Split injection with BNI breaks the trade-off between NH3 and greenhouse gas emissions in rice-wheat rotations

长期以来，农民在为农作物提供养分时一直面临着艰难的选择。为了种植足够的食物以应对不断增长的世界人口，他们必须施用氮肥，但他们施肥的方式往往会引发一系列连锁性的环境问题。当农民将干态肥料撒在农田表面时，大量的氮会以氨气的形式逸散到空气中，导致雾霾和酸雨。如果他们试图通过将肥料深埋在土壤中来解决这个问题，以防止其逃逸，则往往会引发另一个问题：埋在土里的氮可能会转化为氧化亚氮，这是一种比二氧化碳更强的温室气体，能更有效地捕捉热量。几十年来，科学家们一直致力于寻找一种既能阻止氨气上升，又能防止温室气体形成，且不牺牲作物产量的办法。

在中国太湖地区的水稻-小麦田中，一个研究小组测试了一种似乎解决了这一困境的新方法。他们结合了两种特定的技术：将液体肥料分两次深层注入土壤，并添加一种能够减缓氮化学分解过程的天然物质。经过两个完整生长周期的观察，结果显示，这种组合不仅减少了氨和温室气体的排放，还增加了粮食产量。研究表明，通过改变向植物输送氮的位置和方式，农民可以在保护空气和气候的同时，继续养活人口。

这项实验是在一个以集约化农业闻名的地区进行的，那里夏季种植水稻，冬季种植小麦。研究人员设置了一系列试验地块，以比较不同的氮管理方式。一组接受传统处理：将干态尿素肥分三次撒在田面上。另一组接受了减量的同类表面施肥。第三组接受了减量的肥料，但添加了一种生物硝化抑制剂，这是一种源自高粱根部的物质，能自然地减缓铵转化为硝酸盐的过程。最后一组成为了这一突破性成果的焦点，他们接受了将水溶性液体肥料注入地下十厘米处的处理。这种注入分两次进行：一次在季节开始时，另一次在稍晚阶段，以匹配作物的生长需求。这个深层注入组也分别在使用了和未使用生物抑制剂的情况下进行了测试。

结果显示出方法之间的显著差异。传统的表面撒施法导致了大量的氨损失。在水稻季节，表面处理方式每公顷释放了超过46公斤的氮作为氨气。在小麦季节，损失接近每公顷14公斤。这种损失不仅污染了空气，也代表了对农民资金的浪费。当研究人员在表面施肥中加入生物抑制剂时，问题反而恶化了。抑制剂成功地减缓了氮的分解，但由于肥料就停留在表面，氮在更容易以气体形式逃逸的形式停留时间更长。在小麦季节，这种组合导致的氨损失比仅使用减量肥料时增加了67%。

然而，深层注入法彻底改变了结果。通过将液体肥料推入地下十厘米处，研究人员有效地将氮锁在了植物根部可以触及的区域。在没有使用抑制剂的注入地块中，氨损失降至每公顷不到1公斤，这一水平与未施肥的对照组在地统计学上没有区别。氮仅仅是因为被深埋在土壤中，远离了大气层，从而无法逃逸到空气中。

这种氮与空气的物理隔离也解决了温室气体问题。研究人员测量了氧化亚氮和甲烷这两种主要的农业温室气体。传统的表面法产生了最高水平的这些气体。深层注入法即使在没有抑制剂的情况下，也能使水稻季的氧化亚氮排放量减少近60%，小麦季减少43%。当研究人员将生物抑制剂与深层注入法结合使用时，减排效果更加显著。在水稻季节，氧化亚氮排放量与传统方法相比下降了71%。在小麦季节，降幅为54%。在采用深层注入加抑制剂的方法时，主要产生于淹水稻田中的甲烷排放量在水稻季下降了约34%，在小麦季下降了47%。

这种成功的机制在于氮在土壤中的移动和变化方式。当肥料撒在表面时，它停留在氧气充足的表层，使得细菌能迅速将其转化为硝酸盐，进而以氧化亚氮的形式逸散或被冲走。当肥料被注入深处时，它停留在氧气较少的区域，保持为植物更偏好的铵态。生物抑制剂进一步减缓了那些会将铵转化为硝酸盐的细菌活动。由于氮被保持在土壤深处并维持在铵态，它无法被转化为危害气候的气体。研究通过直接测量土壤证实了这一点，显示出铵浓度集中在注入点附近，而硝酸盐水平保持在较低水平。

除了环境效益外，新方法还提高了收成。使用“分次深层注入加生物抑制剂”的地块产量最高。水稻产量比传统方法增加了近6%，小麦产量则跃升了近20%。尽管研究人员在这些地块中施用的总氮量更少，却实现了这一目标。传统方法在水稻季使用每公顷300公斤氮，而新方法仅使用180公斤。这种新方法的效率意味着更多的肥料转化为了谷物，而不是损失在空气或土壤中。经济分析显示，尽管液体肥料和所需的专用注入设备成本更高，但由于减少了环境破坏并增加了作物价值，新方法整体上更具盈利性。

这项研究强调了一个关于农业技术的关键教训：解决方案的放置位置与解决方案本身同样重要。生物抑制剂在表面使用时，会加剧氨的问题；但当它与深层注入结合使用时，就成为了一个高效的系统。深层放置防止了氨的逃逸，使得抑制剂能够发挥其减缓硝酸盐形成的职责，而不会带来空气污染增加的代价。这种深层注入与生物抑制相结合的方法，提供了一种打破长期困扰农民的权衡困境的途径。它证明了只要将肥料直接输送到植物需要的地方，就可以在增加粮食生产的同时，同步减少氮污染和温室气体排放。研究人员指出，若要使这种方法广泛推广，还需要开发用于大规模液体肥料注入的更好机械，但更清洁、更高效的农业前景已清晰可见。