引言背景

胡椒薄荷作为高经济价值的多年生草本作物，其富含薄荷醇的精油被广泛应用于食品、制药及香水工业。美国作为全球最大胡椒薄荷油生产国，西北太平洋地区占全国产量的91%。内布拉斯加州西部因具备长日照和夏季凉爽的气候条件，近年来胡椒薄荷种植兴趣显著提升。然而该作物氮肥需求量高达280-325 kg ha^-1，显著高于灌溉玉米，且目前缺乏针对该地区的专用施肥指南。在高氮投入的种植体系中，优化氮肥管理对减少强效温室气体N₂O排放具有重要环境意义。

材料与方法

试验于2022-2023年在内布拉斯加州斯科茨布拉夫试验站开展，土壤为Tripp极细砂质壤土。采用随机区组设计，设置尿素和聚合物包膜尿素两种氮源，2022年施氮量为34-75 kg ha^-1，2023年调整为122-332 kg ha^-1。通过LI-7820痕量气体分析仪监测N₂O通量，采用PVC环法定点采集气体样本。生物量测定于盛花期进行，并计算农艺氮肥利用率。

结果分析

1. 1.
   生物量响应：2023年PCU在低氮量处理中表现突出，122 kg ha^-1处理产量达12.14 Mg ha^-1，显著优于同等氮量尿素处理。最高氮量处理下，PCU与尿素产量无显著差异。农艺氮肥利用率分析显示，PCU在低氮水平下aNUE提升达22.2%。
2. 2.
   气体排放特征：尿素处理N₂O排放呈现明显的剂量效应，通量峰值出现在施肥后3周内。PCU处理排放通量始终稳定在20 μg N m^-2h^-1以下，且不受施氮量影响。相关性分析表明，2023年土壤体积含水量与N₂O通量呈显著正相关。
3. 3.
   排放因子核算：尿素处理的肥料诱导排放因子为0.23%，PCU处理降至0.01%-0.02%，均处于IPCC干旱气候分区排放因子范围。基于氮源特异性的排放因子细分，可能缩小现有核算模型的不确定性范围。

讨论与机制

PCU通过聚合物包膜控制氮素释放速率，使养分供应与作物需求同步，减少土壤中无机氮的累积。在土壤温度14-24°C条件下，包膜材料通过调节扩散速率实现氮素缓释。研究还发现，砂质壤土的低粘粒含量和1%的土壤有机碳水平共同导致本地区基准排放因子偏低。

结论展望

本研究证实PCU在胡椒薄荷生产中可实现"减氮控排"的双赢目标。建议后续研究整合水分管理策略，并量化氨挥发和硝酸盐淋洗等氮素损失途径。建立基于作物-土壤-气候协同的排放因子核算框架，将有助于提升农业温室气体清单的精准度。