水分管理调控脲酶抑制剂在温带水稻农业生态系统中减缓氨挥发的作用机制

《Frontiers in Environmental Science》：Water management at fertilization controls urease inhibitor performance in mitigating ammonia volatilization from temperate rice agrosystems

　　

： 引言： 氨（NH3）挥发是水稻田中氮素损失的主要途径之一，降低了肥料利用效率并造成环境污染。脲酶抑制剂如NBPT（N-（正丁基）硫代磷酸三酰胺）通常用于减少尿素类肥料的NH3排放，但其有效性会随环境条件（尤其是水分管理和温度）的变化而显著不同。 方法： 本研究评估了施肥时水分管理（WMF）对温带水稻农业生态系统（意大利西北部）NH3排放的影响。研究人员于2024年开展田间试验，在排水与淹水两种条件下分别施用尿素和尿素+NBPT，并与硫酸铵进行比较，在施肥后两周内监测NH3排放。同时监测土壤氮形态并测定农艺参数。 结果： 结果表明，NBPT的有效性受水分管理的强烈影响。在排水条件下，与未处理尿素相比，抑制剂使NH3排放减少约72%，表明抑制剂在好氧条件下被激活。相反，在淹水条件下，NBPT未产生显著减排效果。当施肥发生在较高平均气温时，淹水的降温效应比抑制剂本身更有效地减少了NH3排放，凸显了温度调控的主导作用。硫酸铵在所有条件下均表现出可忽略的NH3损失。 讨论： 总体而言，研究结果表明，NBPT在水稻系统中的减排潜力受水分管理所创造的土壤通气状况与热力条件之间的平衡所支配。NH3损失减缓需要肥料施用、灌溉措施与温度条件的精心协同，以最大化抑制剂性能并提高水稻生产的氮素利用效率。

一、研究背景与问题提出

氨（NH₃）挥发是水稻农业生态系统中氮素损失的主要途径之一，不仅降低肥料利用效率，还造成严重的环境污染。全球范围内，农业贡献了约80%–95%的大气NH₃排放，其中水稻田约占农业排放的21%，矿质肥料约占水稻系统NH₃排放的20%。尿素因含氮量高（46%）且成本较低，是水稻生产中最广泛使用的氮肥，但其极易发生NH₃挥发，尤其是在施用后的最初几天。全球范围内尿素施用导致的NH₃损失范围为施用氮量的0.6%–64%，欧洲水稻系统为0.9%–29.8%，常规管理下典型损失介于9%–43%。水稻系统NH₃挥发每年估计造成约970万吨氮的损失。

在欧洲及意大利国家空气质量立法背景下，减少表面施用尿素的氨排放已成为紧迫议题。欧盟硝酸盐指令（91/676/EEC）和NEC指令（2016/2284）以及意大利国家空气质量行动计划均推动在集约化农业区（包括波河平原）以减缓策略替代未处理尿素。脲酶抑制剂如NBPT（N-（正丁基）硫代磷酸三酰胺）是减少尿素类肥料NH₃挥发的常用策略，其在好氧土壤条件下被激活后能暂时抑制脲酶活性，延缓尿素水解，使氮释放与作物需求同步。然而，NBPT的有效性受多种环境因素制约，尤其是土壤水分和温度。现有对NBPT行为的大部分认知来源于好氧耕作系统，而水稻农业生态系统中水分管理根本不同且常涉及淹水条件，相关研究极为有限。在温带地区，水直播配合持续淹水（WS-CF）是广泛采用的水分管理方式，施肥常在淹水条件下进行。尽管有研究表明NBPT能减缓淹水稻田中的尿素水解，但NH₃排放减少和产量响应的结果并不一致，说明环境条件强烈调控抑制剂性能。截至目前，尚无田间研究专门评估施肥前短期排水、NBPT激活、及时复水与温带水直播水稻条件下NH₃减缓之间的相互作用。因此，本研究旨在填补这一知识空白，评估精确的施肥时水分管理能否增强温带水直播水稻条件下尿素+NBPT的有效性。

