刘俊明|傅圆圆|杨乐|司婉芸|苏努西·阿明·阿布巴卡尔|李慧杰|周涛|任瑞琦|李洪臣|李鹏|司秉成|高阳|安吉拉·劳施
鲁东大学水利与土木工程学院，中国山东省烟台市264025
摘要
在气候变异性增加和干湿循环频繁的背景下，优化氮素管理以平衡气体氮损失与作物生产力变得至关重要。在中国华北平原进行了一项为期两年的田间实验，研究了灌溉模式和肥料类型（尿素与3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）的组合使用以及仅使用尿素）对土壤N₂O和NH₃排放、土壤温度、水分孔隙度（WFPS）以及玉米产量的影响。实验设置了四种处理方式：（1）交替滴灌加DMPP（T1），（2）交替滴灌不加DMPP（T2），（3）常规滴灌加DMPP（T3），（4）常规滴灌不加DMPP（T4）。研究表明，土壤温度和WFPS是调节N₂O和NH₃排放的关键因素，排放峰值通常发生在灌溉和施肥之后，这突显了土壤物理条件在控制氮转化过程中的主导作用。与传统滴灌相比，交替滴灌使累计N₂O排放量减少了0.9–10.5%（P<0.05），而添加DMPP后这一缓解效果进一步增强，累计N₂O排放量减少了22.2–50.3%。相比之下，NH₃排放对灌溉模式和肥料类型的响应较弱且变化较大，在常规灌溉条件下DMPP使累计NH₃排放量增加了高达32.2%，而在交替灌溉条件下则减少了高达19.4%，但这些效应存在显著的年际差异。值得注意的是，交替滴灌与DMPP的联合应用（T1）实现了最低的累计N₂O和NH₃排放量，分别减少了51.5–73.3%和88.0–96.0%，同时玉米产量增加了14.8–21.4%。这些结果表明，在华北平原典型的沙壤土中，将交替滴灌与DMPP结合使用是减少氮排放和提高玉米产量的有效策略，同时也强调了在可持续农业管理中需要考虑不同氮损失途径之间的权衡。
引言
在21世纪，确保全球快速增长的人口的食物安全和营养需求仍将是一个挑战（Bodirsky等，2014；Carducci等，2023；Hazard等，2020）。实现这些目标不仅需要持续提高作物生产力，还需要采用减少环境影响的农业实践（Lu等，2026）。氮（N）管理将是这一挑战的核心，因为氮肥施用在提高作物产量的同时也会导致氮向环境的释放（Saeed等，2022；Tedeschi等，2020）。其中，NH₃和N₂O的排放尤其令人担忧，因为它们会加剧空气污染、气候变化和平流层臭氧层损耗（Laborde等，2021；Wang等，2016）。因此，寻找既能提高产量又能减少NH₃和N₂O排放的管理策略对于农业系统的可持续集约化至关重要。
滴灌作为一种高效的水资源和氮资源节约技术得到了广泛推广，因为它能够将水分和养分直接输送到根区，并保持有利于作物生长的土壤湿度条件（Akin和Cemek，2025；Hamani等，2023）。然而，灌溉模式会显著影响土壤湿度分布、通气状况和微生物活动，从而调节氮的转化过程和气体氮的损失（Xu等，2024；Zhang等，2023a）。特别是交替滴灌通过创造空间和时间上的干湿土壤条件，被认为是一种有前景的减少N₂O排放的方法，因为它限制了有利于反硝化的厌氧条件（Goldberg和Gebauer，2009；Sang等，2022）。实证研究表明，在淹水稻田系统中，土壤的干湿交替可能会刺激N₂O的排放（Islam等，2018；Liu等，2021），而在旱地作物系统中则可能抑制N₂O的排放（Goldberg和Gebauer，2009；Muhr等，2010）。与N₂O不同，尽管NH₃是许多旱地系统中氮损失的主要途径，但其对交替滴灌的响应仍不甚明确。
除了灌溉管理外，硝化抑制剂也被认为是一种有效的减少N₂O排放的方法（Matse等，2025）。其中，3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）因其能够抑制NH₄⁺向NO₃⁻的转化而受到广泛应用，从而抑制由硝化作用产生的N₂O排放（Papadopoulou等，2024；Vitale等，2017；Yang等，2024）。然而，一些研究表明，DMPP的应用可能会无意中增加NH₃的挥发，主要是通过延长NH₄⁺在土壤表面的停留时间和增加可交换NH₄⁺的量（He等，2023；He等，2025）。从机制上看，DMPP延缓了硝化过程，并将铵的转化与植物对氮的吸收和土壤湿度动态脱钩，导致施肥后关键时期可挥发NH₄⁺的积累（Lyu等，2024；Wang等，2022）。此外，DMPP引起的微生物活动和土壤生化过程的变化可能会影响尿素的水解，而尿素水解是施肥后NH₃排放的关键驱动因素（Li等，2023）。
