优化减氮对稻田温室气体排放和产量的影响

The impact of optimized nitrogen reduction on greenhouse gas emissions and yield in paddy fields

摘要

为探究稻田固碳减排与高产稳产技术，基于优化减氮定位试验，选取不同施肥处理的一季稻田为研究对象，设置不施氮肥、农民传统常规施肥、含脲酶抑制剂尿素减氮36%和生物炭基肥减氮36%这4个处理，采用静态暗箱-气相色谱法，对生育期内稻田土壤CH₄和N₂O的排放进行监测并测定水稻产量。结果表明：与农民传统常规施肥相比，减氮处理均降低了稻田CH₄的累积排放量，其中含脲酶抑制剂尿素和生物炭基肥处理降幅分别为15.0%和68.9%。各处理土壤CH₄排放通量均呈单峰型曲线，主要集中在水稻分蘖旺期。和农民传统常规施肥相比，含脲酶抑制剂尿素处理降低稻田N₂O排放通量19.6%，生物炭基肥处理增加7.8%。土壤N₂O排放高峰主要在分蘖旺期，分蘖末期N₂O排放下降但仍处于较高水平。含脲酶抑制剂尿素处理降低全球增温潜势和温室气体排放强度15.9%和9.6%，生物炭基肥处理无显著变化。与农民传统常规施肥相比，含脲酶抑制剂尿素和生物炭基肥处理水稻产量并无显著差异。因此，在优化减氮36%的基础上含脲酶抑制剂尿素和生物炭基肥可以维持稻田产量并降低温室气体排放，尤其是含脲酶抑制剂尿素具有更高的减排潜力。该研究为稻田低碳生产管理提供了理论支撑和技术参考。

Abstract

In order to explore the technology for both carbon sequestration， emission reduction， high yield and stable yield in paddy field， one-season paddy field with different fertilization treatments was taken as the research object. Based on the optimized nitrogen reduction positioning test， four treatments were set up as follows： no nitrogen fertilizer， traditional conventional fertilization by farmers， nitrogen reduction of 36% by urease-containing inhibitor urea and 36% nitrogen reduction by biochar-based fertilizer. The emissions of CH₄ and N₂O in paddy soil were monitored during the growth period and the rice yield was determined by static chamber-gas chromatography. The results showed that： Compared with the traditional conventional fertilization， the nitrogen reduction treatment reduced the cumulative emission of CH₄ in paddy field， and the urease-containing inhibitor urea and biochar-based fertilizer treatment decreased by 15.0% and 68.9%， respectively. The CH₄ emission flux of each treatment showed a unimodal curve， which was mainly concentrated in the peak tillering period of rice. Compared with the traditional conventional fertilization， the urease-containing inhibitor urea treatment reduced the N₂O emission flux of paddy field by 19.6%， and increased the biochar-based fertilizer treatment by 7.8%. The peak of soil N₂O emission was mainly in the peak tillering stage， and the N₂O emission decreased but remained at a high level at the end of tillering. Compared with the traditional conventional fertilization， the urease-containing inhibitor urea treatment reduced global warming potential and greenhouse gas emission intensity by 15.9% and 9.6%， respectively， and there was no significant change in biochar-based fertilizer treatment. There was no significant difference in rice yield between urease-containing inhibitor urea and biochar-based fertilizer compared with conventional fertilization. Therefore， urease-containing inhibitor urea and biochar-based fertilizer can maintain paddy yield and reduce greenhouse gas emissions on the basis of optimizing nitrogen reduction of 36%， especially urease-containing inhibitor urea. This study provides theoretical support and technical reference for low-carbon production management in paddy fields.

