氨揮發(fā)是稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素?fù)p失的主要途徑，這會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的環(huán)境危害。然而，深施肥料與脲酶抑制劑聯(lián)合施用條件下氨揮發(fā)的具體特征、區(qū)域減排潛力以及相關(guān)微生物響應(yīng)仍不清楚。
針對這一科學(xué)問題，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所土壤生態(tài)與農(nóng)業(yè)環(huán)境課題組在亞熱帶雙季稻種植系統(tǒng)中進(jìn)行了一項(xiàng)為期兩年的連續(xù)高頻原位觀測實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)揭示了氮肥深施與脲酶抑制劑聯(lián)合施用對稻田氨揮發(fā)的影響及機(jī)制。該研究共設(shè)置了六種處理：①不施氮肥；②常規(guī)施氮；③氮肥用量減少 30%；在降低氮肥用量的情況下：④氮肥深施（位于土壤表面以下 7 厘米處）；⑤脲酶抑制劑使用以及⑥深埋與脲酶抑制劑聯(lián)合施用。研究發(fā)現(xiàn)，氮肥深施與脲酶抑制劑的結(jié)合相較于常規(guī)氮肥施用處理，累計(jì)氨揮發(fā)總量減少了68.0%-73.8%。氮肥深施與脲酶抑制劑的結(jié)合的氨揮發(fā)減排潛力高于深施和脲酶抑制劑的單獨(dú)處理。氮肥深施與脲酶抑制劑結(jié)合的減排效果歸因于對尿素水解速率和土壤脲酶活性的抑制，從而顯著限制了土壤中銨態(tài)氮的積累。此外，氮肥深施與脲酶抑制劑結(jié)合降低了土壤微生物多樣性指數(shù)（包括Shannon, Simpson, Chao1, ACE指數(shù)），氮肥深施與脲酶抑制劑結(jié)合使土壤酸桿菌和卡登巴菌屬的相對豐度增加，而γ-變形菌門、β-變形菌門、藍(lán)細(xì)菌門和浮霉菌門的豐度則顯著降低。在功能層面，氮肥深施與脲酶抑制劑結(jié)合處理下調(diào)了關(guān)鍵的微生物代謝途徑，包括半乳糖代謝和戊糖磷酸途徑。這些轉(zhuǎn)變形成了一個(gè)不利于快速生成和釋放銨離子的微生物環(huán)境，從而進(jìn)一步降低了氨氣揮發(fā)。與常規(guī)施肥處理相比，減氮30%處理使水稻產(chǎn)量顯著降低了15.5%，而氮肥深施、使用脲酶抑制劑以及深埋與脲酶抑制劑聯(lián)合施用在減氮30%的情況下，四個(gè)水稻生長季中均實(shí)現(xiàn)了水稻產(chǎn)量不減少。單獨(dú)深施肥料、單獨(dú)使用脲酶抑制劑以及深埋與脲酶抑制劑聯(lián)合施用顯著提高了氮利用效率，在深埋與脲酶抑制劑聯(lián)合施用處理下氮利用效率最高（54%-63%），其次是單獨(dú)深施肥料（47%-59%）和單獨(dú)使用脲酶抑制劑（47%-59%）。進(jìn)一步的全國估算結(jié)果顯示，單獨(dú)的氮肥深施和脲酶抑制劑分別能使中國稻田的氨排放量減少423 Gg N yr-1和490 Gg N yr-1，而氮肥深施與脲酶抑制劑的結(jié)合能使中國稻田的氨排放量減少528Gg N yr-1，減少的氨排放量占稻田施肥總量約7%-9%。從區(qū)域來看，氮肥深施與脲酶抑制劑的結(jié)合對中國中南部地區(qū)氨減排量最大，占中國總減排量的38%。該研究強(qiáng)調(diào)了在高排放地區(qū)優(yōu)先實(shí)施減排措施以實(shí)現(xiàn)最大環(huán)境效益的重要性，并且為稻田種植系統(tǒng)的氮素可持續(xù)管理提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
該項(xiàng)研究成果以Sustainable Nitrogen Management in Paddy Fields: Synergistic Effects of Deep Fertilization and Urease Inhibitors on Ammonia Volatilization and Associated Soil Microbiome為題發(fā)表在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域權(quán)威期刊Agriculture Ecosystems & Environment上。亞熱帶所助理研究員方賢滔和已畢業(yè)博士生朱瀟為論文共同第一作者，亞熱帶生態(tài)所沈健林研究員為通訊作者，亞熱帶生態(tài)所吳金水研究員、北京大學(xué)周豐教授和澳大利亞墨爾本大學(xué)Deli Chen教授等參與了論文研究及指導(dǎo)工作。該研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFD1900902，2021YFD1700801）以及國家自然科學(xué)基金（42477378）等項(xiàng)目的資助。
圖1 不同氮素管理措施下雙季稻田NH3揮發(fā)累計(jì)排放量
注: CK（不施氮肥）；CON（常規(guī)施氮肥）；RN（氮肥用量減少30%）；RD（氮肥用量減少30%+氮肥深施）；RU（氮肥用量減少30%+脲酶抑制劑）；RUD（氮肥用量減少30%+氮肥深施深埋+脲酶抑制劑）
圖2 不同氮素管理措施對土壤微生物的影響
(a)和(b)：六種處理方式下的土壤微生物α多樣性指標(biāo)（Shannon, Simpson, Chao1, ACE指數(shù)）；(c)和(d)：微生物群落組成的主坐標(biāo)分析（PCoA）；(e)和(f)：不同處理方式下優(yōu)勢微生物分類群（屬水平和科水平）的相對豐度。
圖3 中國各區(qū)域氨排放及各減排措施的減排潛力估算