硝化抑制劑雙氰胺施用對水稻產量和溫室氣體排放的影響

陳云 孟軼 翁文安 陳雨瓊 張洪程 廖萍

（江蘇省作物栽培生理重點實驗室/江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學農學院/揚州大學水稻產業工程技術研究院，江蘇 揚州 225009；第一作者：y_chen2022@163.com；*通信作者：p.liao@yzu.edu.cn）

全球氣候變暖是當前人們關注的熱點話題。據IPCC 第6 次評估報告指出，2011—2020 年間全球平均氣溫比1850—1900 年間升高了1.1 ℃[1]。甲烷（CH4）和氧化亞氮（N2O）是導致全球氣候變暖的主要溫室氣體[2]。人類生產活動所產生的溫室氣體是導致全球氣候變暖的重要因素[2]。有研究表明，稻田是CH4和N2O 排放的主要農業排放源，分別占人為因素所引起CH4和N2O排放量的11.0%和30.0%[3]。到2050 年，全球稻米產量需要增長28.0%才能滿足人口增長對糧食的需求[4]。我國水稻種植面積僅次于印度，稻米年產量居世界第一[5]。同時，我國稻田溫室氣體排放總量亦居世界首位[6]。如何協同實現水稻高產和稻田溫室氣體減排對保障國家糧食安全和緩解全球氣候變暖具有重大意義。

施用氮肥是保障水稻高產的前提。有研究表明，1980 年到2015 年，我國氮素損失從20.2 Tg/yr 增長至54.5 Tg/yr[7]。不合理的氮肥施用使得我國水稻氮素利用率僅為29.1%[8]，同時也造成了稻田土壤酸化、地下水硝酸鹽和亞硝酸鹽含量超標以及湖泊和河流水體富營養化等環境問題[9-11]。因此，如何降低稻田氮素損失，提升氮肥利用率以及增加水稻產量是當前的研究熱點。硝化-反硝化過程是稻田土壤微生物引起氮素損失的主要途徑之一[12-13]。大量研究證實，常規氮肥配施硝化抑制劑能夠降低土壤微生物硝化速率，提升氮肥利用效率，最終使水稻獲得高產[12-14]。但是，以往研究主要是探究硝化抑制劑對氮肥利用效率和水稻產量的影響，而對稻田溫室氣體排放研究較少[13]。雙氰胺是一種市面上常見的硝化抑制劑[15]。本研究開展盆栽試驗，設置常規尿素和尿素配施雙氰胺2 個處理，旨在探明常規氮肥配施硝化抑制劑對水稻產量和稻田溫室氣體排放的影響，以期為我國水稻豐產和農業領域實現碳中和目標提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試品種

于2021 年在江蘇省鹽城市大中農場（120°39′E,33°08′N）進行盆栽試驗。該區域年均氣溫14.6 ℃，年均降水量1 040 mm。試驗前土壤過2 mm 篩，土壤質地為砂壤土，有機碳12.5 g/kg，全氮1.0 g/kg，堿解氮70.0 mg/kg，速效磷16.0 mg/kg。該地區農作物種植制度為稻-麥輪作。在水稻季，選用當地主推常規粳稻南粳9108 為供試品種。

1.2 試驗設計

共設置2 個處理：1）常規氮肥，記作CK；2）常規氮肥與硝化抑制劑雙氰胺配施，記作DCD。每個處理重復5 次。本試驗施用的雙氰胺為白色晶體，分析純。塑料盆高度為27 cm、直徑為28 cm，每盆裝土質量10 kg。盆栽試驗各處理氮肥施用量為純N 1.35 g/盆，相當于大田純N 施用量為270 kg/hm2。磷肥和鉀肥用量按純N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.8 施用。氮肥為尿素，按基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶2∶4 施用；磷肥為過磷酸鈣，作基肥一次性施用；鉀肥為氯化鉀，按基肥∶穗肥=5∶5 施用。雙氰胺與氮肥溶于自來水混勻后施用，雙氰胺施用量為每次氮肥施用量的5%。水稻移栽盆后持續淹水；水稻病蟲害防治按照當地高產栽培模式進行。

