摘要
研究旨在评估微囊化脲酶抑制剂正丁基硫代磷酰三胺（NBPT）微囊和硝化抑制 3，4- 二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）微囊对棕壤温室气体氧化亚氮（N2O）、甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）排放和玉米产量的影响，并与其原剂型 NBPT 和 DMPP 的作用效果进行比较，验证抑制剂微囊新剂型的优越性，为抑制剂微囊的研发与优化提供科学依据。选取棕壤作为供试土壤开展田间试验，设置 6 种处理方式：不施氮肥处理（CK）、单施尿素处理 （U）、尿素配施 NBPT 处理（NBPT）、尿素配施 DMPP 处理（DMPP）、尿素配施 NBPT 微囊处理（微囊 N）以及尿素配施 DMPP 微囊处理（微囊 D）。采用静态箱-气相色谱法测定玉米生育期土壤温室气体的排放通量，并计算综合增温潜势（GWP）和温室气体排放强度（GHGI），同时，采集各处理区域 0 ～ 20 cm 表层土壤样本，用于测算铵态氮（NH4+ -N）和硝态氮（NO3- -N）的含量，玉米成熟期测量产量。分析施用 NBPT 微囊和 DMPP 微囊对农田温室气体排放、增温潜势、土壤矿质氮（NH4+ -N 和 NO3- -N）含量以及玉米产量的影响。结果显示，微囊 D 和微囊 N 相比传统剂型 DMPP 和 NBPT 在多方面都表现出了更优异的效果。与 NBPT 和 DMPP 处理相比，微囊 N 和微囊 D 处理分别显著降低了 N2O 排放 10.67% 和 21.43%，且微囊 D 比微囊 N 处理进一步显著减少了 N2O 排放 17.91%。同时，微囊 N 和微囊 D 处理显著增加了棕壤对 CH4 的累计吸收，分别提高了 57.88% 和 51.13%，二者之间差异不显著。在 CO2 排放方面，微囊 N 和微囊 D 处理分别减少了 6.61% 和 5.36%。此外，微囊 N 和微囊 D 相比 NBPT 和 DMPP 处理，分别显著降低了 GWP 14.63% 和 27.05%，以及 GHGI 18.76% 和 30.06%。在玉米产量上，微囊 N 和微囊 D 处理分别显著提高了 5.07% 和 4.27%。微囊 D 处理相对于微囊 N 处理，显著减少了 GWP 和 GHGI，分别为 19.23% 和 18.80%。在土壤矿质氮含量方面，与传统剂型 NBPT 和 DMPP 相比，微囊 N 和微囊 D 均有效降低了土壤中 NH4⁺-N、NO3⁻-N 的含量。综合来看，微囊 D 和微囊 N 相比传统剂型 DMPP 和 NBPT，在减少温室气体排放、降低综合增温潜势和温室气体排放强度、提高玉米产量等方面表现出显著优势，且微囊 D 的整体效果优于微囊 N。由此可见，抑制剂微囊新剂型在农业生产中具有较大的应用潜力。
关键词
Abstract
The aim of this study was to evaluate the effects of microencapsulated urease inhibitor of n-butylthiophosphorotriamine （NBPT）microcapsules and nitrification inhibitor of 3，4-dimethylpyrazole phosphate（DMPP）microcapsules on greenhouse gases such as nitrous oxide（N2O），methane（CH4），carbon dioxide（CO2）and corn yield of brown soil，and these effects were compared with their original forms of NBPT and DMPP，in order to verify the effectiveness of the new dosage form of inhibitor microcapsules and provide scientific basis for the preparation and improvement of inhibitor microcapsules. Brown soil was selected as the test soil to carry out