N₂O排放与土壤氮状况的关系


在盆栽试验中，N₂O排放仅与土壤NO₃⁻显著相关，但在田间试验中，N₂O排放与土壤NH₄⁺、NO₃⁻和尿素-N含量在所有处理中均显著相关（P < 0.01）（图3a,b）。土壤氮形态与N₂O排放的相关性顺序为NO₃⁻ > NH₄⁺ > 尿素-N（图3）。此外，路径分析显示NO₃⁻的直接路径系数明显高于NH₄⁺和尿素-N。这表明NO₃⁻是该石灰性土壤中N₂O排放的主要驱动因素。

图3 盆栽试验（a）和田间试验（b）0–20 cm土层中N₂O排放与土壤NH₄⁺-N、NO₃⁻-N和尿素-N含量之间的相关性


酶活性


脲酶是调节尿素水解的关键酶，对土壤中的氮循环有重要影响。尿素施用后几乎1–2天内消失。在小麦抽穗期，三个处理之间的脲酶和羟胺还原酶活性没有显著差异（图4）。然而，与CK和尿素处理相比，尿素+NBPT+nitrapyrin处理在小麦灌浆期的这两种酶活性分别显著降低了25.8%和18.4%（图4a,b）（P < 0.05），表明NBPT加nitrapyrin可以抑制脲酶和羟胺还原酶的活性，延缓尿素水解和NO₃⁻向NH₄⁺的转化。

图4 施肥后第3天0–20 cm土层中脲酶（a）、羟胺还原酶（b）、亚硝酸还原酶（c）和硝酸还原酶（d）的活性。不同字母的值差异显著（P < 0.05）


在两个生育期，尿素处理的亚硝酸还原酶活性最高（0.14和0.23 mg g⁻¹·24h⁻¹）（图4c）。与尿素处理相比，添加NBPT和nitrapyrin在两个生育期分别降低了12%和29%的亚硝酸还原酶活性（P < 0.05）。然而，在两个生育期，尿素+NBPT+nitrapyrin处理的土壤硝酸还原酶活性显著高于尿素和CK处理（P < 0.05）（图4d）。


讨论


我们的结果表明，尿素在2天内完全水解为NH₄⁺，但添加NBPT可以延迟尿素水解14天，且NBPT处理土壤中的NH₄⁺浓度相对较低（图1a,e），表明NBPT是一种有效的脲酶抑制剂，可在土壤中长时间维持尿素-N。与此一致，有研究发现，在尿素施用后7–14天内，添加NBPT的土壤中观察到高水平的尿素-N浓度。


NBPT的添加似乎在培养初期降低了N₂O通量，这可能是由于尿素水解过程尚未完成，可用于N₂O产生的底物较少。有报道称，通过施用NBPT减少N₂O排放是暂时的，当脲酶抑制剂的效力消失时，N₂O排放会迅速增加。这表明单独尿素与脲酶抑制剂联合可能对总N₂O排放影响较小。


NBPT与nitrapyrin的联合添加在施肥后第3天起对抑制硝化表现出显著效果。硝化抑制率在小麦抽穗期接近50%，在灌浆期超过60%。联合NBPT与nitrapyrin处理中NH₄⁺、NO₃⁻和尿素-N的总浓度高于尿素处理。这表明nitrapyrin和NBPT的使用对增加土壤氮素有效性有显著效果。先前研究报道，双抑制剂的使用增加了NH₄⁺含量和氮肥回收率。这些发现表明，NBPT和nitrapyrin的组合可以有效维持较长时间的高水平土壤有效氮。然而，有研究发现，单独施用硝化抑制剂（DCD）增加了碱性石灰性土壤中的氮损失（主要通过NH₃挥发）。已证明脲酶抑制剂可以通过减缓尿素水解来潜在地减少NH₃排放。因此，在农业生产中，硝化抑制剂和脲酶抑制剂的联合使用可能比单独施用更可持续。


相关分析表明，在盆栽试验中土壤NO₃⁻与N₂O排放显著相关（图3a）；因此，我们推断在该石灰性土壤中N₂O排放主要来源于NO₃⁻的反硝化过程。同时，在田间试验中，双抑制剂添加处理在施肥后第5至7天之间的N₂O排放低于尿素处理。原因可能是尽管抑制剂添加处理中的土壤NH₄⁺浓度高于尿素处理，但土壤NO₃⁻浓度较低。因此，较低的N₂O排放可能主要归因于相对较低的NO₃⁻浓度。这进一步证明反硝化作用在滴灌石灰性土壤N₂O产生中具有重要作用。


