減氮配施硝化抑制劑對大白菜農學和環境效應評價

郭廣正，張芬，沈遠鵬，肖焱波，朱盼，王芳，陳新平，王孝忠*

（1.西南大學資源環境學院，重慶市土肥資源高效利用重點實驗室，重慶400715；2.云南民族大學民族醫藥學院，昆明650500；3.歐化農業貿易（深圳）有限公司，廣東 深圳518000）

蔬菜是生活中必不可少的副食品。近20 年來，我國蔬菜種植面積和產量分別增加了53.1% 和73.6%[1]，是僅次于糧食作物的第二大農作物。然而集約化蔬菜生產中氮肥過量施用等不合理管理導致氮肥利用率低、活性氮損失嚴重和環境代價高等問題十分突出[2-3]。因此，尋求減少氮損失、提高氮肥利用率的有效措施以實現蔬菜穩產增產和降低環境代價，對實現我國蔬菜綠色生產至關重要。

優化氮肥用量是提高氮肥利用率、減小農業生產環境代價的直接有效策略[4-5]。有研究表明，基于作物需求的優化氮肥管理能夠在降低氮肥投入的基礎上，顯著減少氮肥損失而不影響蔬菜產量[6-7]。He等[6]對設施番茄減少69% 的氮肥用量時，能夠減少51%的N2O 排放而對蔬菜產量無影響。另外，硝化抑制劑也是提高氮素利用率、減少氮損失的有效策略之一[8-9]。研究表明，硝化抑制劑能顯著減少作物氮淋洗損失（38%～56%）和N2O 排放（39%～48%），同時增加蔬菜產量（0～10%）和作物肥料氮的回收率（34%～93%）[9]。目前關于硝化抑制劑的效果評價大多集中于糧食作物，且重點關注其在不同區域、不同作物體系中對土壤氮轉化、作物產量、氮肥利用率和單一途徑氮損失的影響[10-11]，而對溫室氣體排放、經濟效益等方面綜合評價尚不清楚，且在蔬菜等經濟作物上的研究相對缺乏。Fan 等[12]研究表明，2-氯-6-三氯甲基吡啶（Nitrapyrin）和雙氰胺（DCD）均能使不同類型菜地土壤活性氮排放量減少且蔬菜產量增加，從而降低活性氮排放強度。硝化抑制劑的效果受其類型和土壤作物類型、施用環境等因素影響而存在差異[9-11]。我國蔬菜種植地域廣泛，不同區域、不同蔬菜種類間因土壤類型、氣候、田間管理等存在差異，因此硝化抑制劑對我國蔬菜系統的綜合影響評價需要廣泛關注。

西南地區是我國蔬菜優勢產區之一，2018 年該地區蔬菜種植面積和產量占我國蔬菜總種植面積和總產量的22.8% 和16.0%[13]。為使蔬菜生產經濟效益最大化，農戶通常盲目過量施肥，尤其是氮肥。本課題組通過525 戶農戶調研數據表明，目前西南地區露地蔬菜平均施氮量為470 kg N·hm-2，遠超作物本身養分需求。同時，由于該區域全年高溫多雨、蔬菜本身根系淺與養分吸收能力弱，加劇了露地蔬菜系統硝酸鹽淋洗和N2O 排放等環境損失風險[3]。因此，降低該區域硝酸鹽淋洗和N2O 排放等環境損失對提高蔬菜產量、提高氮肥利用率尤為重要。露地大白菜是西南地區主要種植蔬菜類型之一，本文基于大白菜養分需求下，研究減少氮肥投入并添加硝化抑制劑（DMP 衍生物）對露地大白菜的產量、氮肥利用率和經濟效益的影響，在此基礎上結合生命周期評價方法（LCA），對露地大白菜生產的氮足跡、碳足跡和生態經濟效益展開綜合評價，以期為優化蔬菜系統氮肥管理，實現我國蔬菜綠色生產提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

