硝化抑制剂双氰胺施用对水稻产量和温室气体排放的影响

陈云 孟轶 翁文安 陈雨琼 张洪程 廖萍

（江苏省作物栽培生理重点实验室/江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农学院/扬州大学水稻产业工程技术研究院，江苏 扬州 225009；第一作者：y_chen2022@163.com；*通信作者：p.liao@yzu.edu.cn）

全球气候变暖是当前人们关注的热点话题。据IPCC 第6 次评估报告指出，2011—2020 年间全球平均气温比1850—1900 年间升高了1.1 ℃[1]。甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）是导致全球气候变暖的主要温室气体[2]。人类生产活动所产生的温室气体是导致全球气候变暖的重要因素[2]。有研究表明，稻田是CH4和N2O 排放的主要农业排放源，分别占人为因素所引起CH4和N2O排放量的11.0%和30.0%[3]。到2050 年，全球稻米产量需要增长28.0%才能满足人口增长对粮食的需求[4]。我国水稻种植面积仅次于印度，稻米年产量居世界第一[5]。同时，我国稻田温室气体排放总量亦居世界首位[6]。如何协同实现水稻高产和稻田温室气体减排对保障国家粮食安全和缓解全球气候变暖具有重大意义。

施用氮肥是保障水稻高产的前提。有研究表明，1980 年到2015 年，我国氮素损失从20.2 Tg/yr 增长至54.5 Tg/yr[7]。不合理的氮肥施用使得我国水稻氮素利用率仅为29.1%[8]，同时也造成了稻田土壤酸化、地下水硝酸盐和亚硝酸盐含量超标以及湖泊和河流水体富营养化等环境问题[9-11]。因此，如何降低稻田氮素损失，提升氮肥利用率以及增加水稻产量是当前的研究热点。硝化-反硝化过程是稻田土壤微生物引起氮素损失的主要途径之一[12-13]。大量研究证实，常规氮肥配施硝化抑制剂能够降低土壤微生物硝化速率，提升氮肥利用效率，最终使水稻获得高产[12-14]。但是，以往研究主要是探究硝化抑制剂对氮肥利用效率和水稻产量的影响，而对稻田温室气体排放研究较少[13]。双氰胺是一种市面上常见的硝化抑制剂[15]。本研究开展盆栽试验，设置常规尿素和尿素配施双氰胺2 个处理，旨在探明常规氮肥配施硝化抑制剂对水稻产量和稻田温室气体排放的影响，以期为我国水稻丰产和农业领域实现碳中和目标提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试品种

于2021 年在江苏省盐城市大中农场（120°39′E,33°08′N）进行盆栽试验。该区域年均气温14.6 ℃，年均降水量1 040 mm。试验前土壤过2 mm 筛，土壤质地为砂壤土，有机碳12.5 g/kg，全氮1.0 g/kg，碱解氮70.0 mg/kg，速效磷16.0 mg/kg。该地区农作物种植制度为稻-麦轮作。在水稻季，选用当地主推常规粳稻南粳9108 为供试品种。

1.2 试验设计

共设置2 个处理：1）常规氮肥，记作CK；2）常规氮肥与硝化抑制剂双氰胺配施，记作DCD。每个处理重复5 次。本试验施用的双氰胺为白色晶体，分析纯。塑料盆高度为27 cm、直径为28 cm，每盆装土质量10 kg。盆栽试验各处理氮肥施用量为纯N 1.35 g/盆，相当于大田纯N 施用量为270 kg/hm2。磷肥和钾肥用量按纯N∶P2O5∶K2O=1∶0.5∶0.8 施用。氮肥为尿素，按基肥∶分蘖肥∶穗肥=4∶2∶4 施用；磷肥为过磷酸钙，作基肥一次性施用；钾肥为氯化钾，按基肥∶穗肥=5∶5 施用。双氰胺与氮肥溶于自来水混匀后施用，双氰胺施用量为每次氮肥施用量的5%。水稻移栽盆后持续淹水；水稻病虫害防治按照当地高产栽培模式进行。

1.3 测定指标

1.3.1 水稻产量及其构成

在水稻成熟期，数盆内穗数。水稻收获后，手工脱粒，考察每穗粒数和结实率。将所有饱粒进行称重，计算千粒重。地上部植株和稻谷在70 ℃条件下烘干后称重，计算干物质量，并按14.0%的粳稻安全储存含水量计算实际产量。

1.3.2 温室气体排放量

水稻全生育期内，采用静态暗箱-气相色谱法监测稻田温室气体排放。25 d 秧龄的秧苗移栽后，将盆置于底部密封的正方形不锈钢框（边长60 cm，高3 cm）内。气体采集时，在不锈钢框内注满水，以避免采气箱（长50 cm，宽50 cm，高50 cm+50 cm）内与外界空气交换。采气箱用隔热棉包裹，内部安装12 v 电风扇。各处理随机选取3 盆进行温室气体采集，采集周期为每周1次，每次取气时间为上午8∶00—10∶00。每间隔10 min用注射器通过三通阀将气体从静态暗箱中抽出，共抽取4 次。采用Agilent 7890b 气相色谱仪（安捷伦科技有限公司，美国）同时测定样品中CH4和N2O 浓度。CH4和N2O 检测器分别为氢火焰离子化检测器和电子捕获检测器。气相色谱仪参数设置和稻田温室气体排放通量计算方法参照文献[16]。