Graphical abstract

关键词

生物炭 / 脲酶抑制剂 / 稻田 / 温室气体排放 / 全球增温潜势

Key words

biochar / urease inhibitors / paddy field / greenhouse gas emissions / global warming potential

温室气体浓度不断上升导致全球气候变暖，预测在21世纪末全球气温可能会上升1.8至5.8 ℃^［1］。温室气体甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）是大气中重要的温室气体成分，其全球增温潜势分别是CO₂的28倍和298倍^［2-3］。农业活动产生的温室气体占人为源温室气体排放总量的10%~20%^［4］，其增加引起的气温和降水变化会影响和改变作物生产潜力，进而改变生态系统的初级生产力和农业的土地承载力^［5］。我国作为世界上第2大水稻种植国，种植面积约占全球的20%。每年稻田CH₄的总排放量约8 t，占农业生产排放量的30%；N₂O的排放量约为36 kg，占农业生产排放的11%^［6-7］。恢复气候变化消减的土壤生产力、减少稻田温室气体排放和促进稻田可持续发展是当前农业面临的重要问题。因此，探讨稻田生态系统CH₄和N₂O减排规律及创新固碳减排技术措施对缓解全球增温和粮食安全具有重要意义。

氮肥施用是保证作物高产稳产的基础^［9］，过量施用氮肥会加剧温室气体排放，亦降低作物产量。据报道，氮肥的添加有明显的增产效果，但其带来的更多碳底物释放导致稻田CH₄排放的增加^［8］。同时，过量施氮加剧土壤微生物的硝化和反硝化作用，进一步增加N₂O的排放^［9］。因此，减少氮诱导温室气体排放的同时保证产量是当前研究的重点。优化氮肥用量是减排的重要措施，通过限制硝化和反硝化作用底物的可利用性显著降低CH₄和N₂O的累积排放^［10-12］。此外，氮肥增效剂和土壤改良剂也被广泛应用。其中，脲酶抑制剂通过抑制尿素水解过程中脲酶活性来降低氮素转化从而限制温室气体产生^［13］。有研究表明，脲酶抑制剂配施尿素有效减少25%~48%的N₂O排放^［14-16］，但目前脲酶抑制剂对CH₄排放的有关研究仍未有定论^［17-19］。生物炭通过改善甲烷菌的厌氧环境可以促进CH₄的氧化作用进而抑制其排放^［20-22］。然而目前措施减排与增产效果仍存在一定局限性，已无法满足当下保证作物产量兼具环境安全的双需求。含脲酶抑制剂的脲铵氮肥作为一种新型氮肥为作物提供氮素的同时减少了温室气体排放。生物炭基肥是以生物质炭为载体，与常规化学肥料等材料科学复配而成的有机无机复合肥料。2种便利型复合肥料在农业生产或温室气体减排方面潜力巨大，但鲜有研究探究含脲酶抑制剂尿素和生物炭基肥在减排和增产方面的协同作用。因此，本研究将含脲酶抑制剂尿素和生物炭基肥在优化减氮36%的基础上等氮施用，拟探究其对稻田CH₄和N₂O排放的影响，同时对比2种措施的减排增产效应，旨在为农业环境保护提供理论指导，进而为缓减全球气候变化和稳定作物产量提供新思路。

1　材料与方法

1.1　试验点概况

本试验于2022年7—11月在浙江省衢州市中国农业大学衢州低碳农业科技小院试验田（28°49' N，119°06' E）进行。该区位于衢江区东南边陲，属于亚热带季风气候，年平均温度17 ℃，年降水量在980~2 000 mm，全年日照时数1 710~2 100 h。试验期间降雨量与气温变化如图1所示。土壤类型主要为水稻土，以黄筋泥田为主。耕作层较浅，地下水位低。0~20 cm土壤基本性状为：pH 5.7，有机质质量分数20.6 g/kg，全氮质量分数2.6 g/kg，碱解氮质量分数128.4 mg/kg，速效磷质量分数36.8 mg/kg，速效钾质量分数67.4 mg/kg。

1.2　试验设计

本试验采用随机区组设计，共4个处理，3次重复，小区面积为40 m²（8 m×5 m）。试验处理分别为：1）CK：只施用磷、钾肥；2）FFP：农民传统施肥，常规施氮，施氮总量为280 kg/hm²，m（基肥）∶m（分蘖肥）=5∶5；3）NPK：含脲酶抑制剂脲铵氮肥，施氮总量为180 kg/hm²（减氮36%），m（基肥）∶m（分蘖肥）=5∶5；4）CBF：生物炭基肥，施氮总量为180 kg/hm²（减氮36%），作为基肥一次性施入。各处理磷肥（过磷酸钙，P₂O₅≥12%）和钾肥（氯化钾，K₂O≥60%）插秧前作基肥一次性施入，总养分含量分别为75和120 kg/hm²（表1）。