the field experiment，and six treatments were set up，including no nitrogen fertilizer treatment（CK），urea alone treatment（U），urea with NBPT treatment（NBPT），urea with DMPP treatment（DMPP），urea with NBPT microcapsule treatment（Microencapsulated N），and urea with DMPP microcapsule treatment（Microencapsulated D），and the static box-gas chromatography was used for the determination of soil greenhouse gases during the reproductive period of maize. The emission fluxes of soil greenhouse gases during the reproductive period of maize were determined by static chamber-gas chromatography，and the integrated greenhouse gas potential（GWP）and greenhouse gas emission intensity（GHGI）were calculated. The ammonium nitrogen（NH4+ -N）and nitrate nitrogen（NO3- -N）contents of the 0-20 cm surface soil in the experimental area of each treatment were collected and the yields of maize were measured during the maturity period of the maize to analyze the effects of the NBPT and DMPP microcapsules on the greenhouse gas emission，warming potential，soil mineral nitrogen（NH4+ -N and NO3- -N）content，and maize yield in farmland. The results showed that，compared with traditional dosage forms of DMPP and NBPT，microencapsulated D and microencapsulated N showed more excellent results in many aspects. Compared with NBPT and DMPP，microencapsulated N and microencapsulated D significantly reduced N2O emissions by 10.67% and 21.43%，respectively，and microencapsulated D further significantly reduced N2O emissions by 17.91% compared with microencapsulated N. The microencapsulated N and microencapsulated D significantly increased cumulative uptake of CH4 in the brown soil by 57.88% and 51.13%， respectively，but the differences were not significant；and they significantly reduced CO2 emissions by 6.61% and 5.36%， respectively，compared to NBPT and DMPP. The microencapsulated N and microencapsulated D