2018—2019 年在重慶市合川區渭沱鎮西南大學實驗農場（30°0′N，106°7′E）進行了兩年田間試驗。該地區屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫18.3 ℃，年降水量1 161 mm，土壤為沖積土。試驗開始前耕層0～20 cm 土壤基本性質：pH 8.4（土∶水為1∶2.5），有機質21.5 g·kg-1，全氮1.3 g·kg-1，堿解氮51.2 mg·kg-1，有效磷28.7 mg·kg-1，速效鉀89.0 mg·kg-1。

1.2 試驗設計與管理

采用田間小區試驗，共設4個處理，每個處理4次重復，采用隨機區組排列。試驗處理包括：不施氮肥（CK）；農戶習慣（FP），施用普通復合肥和普通尿素；減氮配施硝化抑制劑（OPT1），施用硫基復合肥和硝酸銨鈣；減氮配施硝化抑制劑（OPT2），施用硫基復合肥和尿素。基于當地農戶調研結果，FP 處理氮、磷和鉀養分投入量分別為833 kg N·hm-2、281 kg P2O5·hm-2和356 kg K2O·hm-2；基于大白菜生長發育規律和土壤養分供應狀況的根層養分管理策略，減氮配施硝化抑制劑處理的優化氮、磷和鉀養分投入為315 kg N·hm-2、192 kg P2O5·hm-2和222 kg K2O·hm-2[14]，各處理不同時期施肥量如表1 所示。供試硫基復合肥（NP2O5-K2O，12-12-17）、硝酸銨鈣（N 27%）和尿素（N 46%）均添加了硝化抑制劑（DMP 衍生物），添加量為含氮量的0.8%～1.2%，DMP 衍生物是基于DMP 抑制劑開發的類似于3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）的新型硝化抑制劑，由歐化農業貿易（深圳）有限公司生產；普通復合肥（N-P2O5-K2O：15-15-15）由嘉施利（應城）化肥有限公司生產；普通尿素（N 46.2%）由四川天華股份有限公司生產；以過磷酸鈣和硫酸鉀調平磷肥和鉀肥用量，過磷酸鈣（P2O5≥12%）由漢中唐楓化工有限責任公司生產，硫酸鉀（K2O≥50.0%）由國投新疆羅布泊鉀鹽有限公司生產。

每個試驗小區的面積為21 m2，供試大白菜品種為豐抗70，種植株行距為30 cm×40 cm；兩季大白菜生產 周期 分 別為2018 年10 月26 日至2019 年2 月16日和2019 年10 月8 日至12 月29 日。基肥在移栽前撒施后翻土覆蓋，在大白菜蓮座期和結球期進行追肥，施肥方式為穴施，其余田間管理按照常規方法進行。

1.3 測定項目與評價指標

1.3.1 產量、氮盈余和氮肥利用率

在大白菜成熟期進行一次性收獲，測產小區面積為2 m2（12 株白菜），產量以地上部鮮質量表示（t·hm-2），按照市場標準和價格分為商品產量和非商品產量。每個小區取4株白菜植株作為樣品，70 ℃條件下干燥至恒質量并稱量，粉碎。植株氮濃度用H2SO4消煮-凱氏定氮法測定，植株吸氮量=氮濃度×植株干物質質量；氮盈余為氮素投入與植株吸氮量的差值；氮肥利用率（%）=（施氮處理吸氮量-不施氮處理吸氮量）/施氮量×100%。

1.3.2 經濟效益

大白菜的凈經濟效益（NEB；萬元·hm-2）通過出售大白菜的收益減去農業投入成本得到。其中農業投入成本包括種子、肥料、農藥、農膜、除草劑、灌溉、耕作機械燃油和電力的成本。所有農業投入成本均根據當地市場價格確定，添加硝化抑制劑的硫基復合肥、硝酸銨鈣、增效尿素按歐化農業貿易（深圳）有限公司提供價格進行計算。