二、研究内容与主要结论

研究人员于2024年在意大利帕维亚Castello d'Agogna的Ente Nazionale Risi水稻研究中心开展田间试验。试验采用非随机区组设计，共32个小区（6.8 × 6.5 m），由于需要独立控制供水和排水以施加两种对比性水分管理（排水和淹水），无法进行完全随机分配。供试品种为Selenio（150 kg ha^-1，5月22日水直播）。试验评估三种氮肥：尿素、尿素+脲酶抑制剂（NBPT）、硫酸铵（AS），以及未施肥对照。氮肥施用遵循Selenio品种的典型方案（120 kg N ha^-1），每个肥料处理等量分两次追肥（分蘖期和穗分化期），在两种施肥时水分管理条件下进行：（i）排水土壤（DF）——排水完全后2天施氮，施肥后2天复水；（ii）淹水土壤（WF）——在静水中施肥，关闭水循环5天。NH₃排放采用半开放式静态箱系统在施肥后监测15天，土壤氮形态在施肥后2天和7天于0–7 cm和7–15 cm深度采样测定，同时测定产量、产量构成因子和农艺性状。

研究得出以下主要结论：NBPT在减缓温带水稻系统NH₃排放方面的有效性强烈依赖于施肥时的水分管理。在排水条件下，NBPT使NH₃排放较未处理尿素减少约72%，表明抑制剂在好氧条件下被激活；而在淹水条件下，NBPT未产生显著减排效果。当施肥在较高平均气温下进行时，淹水的降温效应比抑制剂本身更有效地减少了NH₃排放。硫酸铵在所有条件下均表现出极低的NH₃损失，且其减缓效果基本不受水分管理影响。这一研究的重要意义在于首次在温带水直播水稻条件下系统揭示了施肥前短期排水与NBPT激活之间的协同机制，证明短期排水不仅直接影响NH₃挥发，更为NBPT的氧化激活提供了所需的氧气条件，而随后的及时复水通过降低气体扩散和重新分配土壤中有效氮形态进一步限制了NH₃损失。该发现为优化温带水稻系统中脲酶抑制剂的使用提供了关键的理论依据和实践指导。

三、关键技术与方法

本研究采用的主要技术方法包括：半开放式静态箱系统用于NH₃排放监测，箱体为直径12.5 cm、总高65 cm的PVC管，插入土壤15 cm深，内部安装两片聚氨酯泡沫海绵（30 kg m^-3密度，2 cm厚），海绵浸渍8 mL 33%（v/v）磷酸（H₃PO₄）-甘油溶液（0.73 M）用于氨捕获，在施肥后1、2、3、7和14天定期更换下层吸附海绵，提取液采用改良Berthelot比色法测定铵浓度；土壤无机氮形态（NH₄⁺和NO₃^-）采用1 M KCl提取，水溶性尿素采用去离子水提取，尿素含量采用基于Douglas和Bremner（1970）的改良比色法测定，硝酸盐采用Miranda等（2001）的方法测定；植物生物量氮含量采用元素分析仪（UNICUBE?）测定；统计分析采用R Studio，NH₃排放和农艺数据使用nlme包进行双因素混合效应模型方差分析，土壤氮数据采用四因素方差分析，事后比较采用Bonferroni校正，显著性水平为alpha = 0.05，另进行主成分分析（PCA）分析农艺数据变异性。

四、研究结果

4.1 氨排放

在分蘖期，排水条件下施用尿素时NH₃排放速率较高但在淹水后急剧下降，累计排放量为施用氮量的10%；淹水条件下尿素施用造成略高且持续时间更长的损失，达施用氮量的11%，但两种水分管理下累计NH₃排放差异不显著。NBPT在排水条件下显著（p < 0.01）减少NH₃排放约72%，与硫酸铵和对照仅略高；而在淹水条件下NBPT的抑制作用未观察到，损失与常规尿素统计相当。硫酸铵即使在淹水条件下也与对照相当。在穗分化期第二次追肥中，NH₃排放较分蘖期显著增加，排水条件下尿素损失最高达施用氮量的30%，NBPT在排水条件下显著减少损失至与硫酸铵相当的水平，淹水条件下尿素与尿素+NBPT累计排放无显著差异。

