半有机替代结合二氰二胺（DCD）降低茶园N2O和NO排放：一项田间研究与全球评估

《Journal of Environmental Management》：Half-organic substitution combined with dicyandiamide (DCD) reduces N 2O and NO emissions from tea plantations: a field study and global assessment

　　单独施用粪肥使N?O排放增加18%，NO排放增加21%（与尿素相比）。在全粪肥条件下，DCD对降低N?O排放比在尿素条件下更有效。半粪肥＋半尿素＋DCD的组合使总N?O＋NO排放最低。全球采用HOMI策略，与尿素相比，联合NO＋N?O排放减少15.5 Gg N yr?1。引言氧化亚氮（N?O）是最强的温室气体之一，也是寿命较长的平流层臭氧消耗物质，估计寿命为114年（IPCC, 2013; Prather et al., 2015）。其大气浓度从1750年的270 ppb上升至2023年的337 ppb，目前增长速率约为每十年2%（IPCC, 2018; Tian et al., 2020; NOAA, 2023）。一氧化氮（NO）参与城市空气污染中雾霾的形成，是对流层臭氧的前体物（Crutzen, 1979; Guo et al., 2014）。与此同时，全球农业N?O排放从1980年代的2.6 Tg N yr?1增加到过去十年（2007?2016）的3.8 Tg N yr?1，主要原因是动物粪便产量和合成氮（N）肥用量的增加（Tian et al., 2020; Petersen et al., 2023）。此外，据估计农业氮肥施用产生的非生物NO排放高达每年3.7 Tg N，约占全球非生物排放总量的10%（IPCC, 2013）。在中国，2018年茶园总面积达299万公顷，占世界总量的66%（FAO, 2019; 国家统计局, 2019）。茶树（*Camellia sinensis* L.）是一种叶片收获作物，需要比其他作物更多的氮以确保高水平的游离氨基酸，后者是茶叶的主要质量指标（Jia et al., 2018）。全球主要产茶区的年氮施用量在112至1200 kg N ha?1之间，平均为463 kg N ha?1 yr?1（Akiyama et al., 2006; Yao et al., 2018; He et al., 2019; Zheng et al., 2020; Yu et al., 2023），如此高的施用量导致严重的环境问题，如土壤酸化、周围水系统中过量残留NO??-N（Hirono et al., 2009），以及高NO和N?O排放（Yu et al., 2023）。茶园土壤N?O年排放量（16.6–24.3 kg N ha?1）和NO排放量（2.3–19.4 kg N ha?1），以及相应的肥料诱导排放因子（N?O为2.7%–2.8%，NO为0.6%–2.15%），均显著高于旱地报道值（Akiyama et al., 2006; Linquist et al., 2012; Cai et al., 2013; Li et al., 2016; He et al., 2019; Han et al., 2021; Huang et al., 2025）。以秸秆和动物粪便等形式施用有机肥料已被公认为改善土壤肥力的有效管理措施（Cai et al., 2013; Wu et al., 2024a, Wu et al., 2024b），增强土壤碳固存（Abrar et al., 2023），维持作物生产力（Zhou et al., 2017; Du et al., 2020; Hayatu et al., 2023; Jiang et al., 2025a, Jiang et al., 2025b）。有机肥对N?O和NO排放的影响高度可变，取决于粪便组成和土壤条件。施用高可分解C和N的粪肥也可能增加硝化和反硝化潜力，从而刺激NO和N?O排放（Akiyama and Tsuruta, 2003; Grave et al., 2018; Petersen et al., 2023; Wu et al., 2024a, Wu et al., 2024b）。对于N?O排放，一项全面的全球荟萃分析表明，与使用合成氮肥相比，有机肥施用导致N?O排放增加32.7%（Zhou et al., 2017）。相比之下，有机粪肥改良导致N?O排放减少22.8%，这可能是由于粪肥中无机N的释放量极小所致（Bi et al., 2023; Hei et al., 2023; Wu et al., 2024a, Wu et al., 2024b）。