本试验所用含脲酶抑制剂脲铵氮肥为中基安微红四方肥业股份有限公司产出的‘赛料素’，即含有正丁基硫代磷酰三胺（N-（n-butyl） thiophosphoric triamide， NBPT）的脲铵氮肥，其中总氮（N）含量≥31%；生物炭基肥的养分含量（N-P₂O₅-K₂O）为14-14-12，其中生物质炭（以C计）含量≥6%，总养分含量≥40%。试验使用水稻品种为‘浙大粳优一号’。水稻于2022年7月8日开始插秧，至当年11月收获。所有小区间筑高30 cm、宽30 cm的田埂，并覆塑料膜，独立排灌。前期浅水勤灌，待田间分蘖数达到预期穗数的80%时排水晒田7 d，收获前7 d停止灌水。病虫害和杂草防控主要由人工打药和无人机飞防配合，与当地做法一致。试验地前期为农民传统施肥持续水稻种植，试验前期进行土壤异质性检验，未发现土壤异质性。为进一步减少土壤养分分布不均对本试验的影响，试验前对试验区进行翻耕并人工整平。

1.3　样品采集及分析

本试验采用静态暗箱-气相色谱法来采集和测定CH₄与N₂O气体。静态暗箱由底座与暗箱组成，其中暗箱由PVC板胶结制成，外部被带有铝箔纸的海绵包裹，暗箱尺寸为0.5 m×0.5 m×0.6 m，暗箱侧面设置采样口，同时在暗箱顶部设置圆形小孔以便插入电子温度计。底座由不锈钢制成，尺寸为0.6 m×0.6 m×0.3 m，在采样前将底座埋入地下插入田面水中并确保暗箱倒扣时保持水平。

采样时，将暗箱放置在底座上，通过在底座凹槽中注水密封暗箱和底座，以隔绝箱内外气体流通。每隔15 min进行一次采样，共进行3次采样。采样过程中，打开箱顶部的风扇使箱内气体充分混匀，然后使用50 mL注射器缓慢抽取箱内气体30 mL，重复3次排净注射器内空气等杂质，并把第4次抽取的气体注入15 mL真空玻璃瓶中，同时记录箱中的温度。采样时间段为北京时间上午8∶00至11∶00。在水稻插秧（2022年7月8日）和追施分蘖肥（2022年7月25日）后的前两周，每隔2 d进行一次采样，之后改为每7 d进行一次。

采集的气体样品送至实验室，使用Agilent 7890B气相色谱仪测定CH₄和N₂O含量。CH₄使用火焰离子化检测器（Flame ionization detector， FID）测定，工作温度250 ℃，高纯度H₂流量60 mL/min，高纯度空气流量400 mL/min；N₂O使用微池电子捕获检测器（Electron capture detector， ECD）测定，工作温度300 ℃，氩气流量2 mL/min，含有5%CH₄。

CH₄和N₂O排放通量计算公式如下^［23］：

F=\rho \times \frac{V}{A}\times \frac{\mathrm{d}\mathrm{c}}{\mathrm{d}\mathrm{t}}\times \frac{\mathrm{273}}{\mathrm{273}+T}（1）

式中：F为气体排放通量，μg/（m²·h）；ρ为标准大气压下CH₄或N₂O的气体密度，kg/m³；V为静态箱内体积，m³；A为静态箱底座面积，m²；dc/dt为静态箱内气体浓度随时间（h）变化速率；T为采样时密闭箱的温度，℃。根据插值法计算得到每天的气体排放通量累加后得到气体累计排放量。

全球增温潜势（Global warming potential， GWP）和温室气体排放强度（Greenhouse gas intensity， GHGI）是评价农业生产中产生温室气体对大气造成影响程度的重要指标。GWP是评估不同温室气体对气候变化潜在效应的一个相对指标，GHGI是把GWP与作物产量相结合的综合温室效应评价指标^［24］。