1.3.3 環境評價

通過生命周期評價的方法對碳、氮足跡進行定量化研究，重點關注露地大白菜生產過程（從播種到收獲過程）。選取單位面積（每公頃）和單位產量（每噸）為系統評價單元。

（1）活性氮損失和氮足跡

活性氮損失（Nr損失，kg N·hm-2）和氮足跡（NF，kg N·t-1）分別定義為生產每公頃和每噸大白菜對環境造成的活性氮損失總量[15]，通過公式（1）～公式（3）計算：

式中：MS -Nr損失表示農業投入品（包括氮磷鉀肥、農藥、機械油耗和電力等）生產和運輸的活性氮損失量，kg N·hm-2；i代表每個農業投入品類別；Fi代表i的生產和運輸過程中活性氮排放的相關排放系數[16-21]；Ratei代表i 的用量 ；Yt代 表大白菜 總 產量，t·hm-2；N2O排放、NH3揮發和NO-3淋洗表示氮肥施用過程中的N2O排放、NH3揮發和NO-3淋洗損失量，由氮肥用量乘以相應的排放因子計算得出。普通氮肥排放因子參考王孝忠[3]建立的我國露地蔬菜系統氮素損失模型。基于已發表文獻確定露地蔬菜氮肥添加硝化抑制劑引起的N2O 排放因子為0.35%[22-25]，硝酸鹽淋洗因子為11.39%[22-23，26]。由于硝化抑制劑對NH3揮發影響在蔬菜上的報道較少，且存在不同爭議，因此我們假設添加硝化抑制劑的氮肥造成的NH3揮發與普通氮肥無差異。

表1 各處理不同時期施肥量（kg·hm-2）Table 1 Fertilizer application rate at different growth stage in each treatment（kg·hm-2）

（2）溫室氣體排放和碳足跡

基于生命周期評價方法，通過公式（4）～公式（7）計算生產大白菜每公頃和每噸的溫室氣體排放量。

式中：GHG排放表示大白菜生產每公頃的溫室氣體排放量，kg CO2-eq·hm-2；MS-GHG表示氮磷鉀肥和其他農業投入品的生產和運輸過程中的溫室氣體排放量，kg CO2-eq·hm-2；i 代表每個農業投入品類別；PECi表示i的生產和運輸過程中溫室氣體排放的相關排放系數[16-21]，Ratei代表i的用量；N2O總排放表示氮肥施用過程直接引起土壤N2O排放和由NH3揮發和NO-3淋洗途徑間接產生總N2O 排放；1.0% 和2.5% 分別為與NH3揮發和NO-3淋洗相關的N2O間接排放系數[27]；CO2和N2O的全球增溫潛勢（以CO2-eq計）分別為1和265[28]；44/28是將N2O-N 轉化成N2O 的系數；CF 指生產每噸大白菜的溫室氣體排放量，kg CO2-eq·t-1；Yt代表大白菜總產量，t·hm-2。

（3）環境破壞成本、生態系統凈經濟效益和單位生態系統凈經濟效益的活性氮損失與溫室氣體排放

環境破壞成本（EDC，萬元·hm-2）指溫室氣體導致的氣候變暖、NH3和NOX排放導致的土壤酸化以及氮淋失、徑流損失和NH3排放造成的水體富營養化引起的環境破壞經濟損失[29]。生態系統凈經濟效益（NEEB，萬元·hm-2）指大白菜生產的凈經濟效益與環境破壞成本的差值。單位生態系統凈經濟效益活性氮損失（Nr-NEEB，g N·元-1）和溫室氣體排放（GHG-NEEB，kg CO2-eq·元-1）分別表示單位生態系統凈經濟效益上的活性氮損失量和溫室氣體排放量。分別通過公式（8）～公式（11）進行計算：

