微囊化氮抑制剂通过减少温室气体排放和提高玉米产量促进生态系统可持续性

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Microencapsulated nitrogen inhibitors promote ecosystem sustainability via greenhouse gas emission reduction and maize yield improvement

本文推荐一种新型微囊化策略，通过改性三聚氰胺树脂实现氮抑制剂（NBPT/DMPP）活性成分可控释放，显著延长功能寿命。田间试验结合宏基因组分析表明，该技术可同步提高氮肥利用效率（NUE）22.5–24.7%、降低NH3/N2O/CO2排放（3.9–10.1%），并通过调控氨氧化（amoA/amoB）和反硝化（nirS/nirK）功能基因重构土壤微生物群落，为气候智能型氮管理提供新路径。

　　

研究亮点

微囊化氮抑制剂通过温室气体减排和玉米增产促进生态系统可持续性

环境变量与无机氮变化

实验期间平均气温24.4°C，10厘米土层地温20.4°C，总降雨量576.4毫米（图S1a）。玉米生长季土壤孔隙水填充度（WFPS）在22%-85%间波动（图S1b），灌溉或强降雨后出现峰值。

施肥后各处理土壤铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）动态差异显著（图1）。尿素施用后所有处理NH₄⁺-N浓度7天内快速上升，但微囊化抑制剂处理（NPK+MN和NPK+MD）的NH₄⁺-N峰值比传统抑制剂处理低19.3-26.8%，且高浓度维持时间延长5-9天。NPK+MN处理的NO₃^--N积累速率较NPK+N降低31.6%，表明微囊化有效延缓了硝化进程。

对气体排放、氮肥利用效率和产量的影响

施肥后观测到的氨挥发（NH₃）再次证实表施尿素是氮素损失的重要来源。但DMPP处理未引起NH₃排放增加的现象需深入探究。文献中硝化抑制剂对NH₃排放影响的差异性与抑制剂化学特性、土壤pH值及环境条件等多因素耦合作用相关。例如，DMPP在碱性土壤中可能通过间接影响尿素水解路径而改变NH₃挥发模式。

微囊化技术通过延长抑制剂活性时长，使氮释放曲线与玉米吸氮规律更匹配。NPK+MN处理使氮肥偏生产力（PFP）提升18.2%，氮肥农学效率（AE）提高22.7%。同步实现的温室气体减排（N₂O降幅7.2-9.1%）与产量增益（6.1%）表明该技术具有气候-产量协同优化潜力。

结论

本研究证实微囊化氮抑制剂（NBPT和DMPP）是玉米可持续生产的变革性技术。三聚氰胺树脂包膜使N₂O排放减少5.7–7.6%、NH₃挥发降低3.9–8.9%，玉米增产4.6–6.7%。宏基因组分析显示该技术通过抑制氨氧化基因（amoA/amoB下调3.1–9.7%）和反硝化基因（nirS/nirK下调6.4–9.3%）表达，重塑土壤微生物网络（如减少硝化螺菌Nitrosospira，富集鞘氨醇单胞菌Sphingomonas），为生态系统水平的氮管理提供新范式。

作者贡献声明

李静远：形式分析，数据整理。王文玉：形式分析，数据整理。李东伟：数据整理。李亚群：数据整理。李善同：形式分析。顾坚：形式分析。张琨：原创写作，可视化，验证，软件操作，调研，数据整理。李杰：审阅编辑，资源协调，资金获取，概念设计。连瑞媛：形式分析，数据整理。李代佳：数据整理。刘凯：数据整理。

利益冲突声明

作者声明无已知可能影响本研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金（42277324）、国家重点研发计划（2022YFD1500105–1、2022YFD170060106、2022YFD1700602）及中国科学院战略先导科技专项（XDA28090200）资助。