不同尿素基肥料对亚热带柑橘园中氮气以气体形式和水文形式流失的影响

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Effects of different urea-based fertilizers on gaseous and hydrological nitrogen losses from subtropical citrus orchards

　　

郑静|林鸿宇|王星玲|董红阳|张博文|程辉|姜守正|拉尔夫·基塞|克劳斯·巴特巴赫-巴尔|周明华

中国科学院山地灾害与环境研究所，中国成都610213

摘要

中国南方柑橘园中氮（N）肥料的过度使用导致了大量的环境损失，包括氨（NH₃）挥发、一氧化二氮（N₂O）和一氧化氮（NO）的排放以及硝酸盐的淋溶。本研究评估了三种先进的尿素基氮肥——聚氨酯包膜尿素（PCU）、腐殖酸尿素（HAU）和尿酶抑制剂尿素（UIU）在减少柑橘园氮损失方面的效果，并与传统尿素（U）进行了比较。在中国南方的四川盆地进行了为期两年的田间试验，测量了果实产量和品质、气体排放（NH₃、N₂O和NO）以及通过地表径流的水文氮损失（总氮[TN]、NO₃?-N和NH₄?-N）。同时，使用¹⁵N示踪技术进行了盆栽试验以研究土壤中的氮转化过程。结果表明，在第二年，PCU显著提高了果实产量和品质（例如维生素C含量和糖酸比）。在两年的实验期间，PCU最有效地减少了气体氮损失，使NH₃挥发量减少了51.1%，NO排放量减少了36.3%，地表径流中的TN和NO₃?-N损失分别减少了14.3%和25.5%。尽管PCU抑制了一氧化二氮（N₂O）的峰值，但并未显著减少其累计排放量。相比之下，HAU使N₂O排放量增加了16.1%（p?3或径流氮损失没有额外的好处。UIU未能减少NH₃和N₂O的累计损失，尽管它减少了NO排放和NO₃?-N的损失。PCU的优越性在于其能够物理控制氮的释放并促进土壤中NO₃?的固定（+56.5%）。总体而言，PCU是在亚热带柑橘园中提高柑橘生产力同时最小化活性氮损失的最平衡策略。这些发现为氮循环过程和高效肥料的环境影响提供了重要见解，为下一代尿素产品的开发提供了科学支持。

引言

柑橘是全球种植最广泛的果树之一，在全球水果市场中具有重要的经济意义，并对区域经济增长做出了重大贡献（Spreen等人，2020年）。过去三十年中，全球柑橘产量增加了约125%，该行业仍在继续扩张（世界柑橘组织，2026年）。截至2024年，全球柑橘产量超过了2.1亿吨。中国占全球种植面积的23%，显示出其在满足全球水果需求方面的关键作用（联合国粮食及农业组织FAO，2026年；美国农业部外国农业服务局，2026年）。氮（N）是柑橘栽培的重要营养素，在提高糖分积累和氨基酸代谢方面起着关键作用，从而改善了果实品质和大小（Quaggio等人，2019年）。然而，氮肥的过度施用对中国柑橘园的可持续性构成了日益严重的威胁，这可能通过环境氮损失引发一系列不利影响（Greaver等人，2016年；Harerimana等人，2025年）。全球约有26.3%的施用于果园系统的氮以活性形式损失，发展中国家的损失超过了发达国家（Zhao等人，2022年）。在中国，果园中由于肥料直接导致的一氧化二氮（N₂O）排放量估计为32–49 Gg N yr^?1，约占高地土壤总N₂O排放量的14%（Xu等人，2022年）。果园土壤是农业领域活性氮损失的热点，迫切需要开发和采用策略来减少肥料中的氮损失。

为了提高肥料效率，人们推动了绿色、高效尿素产品的开发，这些产品可以在不改变施用方式的情况下直接提高肥料效益（Lam等人，2022年）。为了在减少氮损失相关的环境风险的同时保持产量，许多国家优先开发了包膜缓释尿素、抑制剂稳定的尿素、腐殖酸改良尿素和其他高效产品（Kassem等人，2024年；Liu等人，2024b年）。缓释氮肥通常是通过用疏水材料包覆传统尿素来生产的，从而实现缓慢且可控的营养释放（Liang等人，2022年；Ma等人，2024年）。然而，其释放动力学可能受到土壤条件的影响。高盐度（例如NaCl或KCl）可能会通过降低渗透势来减缓营养释放，而极端的pH值会改变肥料颗粒内的化学相互作用和离子扩散，从而减缓释放速率（Wei等人，2020年；Priya等人，2024年）。腐殖酸尿素（HAU）是一种改良肥料，通过将尿素与腐殖酸结合生产，腐殖酸是一种生物活性载体，可以调节氮的释放，通过吸附和络合作用改善土壤养分保持能力，并刺激土壤微生物活动（Li等人，2019年；Antu等人，2025年）。HAU占先进尿素肥料市场的三分之一，并在全球范围内带来了显著的农艺和环境效益（Jin等人，2023年；Liu等人，2024b年；Liu等人，2025年）。然而，腐殖酸化合物在促进植物生长和养分吸收的同时减少氨（NH₃）挥发效果的有效性取决于其结构特性（Jing等人，2022年）。尿酶抑制剂（UIs）可以抑制尿酶的活性，尿酶是催化尿素水解为铵氮（NH₄⁺的酶）。通过降低土壤溶液中的NH₄⁺浓度，UIs减少了NH₃挥发的潜力（Sha等人，2020年）。然而，UIs的一个关键限制是它们只是延迟而不是永久阻止尿素的水解。水解后的NH₄⁺最终会经历硝化-反硝化作用，可能会增加N₂O排放并促进水文损失（Cantarella等人，2018年）。总体而言，关于这些先进尿素产品在减少肥料来源氮损失方面的有效性仍存在相当大的不确定性。

