控释尿素与尿素配施在稻麦轮作减氮条件下维持产量并提高土壤有机碳储量

《Food and Energy Security》：Controlled-Release Urea Combined With Urea Sustains Yield and Improves Soil Organic Carbon Storage Under Reduced Nitrogen in Rice–Wheat Rotation

　　

减少氮（N）投入同时维持生产力是集约化稻麦系统长期粮食安全的核心。研究人员评估了在为期3年的稻麦轮作中，将控释尿素（CRU）与常规尿素（U）混施能否在改善土壤碳状况的同时维持年产量稳定性。试验评价了9个处理，包括CRU与U作为基肥和穗肥的不同组合。在常规施氮和减氮水平下，CRU+U均优于单施尿素（CK），年产量分别高出15.37%和8.32%。70% CRU+30% U基肥处理提高了植株碳含量和土壤有机碳（SOC）储量，尤其在减氮条件下效果显著。在减氮水平下，施用CRU显著增加了活性有机碳组分（易氧化有机碳ROC、可溶性有机碳DOC和微生物生物量碳MBC），提高了SOC活性和碳库管理指数（CMI）。作物产量、SOC含量和活性有机碳组分之间呈正相关，表明土壤碳状况改善与较高的作物产量相关。此外，秸秆碳投入与CMI呈正相关，表明植株茎叶中的碳积累可以增加土壤碳库并提高后续作物产量。进一步分析表明，随着土壤有效碱性水解氮（AN）含量的增加，SOC含量先升高后降低，在150 mg kg^?1 AN时达到峰值。这些发现确定了一种实用的氮管理策略（70% CRU+30% U基肥模式），可在较低氮投入下维持稻麦生产，并具有促进资源高效和气候适应性粮食生产的潜力。

控释尿素与尿素配施：稻麦轮作减氮条件下稳产与土壤固碳的协同路径

稻麦轮作是亚洲最广泛应用的种植制度之一，对氮肥管理高度敏感。中国长江中下游稻麦轮作面积超过8×10⁶ ha^?1，占全国耕地5.92%。为追求周年高产，常规尿素（U）过量施用现象普遍，导致氮肥利用率下降、氮素损失风险增加，并造成土壤有机碳（SOC）耗竭，威胁土壤健康与长期生产力。控释尿素（CRU）可缓慢释放氮素、减少损失，但单独施用CRU的增产效果存在争议，且关于CRU与U配施能否在减氮条件下同时实现产量稳定与土壤碳库提升的研究仍较缺乏。为此，研究人员在江苏镇江开展了为期3年（2021—2024）的稻麦轮作田间定位试验，系统评估不同CRU与U配施模式对作物产量、植株碳积累、SOC及其活性组分的影响，旨在提出兼顾稳产与固碳的减氮施肥方案。该研究成果发表于《Food and Energy Security》。

研究地点位于江苏省镇江市新民洲（32°16′ N，119°34′ E），供试水稻品种为金香玉1号，小麦品种为杨麦23。试验设9个处理，包括常规施氮（水稻300 kg N ha^?1，小麦240 kg N ha^?1）和减氮（水稻240 kg N ha^?1，减少20%；小麦180 kg N ha^?1，减少25%）两个氮水平，以及100% CRU基肥、70% CRU+30% U基肥、70% CRU基肥+30% U穗肥、40% CRU+30% U基肥+30% U穗肥四种CRU配施模式，以常规尿素分次施用为对照（CK），每处理3次重复，小区面积600 m²。主要方法包括：凯氏定氮法测定全氮（TN），扩散法测定碱解氮（AN），重铬酸钾-硫酸加热法测定SOC，333 mmol L^?1 KMnO₄氧化法测定易氧化有机碳（ROC），去离子水提取-TOC分析仪测定可溶性有机碳（DOC），氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳（MBC），并结合物理分组测定颗粒有机碳（POC）；基于等土体质量法计算SOC储量，采用Blair等方法计算碳库管理指数（CMI）及可持续产量指数（SYI）。收获期测定籽粒产量及各器官碳含量，并计算秸秆碳投入。