普遍认为，在有氧土壤条件下硝化作用是N₂O产生的主要过程，而在厌氧条件下反硝化作用主导N₂O产生。在本研究中，盆栽和田间试验均保持相对厌氧环境，为反硝化过程提供了适宜条件。另一方面，同一处理在第7天的N₂O排放低于第3天，主要是因为在滴灌农业系统中每次灌溉周期（约10天）内土壤水分逐渐降低。同样，有报道称，土壤含水量从100%降至65%持水能力导致N₂O显著减少。


土壤反硝化由反硝化细菌和还原酶驱动，如硝酸还原酶、亚硝酸还原酶和一氧化氮还原酶。在本研究中，我们发现添加抑制剂增加了硝酸还原酶的活性，高于单独施用尿素。其中一个可能的原因是抑制剂添加处理中相对较低的NO₃⁻浓度对硝酸还原酶活性有促进作用。其他研究表明，亚硝酸还原酶在碱性土壤N₂O排放中起主要作用。这可能是本研究中通过添加抑制剂有效减少N₂O排放的解释（抑制剂添加土壤中亚硝酸还原酶活性较低）。此外，我们发现N₂O排放与土壤NO₃⁻在盆栽和田间试验中均存在强正线性相关（直接路径系数高）（表3和4）。这些清楚地表明，NO₃⁻是培养或田间试验条件下N₂O排放的重要驱动因素。此外，土壤NH₄⁺和尿素-N浓度在田间试验中与N₂O排放显著相关（图3b，表4），表明在滴灌田间硝化作用对N₂O排放的影响不容忽视。



表3 盆栽实验中N2O排放与土壤NH4+、NO3-和尿素-N含量的通径分析
自变量 R² 直接通径系数 NH4+-N (X1) 间接通径系数 尿素-N (X2) 间接通径系数 NO3--N (X3) 间接通径系数
NH4+-N (X1) 0.224 0.251 — -0.006 -0.008
尿素-N (X2) 0.332 0.377 -0.009 — -0.025
NO3--N (X3) 0.572 0.604 -0.018 -0.04 —


表4 田间实验中N2O排放与土壤NH4+、NO3-和尿素-N含量的通径分析
自变量 R² 直接通径系数 NH4+-N (X1) 间接通径系数 尿素-N (X2) 间接通径系数 NO3--N (X3) 间接通径系数
NH4+-N (X1) 0.616 -0.085 — -0.049 -0.065
尿素-N (X2) 0.588 -0.003 -0.001 — -0.002
NO3--N (X3) 0.839 0.907 0.702 0.640 —


结论


尿素加NBPT显著增加了土壤尿素-N浓度，并在尿素施用后在盆栽和田间试验中保持了较高的脲酶抑制率。脲酶抑制剂的添加在整个培养周期中降低了土壤NH₄⁺，但在田间条件下当脲酶抑制剂与硝化抑制剂联合使用时增加了NH₄⁺浓度。小麦抽穗期和灌浆期施肥后第3天的硝化抑制率分别为47.7%和63.9%。与单独施用尿素相比，尿素联合NBPT和nitrapyrin处理的小麦抽穗期和灌浆期平均NO₃⁻/NH₄⁺比值显著降低了44.4%，表明双抑制剂施用对抑制土壤硝化有显著效果。此外，与尿素处理相比，尿素加双抑制剂在抽穗期和灌浆期分别显著减少了35.3%和31.8%的N₂O排放，表明硝化抑制剂和脲酶抑制剂的组合可以显著减少N₂O排放。路径分析和Pearson相关分析证明，NO₃⁻是该石灰性土壤中N₂O排放的主要驱动因素，表明反硝化可能是土壤N₂O产生的主要途径。总体而言，尿素加脲酶抑制剂（NBPT）和硝化抑制剂（nitrapyrin）不仅可以作为减少土壤N₂O排放的有力策略，还可以提高滴灌石灰性土壤中的土壤氮素有效性。


致谢 我们感谢所有提供数据的研究作者。感谢来自美国的William Gale博士的有益评论和修改。


资助信息 本工作由国家重点研发计划（2017YFC0504302-02）和国家自然科学基金（41461064）联合资助。


伦理标准合规性


利益冲突 作者声明没有利益冲突。