腐植酸尿素(HAU)在冬小麦-夏玉米轮作系统中的氮素归趋与净生态经济效益：基于15 N示踪与田间渗漏仪的联合实验

针对传统尿素氮素利用率低、环境污染严重等问题，中国农业科学院团队通过15 N示踪与田间渗漏仪技术，系统研究了腐植酸尿素(HAU)在冬小麦-夏玉米轮作中的氮素归趋。研究发现HAU较普通尿素增产4.48-11.25%，减少NH3 挥发(12.74-25.86%)和N2 O排放(14.07-30.02%)，降低碳足迹7.01-13.48%，净生态经济效益提升6.38-9.23%。该研究为农田可持续氮管理提供了科学依据。

　　

背景与挑战
全球农田生态系统中，尿素的低效使用正引发严峻环境危机。数据显示，尿素贡献了农田温室气体(GHG)排放的五分之一，其转化产物NH₄
⁺
易挥发为NH₃
，NO₃
^-
-N则易淋溶或转化为强温室效应气体N₂
O。中国冬小麦-夏玉米轮作区占全国小麦产量的三分之二，但传统高效尿素产品如包膜尿素存在"小麦减产"悖论。腐植酸尿素(HAU)作为市场占比三分之一的高效增值尿素，虽在单季作物中显示增产5.58-18.67%，但其在不同腐植酸(HA)添加量下的氮素归趋规律及综合生态经济效益仍不明确。

研究设计与方法
中国农业科学院团队在山东德州建立48个2米深田间渗漏仪系统，结合¹⁵
N示踪技术，设置4种处理（CK空白、普通尿素U、0.5%HAU、5%HAU），开展为期两年的轮作实验。关键技术包括：

1. 采用¹⁵
   N标记尿素（丰度10.02%）进行微区示踪实验
2. 通过静态箱-气相色谱法监测N₂
   O排放通量
3. 应用通气法测定NH₃
   挥发动态
4. 基于生命周期评价(LCA)计算碳氮足迹及净生态经济收益

关键发现
3.1 生物量与氮素吸收
¹⁵
N示踪显示，HAU处理使冬小麦季肥料氮吸收量提升39.06-41.38%，其中籽粒占比65.81-71.02%。夏玉米对残留肥料氮的利用率提高15.80-41.31%，系统总生物量显著高于普通尿素。

3.2 活性氮损失
HAU展现出双重环境效益：

• NH₃
  挥发峰值降低5.46-33.36%，累计减排12.74-25.86%
• N₂
  O排放通量下降9.04-36.43%，累计减排14.07-30.02%
• NO₃
  ^-
  -N淋失量减少15.30-68.62%，其中5%HAU处理年氮损失率最低（0.23%）

3.3 环境经济评价
创新性提出净生态系统经济收益(NEEB)指标：

• 碳足迹(CF_Y
  )降低7.01-13.48%
• 环境损害成本(EDC)减少14.89-19.11%
• 0.5%HAU处理NEEB达5.5万元/公顷/年，较普通尿素提升9.23%

3.4 氮素归趋机制
¹⁵
N示踪揭示：

• 0.5%HAU处理使土壤氮残留率提升28.51%
• 5%HAU虽在表土锁定更多¹⁵
  N（残留量+29.33%），但未转化为增产效益

讨论与展望
研究首次通过¹⁵
N-渗漏仪联用技术，阐明HAU通过延缓尿素水解（抑制脲酶活性）、增强NH₄
⁺
吸附（腐植酸羧基络合）、促进nosZ基因表达（强化N₂
O还原）三重机制实现"增产减排"。值得注意的是，10倍HA添加量(5%)虽增加土壤氮库，但受"缓释-需求"错配限制，反致NH₃
减排效果弱于0.5%HAU。该成果为《巴黎协定》背景下中国农业"双碳"目标提供了关键技术选择——0.5%HA添加量即可兼顾生产效益与生态价值，避免过量HA造成的资源浪费。未来需加强¹⁵
N标记气体采集技术，精准解析HAU对NH₃
/N₂
O的分子作用路径。