GWP计算公式如下^［24］：

\mathrm{G}\mathrm{W}\mathrm{P}=E_{\mathrm{1}}\times \mathrm{28}+E_{\mathrm{2}}\times \mathrm{298}（2）

式中：GWP为全球增温潜势，kg/hm²；E₁为CH₄累计排放量，kg/hm²；E₂为N₂O累计排放量，kg/hm²。

GHGI计算公式如下：

\mathrm{G}\mathrm{H}\mathrm{G}\mathrm{I}=\frac{\mathrm{G}\mathrm{W}\mathrm{P}}{\mathrm{Y}\mathrm{i}\mathrm{e}\mathrm{l}\mathrm{d}}（3）

式中：GHGI为温室气体排放强度，kg/kg；GWP为全球增温潜势，kg/hm²；Yield为作物产量，kg/hm²。

于2022年11月3日水稻成熟后，人工收割水稻。收获时，各小区采用4 m²取样，实打实收，并使用脱粒机对每个小区的水稻进行脱粒风干后按含水量14%测实产。土壤样品采集也在水稻收获后，用土钻（直径5 cm）采集田间耕层（0~20 cm）的土样，每小区取5钻，混匀风干后过2 mm筛用于测定土壤理化性质。其中土壤有机碳（Soil organic carbon， SOC）和全氮（Total nitrogen， TN）测定采用土壤碳氮元素分析仪（Elementar Vario MAXCN， Germany）。土壤pH测定：m（土）∶m（水）=1∶5，摇床振荡30 min，静置后用便携式pH计（PHS-3C，中国）测定。采用环刀法测定土壤容重^［25］。

1.4　数据处理及分析

采用Microsoft Excel 2022软件整理原始数据，测量指标和多因素方差分析采用SPSS 22.0统计分析软件进行，采用LSD法进行显著性水平检验（P<0.05）并采用Origin 8.5绘制折线图和柱状图。

2　结果与分析

2.1　优化减氮对稻田CH₄排放的影响

所有处理下水稻CH₄排放趋势基本一致，主要集中在分蘖期（图2（a））。总体趋势为从返青到分蘖期，CH₄排放量迅速增加；分蘖期以后，CH₄排放量急剧降低，并缓慢趋于平稳。各施肥处理中，CK与FFP处理在分蘖期7月29日出现了CH₄排放通量峰值，分别为23.6和51.1 mg/（m²·h）；而NPK与CBF处理则在8月3日达到CH₄排放通量最高峰值，分别为51.2和18.5 mg/（m²·h）。与FFP相比，各处理均降低了生育期内土壤CH₄的排放。与CK处理相比，CBF处理CH₄排放降低26.2%。

水稻生育期内CH₄排放通量累加获得CH₄累计排放量（图2（b））。NPK和CBF处理的CH₄累积排放量分别为1.0和0.4 kg/hm²，相比于FFP，显著降低15.0%和68.9%（P<0.05）；而相比于CK处理，NPK和CBF处理的CH₄累积排放量分别增加和减少了102%和26.2%。CK处理下水稻CH₄累计排放量为0.5 kg/hm²，CBF处理水稻CH₄排放累计量仍低于CK。

2.2　优化减氮对稻田N₂O排放的影响

在水稻生长期内，N₂O排放通量波动较大（图3（a））。整体上，各处理呈现出先增加后减少并趋于稳定的趋势。N₂O排放高峰主要在分蘖旺期（田间分蘖数达到预期穗数的80%）至末期，分蘖旺期时达到高峰，分蘖后期下降后趋于稳定，但仍处于较高排放水平。与CK相比，其他3个处理都增加了N₂O的排放通量，其中FFP、NPK和CBF分别增加了43.1%、20.2%和54.2%。相较于NPK处理，CBF处理N₂O累计排放量增加了28.2%。与此同时，CBF在分蘖旺盛前期8月3日达到N₂O排放峰值，为162.1 μg/（m²·h）；而CK、NPK和FFP处理均在分蘖旺期8月10日达到N₂O排放峰值，分别为87.4、91.4和114.2 μg/（m²·h）。