significantly reduced GWP by 14.63% and 27.05%，and GHGI by 18.76% and 30.06%，as well as significantly increased corn yield by 5.06% and 4.28%，respectively，compared to NBPT and DMPP. And microencapsulated D significantly reduced GWP and GHGI by 19.23% and 18.80%，respectively，compared to those of microencapsulated N. Regarding soil mineral nitrogen content， both microencapsulated N and microencapsulated D reduced soil NH4+ -N and NO3- -N content compared to NBPT and DMPP. In summary，compared with the traditional dosage forms DMPP and NBPT，microencapsulated D and microencapsulated N showed significant advantages in reducing greenhouse gas emissions，the comprehensive warming potential and greenhouse gas emission intensity，and increasing corn yield，and the overall effect of microencapsulated D was better than that of microencapsulated N. It could be seen that the new dosage form of inhibitor microcapsules had great application potential in agricultural production.
氮素是作物生长所需的重要营养元素，适量施用氮肥对提高作物产量和改善品质有显著作用。研究表明，每公顷施用约 205.5 kg 氮肥可显著增加作物产量，平均达到 10359.2 kg/hm2[1-2]。然而，长期以来，氮肥的过量施用不仅降低了肥料的利用率，还引发了一系列环境问题，施入土壤的氮肥迅速水解，只有大约 33.7% 的氮被作物有效利用，约 35% 的氮残留在土壤中，其余的氮通过氨挥发、硝化 /反硝化反应及淋溶等途径进入大气或水体，导致氮素损失。这不仅加剧了全球变暖和作物减产，也引起了地下水污染[3]。氧化亚氮（N2O）、甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）是最重要的温室气体，对温室效应的贡献率近 80%，大气中每年有 5%～20% 的 CO2、15%～30% 的 CH4、80%～90% 的 N2O 来源于土壤，而施加了大量氮肥的农田土壤是温室气体的重要排放源[4]。为此，近年来，国家大力推动新型肥料的研发与应用，以提高氮肥利用效率，减少农田土壤温室气体的排放，助力“碳达峰”“碳中和”目标的实现[5]。
稳定性肥料是以脲酶抑制剂和硝化抑制剂为核心，通过降低尿素水解速率或抑制硝化和反硝化过程来降低脲酶活性，减缓土壤铵态氮（NH4+-N） 的生成速率或减少 NH4+-N 向硝态氮（NO3--N）的转化，提高土壤 NH4+-N 含量，进而提高作物对 NH4+-N 的吸收利用，从而提高氮肥利用率[6]。抑制剂在提高作物产量、降低温室气体排放等方面具有重要作用，荟萃分析表明：脲酶抑制剂能显著提高作物产量（5%），而硝化抑制剂能有效减少 N₂O 的排放（49%）[7-9]。然而，虽然抑制剂可在一定程度上减少氮素损失，但其易被土壤有机质、温度、土壤酸碱度等环境因素干扰从而导致作用时间变短，加之抑制剂生产成本较高，限制了其推广应用。研究发现，与常规尿素相比，3，4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）处理在 60 d 内的 NO3--N 累计淋失量降低了 66.8%～69.4%；而添加正丁基硫代磷酰三胺（NBPT）可将尿素水解时间延长约 21 d。