1.3 測定指標

1.3.1 水稻產量及其構成

在水稻成熟期，數盆內穗數。水稻收獲后，手工脫粒，考察每穗粒數和結實率。將所有飽粒進行稱重，計算千粒重。地上部植株和稻谷在70 ℃條件下烘干后稱重，計算干物質量，并按14.0%的粳稻安全儲存含水量計算實際產量。

1.3.2 溫室氣體排放量

水稻全生育期內，采用靜態暗箱-氣相色譜法監測稻田溫室氣體排放。25 d 秧齡的秧苗移栽后，將盆置于底部密封的正方形不銹鋼框（邊長60 cm，高3 cm）內。氣體采集時，在不銹鋼框內注滿水，以避免采氣箱（長50 cm，寬50 cm，高50 cm+50 cm）內與外界空氣交換。采氣箱用隔熱棉包裹，內部安裝12 v 電風扇。各處理隨機選取3 盆進行溫室氣體采集，采集周期為每周1次，每次取氣時間為上午8∶00—10∶00。每間隔10 min用注射器通過三通閥將氣體從靜態暗箱中抽出，共抽取4 次。采用Agilent 7890b 氣相色譜儀（安捷倫科技有限公司，美國）同時測定樣品中CH4和N2O 濃度。CH4和N2O 檢測器分別為氫火焰離子化檢測器和電子捕獲檢測器。氣相色譜儀參數設置和稻田溫室氣體排放通量計算方法參照文獻[16]。

1.3.3 綜合溫室效應和溫室氣體排放強度

在100 年時間尺度上，單位質量CH4和N2O 的綜合溫室效應（GWP）分別為CO2的34 倍和298 倍[17]。一般情況下，CH4和N2O 排放量按分子溫室效應轉換成CO2當量進行溫室效應的估算，按照公式計算綜合溫室效應：GWP=34×R（CH4）+298×R（N2O），式中，R（CH4）和R（N2O）分別表示CH4和N2O 的累積排放量。溫室氣體排放強度（GHGI）表示單位稻谷產量對氣候變化的潛在反應，計算公式為：GHGI=GWP/Yield，式中，Yield表示盆栽水稻實際產量。

1.4 數據處理

采用SPSS 18.0 軟件和T 檢驗法，在p＜0.05水平進行顯著性檢驗。采用Origin 8.0 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理水稻產量、產量構成及地上部生物量

由表1 可見，與CK 相比，DCD 處理顯著提高了水稻產量（15.1%）和地上部生物量（28.4%）。從產量構成來看，DCD 處理的每盆穗數和每穗粒數分別顯著增加10.3%和6.1%，而結實率和千粒重所受影響不顯著。

表1 雙氰胺對水稻產量、產量構成和地上部生物量的影響（n=5）

2.2 不同處理稻田CH4 和N2O 排放通量

從圖1 a 可見，2 個處理間稻田CH4排放通量趨勢相似。CK 和DCD 處理的CH4排放通量在移栽后22 d內趨近于零，之后逐漸升高，在第65 d 達到排放高峰后逐漸下降；DCD 處理的CH4排放通量整體低于CK處理。

圖1 雙氰胺對稻田CH4（a）和N2O（b）排放通量的影響（n=3）

水稻移栽后，稻田N2O 排放通量逐漸升高（圖1 b）。在第29 天，CK 監測到1 個明顯的排放高峰，而DCD 處理未發現。之后，2 個處理的N2O 排放通量在零線處上下波動，處理間差異不明顯。

2.3 稻田CH4 和N2O 累積排放、GWP、和GHGI

由表2 可見，與CK 相比，DCD 顯著降低了稻田CH4累積排放量（22.2%）、N2O 累積排放量（56.0%）、GWP（24.4%）和GHGI（31.7%）。

