稻田中的可持续氮管理：深施肥料与脲酶抑制剂对氨挥发及相关土壤微生物群的协同作用

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Sustainable nitrogen management in paddy fields: Synergistic effects of deep fertilization and urease inhibitors on ammonia volatilization and associated soil microbiome

水稻田氨挥发控制研究：通过两年双季稻试验，比较不同氮肥管理（常规、30%减量、深施、抑制剂、组合）对氨挥发的影响。结果表明，深施结合抑制剂（RUD）使氨挥发减少68.0-73.8%，显著抑制尿素水解和土壤脲酶活性，降低铵态氮积累。微生物α多样性指数小幅下降，与脲酶活性相关的菌群减少，碳水化合物代谢途径受抑制。估算全国推广RUD技术可减少氮排放528.29 Gg/年，其中中南地区贡献38%减排量。该组合策略有效提升氮肥利用率和经济效益，为双季稻可持续发展提供科学依据。

　　

Xiantao Fang|Xiao Zhu|Juan Wang|Chengli Tong|Feng Zhou|Deli Chen|Jinshui Wu|Jianlin Shen

中国科学院亚热带农业研究所，中国长沙410125

摘要

氨（NH₃）的挥发是水稻稻田生态系统中氮损失的主要途径，导致显著的经济成本和不利的环境危害。然而，NH₃挥发的具体特性、其区域缓解潜力以及在深施肥料和施用尿素酶抑制剂联合应用下的相关微生物响应仍知之甚少。为填补这一知识空白，在亚热带双季稻种植系统中进行了一项为期两年的连续高频野外监测实验。设置了六种处理方式：不施氮（CK）、常规施氮（CON）、减少30%氮肥用量（RN）；在减少氮肥用量的情况下，分别采用深施（RD，距土壤表面7厘米）、施用尿素酶抑制剂（RU）以及深施与施用尿素酶抑制剂相结合的方法（RUD）。结果表明，与CON处理相比，RUD处理使NH₃的累积挥发量减少了68.0–73.8%。这种缓解效果归因于尿素水解速率和土壤尿素酶活性的抑制，从而显著限制了土壤中NH₄⁺ -N的积累。此外，RUD处理还略微降低了土壤微生物的α多样性指数，减弱了与尿素酶产生相关的微生物类群的活性，并下调了微生物的碳水化合物代谢途径。根据实验数据，我们估计如果在全国范围内采用RUD技术，每年可减少中国稻田中528.29 Gg的NH₃排放量。

引言

过去几十年，为了提高农作物产量，化学氮（N）肥料的过量施用被广泛采用（Liu et al., 2020a）。然而，氮肥用量的增加并未带来相应的作物生产力提升，导致氮利用效率（NUE）下降，氮损失加剧，其中氨（NH₃的挥发是主要的氮损失途径（Behera et al., 2013）。农业是大气中NH₃的主要来源，占全球NH₃总排放量的80–90%（Kang et al., 2015）。特别是在水稻生长季节，稻田中的NH₃挥发量明显高于其他种植系统，这被认为是水稻栽培中氮损失的主要途径（Yin et al., 2020）。关于NH₃排放因子的研究结果存在很大差异：有研究估计稻田中的平均NH₃挥发率为施用氮量的大约17%（Paulot et al., 2014），而其他研究指出在有利条件下，NH₃损失可能占施用氮量的40–50%（He et al., 2018, Li et al., 2023），甚至在某些情况下可达到60%（Huang et al., 2016）。大部分排放的NH₃通过湿沉降和干沉降过程迅速沉积在源区附近（Wen et al., 2020, Yi et al., 2021），其余部分则参与大气中二次无机气溶胶的形成（Shen et al., 2013）。人为产生的NH₃排放及其后续沉积对环境构成了严重威胁，包括空气质量恶化、土壤酸化、水体富营养化以及对人类健康的危害（Liu et al., 2013, Stokstad, 2014, Gu et al., 2021）。因此，开发优化氮管理策略以减少通过NH₃挥发造成的氮损失对于推进环境可持续性和促进绿色农业发展至关重要。

氮肥的施用方法是决定氮损失（尤其是气态氮排放）的关键因素（Keshavarz Afshar et al., 2018）。为了减少尿素水解过程中的NH₃释放，提出了多种策略，包括深施肥料和使用尿素酶抑制剂。其中，深施氮肥（方法包括点状深施和侧向深施；深度通常为5–15厘米）被证明是减少农业系统中NH₃污染的有效方法。而表面撒施氮肥通常会加剧氮损失（包括直接撒施和撒施后进行表面耕作，大部分肥料仅停留在表层以下约3厘米处（Pan et al., 2016）；深施有效限制了NH₄⁺-N从下层土壤向土壤表面或稻田水中的迁移，从而减少了NH₃的挥发，同时提高了粮食产量和氮吸收（Zhong et al., 2021）。最近的一项荟萃分析进一步证实了这些益处，报告显示深施显著降低了NH₃挥发量78.1%，并分别提高了粮食产量、氮利用效率和净经济效益8.6%、16.7%和11.5%（Li et al., 2022）。与缓释肥料类似，深施更好地同步了氮供应与作物需求，不仅提高了产量和氮利用效率，还持续减少了NH₃的挥发损失，据报道减少幅度在67%到91%之间（Yang et al., 2023, Yao et al., 2018b）。

