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文章信息
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【文章信息】
原名：Biological nitrification inhibitor co-application with urease inhibitor or biochar yield different synergistic interaction effects on NH3 volatilization, N leaching, and N use efficiency in a calcareous soil under rice cropping
译名：硝化抑制剂与脲酶抑制剂或生物炭配施对稻田土壤NH3挥发、氮素淋失和氮素利用效率产生不同的效应
期刊：Environmental Pollution
2022年影响因子：9.988
5年影响因子：10.366
在线发表时间：2023.02.03
通讯作者：Ting Lan
E-mail: tlan@sicau.edu.cn
第一单位：四川农业大学资源学院
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文章摘要
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氮肥管理措施(NMMs)如施用脲酶抑制剂(UIs)、硝化抑制剂(SNIs)和生物炭(BC)通常用于减轻氮素损失和提高肥料回收效率(FRE)。种植水稻的碱性土壤具有高硝化潜力、氮流失风险和低FRE的特点。施用SNIs可能刺激高pH土壤中NH3的挥发，SNIs对FRE的影响并不总是积极的。BNIs比SNIs有很多优势。在石灰性土壤上水稻种植条件下，BNI、尿素和生物活性炭的配合施用能否产生提高FRE和减少氮素流失的协同效应值得研究。在本研究中，我们进行了盆栽试验，研究了BNI(3-(4-羟苯基)丙酸甲酯或MHPP，500mg kg-1土壤)，UI(正丁基)，硫代磷酰三胺或NBPT，2%的尿素氮)，或BC(小麦秸秆，0.5% (w/w))与化肥单施和共施对稻田石灰性土壤中NH3挥发、N2O排放、氮素淋溶、作物氮素吸收和FRE的影响。结果表明，这些NMMs可减少NH3挥发12.5%-26.5%，N2O排放62.7%-73.5%，氮素淋失17.5%-49.0%。然而，BNI可能有增加NH3挥发损失(5.98%)的风险。其中，双抑制剂(BNI+UI)具有协同效应，能最大限度地减少氮素损失，有效提高FRE 25.4%。上述影响的机制可能部分归因于AOA和AOB丰度的生态位分化和AOB群落结构的改变，进而影响硝化作用和氮素去向。结果表明，BNI和尿素与尿素配合施用是减少石灰性土壤氮素流失和提高FRE的有效措施。
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研究背景
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碱性土壤具有很高的硝化-反硝化活性和NH3挥发损失潜力，硝化作用促进了植物和微生物对氮的利用。采取联合措施减轻硝化作用，维持氮素损失和作物产量的平衡。尽管作用机制不同，但施用硝化抑制剂、脲酶抑制剂和有机碳可以有效减轻土壤氮素流失。与单独施用硝化抑制剂相比，双抑制剂组合在减少氮素损失方面更有效。同时生物炭作为一种有机碳，对土壤硝化作用有着双重作用。生物炭可以抑制硝化作用，但是生物炭施入土壤后可能会增加土壤pH，提高铵态氮和溶解有机碳，增强土壤硝化作用。
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研究目的
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(1) 生物炭和硝化/脲酶抑制剂联合施用有可能会影响水稻种植下碱性土壤中NH3挥发、N2O排放、氮素淋溶、作物氮素吸收和FRE；
(2) 当化学肥料与BNI、UI和BC混合施用时，它们之间存在协同作用。
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研究方案
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本试验共设九个处理，每个处理三个重复，具体试验设置见表一。在对照处理中不施尿素，而在所有其他处理中，尿素以220kg N·ha-1/季的用量分三次施用，即基施(40%)、第一次追肥(20%)和第二次追肥(40%)。相比之下，P2O5和K2O肥料分别以60和120kg ha-1作为基肥施用，并且在所有9个处理中施用量相等(表1)。UI用量为尿素氮的2%，BNI用量为500mg·kg-1土壤。在处理应用之前，将UI和BNI分别用乙醇和聚乙二醇溶解，并与尿素均匀混合并干燥。BC在施用前通过2 mm的筛子，施用率为0.5% (w/w)。UI、BNI和BC均施基肥。九个处理的所有肥料和处理被均匀地人工撒入地表水中。每盆栽水稻，2019年6月1日插秧(30天)。在水稻生长期间，除了在季中排水(MSD)阶段(从7月24日到8月4日)和水稻收获前的最后排水(大约1周)之外，每个花盆持续被淹没在大约2-8cm的深度。
