《Environmental Technology & Innovation》：Sodium acetate outperforms glucose in boosting sulfur-driven autotrophic denitrification under high salinity stress
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本文推荐一项关于水稻可持续生产的重要研究。为解决节水灌溉（IAWD）导致的土壤有机碳（SOC）矿化加速与氨（NH3）挥发增加这一碳氮拮抗难题，研究人员探讨了镁改性生物炭基肥（MBF）与减氮施肥的协同效应。结果表明，IAWD结合25%减氮及10 t ha–1MBF（N3/4B2）能显著提升SOC含量14.40%，降低NH3排放10.78%，并维持产量与水氮利用效率。该研究为协调水稻高产、节水减排与地力提升提供了创新性解决方案。
在全球粮食安全与可持续发展双重挑战下，水稻生产系统面临着提高产量与减少环境影响的巨大压力。中国作为重要的粮食生产国，亟需发展低碳、节水的水稻种植模式。交替干湿灌溉（IAWD）是一种有效节水技术，能刺激土壤有机氮矿化，提高氮素有效性，但也会加速土壤有机碳（SOC）的矿化，导致土壤碳库损耗。更严峻的是，IAWD浅层间歇性灌溉会提高田面水铵态氮（NH4+-N）浓度，增加氨（NH3）挥发风险，形成一种难以调和的碳氮拮抗关系。为破解这一难题，研究人员将目光投向了一种新型改良材料——镁改性生物炭基肥（MBF）。MBF不仅具备生物炭固有的丰富芳香结构可增加稳定碳库，其镁改性还引入了化学吸附机制，能吸附NH4+，降低原材料的高碳氮比（C/N），并可能通过形成鸟粪石（MgNH4PO4·6H2O）实现氮素缓释。然而，MBF的高碱性和NH4+吸附饱和潜力也可能增加NH3挥发风险。因此，探究MBF与IAWD及减氮施肥的协同效应，对于实现水稻生产的高产、高效、低碳、环保至关重要。本研究通过两年田间试验，系统评估了该集成管理策略对土壤碳氮动态、作物产量、水氮利用效率及NH3排放的影响，相关成果发表在《Environmental Technology》上。
为开展此项研究，研究人员在2021-2022年于中国辽宁东港市灌溉试验站进行了田间裂区试验。试验采用裂区设计，主区为两种灌溉模式（常规淹灌ICF和干湿交替灌溉IAWD），副区为五种施肥模式（常规施肥无MBF、常规施肥配施不同量MBF、减氮25%配施不同量MBF）。测定了土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）含量、NH3挥发通量、水稻产量、水分利用效率（WUE）、氮素吸收转运及氮素利用率（NUEg）等指标。并采用通径分析（SEM）和逼近理想解排序法（TOPSIS）模型评估了处理效果。
3.1. 谷物产量和水分利用效率
结果表明，灌溉和施肥共同影响水分利用效率（WUEi+r），而仅施肥显著影响水稻产量。与ICF相比，IAWD使总耗水量减少8.18%–8.47%，并显著提高了WUEi+r7.69%–7.76%。在常规施肥基础上增施MBF（N1B1, N1B2）显著增产7.05%–12.29%，而减氮25%配施10 t ha–1MBF（N3/4B2）也能增产4.10%–5.53%。N1B1、N1B2和N3/4B2处理均能提升WUEi+r。
3.2. 土壤有机碳、全氮和碳氮比
灌溉和施肥管理均显著影响0-20厘米土层SOC、TN和C/N比。在同一施氮水平下，增加MBF施用量（N1B0, N1B1, N1B2）提高了SOC和TN含量。与N1B0相比，添加MBF的处理（N1B1, N1B2, N3/4B2）使SOC显著增加6.49%–18.86%，TN增加8.78%–18.46%。各处理土壤C/N比在两年的试验中始终维持在15-20之间。
3.3. 土壤无机氮
施肥处理显著影响NH4+-N，而灌溉制度影响NO3--N；无机氮受两者共同影响。与ICF相比，IAWD在基肥期增加了NH4+-N，但在追肥期降低了NH4+-N。IAWD显著提高了NO3--N（14.94%–28.74%）和无机氮含量。与N1B0相比，MBF处理（N1B1, N1B2, N3/4B2）使NH4+-N含量增加2.05%–18.63%，无机氮增加1.25%–15.79%。MBF的施用还在基肥期引起NO3--N的短暂增加，随后在整个生育期总体呈降低趋势。
3.4. 氨挥发
NH3挥发通量在施肥后4天内达到峰值，约7天后降至< 0.5 kg N ha–1d–1以下。在两种灌溉制度下，与N1B0相比，N1B1和N1B2增加了累积NH3排放，而N3/4B1和N3/4B2则降低了排放。超过80%的排放发生在基肥和第一次追肥期。与N1B0相比，N1B1和N1B2使总NH3排放显著增加17.51%–36.04%，而N3/4B1和N3/4B2则使累积排放量降低15.67%–18.68%和10.10%–11.46%。产量尺度NH3排放受施肥及灌溉×施肥互作显著影响。累积NH3排放与土壤NH4+-N含量呈显著二次相关关系。
3.5. 水稻生长与氮素利用
作物生长速率（CGR）受灌溉和施肥制度显著影响。IAWD下的CGR始终低于ICF。增施MBF提高了从抽穗开花期到成熟期的CGR。IAWD显著提高了叶片氮素转运量（12.33%–12.97%）和花前氮素转运量（6.28%–7.51%）。与N1B0相比，MBF处理（N1B1, N1B2, N3/4B2）增加了叶片氮素转运量（1.33%–25.57%）和花前氮素转运量（1.75%–12.61%）。谷物产量与叶片氮素转运和花前氮素转运呈正相关，而氮素利用率（NUEg）与茎秆氮素转运呈正相关。
3.6. 相关性分析、结构方程模型（SEM）和TOPSIS模型
Pearson相关分析表明，土壤NH4+-N含量与产量、WUE、SOC和NH3挥发呈显著正相关，而与NUEg负相关。基肥期的NH4+-N对NH3排放影响更大，而追肥期的NH4+-N与SOC积累关系更密切。SOC与产量和WUE正相关，与耗水量负相关。SEM表明，较高的施氮量直接增加了NH3排放并间接降低了NUEg。灌溉措施通过灌溉性能指标对NUEg和WUE产生负面影响。而MBF与灌溉的集成应用显著提高了产量和WUE。NH3排放直接降低了NUEg并间接抑制了WUE。TOPSIS模型评估显示，ICFN3/4B2综合排名最高，IAWDN3/4B2紧随其后。
本研究结论表明，将MBF与IAWD集成应用可有效解耦土壤碳固存与氮素有效性之间的传统权衡关系。IAWD结合25%减氮和10 t ha?1MBF（IAWDN3/4B2）的协同实践，通过优化氮素释放和增强碳保护，将拮抗的碳氮矿化联系转变为互补过程。因此，该集成系统能同步提升SOC达14.40%，降低NH3排放10.78%，并维持产量和资源利用效率。研究阐明了这种多目标协同作用的机制基础，并量化了其农艺环境效益，为在节水模式下实现水稻生产的可持续集约化提供了科学可靠且实用的框架。该策略的成功应用，标志着水稻生产管理从管理竞争性资源向设计其协同互作的方向转变，对保障粮食安全、应对气候变化及推动农业可持续发展具有重要意义。未来的研究可关注MBF长期施用下碳固存的稳定性及其对多种温室气体排放的综合效应。
