硫包衣尿素降低水稻种植温室气体排放强度并提升土壤质量的机制与潜力研究

本研究针对印度恒河平原水稻种植系统温室气体排放高、土壤质量下降的问题，系统评估了包衣尿素（NCU、KCU、SCU）对温室气体强度（GHGI）和土壤健康的影响。结果表明，硫包衣尿素（SCU）显著降低GHGI达25.8%，提高土壤微生物碳氮含量及酶活性，为可持续水稻生产提供了有效策略。

　　

水稻是全球超过一半人口的主粮，但其生产过程中产生的温室气体排放问题日益突出。印度恒河平原（Indo-Gangetic Plain, IGP）作为重要的水稻-小麦轮作区，面临着土壤健康退化和高温室气体排放的双重挑战。集约化的耕作方式、氮肥的过量使用以及秸秆焚烧等 practices 导致土壤有机碳库减少、土壤生物多样性下降，并显著增加了甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的排放。水稻的温室气体强度（GHGI，以kg CO₂-eq kg^-1谷物产量计）在主要作物中最高，这主要是由于稻田中CH₄和N₂O的排放。

为应对这些问题，研究人员探索了增效肥料（Enhanced Efficiency Fertilizers, EEFs）的应用，包括缓释肥料和硝化抑制剂。自2015年起，印度政府强制推广使用印楝包衣尿素（Neem-Coated Urea, NCU），以替代普通尿素（Prilled Urea, PU），旨在减少氮损失和提高氮利用效率。然而，印楝资源的有限性促使人们寻找其他天然抑制剂，如Karanj包衣尿素（KCU）和硫包衣尿素（Sulphur-Coated Urea, SCU）。

本研究由Ankita Paul、Arti Bhatia、Julia Drewer、Ritu Tomer、Vinod Kumar、Shikha Sharma、Namita Das Saha、Bidisha Chakrabarti、Y.S. Shivay、Robert M. Rees和Mark A. Sutton等研究人员合作完成，发表在《Journal of Agriculture and Food Research》上。研究通过在IGP地区进行两年田间试验，系统评估了不同包衣尿素对水稻产量、温室气体排放、土壤微生物生物量、养分含量和酶活性的影响，并预测了其在大规模应用下的减排潜力。

研究人员采用了多种关键技术方法，包括：田间气体采样使用静态箱法（static chamber method）测量CH₄和N₂O通量；土壤微生物生物量碳氮（MBC和MBN）通过氯仿熏蒸提取法（chloroform fumigation-extraction method）测定；土壤酶活性如脱氢酶活性（DHA）、硝酸还原酶活性（NRA）和脲酶活性通过比色法分析；土壤质量指数（SQI）通过主成分分析（PCA）加权计算；经济收益通过成本效益分析评估。试验样本来源于印度农业研究所（ICAR-IARI）的实验农场，土壤为Indo-Gangetic冲积土，种植水稻品种Pusa 44。

3.1. 总生物量、谷物产量和总氮吸收

施用包衣尿素显著提高了水稻总生物量和谷物产量。与PU相比，KCU和SCU在2019和2020年均记录了最高平均产量（约5600和5560 kg ha^-1），而PU为5010 kg ha^-1。总氮吸收在KCU和SCU处理下最高，表明包衣尿素提高了氮利用效率。

3.2. 表观回收率和农学效率

包衣尿素显著提高了氮的表观回收率（AR）和农学效率（AE）。KCU的AR比PU高32%，SCU和KCU的AE显著高于PU，表明包衣尿素更有效地促进了氮的利用和作物生长。

3.3. 温室气体通量

N₂O和CH₄排放通量在包衣尿素处理下显著降低。SCU处理在2020年记录了最低的N₂O排放（0.66 kg N₂O-N ha^-1），而PU最高（0.87 kg N₂O-N ha^-1）。CH₄排放中，SCU减排效果最显著，比PU降低19-21%。

3.4. CO₂-当量排放和温室气体强度

SCU处理的GHGI最低（0.128 kg CO₂-eq kg^-1谷物产量），比PU降低25.8%。NCU和KCU分别降低12.2%和19.1%，表明包衣尿素在减少单位产量碳排放方面具有显著优势。

3.5. 硝酸盐-N和铵态-N

包衣尿素提高了土壤铵态-N（NH₄⁺-N）浓度，降低了硝酸盐-N（NO₃^--N）含量，说明其通过抑制硝化作用减少了氮损失。SCU和KCU在维持较高NH₄⁺-N水平方面表现最佳。

3.6. 土壤微生物生物量碳氮

微生物生物量碳（MBC）和氮（MBN）在包衣尿素处理下显著增加。KCU和SCU在开花期记录了最高的MBC和MBN，表明这些处理增强了土壤微生物活性和养分循环。

3.7. 土壤酶活性

脱氢酶活性（DHA）在SCU处理下最高，与微生物代谢活动增强一致。硝酸还原酶活性（NRA）和脲酶活性在包衣尿素处理下降低，减少了氮转化过程中的气体排放。

3.8. 土壤质量指数和PCA双标图分析

PCA加权的土壤质量指数（SQI-PCA）显示，KCU和SCU得分最高（0.51和0.40），而PU为负值（-0.46）。微生物参数（如MBC和DHA）是土壤质量的主要驱动因素。

3.9. GHG排放和GHGI减排潜力

基于IGP地区10.5 Mha水稻种植面积的 extrapolation，SCU应用可减少25.8%的GHGI，NCU和KCU分别减少12.2%和19.1%。这表明大规模推广包衣尿素可显著贡献于区域碳排放 reduction。

3.10. 经济性能

SCU和KCU处理的净收益最高（约70,000 Rs ha^-1）， benefit: cost 比率达2.07，高于PU的1.87。经济分析支持包衣尿素在提高收益的同时减少环境成本。

讨论与结论

本研究系统证明，包衣尿素（尤其是SCU和KCU）通过多重机制改善土壤健康并减少温室气体排放。SCU的缓释特性 and 硫的添加增强了微生物活动，减少了CH₄和N₂O的产生。KCU和NCU作为硝化抑制剂，有效降低了氮转化过程中的气体排放。这些处理还提高了土壤酶活性和微生物生物量，促进了养分循环。

研究的重要意义在于为可持续水稻生产提供了实践策略：SCU和KCU不仅降低GHGI，还提高产量和经济收益，支持印度实现巴黎气候协议的承诺。未来研究应关注这些EEFs在不同农业生态区的长期效应，以及其与其它管理 practices（如灌溉和秸秆还田）的协同作用。通过优化肥料类型和应用方式，农业系统可在保障粮食安全的同时，显著减轻环境负担。