要理解这些先进尿素产品的不同表现，需要对其对土壤氮转化过程的影响进行机制研究。气体和水文氮损失受相互关联的微生物过程调控，包括矿化、硝化、反硝化和固定。例如，土壤中的一氧化氮（NO）排放主要来自硝化作用，大约15%来自反硝化作用（Russow等人，2008年）。高地土壤中的N₂O产生和消耗更为复杂，来源于有机氮的异养硝化、NH₄⁺的自养硝化和硝酸盐（NO₃^?）的反硝化（Zhang等人，2023年）。NH₄⁺-N和NO₃^?-N通过地表径流的水文损失主要受土壤有机氮的矿化、硝化-反硝化过程和生物固氮作用的控制（Luo等人，2023年）。土壤的矿化-硝化-固定转化是土壤特异性的，决定了潜在的环境氮损失（Butterbach-Bahl等人，2011年）。尽管有这些认识，关于控制气体氮排放的具体微生物过程以及这些过程如何受到不同施肥方式的影响，仍存在关键的知识空白。

因此，本研究的目标是：（1）全面评估三种先进尿素基肥料（PCU：聚氨酯包膜尿素、HAU：腐殖酸尿素和UIU：尿酶抑制剂尿素）对亚热带果园中柑橘果实产量和品质的影响；（2）量化它们对气体（NH₃、N₂O和NO）和水文（径流）氮损失的影响；（3）通过使用¹⁵N池稀释技术评估总的土壤氮转化率来阐明潜在机制。我们假设PCU通过同步氮供应与作物需求并增强微生物固定作用，从而在保持或提高果实产量的同时减少氮损失，表现优于其他肥料。本研究旨在加深对氮循环过程和先进尿素肥料在柑橘园系统中环境性能的理解。

章节片段

研究地点

本研究在中国西南部四川省盐亭县的一个柑橘园进行（31°29′N，105°48′E），海拔400–600米。该地区具有亚热带季风气候，过去20年（2005–2024年）的平均年温度为16.7°C。1月和8月的极端低温和高温分别为-5.3°C和37.8°C。2005年至2024年的年平均降雨量为914.2毫米（6月至10月为684.9毫米）

果实产量和品质

不同尿素基肥料的应用仅在第二年显著影响了果实产量（图2D）。PCU下的产量最高（7.46吨/公顷），比U、HAU和UIU分别高出3.20吨/公顷、5.10吨/公顷和6.48吨/公顷。在第一年，与U相比，这些先进尿素肥料对果实品质没有显著改善。相比之下，在第二年，这些先进肥料显著提高了

果实生产

PCU显著提高了果实产量，大部分效益在第二年显现。这种延迟反应表明肥料在多年生果园系统中的潜在累积效应。Cantarella等人（2003年）也报告称，在前两年内，氮的施用量或来源对产量没有影响，这可能是由于土壤中残留的氮和树体生物量中的高氮储备。PCU的优异产量主要归因于其控释特性；聚合物涂层

结论

聚氨酯包膜尿素（PCU）显著提高了果实产量和品质，同时减少了环境氮（N）损失。此外，PCU降低了土壤氮的矿化速率并增加了微生物氮的固定（p?ONH4）并增加了土壤N₂O的排放，但对果实产量或其他氮损失途径没有显著影响。

CRediT作者贡献声明

周明华：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。克劳斯·巴特巴赫-巴尔：撰写 – 审稿与编辑。拉尔夫·基塞：撰写 – 审稿与编辑。姜守正：方法学。程辉：资源。张博文：方法学。董红阳：调查，数据管理。王星玲：调查，数据管理。林鸿宇：撰写 – 审稿与编辑，方法学。郑静：撰写 – 原稿，方法学，正式分析，数据管理。

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

本研究得到了国家自然科学基金（U22A20562，52409077）、国家重点研发计划（2023YFF0806002）、四川省科技计划（2024NSFSC0982）、新联新化工集团西南柑橘氮高效利用基础研究项目、中国科学院****青年人才（郑静）以及研究所的科技研究计划的支持