各品种玉米的生育期范围为 80～150 d，玉米生育中后期中抽雄期-成熟期是影响玉米产量的重要时期之一，虽然抑制剂提高了氮肥的利用效率，但其作用时间仍无法满足玉米生长整个生育期对养分的需求，需要进一步延长其作用时间[10-12]。微囊技术的应用为提高抑制剂的效果提供了一种新的方法。近年来，研究者将广泛用于食品和医药行业的微囊技术应用在抑制剂上，对其进行改制，通过物理阻隔的手段减少环境因素对其稳定性的干扰，延长了其作用时间，例如 Zhang 等[13]选取改性三聚氰胺甲醛树脂作为微囊壁材，以硝化抑制剂硝基吡啶为芯材，采用原位聚合法，成功制备出硝基吡啶微胶囊，不仅降低了土壤有机质中胡敏酸和富里酸等成分对抑制剂的吸附，还在玉米生育前期减少了土壤 NH4+-N 的损失量，后期抑制剂的缓慢释放使土壤中 NH4+-N 含量相对较高，从而促进玉米增产 6.63%。NBPT 和 DMPP 是目前应用最广泛的抑制剂，荟萃分析表明，NBPT、DMPP 对土壤 N2O 的减排效果分别为 51.1% 和 44.1%，但它们同样存在易受外界环境因素的影响导致作用时间较短的问题，研究发现，DMPP 在 3 种不同温度水平（15、25 和 35℃）下，15℃时的作用效果最佳，并可维持 40 d 左右[14-15]；在 60% 土壤充水孔隙度（WFPS）下，NBPT 降低土壤 N2O 排放 33.7%，而在 80% WFPS 下，NBPT 没有减少 N2O 的排放[16-17]。当前，虽已有少数研究者对 NBPT 和 DMPP 进行微囊化改制，但有关 NBPT 微囊和 DMPP 微囊的田间应用研究较少，其对土壤温室气体排放和玉米增产的影响有待验证。本研究通过田间试验，采用静态箱-气相色谱法来探究经微囊制备后的抑制剂新剂型即 NBPT 微囊和 DMPP 微囊对农田棕壤温室气体减排和玉米增产的应用效果，以期延长抑制剂的作用时间，提高氮肥的利用效率；完善抑制剂微囊化的相关理论，推动抑制剂改性技术的进一步发展；同时减轻施氮造成的环境污染，为农业领域实现碳达峰、碳中和目标提供参考依据。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
本试验于 2023 年 5—10 月在辽宁省沈阳市苏家屯区十里河镇中国科学院沈阳生态实验站（41°31′ N，123°24′E）进行。试验地处于暖温带湿润-半湿润季风气候区，年平均气温为 7～8℃，无霜期为 147～168 d，年降水量约为 577 mm，主要集中在 6—8 月份。试验地点玉米生育期内降水及温度监测数据见图1，由图1可知，整个玉米生育期内（2023-05-03 至 2023-09-20）的降水总量为 391.2 mm，主要集中在施肥后第 51 d 至第 111 d 期间，其中第 111 d 的降水量最大，为 68.5 mm，气温范围为 14.3～29.7℃，主要集中在施肥后第 31 d 至第 110 d，玉米生育期平均气温为 24.4℃。供试土壤为棕壤，在每次采集气体样本的同一天采集 0～20 cm 表层土壤样本，样本通过 2 mm 土筛处理后，使用 2.00 mol/L 氯化钾溶液浸提，再用 3-AA3 型流动分析仪测定土壤中 NH4+-N 和 NO3--N 含量。0～20 cm 耕层土壤基本理化性质见表1；供试玉米品种为东单 6531；使用的脲酶抑制剂 NBPT 和硝化抑制剂 DMPP 由美国 Sigma 公司生产；供试钾肥为氯化钾（K2O 60%）；磷肥为重过磷酸钙（P2O5 46%）；氮肥为尿素（N 46%）；供试 NBPT 微囊和 DMPP 微囊由吉林农业大学提供，其中，NBPT 微囊中有效成分 NBPT 的浓度为 15%；DMPP 微囊中有效成分 DMPP 的浓度为 10%。
图1生育期玉米田降水量和温度数据
表1供试土壤（0～20 cm）基本理化性质
1.2 试验地概况