式中：NriA 表示活性氮i 的排放量，kg N·hm-2；DCi表示單位活性氮i 造成的經濟損失，元·kg-1；CO2A 表示溫室氣體的總排放量，kg CO2-eq·hm-2；DCCO2表示單位CO2排放造成的溫室效應（以國際碳交易價格表示），元·t-1；NEB 表示大白菜的凈經濟效益，萬元·hm-2；CF 為碳足跡，kg CO2-eq·t-1；NF 為氮足跡，kg N·t-1。N2O 既是一種活性氮又是一種溫室氣體，本研究將其按溫室氣體進行環境損失的計算。單位活性氮以及溫室氣體排放所造成的環境破壞經濟損失成本參照如下：NH3揮發（以N 計）為37.5 元·kg-1；硝酸鹽（以N 計）為9.3 元·kg-1；溫室氣體（以CO2-eq 計）為174.3 元·t-1[29-30]。

1.3.4 統計分析

利用SPSS 20.0 和Excel 2016 軟件進行數據統計分析和圖表制作。采用LSD 法對各處理的數據進行方差分析和顯著性檢驗，顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 對大白菜農學效應的影響

由表2 可知，與不施氮相比，施氮使大白菜兩年平均總產量和商品產量分別顯著提高15.5%～23.2%和18.8%～38.3%。與FP 處理相比，OPT1 和OPT2 處理兩年平均總產量分別增加了6.7% 和4.2%；平均商品產量分別顯著增加了16.4% 和9.0%。從表觀氮平衡結果來看，相比于FP，OPT1 和OPT2 處理大白菜地上部平均吸氮量分別提高了2.1% 和5.5%，平均氮盈余顯著減少了78.1% 和78.8%。OPT1 和OPT2 較FP平均氮肥利用率分別提高了9.6% 和11.2%。受基礎地力和收獲時間的影響，同一處理在2018 季的大白菜總產量和氮吸收量高于2019 季，而氮肥利用率低于2019季。

2.2 對大白菜環境效應的影響

2.2.1 活性氮損失和溫室氣體排放

如圖1所示，FP處理兩季平均總活性氮損失高達267 kg N·hm-2，其中N2O 排放、NO-3淋洗和NH3揮發損失分別占總活性氮損失的2.60%、68.8% 和26.4%；與FP 相比，OPT1 和OPT2 均減少了75.0% 的活性氮損失，而N2O 排放、NO3-淋洗和NH3揮發損失量分別占總活性氮損失的1.60%、54.5% 和40.2%。 CK、FP、OPT1 和OPT2 中平均總溫室氣體排放分別為776、12 565、4 022 kg CO2-eq·hm-2和4 022 kg CO2-eq·hm-2。相比于FP，OPT1和OPT2處理均顯著減少68.0%的溫室氣體排放。氮肥是溫室氣體排放主要貢獻因素，FP、OPT1 和OPT2 中，由氮肥引起的溫室氣體排放占總溫室氣體排放量的88.7%～95.2%，由磷鉀肥和其他農業投入品引起的溫室氣體排放占4.8%～11.3%。

表2 不同處理對產量、氮素表觀平衡和氮肥利用率的影響Table 2 Effect of different treatments on yield，apparent nitrogen balance and nitrogen use efficiency

2.2.2 氮足跡和碳足跡

由圖2 可知，兩季露地大白菜中，CK、FP、OPT1和OPT2的平均氮足跡分別為0.02、2.04、0.48 kg N·t-1和0.49 kg N·t-1。相比于FP，OPT1 和OPT2 處理的氮足跡分別顯著降低了76.4% 和76.1%。CK、FP、OPT1和OPT2 兩季平均碳足跡分別為7.1、95.9、28.9 kg CO2-eq·t-1和29.3 kg CO2-eq·t-1，與FP 處理相比，OPT1 和OPT2 的碳足跡顯著減少了69.9% 和69.4%。OPT1 與OPT2 間氮足跡和碳足跡均無顯著差異。另外，因2019季大白菜總產量低于2018季，除CK外，其余各處理的氮足跡和碳足跡在2019季比2018季分別提高了12.4%～19.7%和12.7%～19.4%。

圖1 不同處理對活性氮損失和溫室氣體排放的影響Figure 1 Effects of different treatments on reactive N emission and GHG emission