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研究内容
1、土壤NH3排放
NH3挥发通量在每次施氮后集中，在水稻生长后期间歇灌溉时达到峰值。相对于零氮对照处理，施尿素处理(T2-T9)的季节性积累氮素挥发（SA_NH3）损失增加了2.05-2.95倍，范围为15.0-44.3kg N·ha-1。然而，当与尿素处理(T2)相比时，施用NMMs显著降低了SA_NH3 12.5%-26.5%，唯一例外的是BNI处理，其中SA _ NH3在数字上但统计上增加了5.78%。
2. N2O排放
一般来说，水稻生长期间的N2O排放通量在0μg·N·kg-1·h-1到15.6μg·N·kg-1·h-1的小范围内变化。9个处理的季节性积累N2O排放量（SA_N2O）范围为0.38kg N·ha-1至1.90kg N·ha-1，尿素、UI和UI_BNI_BC处理之间的SA_N2O无统计学差异。然而，与尿素处理相比，其他处理中的SA_N2O受到不同程度的抑制(62.7%-73.5%)，其中BNI_BC处理的抑制率最大。此外，在所有施用尿素的处理(T2–T9)中，N2O排放因子值的范围为0.04%至0.69%，平均值为0.34%。
3.N淋溶
季节性积累氮素淋溶（SA_N leaching）从3.69kg·N·kg-1·h-1至10.1kg·N·kg-1·h-1不等，对照损失最小，尿素处理损失最大。TN的淋溶占SA_N leaching的88.1%-90.1%，而以NH4+或NO3-形式的N浸出量不相上下，占SA_N leaching的10%以下。与对照相比，施用氮肥时SA_N leaching增加了1.39-2.73倍。然而，与尿素处理相比，通过施用措施，SA_N leaching明显减少17.5%-49.0%，其中UI和BC处理的减少率最大。
4. 植物吸氮量 (PNU)、氮素收获指数（NHI）、氮素生理效率（NPE）和肥料回收效率（FRE）
水稻植株总共吸收了36.8-115.2 kg·N·h-1，各处理的NHI从69.5%到79.6%不等。所有选定的NMMs都不影响NHI，只有UI处理例外，与尿素处理相比，NHI明显下降。与尿素处理相比，NPE值增加了1.16-1.72倍，其中UI和BNI-BC处理的增幅最大。相比之下，NMMs的应用对FRE值表现出不同的影响，其中BNI和BNI-UI处理分别显著提高了作物对氮的吸收18.6%和25.4%，而UI、BNI-BC、UI-BC和UI-BNI-BC处理则降低了13.4%-21.1%。
5.AOA和AOB的amoA基因丰度
AOA和AOB中amoA基因都被大量检测到，但它们的丰度在不同处理中差异很大。不同处理中AOA和AOB amoA基因的丰度分别为1.64×108至8.31×10 8 g-1土壤和3.67×108至15.3×109 g-1土壤。于所有处理值的pearson相关分析表明，AOB的丰度与SA_NH3和SA_N leaching呈正相关，而AOA的丰度则不然。
6. AOA和AOB的群落结构
结果表明，九个处理中所有AOB序列都属于Nitrosospira组。其余少数序列隶属于对照组3a.1和群组3b.2。相反，在尿素处理中，克隆序列主要被归入3a.2群、3b.2群和3a.1群。BNI_UI处理中的AOB群落结构与尿素处理中的群落结构相似，而其他NMMs应用处理改变了AOB的群落结构，特别是BNI处理。然而，在这些应用NMMs的处理中，AOA群落结构的变化比AOB小，因为这些变化只能在Nitrososphaera组的亚簇水平上观察到。RDA分析显示，轴1和轴2分别解释了38.1%和20.9%的AOB群落结构的变化。在AOB群落结构中，有15.4%的变化与NH3挥发有关。此外，5厘米的土壤温度是主要的环境因素，可以解释16.8%的AOB群落结构的变化。至于AOA的群落结构，轴1和轴2分别解释了40.1%和9.27%的变化。然而，NH3挥发、N2O排放和沥滤与AOA群落结构之间没有相关性。
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主要结论
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生物硝化抑制剂(BNI)、脲酶抑制剂(UI)和生物炭(BC)单独或与尿素配合施用可以减少稻田土壤中NH3挥发、N2O排放和氮素淋失。然而，除了BNI可能有增加NH3挥发损失的风险。在这些措施中，双抑制剂(BNI+UI)组合产生了协同效应，可以最大限度地减少氮素损失，并有效地改善FRE，因此可能在水稻可持续种植中发挥重要作用。BNI、UI和BC对氮素流失和FRE的影响部分归因于AOA和AOB之间的生态位分化和主要是AOB群落结构的改变。
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心得体会
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1.生物炭和硝化抑制剂配施调节氮损失的机制可以部分归因于改变了土壤中AOB群落结构对硝化作用的影响，施用生物炭和硝化抑制剂后AOB群落比AOA群落更容易受到影响。
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