试验采用随机区组设计，设置 6 种处理方式： （1）对照处理（CK）；（2）单施尿素处理（U）； （3）尿素配施 NBPT 处理（NBPT）；（4）尿素配施 DMPP 处理（DMPP）；（5） 尿素配施 NBPT 微囊处理（微囊 N）；（6）尿素配施 DMPP 微囊处理（微囊 D），每种处理重复 3 次，试验区域面积 255 m2 （25 m×10.2 m），共划分为 18 个小区，每小区面积 9 m2 （3 m×3 m），小区之间设置保护行，防止相邻小区间水分和养分的迁移，玉米行距 60 cm、株距 30 cm，采用垄沟模式栽培，垄上播种，垄高 5～10 cm。N、P2O5、K2O的施用量所有处理均一致，分别为 200、69、70 kg/hm2，抑制剂的施用量为氮肥施用量的 1%。作物熟制一年一季，试验开始前，所有肥料作为基肥一次性施入 0～10 cm 土层，试验于 2023 年 5 月 3 日播种，2023 年 9 月 20 日收获，整个生育期不进行灌溉，其他田间管理措施按照当地常规操作进行。
1.3 样品采集与测定指标
玉米田温室气体排放采用静态箱法-气相色谱法测定。静态箱由底座和箱体两部分组成，采用不锈钢金属材质底座（长 50 cm、宽 20 cm、高 30 cm），整个观测期底座内部不含作物和杂草，箱体（长 50 cm、宽 20 cm、高 30 cm）顶部设有气密性气体取样口，由三通阀控制开关四壁和顶部均用不透明保温板包裹，用于防雨和减少箱内温差。箱顶端内部安装两个风扇（12V，4W），采气时风扇运转用于混匀箱内气体。采气前，底座水封槽内注水至槽深 1/3 处，罩上箱体，形成一个密闭性气体空间。施肥后第一个星期内连续采样，之后采样频次逐渐减少，采气时间为 9：00—10：30，每一试验处理均于 0、30、60 min 分别采集气体 1 次，同时用地温计和温度计分别记录采气期间地下 5 cm 和采气箱内的温度数据，用于后续计算。气样浓度的测定采用 HP6890 气相色谱仪，载气为高纯度氮气（30 mL/min），流速 20 mL/min，分离柱工作温度为 75℃。测定 N2O 的检测器为电子捕获检测器，温度为 300℃，载气为高纯氮气，尾吹气为氩气、CH4（Ar 90%，CH4 10%），尾吹气流量为 2 mL/min；测定 CO2、CH4 检测器为火焰离子化检测器，温度为 250℃，载气为高纯氮气，氢气、空气和普通氮气分别为燃烧气体、辅助气体和尾吹气，流量分别为 80、450、25 mL/min；柱箱温度为 60℃。
产量性状：收获前调查微区内收获穗数，对收获的玉米穗粒进行称重，测定其含水量，随后按小区实收测产。
1.4 计算公式
N2O、CH4 和 CO2 排放通量计算公式：
式中，F 为 N2O、CH4 和 CO2 的排放通量，mg/（m2 ·h）； ρ 为三者在标准状态下的密度，N2O 为 1.964 kg/m3， CH4 为 0.714 kg/m3，CO2 为 1.816 kg/m3；dc/dt 为采样过程中采样箱内气体的浓度变化率；P 为采样箱内气压；P0 为标准大气压，由于实验站地区气压与标准大气压相当，因此 P/P0 值等于 1；V 表示密闭静态箱体积，m3；A 表示采样箱内土地面积，m2； 273 为气态方程常数；T 为测定时采样箱内平均温度，℃。
N2O、CH4 和 CO2 累计排放量计算方程：
式中，CE 为 N2O、CH4 和 CO2 累计排放量，kg/hm2； F 为第 i 次测定时 N2O、CH4 和 CO2 的排放通量， mg/（m2 ·h）；di+1、di 为相邻两次采样期的时间间隔，d；102 代表单位间的转化系数。
全球增温潜势（GWP）计算公式：
式中，GWP 为 N2O 和 CH4 综合增温潜势（kg CO2· eq/hm2）。CE（CH4）为累计 CH4 排放量，kg/hm2； CE（N2O）为累计 N2O 排放量，kg/hm2。
温室气体排放强度（GHGI）计算公式：
式中，GHGI 为温室气体排放强度（kg CO2·eq/kg）； Yield 为该处理单位面积的平均产量（kg/hm2）。
1.5 数据处理
采用 Excel 2021 进行数据处理，选择 SPSS 27.0 进行单因素方差分析、Duncan 最小显著极差法差异显著性检验，使用 Origin 2023b 进行绘图。
2 结果与分析
2.1 玉米生育期土壤 N2O、CH4 和 CO2 排放通量动态变化
由图2a可知，各处理排放通量范围为 1.01～176.63 μg/（m2 ·h），各处理变化趋势相似，即在施肥后 14 d 内 N2O 排放通量迅速升高，随后逐渐降低，于施肥后 131 d 至生育期结束期间趋于一致。所有处理均在施肥后第 14 d 达到峰值，N2O 排放通量由大到小为 U>NBPT>微囊 N>DMPP>微囊 D>CK。