同样，对于NO排放，有机肥已被发现通过减少矿化N的有效性而降低排放（Han et al., 2024），或根据粪便特性和土壤条件增加排放（He et al., 2019）。然而，有机肥施用如何影响酸性茶园土壤中的NO和N?O排放仍知之甚少，这凸显了直接田间调查的必要性。硝化抑制剂通过限制氨氧化细菌的生长来抑制硝化第一阶段中的氨氧化（Li et al., 2024; Zhang et al., 2024），从而减少NO??和NO??的有效性（Dawar et al., 2021）。然而，其效果高度依赖环境，随土壤特性和肥料形式变化显著（Hirono and Nonaka, 2014; Zhou et al., 2016）。在粪肥改良土壤中，DCD可能非常有效，可将N?O排放减少高达73.3%（Fan et al., 2025）；然而，这一效果在酸性土壤中并不一致，DCD对N?O排放没有显著影响（Mkhabela et al., 2006）。这些对比结果表明，DCD与有机肥的相互作用受土壤和粪便特性强烈调控。尽管取得了这些进展，有机肥与DCD联合对酸性茶园土壤中N?O和NO同时排放的影响仍完全未被探索，这代表了一个关键的认知空白，制约了茶园生产系统有效减排策略的设计。因此，本研究的目标是：（1）量化化肥和有机肥对N?O和NO排放的影响；（2）评估DCD降低尿素和有机肥N?O和NO排放的效果；以及（3）通过基于我们田间实验的情景驱动外推评估优化施肥策略的全球减排潜力。我们假设低氮释放潜力的有机肥施用和减少NO??供应的抑制剂将减少茶园的NO和N?O排放。章节摘要田间实验研究地点位于中国江苏省（31°45′N, 119°27′E）。该地区长期年平均气温为17.5°C，年平均降水量为1079 mm。土壤质地为砂壤土，含19.6%黏土、20.3%粉砂和60.1%砂粒。土壤（0?20 cm）pH值为4.4，有机碳含量为21.1 g kg?1，全氮含量为2.3 g kg?1。2013年5月至2014年5月进行了随机完整区组实验，包含7个处理。环境和土壤变量日气温在-2.5°C到34.6°C之间变化，平均为17.5°C（图1a）。10 cm深土壤年温度均值为19.5°C，8月达到峰值。一年测量期内的总降水量达1079 mm。土壤水分在7.09%至70.28% WFPS之间，各处理间无可辨识差异（图1c）。整个实验期间土壤NO??浓度均值从对照组的15.2 mg N kg?1增加到28.2。化肥对N?O排放的影响合成氮肥（CN）的N施用直接N?O排放因子为1.84%。该值在中国茶园报道的1.4?5.8%范围内（Yao et al., 2018; He et al., 2019; Zheng et al., 2020; Yu et al., 2023）。然而，该值远大于IPCC（2006）推荐的合成氮肥默认值1.0%和中国农田报道的平均排放因子（0.68%）（Aliyu et al.,结论单独施用有机肥显著刺激了茶园的N?O和NO排放，而半有机替代（HOM）未显著增加N?O排放。DCD在所有氮源下均有效降低了两种气体，且在全粪肥下比在尿素下更有效，半有机替代与DCD的组合（HOMI）实现了最低的总NO＋N?O排放。全球茶园年N?O和NO排放估计为57.4 Gg。CRediT作者贡献声明**Tiehu He：** 写作 - 审阅与编辑、写作 - 原始草稿、调查、正式分析、数据整理。**Junji Yuan：** 写作 - 审阅与编辑、验证、方法学、资金获取。**Yuncai Miao：** 软件、方法学。**Jianling Fan：** 方法学、调查。**Jiafa Luo：** 写作 - 审阅与编辑。**Kang Ni：** 方法学、调查。**Xia Liao：** 验证、软件。**Huijie Zheng：** 方法学、概念化。**Mohammad Zaman：** 写作 - 审阅与编辑。**Weixin Ding：** 写作 -利益冲突声明作者声明不存在可能影响本论文工作的已知竞争财务利益或个人关系。致谢本研究得到国家自然科学基金（42007044、42177301、42307400）、武汉自然科学基金探索项目（晨光计划）（2024040801020250）、湖北省自然科学基金（JCZRLH202602140）和江苏省自然科学基金（BK20230050）的资助。感谢江苏农林职业技术学院提供研究地点和田间实验协助。Tiehu He | Junji Yuan | Yuncai Miao | Jianling Fan | Jiafa Luo | Kang Ni | Xia Liao | Huijie Zheng | Mohammad Zaman | Weixin Ding