硝化抑制劑雙氰胺施用對(duì)水稻產(chǎn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物遺傳生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/揚(yáng)州大學(xué)水稻產(chǎn)業(yè)工程技術(shù)研究院，江蘇 揚(yáng)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(dāng)前人們關(guān)注的熱點(diǎn)話題。據(jù)IPCC 第6 次評(píng)估報(bào)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(dǎo)致全球氣候變暖的主要溫室氣體[2]。人類生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的溫室氣體是導(dǎo)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(nóng)業(yè)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(chǎn)量需要增長(zhǎng)28.0%才能滿足人口增長(zhǎng)對(duì)糧食的需求[4]。我國水稻種植面積僅次于印度，稻米年產(chǎn)量居世界第一[5]。同時(shí)，我國稻田溫室氣體排放總量亦居世界首位[6]。如何協(xié)同實(shí)現(xiàn)水稻高產(chǎn)和稻田溫室氣體減排對(duì)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(chǎn)的前提。有研究表明，1980 年到2015 年，我國氮素?fù)p失從20.2 Tg/yr 增長(zhǎng)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(shí)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(biāo)以及湖泊和河流水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[9-11]。因此，如何降低稻田氮素?fù)p失，提升氮肥利用率以及增加水稻產(chǎn)量是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。硝化-反硝化過程是稻田土壤微生物引起氮素?fù)p失的主要途徑之一[12-13]。大量研究證實(shí)，常規(guī)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(chǎn)[12-14]。但是，以往研究主要是探究硝化抑制劑對(duì)氮肥利用效率和水稻產(chǎn)量的影響，而對(duì)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(yàn)，設(shè)置常規(guī)尿素和尿素配施雙氰胺2 個(gè)處理，旨在探明常規(guī)氮肥配施硝化抑制劑對(duì)水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響，以期為我國水稻豐產(chǎn)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)碳中和目標(biāo)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況與供試品種

于2021 年在江蘇省鹽城市大中農(nóng)場(chǎng)（120°39′E,33°08′N）進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。該區(qū)域年均氣溫14.6 ℃，年均降水量1 040 mm。試驗(yàn)前土壤過2 mm 篩，土壤質(zhì)地為砂壤土，有機(jī)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(qū)農(nóng)作物種植制度為稻-麥輪作。在水稻季，選用當(dāng)?shù)刂魍瞥Ｒ?guī)粳稻南粳9108 為供試品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

共設(shè)置2 個(gè)處理：1）常規(guī)氮肥，記作CK；2）常規(guī)氮肥與硝化抑制劑雙氰胺配施，記作DCD。每個(gè)處理重復(fù)5 次。本試驗(yàn)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(zhì)量10 kg。盆栽試驗(yàn)各處理氮肥施用量為純N 1.35 g/盆，相當(dāng)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(xù)淹水；水稻病蟲害防治按照當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培模式進(jìn)行。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1 水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成

在水稻成熟期，數(shù)盆內(nèi)穗數(shù)。水稻收獲后，手工脫粒，考察每穗粒數(shù)和結(jié)實(shí)率。將所有飽粒進(jìn)行稱重，計(jì)算千粒重。地上部植株和稻谷在70 ℃條件下烘干后稱重，計(jì)算干物質(zhì)量，并按14.0%的粳稻安全儲(chǔ)存含水量計(jì)算實(shí)際產(chǎn)量。

1.3.2 溫室氣體排放量

水稻全生育期內(nèi)，采用靜態(tài)暗箱-氣相色譜法監(jiān)測(cè)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(zhǎng)60 cm，高3 cm）內(nèi)。氣體采集時(shí)，在不銹鋼框內(nèi)注滿水，以避免采氣箱（長(zhǎng)50 cm，寬50 cm，高50 cm+50 cm）內(nèi)與外界空氣交換。采氣箱用隔熱棉包裹，內(nèi)部安裝12 v 電風(fēng)扇。各處理隨機(jī)選取3 盆進(jìn)行溫室氣體采集，采集周期為每周1次，每次取氣時(shí)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(tài)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(shí)測(cè)定樣品中CH4和N2O 濃度。CH4和N2O 檢測(cè)器分別為氫火焰離子化檢測(cè)器和電子捕獲檢測(cè)器。氣相色譜儀參數(shù)設(shè)置和稻田溫室氣體排放通量計(jì)算方法參照文獻(xiàn)[16]。