各处理 CH4 排放通量变化趋势大体一致（图2b），即均在施肥后第 26 d 达到排放通量峰值，之后主要在-200～200 μg/（m2 ·h）范围内波动变化，并于施肥后第 132 d 均呈下降趋势。CH4 排放通量范围为-474.75～1165.78 μg/（m2 ·h），各处理均于施肥后第 26 d 均达到峰值，峰值时 CH4 排放通量由大到小顺序为 U>DMPP>NBPT>微囊 D>微囊 N>CK。
图2c显示，整个试验期间，各处理 CO2 排放通量变化趋势基本一致，即在施肥后 1～29 d 内有所波动，施肥后第 30 d 至第 69 d 呈逐渐上升趋势，各处理均于第 69 d 达到峰值，CO2 排放通量由大到小顺序是 U>NBPT>DMPP>微囊N>微囊D>CK，随后总体逐渐下降，直至观测期结束。
图2玉米生育期氧化亚氮排放通量（a）、甲烷排放通量（b） 和二氧化碳排放通量（c）的动态变化
2.2 玉米生育期土壤 N2O、CH4 和 CO2 累计排放量动态变化
从表2可看出，U 处理 N2O 累计排放量最高，为 1.35 kg/hm2；与 U 处理相比，NBPT、DMPP、微囊 N、微囊 D 处理的 N2O 累计排放量分别减少了 44.44%、48.15%、50.37%、59.26%； 微囊 N和微囊D相比 NBPT 和 DMPP 处理，分别显著减少了 N2O 累计排放量 10.67%、21.43%，且微囊 D比微囊 N 处理进一步减少了 N2O 累计排放量 17.91%，差异显著（P<0.05）。
表2玉米生育期土壤氧化亚氮、甲烷和二氧化碳累计排放量、综合增温潜势以及温室气体强度
注：同列不同字母表示在 0.05 水平差异显著，P<0.05。
各处理 CH4 累计排放量均为负值（表2），范围为-0.671～-0.192 kg/hm2，表明所有处理的土壤均表现出对 CH4 的净吸收。其中，U 处理的 CH4 累计排放量最大，为-0.192 kg/hm2。相比 NBPT 和 DMPP 处理，微囊 N 和微囊 D 处理分别减少了 CH4 累计排放量 57.88% 和 51.13%。
据表2可知，所有处理中，U 处理的 CO2 累计排放量最高，为 13.06×103 kg/hm2。NBPT、DMPP、微囊N和微囊D处理的 CO2 累计排放量分别为 11.49×103、11.20×103、10.73×103 和 10.60× 103 kg/hm2，相比 NBPT 和 DMPP 处理，微囊 N和微囊 D 处理分别显著减少了 CO2 累计排放量 6.61% 和 5.36%（P<0.05）。
2.3 玉米生育期土壤 NH4+-N 和 NO3--N 含量动态变化
玉米生育期内各处理表层土壤的 NH4+-N 动态含量变化如图3a所示，各施肥处理土壤 NH4+-N 含量均表现为先升高后降低的趋势，即从施肥开始至施肥后第 39 d 内，各施肥处理总体呈上升趋势，除 CK 处理外，其他处理均于第 39 d 达到峰值，之后快速下降，于施肥后第 40 d 至 105 d 内小幅波动变化后继续下降，直至观测期结束。在施肥后第 1 d 至第 105 d 期间，NBPT 和 DMPP 处理的 NH4+-N 含量总体高于微囊 N 和微囊 D，但从施肥后第 105 d 开始，二者之间的差距逐渐缩小，施肥后第 139 d，微囊处理的土壤 NH4+-N 含量均高于其原剂型。
图3b显示了玉米生育期内各处理表层土壤 NO3⁻-N 的动态含量变化。各施肥处理土壤 NO3--N 含量均呈先升高后降低的趋势，从施肥后至第 105 d，各施肥处理土壤 NO3--N 含量逐渐上升，并于第 105 d 达到峰值，由大到小排序为 NBPT ＞ U>DMPP>微囊 N>微囊 D，之后逐渐下降，直至观测期结束。其中，施肥后第 105 d 至第 111 d 期间，NBPT 和 DMPP 土壤 NO3--N 含量显著高于微囊 N 和微囊 D。
图3玉米生育期土壤铵态氮含量（a）和硝态氮含量（b）的动态变化
2.4 不同处理对综合增温潜势、温室气体排放强度的影响
表2数据显示，CK 的 GWP 最低，为 85.93 kg CO2·eq/hm2，U 处理的 GWP 最高，为 398.63 kg CO2·eq/hm2。相比 NBPT 和 DMPP 处理，微囊 N 和微囊 D 处理的 GWP 分别降低了 14.63%、 27.05%。与微囊 N 处理相比，微囊 D 处理显著减少 GWP 18.93%（P<0.05）。