重要的是，灌溉制度通过调节水分孔隙度（WFPS）、气体扩散途径以及土壤剖面中NH₄⁺的空间再分布，对这些相互作用过程起着主导作用。在滴灌条件下——尤其是交替滴灌条件下，相邻的湿润和干燥区域的形成可能会同时影响NH₄⁺的保留、表面积累和挥发潜力（Li等，2026）。因此，灌溉模式与DMPP应用之间的相互作用可能是NH₃排放响应的一个决定性但尚未充分探索的因素，尤其是在水分移动迅速和NH₄⁺迁移性强的粗质地土壤中。华北平原是中国重要的玉米种植带，集约化的农业活动导致了大量的氮损失和土壤退化（Wang等，2023；Wang等，2025）。该地区以沙壤土为主，因此更容易受到水分再分配、氮淋失和气体氮损失的影响。我们假设，虽然单独使用DMPP可能会通过延长NH₄⁺的保留时间增加NH₃的排放潜力，但其与适当的滴灌模式的结合可以调节土壤湿度和通气条件，从而限制NH₃的挥发。此外，交替滴灌预计可以通过创造空间上的干湿土壤环境来调节DMPP对N₂O排放的影响。
为了验证这些假设，在华北平原进行了一项为期两年的渗漏仪田间实验，研究了两种灌溉模式（常规滴灌和交替滴灌）和两种肥料类型（尿素与DMPP的组合使用以及仅使用尿素）。本研究的目标是：（1）量化灌溉模式和肥料类型对土壤N₂O和NH₃排放、土壤温度以及玉米产量的影响；（2）解释在不同处理条件下土壤物理性质、养分动态和气体氮排放之间的关系。通过实现这些目标，本研究旨在为华北平原可持续玉米生产的氮素管理策略提供机制上的见解。
实验设计
实验在中国农业科学院新乡试验站（北纬35.2°，东经113.8°）的避雨棚内进行，时间为2021–2022年的玉米生长季。年平均降水量为582毫米，主要集中在6月至10月。玉米生长期间的每日气象数据见图S1。实验所用土壤为沙壤土，其容重为1.51克/立方厘米，田间持水量为31%。土壤表层20厘米的...
土壤温度和水分孔隙度
2021年玉米生长季的土壤温度在0–20厘米深度范围内为22.5°C至31.5°C（图3a），2022年玉米生长季为18.7°C至33.0°C（图3c）。四种处理方式之间的土壤温度没有显著差异（图3e，P>0.05）。相比之下，水分孔隙度在不同处理和采样期间表现出显著变化。2021年的水分孔隙度范围为6.9%至86.8%（图3b），2022年为9.9%至75.1%（图3d）。在这两年中，水分孔隙度通常在灌溉后增加，并随着土壤湿度的降低而减少...
NH₃或N₂O排放与土壤环境因素的相关性
土壤N₂O排放主要受微生物硝化和反硝化过程的控制，这些过程受到土壤温度、水分孔隙度和矿物氮可用性的强烈影响（Papadopoulou等，2024；Ren等，2023；Rowlings等，2013）。在本研究中，土壤N₂O通量与NO₃⁻-N和水分孔隙度呈正相关（图7），表明基质可用性和土壤湿度状态在控制N₂O排放中起着关键作用...
结论
这项为期两年的田间研究系统地评估了灌溉模式（交替滴灌和常规滴灌）和肥料类型（尿素与DMPP的组合使用以及仅使用尿素）对土壤N₂O/NH₃和玉米产量的综合影响。结果表明，交替滴灌显著减少了N₂O排放，而添加DMPP后这种缓解效果进一步增强。相比之下，NH₃排放对灌溉模式和肥料类型的响应较弱...
刘俊明：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据分析、数据整理。傅圆圆：初稿撰写、方法学研究、调查。杨乐：初稿撰写、方法学研究、调查。司婉芸：方法学研究、调查。苏努西·阿明·阿布巴卡尔：撰写——审稿与编辑。李慧杰：软件使用、资金获取。周涛：方法学研究。任瑞琦：方法学研究。李洪臣：方法学研究。李鹏：方法学研究。司秉成：
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了山东省重点研发计划（2023TZXD011）、农业科技创新计划（ASTIP）、中央公益性科研机构基础研究基金（编号2024QC19）、中国农业科学院、山东（中国）-以色列合作计划（2023KJHZ007）以及烟台市科技创新发展计划（2023JCYJ092）的支持。