将水稻生育期内每天N₂O排放通量累加后得到N₂O累计排放量（图3（b））。NPK处理N₂O累计排放量为4.2 kg/hm²，相较于FFP显著降低了19.6%（P<0.05）。CBF处理N₂O累计排放量为5.4 kg/hm²，相较于FFP增加了7.8%。与CK相比，其他处理均显著增加了N₂O的排放（P<0.05），N₂O累计排放量在FFP、NPK以及CBF处理下分别增加了43.1%、20.0%和54.0%。

2.3　优化减氮对稻田GWP、GHGI及产量的影响

施肥显著提高了水稻田GWP（表2）。与CK相比，FFP、NPK和CBF处理GWP分别显著提高了44.2%、21.2%和51.2%（P<0.05）。与FFP相比，NPK显著减少GWP 15.9%（P<0.05），CBF无显著变化。CBF处理具有最高的GHGI，NPK处理的GHGI最低，但各处理间并没有显著差异。氮肥施用促进水稻增产，其排序依次为CBF>FFP>NPK>CK。其中CBF处理水稻产量最高为10 354.0 kg/hm²，较CK处理产量显著增加了39.5%（P<0.05）。与CK相比，NPK处理显著增加产量25.0%（P<0.05），但CBF、NPK处理与FFP无显著差异。

2.4　不同处理对稻田土壤理化性状和温室气体排放的影响

不同处理对土壤养分的影响均不显著，可见仅1年的施肥处理并不能显著改变土壤理化性质（表3）。仅CBF处理下土壤pH呈降低的效果，但不显著。

3　讨　论

3.1　含脲酶抑制剂脲铵氮肥和生物炭基肥对稻田温室气体排放的影响

本研究表明，CH₄的排放高峰主要集中在水稻分蘖期，与前人研究结果一致^［26-27］，含脲酶抑制剂脲铵氮肥降低了稻田CH₄排放，生物炭基肥表现出更好的CH₄减排效果。水稻在移栽后处于淹水还原状态，为厌氧甲烷菌代谢提供了良好的环境，促使CH₄大量产生^［28］。脲酶抑制剂可以有效阻断土壤中厌氧甲烷菌代谢产生CH₄过程中的酶催化反应^［29］，从而减少CH₄的排放^［30-31］。生物炭基肥处理能有效抑制土壤中CH₄的排放，主要有以下原因：生物炭提高了土壤通气性及土壤养分的供应，从而提高了CH₄的氧化活性^［28］，降低CH₄排放。同时，生物炭也增加了土壤有机碳含量，进一步增强土壤中甲烷氧化菌对甲烷的氧化能力，进而降低了土壤中CH₄的排放^［32］。Hu等^［33］认为，硝酸盐给土壤甲烷氧化菌提供了大量CH₄氧化的底物，生物炭基肥促进土壤硝化作用，增加了土壤硝酸盐含量，进而增加对CH₄的氧化^［34］。据此可以推断提高土壤通气性是抑制土壤CH₄排放的关键因素。

本研究发现，与农民传统常规施肥相比，含脲酶抑制剂脲铵氮肥对N₂O具有良好的减排效果，生物炭基肥处理则没有显著变化。土壤N₂O主要来源于微生物参与的氮循环过程，即硝化和反硝化过程^［35］。施用脲酶抑制剂通过抑制尿素水解减少硝化和反硝化反应底物从而间接抑制N₂O的排放^［18］。Akiyama等^［36］研究则表明脲酶抑制剂降低温室气体的排放是暂时的，随着抑制效果的消失，排放通量会不同程度的增加。本研究发现稻田N₂O在分蘖旺期至后期具有较高排放量，分蘖后期N₂O排放下降但仍处于较高水平，与Akiyama等^［36］的研究结果一致。