微囊 D 处理的 GHGI 最低，为 0.00756 kgCO2·eq/ kg（表2），而 U 处理的 GHGI 最高，为 0.02166 kg CO2·eq/kg。相比 NBPT 处理，微囊 N 处理的 GHGI 显著减少 18.76%；与 DMPP 处理相比，微囊 D 处理显著减少 GHGI 30.06%；此外，微囊 D 与微囊 N 处理的 GHGI 差异显著，前者比后者减少 18.80%。
2.5 不同处理对玉米产量的影响
据图4可知，施肥处理显著增加了玉米产量。其中，与 NBPT、DMPP 处理相比，微囊 N 和微囊 D 处理分别显著增产 5.07%、4.27%。微囊处理的玉米产量较高但差异不显著，分别为 19562 和 19524 kg/hm2。
图4不同处理对玉米产量的影响
3 讨论
3.1 不同处理对温室气体排放的影响
研究结果表明，与 U 处理相比，同等施氮量条件下，NBPT、DMPP、微囊N或微囊D处理均显著降低了土壤 N2O 的排放量，这与前人研究结果一致[18-21]，可能是由于脲酶抑制剂或硝化抑制剂通过降低土壤微生物尿素水解速率或硝化速率、反硝化速率，减少了土壤中 NH4+-N 的生成速率或 NH4+-N 向 NO3--N 的转化，从而降低了 N2O 的排放。与传统 NBPT 相比，微囊 N 显著减少了土壤 N2O 排放，这可能是由于通过对 NBPT 进行了微囊化改制，增加了 NBPT 的稳定性，延长了其作用时间，使其在原有作用效果的基础上得到进一步的增强。微囊 D 相比 DMPP 也显著降低了土壤 N2O 排放，表明微囊 D 在原有 DMPP 作用效果的基础上，通过微囊的包覆和缓释技术，进一步降低了玉米田 N2O 排放，其机理可能是微囊通过包封抑制剂，能够物理阻隔 NBPT 或 DMPP 等囊芯物质与土壤的直接接触，减少温度、土壤有机质、土壤酸碱度等环境因素对抑制剂的不利影响，同时使抑制剂通过囊壁上的微孔缓释，进一步减缓 NH4+-N 的生成和转化[22]。相比之下，微囊 D 在减少土壤 N2O 累计排放量方面优于微囊 N，减少率达到 17.36%，这可能是由于 N2O 的排放主要源于硝化和反硝化过程，而非来自脲酶尿素水解过程，而微囊 D 在这些方面的抑制效果更强。
各处理土壤的 CH4 累计排放量均为负值，显示出所有处理的土壤均表现出对 CH4 的净吸收，这与前人的研究结果一致[23-24]。与 U 处理相比，NBPT 处理增加了土壤对 CH4 的吸收（图2b），这可能是因为 NBPT 抑制了脲酶活性，减缓了氨氧化反应速率，从而减少了对土壤中氧气的消耗，降低了具有相似分子结构的 NH4 ＋-N 与 CH4 对甲烷氧化菌生化反应位点的竞争，提高甲烷氧化菌的活性，降低了 CH4 的排放。然而，这一结果与赵自超等[25]的结论不同，其认为 NBPT 可以增加土壤中细菌和放线菌的活性，进而加速 CH4 的排放，通过对其研究中 CH4 排放通量数据以 CH4 排放与环境因子的相关关系进行分析发现，这可能是因为其研究的种植模式为冬小麦-夏玉米轮作制度，本研究为单季玉米种植制度，而大多数甲烷氧化菌属中温型微生物，冬季低温降低了其活性，削弱其对 CH4 的氧化，导致 CH4 的排放相对增加，仅就其研究中夏季 NBPT 对 CH4 排放的影响来看，与本研究结果相似，即 NBPT 增加了土壤对 CH4 的吸收[25-26]。相比 NBPT 处理，DMPP 处理的 CH4 累计吸收量更高，这可能是由于供试棕壤呈酸性，利于甲烷氧化菌对 CH4 的氧化增加土壤对 CH4 的吸收[27]。微囊 N 和微囊 D 处理的 CH4 累计吸收量均高于其传统剂型，尤其是微囊 N，这可能是因为微囊 D 增加了土壤 NH4+-N 含量，从而抑制了 CH4 的氧化，而微囊 N 可能通过刺激土壤中吸收 CH4 的放线菌活性，并抑制尿素水解，降低了土壤 NH4+-N 含量，从而减轻 NH4+-N 对甲烷单氧化酶的抑制作用，增加了 CH4 的累计吸收量；此外，微囊技术通过对 NBPT 和 DMPP 的包覆起到了物理阻隔的作用，减少了外界环境因素的不利影响。这使得原本更有利于 DMPP 对 CH4 累计吸收作用效果的酸性土壤这一条件的重要程度降低，最终导致微囊 D 的 CH4 吸收效果略低于微囊 N[28]。