表2 雙氰胺對稻田CH4 和N2O 累積排放、GWP 和GHGI 的影響（n=3）

2.4 相關性分析

相關性分析表明，水稻地上部生物量與稻田CH4和N2O 累積排放量均呈顯著負相關（圖2）。

圖2 稻田CH4（a）和N2O（b）累積排放與地上部生物量的相關性

3 結論與討論

3.1 雙氰胺對水稻產量的影響

本研究表明，與施用常規氮肥相比，常規氮肥與雙氰胺配施顯著提高了水稻產量，主要歸功于每盆穗數和每穗粒數的增加。其原因主要是：1）常規氮肥與雙氰胺配施顯著降低了稻田N2O 排放量。因此，通過抑制硝化-反硝化途徑中的氮素損失，硝化抑制劑能夠增加氮肥利用率，促進水稻生長[14]。2）通過提高氮素利用率，硝化抑制劑增加了水稻葉片保持綠色能力，有利于水稻光合效率，增加凈光合產物積累，進而提高地上部生物量[18]。本研究也發現，常規氮肥與雙氰胺配施顯著提高了水稻地上部生物量。有研究表明，硝化抑制劑能夠提高根系活力，促進根系對礦質養分的吸收[19]。硝化抑制劑通過協調水稻源-庫關系，最終提高水稻產量[20]。

3.2 雙氰胺對稻田CH4 和N2O 排放的影響

與施用常規氮肥相比，常規氮肥與雙氰胺配施顯著降低了稻田CH4排放量。原因可能是：1）在淹水條件下，硝化抑制劑能夠直接抑制產甲烷菌的活性，從而降低稻田CH4產生[21]。2）前人研究表明，硝化抑制劑降低了硝化速率，提升土壤銨態氮濃度，有利于甲烷氧化菌的生長和繁殖，最終促進稻田CH4的氧化[22-23]。3）在本研究中，常規氮肥與雙氰胺配施提高了水稻地上部生物量，并且水稻地上部生物量與稻田CH4累積排放呈顯著負相關。盡管常規氮肥與雙氰胺配施提高了稻田土壤產甲烷菌所需的底物碳源，但其促進了水稻根際泌氧能力，從而降低了稻田CH4排放量，這與前人研究結果相似[13,24]。當土壤有機碳的含量高于12.0 g/kg 時，稻田CH4排放隨地上部生物量增加而下降[25]。

土壤N2O 來源于微生物主導的氮循環，其中土壤微生物通過硝化與反硝化途徑是農田N2O 排放的主要來源[26]。本研究表明，與CK 相比，常規氮肥與雙氰胺配施顯著降低了稻田N2O 排放量。一方面，硝化抑制劑降低了土壤微生物硝化速率和反硝化速率，降低了稻田N2O 排放[13,27]。此外，還有研究表明，硝化抑制劑提高了土壤氧化亞氮還原菌的基因豐度，促進了稻田N2O 還原為N2[28]。另一方面，本研究發現，常規氮肥與雙氰胺配施提高了水稻穗數、產量和地上部生物量。常規氮肥與雙氰胺配施可能通過提高地上部氮素吸收來降低稻田N2O 排放量[29]。本研究也表明，水稻地上部生物量與稻田N2O 累積排放呈顯著負相關。

3.3 本研究的不足

本試驗探究了硝化抑制劑雙氰胺施用對水稻產量和溫室氣體排放的影響，但試驗設計為一季盆栽試驗，后續應進行多年多點的重復研究。本研究重點分析了施用硝化抑制劑對稻田CH4和N2O 排放的影響，但只選用了一種硝化抑制劑（雙氰胺）為試驗材料，后續應開展不同類型的硝化抑制劑及與氮肥配施比例的試驗，以進一步探明施用硝化抑制劑對水稻產量和稻田溫室氣體排放的影響。