先前的研究结果表明，生物炭抑制N₂O排放，显著降低累计排放量^［37］，Spokas等^［38］也得出同样的结论。但本研究与其相反，生物炭基肥对N₂O的减排效果并不理想。其原因可能如下：生物炭基肥提高了土壤通气性，促进了异养硝化和反硝化作用，与氮肥配施增强了土壤的反硝化作用，导致N₂O排放较高^［39］；生物炭基肥表面的官能团抑制N₂O的还原能力，增加N₂O排放^［40］；同时，生物炭基肥稳定性碳源的输入增强了与水稻根系间有效态氮的竞争，加剧了土壤氮循环过程。

3.2　含脲酶抑制剂脲铵氮肥和生物炭基肥对水稻产量的影响

氮肥在作物增产方面表现出一定的积极性，大量研究表明农田氮肥施用提高作物对养分的吸收进而增加作物产量^［41-42］。然而，不同肥料的应用具有不同的增产效果，并且过量的氮肥添加可能对作物表现出一定的减产效果^［43-44］。张文学等^［45］研究表明，双季稻田在不减氮的基础上添加脲酶抑制剂，早、晚稻均出现增产效果。李长青等^［46］研究表明，与施用等氮量的尿素处理相比，脲酶抑制剂处理下小麦-玉米的周年产量提高了13.3%，表明脲酶抑制剂具有明显的增产效果。本研究发现，与农民传统常规施肥相比，含脲酶抑制剂脲铵氮肥和生物炭基肥在减氮36%的基础上维持了水稻产量，即在减氮的基础上含脲酶抑制剂脲铵氮肥表现出的增产效果仍可以维持与高氮施用下的同等产量。杨依彬等^［47］研究发现，增效氮肥（含脲酶抑制剂）对水稻产量的效果与常规尿素处理的效果相类似，与本研究结果类似。推测原因可能是不同地区的土壤特性、施肥方式以及栽培管理等措施不同导致不同的施肥效果。此外，脲酶抑制剂的作用有一定时效性，受土壤温度、水分、质地及田间管理措施等外部因素影响，不同处理作用时效有所不同，其对作物产量的影响随之表现出一定差异^［48］。因此，本研究结果可能是由这些因素综合作用的结果，需要进一步研究加以验证。

已有研究表明，生物炭基肥可显著提高夏玉米和冬小麦产量，较单施氮肥处理平均增幅分别为10.0%和4.2%^［49］。本研究发现，与不施氮相比，炭基肥显著提高了作物产量，这与前人研究结果一致^［50-51］。与农民传统常规施肥相比，生物炭基肥具有增产趋势，但并未表现出显著性，这足以表明生物炭基肥在减氮的基础上具有稳产的能力。生物炭基肥具有比表面积大和吸附能力强等特点，能促进土壤对矿质氮的吸附，被吸附的氮素在作物各生育时期逐步释放，有利于维持氮素的供需平衡，减少肥料氮素的损失，提高土壤对氮素的吸附转化及作物对养分的吸收利用效率，进一步表现出增产效应^［52-53］。相似的，炭基肥增产效应的稳定性也将受到位点特异性的影响。

本研究仅基于1年的田间试验，结果受到多种因素的影响，未来需进行长期观测以保证试验效果的稳定性。此外本研究中生物炭基肥的施用增加了稻田N₂O排放，有关生物炭基肥对温室气体减排效应机理的工作仍需要进一步探索。

4　结　论

含脲酶抑制剂脲铵氮肥显著降低稻田N₂O排放，对CH₄排放无显著影响，降低了全球增温潜势。生物炭基肥显著降低稻田CH₄排放，增加N₂O排放，对全球增温潜势无显著影响。含脲酶抑制剂脲铵氮肥和生物炭基肥在减氮36%的基础上均稳定了水稻产量，在温室气体减排和稳产协同方面表现出一定的协同作用。因此，采用新型复合肥料来进行优化减氮可促进水稻低碳生产并维持产量，推荐作为一种可持续农艺管理措施。

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基金资助

国家自然科学基金项目(32071629)

衢州市农业碳中和账户建设项目(衢农合2021-27)

碳账户核算及减排固碳技术研究项目(衢农合2022-31)