1.3.3 綜合溫室效應(yīng)和溫室氣體排放強(qiáng)度

在100 年時(shí)間尺度上，單位質(zhì)量CH4和N2O 的綜合溫室效應(yīng)（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(yīng)轉(zhuǎn)換成CO2當(dāng)量進(jìn)行溫室效應(yīng)的估算，按照公式計(jì)算綜合溫室效應(yīng)：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(qiáng)度（GHGI）表示單位稻谷產(chǎn)量對(duì)氣候變化的潛在反應(yīng)，計(jì)算公式為：GHGI=GWP/Yield，式中，Yield表示盆栽水稻實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 18.0 軟件和T 檢驗(yàn)法，在p＜0.05水平進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。采用Origin 8.0 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)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(chǎn)量（15.1%）和地上部生物量（28.4%）。從產(chǎn)量構(gòu)成來看，DCD 處理的每盆穗數(shù)和每穗粒數(shù)分別顯著增加10.3%和6.1%，而結(jié)實(shí)率和千粒重所受影響不顯著。

表1 雙氰胺對(duì)水稻產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)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(gè)處理間稻田CH4排放通量趨勢(shì)相似。CK 和DCD 處理的CH4排放通量在移栽后22 d內(nèi)趨近于零，之后逐漸升高，在第65 d 達(dá)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(duì)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(jiān)測(cè)到1 個(gè)明顯的排放高峰，而DCD 處理未發(fā)現(xiàn)。之后，2 個(gè)處理的N2O 排放通量在零線處上下波動(dòng)，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(duì)稻田CH4 和N2O 累積排放、GWP 和GHGI 的影響（n=3）

2.4 相關(guān)性分析

相關(guān)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(fù)相關(guān)（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(guān)性

3 結(jié)論與討論

3.1 雙氰胺對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

本研究表明，與施用常規(guī)氮肥相比，常規(guī)氮肥與雙氰胺配施顯著提高了水稻產(chǎn)量，主要?dú)w功于每盆穗數(shù)和每穗粒數(shù)的增加。其原因主要是：1）常規(guī)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?fù)p失，硝化抑制劑能夠增加氮肥利用率，促進(jìn)水稻生長(zhǎng)[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(chǎn)物積累，進(jìn)而提高地上部生物量[18]。本研究也發(fā)現(xiàn)，常規(guī)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(jìn)根系對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收[19]。硝化抑制劑通過協(xié)調(diào)水稻源-庫關(guān)系，最終提高水稻產(chǎn)量[20]。

3.2 雙氰胺對(duì)稻田CH4 和N2O 排放的影響

與施用常規(guī)氮肥相比，常規(guī)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(chǎn)甲烷菌的活性，從而降低稻田CH4產(chǎn)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(tài)氮濃度，有利于甲烷氧化菌的生長(zhǎng)和繁殖，最終促進(jìn)稻田CH4的氧化[22-23]。3）在本研究中，常規(guī)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(fù)相關(guān)。盡管常規(guī)氮肥與雙氰胺配施提高了稻田土壤產(chǎn)甲烷菌所需的底物碳源，但其促進(jìn)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(jié)果相似[13,24]。當(dāng)土壤有機(jī)碳的含量高于12.0 g/kg 時(shí)，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(dǎo)的氮循環(huán)，其中土壤微生物通過硝化與反硝化途徑是農(nóng)田N2O 排放的主要來源[26]。本研究表明，與CK 相比，常規(guī)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(jìn)了稻田N2O 還原為N2[28]。另一方面，本研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)氮肥與雙氰胺配施提高了水稻穗數(shù)、產(chǎn)量和地上部生物量。常規(guī)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(fù)相關(guān)。

3.3 本研究的不足

本試驗(yàn)探究了硝化抑制劑雙氰胺施用對(duì)水稻產(chǎn)量和溫室氣體排放的影響，但試驗(yàn)設(shè)計(jì)為一季盆栽試驗(yàn)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行多年多點(diǎn)的重復(fù)研究。本研究重點(diǎn)分析了施用硝化抑制劑對(duì)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(yàn)材料，后續(xù)應(yīng)開展不同類型的硝化抑制劑及與氮肥配施比例的試驗(yàn)，以進(jìn)一步探明施用硝化抑制劑對(duì)水稻產(chǎn)量和稻田溫室氣體排放的影響。