2.3 對經濟效益和生態系統凈經濟效益的影響

2.3.1 經濟效益和生態系統凈經濟效益

由表3 可知，與FP 相比，OPT1 和OPT2 處理兩季大白菜平均總收益分別顯著提高了16.7% 和9.36%，平均凈經濟效益（NEB）分別顯著提高38.4% 和33.4%。均使環境破壞成本（EDC）降低了68.6%。因此，相比FP，OPT1 和OPT2 分別顯著提高了106% 和97.9% 的生態系統凈經濟效益（NEEB），但OPT1 和OPT2間的平均總收益、NEB和NEEB均無顯著差異。

2.3.2 單位生態系統凈經濟效益上的活性氮損失和溫室氣體排放

如圖3 所示，CK、FP、OPT1 和OPT2 處理兩季平均單位生態系統凈經濟效益活性氮損失（Nr-NEEB）分別為1.40、236.6、23.3 g N·元-1和25.9 g N·元-1；平均單位生態系統凈經濟效益溫室氣體排放（GHG-NEEB）分別 為0.54、11.1、1.40 kg CO2-eq·元-1和1.56 kg CO2-eq·元-1。相比FP 處理，OPT1 和OPT2 的Nr-NEEB分別顯著降低了90.2% 和89.1%，GHG-NEEB分別顯著降 低 了87.4% 和86.0%；OPT1 和OPT2 處 理 間 的Nr-NEEB和GHG-NEEB均無顯著差異。此外，除CK 外的其余各處理在2018 季的GHG-NEEB和Nr-NEEB均高于2019季。

圖2 不同處理對氮足跡和碳足跡的影響Figure 2 Effects of different treatments on nitrogen footprint and carbon footprint

表3 各處理經濟效益和生態系統凈經濟效益（萬元·hm-2）Table 3 Economic benefits and net economic benefits of ecosystem in each treatment（萬元·hm-2）

3 討論

圖3 各處理單位生態系統凈經濟效益上的氮足跡和碳足跡Figure 3 Nitrogen footprint and carbon footprint on per net economic ecosystem benefits in each treatment

兩季露地大白菜試驗結果表明，相比FP，在顯著減少62.0% 氮肥用量且配施硝化抑制劑的優化管理下（OPT1 和OPT2），兩季大白菜平均總產量和商品產量有增產趨勢，與前人報道結果類似[31-32]。原因可能是：一方面，FP 處理中高氮輸入會造成土壤酸化和無機氮大量累積，使作物根系受到抑制，導致蔬菜產量降低[33]。基于作物需求特征減少氮肥用量，減少土壤中氮素的盈余以維持合理的根區氮素養分濃度，提供適宜根系生長的養分環境，有利于作物的生長[34]。另一方面，硝化抑制劑通過延緩銨態氮向硝態氮轉化，使氮素供應在空間和時間上更加平緩，同時有效減少硝酸鹽的淋洗損失，促進蔬菜對氮素的吸收和減少氮素損失，提高氮肥利用率[35]。本研究中OPT1 和OPT2較FP顯著減少了78.1%和78.8%的氮素表觀盈余，分別增加了2.1% 和5.5% 的大白菜氮吸收量，氮肥利用率分別提高9.6%和11.2%，使大白菜平均總產量和商品產量均有所提高，但增產并不顯著。同時，盡管OPT1和OPT2處理間添加氮肥形態不同，但大白菜的氮吸收量差異不顯著，從而使這兩個處理間的產量也沒有顯著差異。