4.2 土壤氮形态

分蘖期施肥后2天，尿素+NBPT处理小区0–7 cm土层的土壤尿素含量显著高于未处理尿素小区，无论水分管理如何；施肥后7天各处理浓度显著下降。在7–15 cm层，除尿素WF处理在2 DAF显著高于对照外，无显著差异。穗分化期各处理和深度尿素含量均较低，DF条件下NBPT效应在2 DAF显著。土壤NH₄⁺含量受肥料表现影响，0–7 cm层高于深层。分蘖期DF条件下尿素+NBPT在2 DAF时0–7 cm层NH₄⁺含量最高（44.7 ± 5.7 mg N kg^-1），显著区别于尿素和硫酸铵处理。尿素施用时WF小区0–7 cm层2 DAF的NH₄⁺含量高于DF。穗分化期0–7 cm层各处理NH₄⁺含量相似，仅与对照有显著差异，2至7 DAF期间表层NH₄⁺含量显著下降。NO₃^-含量总体较低，仅在特定处理和时间点检测到轻微但显著的差异。

4.3 产量、产量构成因子与农艺性状

SPAD值在28 DAS时各处理间无差异；61 DAS时所有施肥小区高于未施肥对照，DF和WF响应一致；105 DAS时水分管理间差异显现，DF下SPAD值范围为31.4（尿素）至33.3（硫酸铵），WF下为26.5（尿素）至30.1（硫酸铵），存在显著的施肥×水分管理互作。DF条件下，籽粒产量从对照5.6 t ha^-1增加至尿素+NBPT的10.1 t ha^-1和硫酸铵的10.2 t ha^-1，尿素为9.6 t ha^-1；WF条件下，尿素和尿素+NBPT产量相当（9.5和9.4 t ha^-1），硫酸铵最高（10.0 t ha^-1）。穗密度从对照的432（DF）和490（WF）m^-2增加至所有施肥处理600 m^-2以上，各肥料间无显著差异。颖花数从对照增加至施肥小区，肥料间无显著差异。穗不育率在施肥处理中显著高于对照，倒伏表现出最大变异性，DF下硫酸铵达68.8%，尿素+NBPT为66.3%，WF下硫酸铵为43.8%而尿素和尿素+NBPT较低。

4.4 氮素吸收与表观回收率

开花期氮吸收以DF下硫酸铵最高（151 kg N ha^-1），所有施肥小区均高于未施肥对照。收获期籽粒氮吸收对肥料类型响应强烈，DF下尿素+NBPT和硫酸铵最高（分别为114和115 kg N ha^-1），显著高于两种土壤条件下的尿素和WF下的尿素+NBPT。表观氮回收率受水分管理显著影响，DF下显著更高，硫酸铵最高达86%，尿素+NBPT为79%，尿素为71%；WF下分别为63%、46%和55%。

五、讨论与结论

讨论部分指出，施肥时水分管理显著影响挥发动力学：排水条件下损失集中在短时间内，而水层存在延迟并延长了排放。NBPT的减缓效果强烈依赖于施肥时土壤湿度，仅在排水条件下有效，淹水条件下其减缓作用基本被抑制。这证实了土壤表面必须足够干燥以使NBPT氧化为活性形式。施肥前短期排水配合及时复水的策略优化了NBPT的有效性：排水提供了激活所需的氧气，而随后的淹水通过降低气体扩散和重新分配土壤氮形态进一步限制NH₃损失。第二次追肥排放强度更高归因于该物候期较高的温度以及连续淹水导致的土壤pH升高。硫酸铵因其高溶解性和直接供应NH₄⁺形式氮而不经历尿素水解，且其轻微酸化效应有助于维持NH₄⁺形式，表现出稳定且基本不受水分管理影响的减缓效果。土壤氮形态分析表明，尿素+NBPT有效延缓了尿素水解，使更多可溶性尿素保留在上层土壤中，铵的积累较未处理尿素出现时间延迟。施肥时水分管理在决定尿素基施肥的农艺有效性方面起决定性作用：DF处理具有更高的表观氮回收率、更大的植物氮积累和更高的籽粒产量，表明短期排水为NBPT发挥作用创造了更有利条件，实现了肥料氮供应与作物需求的更好同步。

研究结论为：NBPT在水稻系统中的减缓潜力受水分管理所创造的土壤通气与热力条件之间的平衡所支配。NH₃损失减缓需要肥料施用、灌溉实践与温度条件的精心同步，以最大化抑制剂性能并提高水稻生产的氮素利用效率。将尿素+NBPT与施肥前短期排水及随后及时复水相结合，是提高表观氮回收率和维持水稻可持续生产的关键策略。