1.3.3 综合温室效应和温室气体排放强度

在100 年时间尺度上，单位质量CH4和N2O 的综合温室效应（GWP）分别为CO2的34 倍和298 倍[17]。一般情况下，CH4和N2O 排放量按分子温室效应转换成CO2当量进行温室效应的估算，按照公式计算综合温室效应：GWP=34×R（CH4）+298×R（N2O），式中，R（CH4）和R（N2O）分别表示CH4和N2O 的累积排放量。温室气体排放强度（GHGI）表示单位稻谷产量对气候变化的潜在反应，计算公式为：GHGI=GWP/Yield，式中，Yield表示盆栽水稻实际产量。

1.4 数据处理

采用SPSS 18.0 软件和T 检验法，在p＜0.05水平进行显著性检验。采用Origin 8.0 软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理水稻产量、产量构成及地上部生物量

由表1 可见，与CK 相比，DCD 处理显著提高了水稻产量（15.1%）和地上部生物量（28.4%）。从产量构成来看，DCD 处理的每盆穗数和每穗粒数分别显著增加10.3%和6.1%，而结实率和千粒重所受影响不显著。

表1 双氰胺对水稻产量、产量构成和地上部生物量的影响（n=5）

2.2 不同处理稻田CH4 和N2O 排放通量

从图1 a 可见，2 个处理间稻田CH4排放通量趋势相似。CK 和DCD 处理的CH4排放通量在移栽后22 d内趋近于零，之后逐渐升高，在第65 d 达到排放高峰后逐渐下降；DCD 处理的CH4排放通量整体低于CK处理。

图1 双氰胺对稻田CH4（a）和N2O（b）排放通量的影响（n=3）

水稻移栽后，稻田N2O 排放通量逐渐升高（图1 b）。在第29 天，CK 监测到1 个明显的排放高峰，而DCD 处理未发现。之后，2 个处理的N2O 排放通量在零线处上下波动，处理间差异不明显。

2.3 稻田CH4 和N2O 累积排放、GWP、和GHGI

由表2 可见，与CK 相比，DCD 显著降低了稻田CH4累积排放量（22.2%）、N2O 累积排放量（56.0%）、GWP（24.4%）和GHGI（31.7%）。

表2 双氰胺对稻田CH4 和N2O 累积排放、GWP 和GHGI 的影响（n=3）

2.4 相关性分析

相关性分析表明，水稻地上部生物量与稻田CH4和N2O 累积排放量均呈显著负相关（图2）。

图2 稻田CH4（a）和N2O（b）累积排放与地上部生物量的相关性

3 结论与讨论

3.1 双氰胺对水稻产量的影响

本研究表明，与施用常规氮肥相比，常规氮肥与双氰胺配施显著提高了水稻产量，主要归功于每盆穗数和每穗粒数的增加。其原因主要是：1）常规氮肥与双氰胺配施显著降低了稻田N2O 排放量。因此，通过抑制硝化-反硝化途径中的氮素损失，硝化抑制剂能够增加氮肥利用率，促进水稻生长[14]。2）通过提高氮素利用率，硝化抑制剂增加了水稻叶片保持绿色能力，有利于水稻光合效率，增加净光合产物积累，进而提高地上部生物量[18]。本研究也发现，常规氮肥与双氰胺配施显著提高了水稻地上部生物量。有研究表明，硝化抑制剂能够提高根系活力，促进根系对矿质养分的吸收[19]。硝化抑制剂通过协调水稻源-库关系，最终提高水稻产量[20]。

3.2 双氰胺对稻田CH4 和N2O 排放的影响

与施用常规氮肥相比，常规氮肥与双氰胺配施显著降低了稻田CH4排放量。原因可能是：1）在淹水条件下，硝化抑制剂能够直接抑制产甲烷菌的活性，从而降低稻田CH4产生[21]。2）前人研究表明，硝化抑制剂降低了硝化速率，提升土壤铵态氮浓度，有利于甲烷氧化菌的生长和繁殖，最终促进稻田CH4的氧化[22-23]。3）在本研究中，常规氮肥与双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与稻田CH4累积排放呈显著负相关。尽管常规氮肥与双氰胺配施提高了稻田土壤产甲烷菌所需的底物碳源，但其促进了水稻根际泌氧能力，从而降低了稻田CH4排放量，这与前人研究结果相似[13,24]。当土壤有机碳的含量高于12.0 g/kg 时，稻田CH4排放随地上部生物量增加而下降[25]。

土壤N2O 来源于微生物主导的氮循环，其中土壤微生物通过硝化与反硝化途径是农田N2O 排放的主要来源[26]。本研究表明，与CK 相比，常规氮肥与双氰胺配施显著降低了稻田N2O 排放量。一方面，硝化抑制剂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，还有研究表明，硝化抑制剂提高了土壤氧化亚氮还原菌的基因丰度，促进了稻田N2O 还原为N2[28]。另一方面，本研究发现，常规氮肥与双氰胺配施提高了水稻穗数、产量和地上部生物量。常规氮肥与双氰胺配施可能通过提高地上部氮素吸收来降低稻田N2O 排放量[29]。本研究也表明，水稻地上部生物量与稻田N2O 累积排放呈显著负相关。

3.3 本研究的不足

本试验探究了硝化抑制剂双氰胺施用对水稻产量和温室气体排放的影响，但试验设计为一季盆栽试验，后续应进行多年多点的重复研究。本研究重点分析了施用硝化抑制剂对稻田CH4和N2O 排放的影响，但只选用了一种硝化抑制剂（双氰胺）为试验材料，后续应开展不同类型的硝化抑制剂及与氮肥配施比例的试验，以进一步探明施用硝化抑制剂对水稻产量和稻田温室气体排放的影响。