氨揮發是稻田生態系統中氮素損失的主要途徑，這會導致巨大的經濟損失和不良的環境危害。然而，深施肥料與脲酶抑制劑聯合施用條件下氨揮發的具體特征、區域減排潛力以及相關微生物響應仍不清楚。
針對這一科學問題，中國科學院亞熱帶農業生態研究所土壤生態與農業環境課題組在亞熱帶雙季稻種植系統中進行了一項為期兩年的連續高頻原位觀測實驗，系統揭示了氮肥深施與脲酶抑制劑聯合施用對稻田氨揮發的影響及機制。該研究共設置了六種處理：①不施氮肥；②常規施氮；③氮肥用量減少 30%；在降低氮肥用量的情況下：④氮肥深施（位于土壤表面以下 7 厘米處）；⑤脲酶抑制劑使用以及⑥深埋與脲酶抑制劑聯合施用。研究發現，氮肥深施與脲酶抑制劑的結合相較于常規氮肥施用處理，累計氨揮發總量減少了68.0%-73.8%。氮肥深施與脲酶抑制劑的結合的氨揮發減排潛力高于深施和脲酶抑制劑的單獨處理。氮肥深施與脲酶抑制劑結合的減排效果歸因于對尿素水解速率和土壤脲酶活性的抑制，從而顯著限制了土壤中銨態氮的積累。此外，氮肥深施與脲酶抑制劑結合降低了土壤微生物多樣性指數（包括Shannon, Simpson, Chao1, ACE指數），氮肥深施與脲酶抑制劑結合使土壤酸桿菌和卡登巴菌屬的相對豐度增加，而γ-變形菌門、β-變形菌門、藍細菌門和浮霉菌門的豐度則顯著降低。在功能層面，氮肥深施與脲酶抑制劑結合處理下調了關鍵的微生物代謝途徑，包括半乳糖代謝和戊糖磷酸途徑。這些轉變形成了一個不利于快速生成和釋放銨離子的微生物環境，從而進一步降低了氨氣揮發。與常規施肥處理相比，減氮30%處理使水稻產量顯著降低了15.5%，而氮肥深施、使用脲酶抑制劑以及深埋與脲酶抑制劑聯合施用在減氮30%的情況下，四個水稻生長季中均實現了水稻產量不減少。單獨深施肥料、單獨使用脲酶抑制劑以及深埋與脲酶抑制劑聯合施用顯著提高了氮利用效率，在深埋與脲酶抑制劑聯合施用處理下氮利用效率最高（54%-63%），其次是單獨深施肥料（47%-59%）和單獨使用脲酶抑制劑（47%-59%）。進一步的全國估算結果顯示，單獨的氮肥深施和脲酶抑制劑分別能使中國稻田的氨排放量減少423 Gg N yr-1和490 Gg N yr-1，而氮肥深施與脲酶抑制劑的結合能使中國稻田的氨排放量減少528Gg N yr-1，減少的氨排放量占稻田施肥總量約7%-9%。從區域來看，氮肥深施與脲酶抑制劑的結合對中國中南部地區氨減排量最大，占中國總減排量的38%。該研究強調了在高排放地區優先實施減排措施以實現最大環境效益的重要性，并且為稻田種植系統的氮素可持續管理提供了重要的科學依據。
該項研究成果以Sustainable Nitrogen Management in Paddy Fields: Synergistic Effects of Deep Fertilization and Urease Inhibitors on Ammonia Volatilization and Associated Soil Microbiome為題發表在農業生態環境領域權威期刊Agriculture Ecosystems & Environment上。亞熱帶所助理研究員方賢滔和已畢業博士生朱瀟為論文共同第一作者，亞熱帶生態所沈健林研究員為通訊作者，亞熱帶生態所吳金水研究員、北京大學周豐教授和澳大利亞墨爾本大學Deli Chen教授等參與了論文研究及指導工作。該研究得到國家重點研發計劃以及國家自然科學基金等項目的資助。
圖1 不同氮素管理措施下雙季稻田NH3揮發累計排放量
注: CK（不施氮肥）；CON（常規施氮肥）；RN（氮肥用量減少30%）；RD（氮肥用量減少30%+氮肥深施）；RU（氮肥用量減少30%+脲酶抑制劑）；RUD（氮肥用量減少30%+氮肥深施深埋+脲酶抑制劑）
圖2 不同氮素管理措施對土壤微生物的影響
(a)和(b)：六種處理方式下的土壤微生物α多樣性指標（Shannon, Simpson, Chao1, ACE指數）；(c)和(d)：微生物群落組成的主坐標分析（PCoA）；(e)和(f)：不同處理方式下優勢微生物分類群（屬水平和科水平）的相對豐度。
圖3 中國各區域氨排放及各減排措施的減排潛力估算
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