3.1 稻麦周年产量与可持续产量指数（SYI）
多年度联合方差分析显示，年份和处理对周年产量影响显著，年份与处理交互作用不显著。与CK相比，除100% CRU基肥（M1）外，常规氮水平下CRU+U处理（M2、M3、M4）三年平均周年产量显著提高15.37%；减氮水平下CRU+U处理仍较CK高8.32%。M1处理产量与CK无显著差异，说明单施CRU基肥与作物需氮不同步。综合产量与SYI，M2（70% CRU+30% U基肥）和M4表现最优，表明CRU与尿素配施作为基肥有利于维持高产稳产。

3.2 植株碳含量
三年数据表明，不同处理下水稻和小麦各器官碳含量存在显著差异。在常规和减氮水平下，M2处理的水稻茎、穗及小麦茎、穗碳含量均最高，其次为M4。M2的秸秆碳投入也显著高于CK，说明CRU+U基肥处理促进了植株碳同化与地上部碳积累。

3.3 土壤有机碳与氮素含量
三年轮作后，同一氮水平下CRU处理较CK显著提高SOC和TN含量，增幅分别为9.35%和8.33%，并降低pH、适度提高C/N比。一次性基施处理（M1、M2）的SOC含量高于基肥+穗肥处理（M3、M4），但TN较低，因而C/N比更高。减氮条件下，CRU处理SOC和C/N比显著增加，其中M2的SOC含量最高（19.00 g kg^?1），表明减氮有利于SOC积累，且M2的碳氮平衡更健康。

3.4 土壤有机碳储量
与CK相比，常规氮水平下CRU处理土壤碳储量（SCS）提高7.42%，减氮水平下仍提高6.37%。常规氮下SCS排序为M1＞M2＞M3＞M4；减氮下则变为M2＞M1＞M3＞M4。M1在减氮下SCS显著下降，而M2在减氮下SCS最高，说明CRU+U配施在减氮条件下更有利于促进土壤固碳。

3.5 土壤活性有机碳组分
CRU处理显著提高了ROC、DOC、POC和MBC含量，分别增加11.48%、30.47%、50.0%和25.81%。M2、M3、M4处理的活性碳组分均保持较高水平，其中M2的ROC、DOC和MBC含量最高。减氮相比常规氮显著增加了POC含量（16.67%），而其他组分无显著差异。说明CRU+U配施可改善土壤碳库结构。

3.6 碳库管理指数
CRU处理的CMI较CK显著提高11.84%；在CRU处理中，M2的CMI最高，较CK提高18.56%，且其碳库指数（CPI）和碳库活性指数（LI）均较高。减氮水平下M2的CMI亦最高，较其他CRU处理高1.58%，较CK高17.95%。表明一次性基施CRU+U更有利于碳库固存。

3.7 产量、SYI、秸秆碳投入、AN、SOC、活性碳组分及CMI的相关性
相关分析表明，作物产量与秸秆碳投入、土壤AN、CMI及活性碳组分（尤其DOC）呈显著正相关；SYI与SOC含量正相关；秸秆碳投入与CMI正相关；AN与SOC呈二次曲线关系，SOC在AN为150.08 mg kg^?1时达到峰值，随后下降。说明适度氮供应有利于SOC积累。

讨论部分指出，100% CRU单施增产效果不稳定，而CRU+U配施通过基施尿素提供前期速效氮、CRU持续供应后期氮，改善了氮供应与作物需求的同步性，从而促进分蘖、提高有效穗数，增加植株碳积累。在减氮条件下，M2仍维持高产稳产，体现了氮肥减量的可行性。土壤碳方面，CRU通过增加秸秆碳投入、调节C/N平衡、刺激微生物活性等途径提升SOC储量与活性；减氮条件下CRU+U配施在土壤碳库管理上更具优势。研究还发现SOC与AN呈非线性关系，过量氮会加速SOC矿化。结论部分翻译如下：总之，农学结果表明，单独施用100% CRU不能增加作物产量，而CRU与尿素配施提高了稻麦系统的产量和SYI。在CRU施肥模式中，70% CRU+30% U基肥（M2）在常规（540 kg N ha^?1 year^?1）和减氮（420 kg N ha^?1 year^?1）条件下均保持了持续高产。从土壤碳管理角度看，M2增加了秸秆碳投入，从而促进SOC积累并提高了SOC库的活性。值得注意的是，在减氮输入下这些益处仍然保留，表明M2能够在减氮条件下同时维持作物生产力并改善土壤碳状况。因此，减氮输入下的70% CRU+30% U基肥模式是这项3年田间试验产生的最实用建议。