西南地區露地大白菜系統由于施肥量大而導致較高環境代價，本研究結果表明目前每季露地大白菜單位面積上溫室氣體排放量（12 565 kg CO2-eq·hm-2）是我國露地大白菜生產中平均排放量的2.2倍[36]。因此，降低該地區蔬菜生產的環境代價尤為重要。通過減氮配施硝化抑制劑策略，可以較FP 顯著降低單位產量上76.1%～76.4% 的氮足跡和69.4%～69.9% 的碳足跡，環境代價降低的原因是：首先，氮肥是活性氮損失和溫室氣體排放的主要貢獻因素，減少氮肥用量能夠減少溫室氣體和活性氮的排放[37]。OPT1 和OPT2較FP 顯著減少約62.0% 的氮肥用量，使單位面積上的活性氮損失和溫室氣體排放降低75.0% 和68.0%。其次，硝化抑制劑抑制土壤硝化作用，延長銨態氮在土壤中的存留時間，減少N2O、NO 排放和硝態氮淋洗，直接或間接降低氮肥施用對環境的影響[10-11]。研究表明，應用Nitrapyrin 和DCD 使菜地土壤中的N2O和NO 排放量分別降低1.8%～61.0% 和0.8%～79.5%，且在常規尿素中添加1% 的DMPP 可減少22.0%～45.3% 的無機氮進入地表徑流[12，38]。本研究中OPT1和OPT2較FP使NO-3淋洗和N2O排放引起的氮損失總量分別降低80.1% 和83.9%，顯著減少了露地大白菜系統的活性氮損失量和溫室氣體排放量。最后，減氮配施硝化抑制劑策略提高了單位面積大白菜產量，OPT1 和OPT2 較FP 使平均總產量增加了6.7% 和4.2%。因氮肥用量和產量無顯著差異，故OPT1 和OPT2 之間的氮足跡和碳足跡無顯著差異。綜合而言，減氮配施硝化抑制劑策略增加了露地大白菜產量并降低了單位面積和單位產量上的氮足跡和碳足跡，進而提升了大白菜凈經濟效益以及使由活性氮損失和溫室氣體排放造成的環境破壞成本顯著降低。因此，OPT1 和OPT2 較FP 分別顯著提高了106.0% 和97.9% 的生態系統凈經濟效益（NEEB），進而分別降低了90.0% 的單位生態系統凈經濟效益的氮足跡（Nr-NEEB）以及86.7% 的單位生態系統凈經濟效益的碳足跡（GHG-NEEB）。 但OPT1 和OPT2 之間 的NEEB、Nr-NEEB和GHG-NEEB均無顯著差異，這主要是由產量、氮足跡和碳足跡沒有顯著差異造成的。

本研究結果表明，減氮配施硝化抑制劑策略可在減少氮肥投入和降低環境風險的同時保障蔬菜產量并提高氮肥利用率，兼顧經濟效益最大化和環境友好。但在研究中仍存在不確定性和不足之處。首先，由于目前關于硝化抑制劑在菜地土壤對活性氮損失排放的研究相對較少，研究中采用王孝忠[3]基于我國露地蔬菜研究數據建立的氮素損失模型和前人在蔬菜應用硝化抑制劑的研究中確定的活性氮損失相關排放參數進行相關計算[22-26]，然而這些排放參數因氣候、土壤、環境和農田管理措施等差異而在不同區域存在差異，對研究結果存在一定的不確定性。其次，本研究主要關注減氮配施硝化抑制劑對大白菜產量、活性氮損失和溫室氣體排放的影響，對減氮配施硝化抑制劑處理對大白菜品質的影響未開展進一步探究，尤其氮鈣互作對大白菜品質和貨架期的影響。因此，需要進一步開展在多區域、多環境條件下的相關研究，以全面評價減氮配施硝化抑制劑策略對我國蔬菜系統農學效應、環境效應和品質效應的影響。

4 結論

在西南地區露地大白菜生產中采用減氮配施硝化抑制劑（DMP 衍生物）的優化管理策略，相比于農戶習慣，提高了大白菜總產量、商品產量、凈經濟效益和氮肥利用率，同時，顯著降低了整個大白菜生命周期的氮足跡、碳足跡和環境破壞成本，顯著提高大白菜生產生態系統凈經濟效益，顯著降低單位生態系統凈經濟效益上的氮足跡和碳足跡。綜上所述，基于區域氣候、土壤和田間管理措施特點，采用減氮配施硝化抑制劑的優化管理策略可保證西南地區蔬菜穩產增產并可提高經濟效益，同時降低環境代價，實現蔬菜綠色生產。