除了深施外，施用尿素酶抑制剂也是减少土壤氮损失的有效策略。例如，将尿素与N-(n-丁基)硫磷酰胺（NBPT）这种广泛使用的尿素酶抑制剂涂层处理，已被证明能显著抑制NH₃的挥发（Yang et al., 2023）。尿素酶是一种能催化尿素水解为铵态氮的水解酶，而尿素酶抑制剂通过暂时结合酶的活性位点来抑制尿素酶的活性，减缓铵离子进入土壤水系统的速度，从而降低尿素水解速率和随后的NH₃排放（Sha et al., 2020）。尿素与尿素酶抑制剂的联合使用（表面撒施）可使NH₃挥发量减少41%–53%，同时增加生物量和氮吸收，并进一步提高目标产量和氮利用效率（Yang et al., 2020, Lam et al., 2018, Cantarella et al., 2018, Li et al., 2018）。NH₃排放的减少可能归因于表层土壤中尿素酶活性的降低。然而，目前关于深施和尿素酶抑制剂联合应用对NH₃排放、作物产量和氮利用效率影响的综合研究仍然较少。

从微生物角度来看，像NBPT（N-(n-丁基)硫磷酰胺）这样的尿素酶抑制剂通过可逆地结合尿素酶活性位点上的镍离子来发挥作用，从而阻断尿素进入尿素分解细菌（如γ-变形菌和β-变形菌）中的尿素酶基因（如ureC、ureA）的转录和翻译后激活（Boase et al., 2022）。然而，也有研究表明尿素酶抑制剂对土壤中氮循环微生物群落的整体结构影响不大（Duff et al., 2022, Fu et al., 2020, Meng et al., 2020）。同样，一些研究表明，与所施肥料类型相比，深施或添加抑制剂等管理措施对细菌和真菌群落的组成和多样性影响较小（Wakelin et al., 2013, Morales et al., 2015）。明确氮循环与微生物群落动态之间的联系对于有效减少NH₃排放至关重要（Repert et al., 2025）。然而，在深施肥料和尿素酶抑制剂联合应用下土壤微生物群落的具体作用仍不甚明了。

稻田占中国耕地总面积的33%（Zhao et al., 2015）。双季稻种植系统是中国亚热带地区最普遍的种植方式之一（Liu et al., 2020b），在减少NH₃排放和提高氮利用效率方面具有巨大潜力（Wang et al., 2018）。多项研究分别报道了尿素酶抑制剂或深施对NH₃损失、粮食产量、氮利用效率和净生态系统经济效益（NEEB）的积极影响（Sha et al., 2020, Zhong et al., 2021）。然而，关于减少氮肥用量、深施和尿素酶抑制剂联合应用对NH₃排放、氮利用效率、净生态系统经济效益和粮食产量的综合影响的研究尚未充分开展。此外，减少氮肥用量、深施和尿素酶抑制剂联合应用对土壤微生物群落结构和功能变化的影响也尚未得到重视。值得注意的是，深施所需的人工成本较高以及尿素抑制剂的价格限制了其在当地农民中的推广。因此，有必要对这些措施的环境可持续性、成本和经济效益进行评估，以便根据不同地区的实际情况制定最佳应用策略（Tisserant et al., 2023）。

在这里，我们在亚热带双季稻种植系统中进行了一项为期两年的野外实验，以评估减少氮肥用量、深施和尿素酶抑制剂联合应用对NH₃损失、粮食产量、土壤微生物群落结构、氮利用效率和净生态系统经济效益的影响。我们假设：（1）深施和尿素酶抑制剂的联合应用比单独使用任何一种方法都能更显著地减少NH₃排放；（2）这种组合会显著改变土壤微生物群落组成，进而进一步影响NH₃排放和氮利用效率（或产量）。我们期望这项研究能为双季稻种植系统提供一种环境可持续且经济效益高的方法。

研究地点

研究地点

该野外实验在中国湖南省长沙市亚热带中部地区的一个双季稻种植系统中进行（28°33’ N, 113°20’ E，海拔80米），时间跨度为2019年4月至2020年11月。该地区具有典型的亚热带湿润季风气候，实验期间的年平均气温为17.5°C，降水量为1330毫米。每日气温和降水量由气象站记录（Inteliment）

NH₃排放和排放因子

在两个年度周期内，高日NH₃通量出现在施用氮肥的处理组中，每个处理组在施用氮肥后的1–3天内NH₃通量显著增加，随后迅速下降到与CK处理组相当的水平（图1）。基础施肥期的NH₃通量高于分蘖期和抽穗期的氮肥处理组（图1）。

物理化学因素驱动RUD处理下NH₃挥发的减少

稻田中的NH₃挥发通量受到施氮量和农业管理措施的双重影响（Zhu et al., 2022）。以往的研究主要关注在减少氮肥用量、深施和单独施用尿素酶抑制剂条件下稻田中的NH₃挥发（Abdo et al., 2022, Zhong et al., 2021）。然而，关于减少氮肥用量、深施和尿素酶抑制剂联合应用对NH₃挥发影响的综合研究尚不足。

结论

本研究在双季稻种植系统中，通过为期两年的测量，探讨了减少氮肥用量、深施肥料和添加尿素酶抑制剂联合应用对NH₃挥发、NH₃排放因子、粮食产量、氮利用效率和净生态系统经济效益的影响。我们的结果表明，氮肥深施与尿素酶抑制剂的联合应用可以显著减少NH₃挥发，降低排放因子，提高氮利用效率和净生态系统经济效益，并保持粮食产量。

作者贡献声明

Jianlin Shen：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。Jinshui Wu：撰写、审稿与编辑。Deli Chen：撰写、审稿与编辑。Feng Zhou：撰写、审稿与编辑。Chengli Tong：撰写、审稿与编辑。Juan Wang：撰写、审稿与编辑。Xiao Zhu：撰写、审稿与编辑、调查、数据分析。Xiantao Fang：撰写、审稿与编辑、原始草案编写、软件使用、方法论设计、数据收集与分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划（2023YFD1900902, 2021YFD1700801）和国家自然科学基金（42477378）的支持。