相比于 U 处理，NBPT 处理显著减少了土壤 CO2 累计排放量，这与赵自超等[25]的研究结果相反，其认为 NBPT 可以增加细菌的活性，进而加速土壤 CO2 的排放。该差异可能与其供试土壤的碱性 pH 有关。何飞飞等[29]的研究显示，土壤 CO2 累计排放量与土壤 pH 存在极显著正相关关系，所有土壤理化性质中，土壤 pH 对 CO2 排放的贡献最大，而本研究的棕壤为酸性，因而减少了 CO2 的排放。与 U 处理相比，DMPP 处理显著减少了土壤 CO2 累计排放量，这与谢立勇等[30]和 Yang 等[31] 的研究一致，可能是由于 DMPP 减少了土壤中有机碳的矿化，减少了土壤中碳的分解，从而减少土壤 CO2 的排放，然而 Menéndez 等[32]和 Huérfano 等[33] 的研究表明，在尿素中添加 DMPP 并未对土壤 CO2 排放产生显著影响，这可能与其供试土壤为碱性有关。相比传统剂型，微囊 N 和微囊 D 显著降低了 CO2 排放量，分别减少了 7.83% 和 4.46%，这表明，微囊 N 和微囊 D 通过延长抑制剂的作用时间，延缓尿素水解速率，提高作物对 NH4+-N 的吸收效率，促进作物生长，加强植物通过光合作用对 CO2 的固定能力，最终减少了 CO2 的排放。
3.2 不同处理对表层土壤 NH4+-N 和 NO3--N 含量的影响
随着玉米生长的进行，由于作物的吸收和硝化作用，土壤 NH4+-N 含量逐渐降低，土壤 NO3--N 含量逐渐升高，这与前人的研究结果一致[34]。相比 NBPT 和 DMPP 处理，微囊 N 和微囊 D 处理在施肥后第 1 d 至第 105 d，土壤 NH4+-N 含量总体处于较低水平，这可能是因为微囊内芯材通过囊壁表面上的微孔进行缓释，减缓了尿素水解和硝化反应的进行，避免了 NH4+-N 在较短时间内的大量流失，从而提高玉米对 NH4+-N 的利用效率，从施肥后第 105 d 开始，NBPT 和 DMPP 与微囊处理的土壤 NH4+-N 含量差距逐渐变小，施肥后第 139 d，微囊处理的土壤 NH4+-N 含量高于其原剂性，这说明，微囊通过对内部芯材的保护，降低了温度和有机质等土壤环境因素对 NBPT 和 DMPP 的吸附和降解，提高了芯材的作用时间，利于促进作物增产。微囊 N 和微囊 D 处理的土壤 NO3--N 含量在整个玉米生育期整体低于 NBPT 和 DMPP 处理，这可能由于微囊通过对囊芯材料的保护，延缓了尿素水解和 NH4+-N 的氧化进程，通过提高植物对土壤中 NH4+-N 的利用率，从而降低了 NH4+-N 的损失，反硝化作用细菌由于缺乏底物，活性降低，从而减少土壤 NO3--N 的生成。同时，本研究土壤 NH4+-N 含量整体变化趋势与 N2O 排放通量的变化趋势基本对应，与 NBPT 和 DMPP 处理相比，微囊化处理的土壤矿质氮含量和 N2O 排放通量均较低，也表明了微囊 N 和微囊 D 处理通过降低土壤 NH4+-N 和 NO3--N 的含量减少硝化和反硝化过程的反应底物，从而减少了 N2O 排放。
3.3 不同处理对增温潜势和温室气体排放强度的影响
试验结果表明，与 U 处理相比，NBPT 和 DMPP 处理均显著降低 GWP 和 GHGI 强度。与 DMPP 处理相比，NBPT 处理虽然在 CH4 和 CO2 累计排放量的减排方面效果更好，但对 N2O 累计排放量的减排效果却低于 DMPP 处理，而 N2O 对温室效应的贡献是 CO2 的 298 倍，因此其在 GWP 公式中所占的权重也大，所以在 GWP 方面，NBPT 处理显著高于 DMPP 处理（P<0.05）[35]。与 NBPT 和 DMPP 处理在 GWP 和 GHGI 上的情况类似，与微囊 D 处理相比，微囊 N 处理虽然在 CH4 和 CO2 累计排放量的减排方面都优于微囊 D 处理，但 N2O 累计排放量高于微囊 D，又因 N2O 对温室效应影响较大，在 GWP 公式中所占权重大，所以在 GWP 方面，微囊 N>微囊 D，又由于二者在玉米产量上无显著差异，故在 GHGI 方面，微囊 N>微囊 D。与 NBPT 和 DMPP 处理相比，微囊 N 和微囊 D 处理均显著降低 GWP 和 GHGI 强度，这说明微囊化处理通过对抑制剂的包覆，减少土壤温度、水分、酸碱度等外界因素对抑制剂的干扰，延长了其作用时间，从而使其在对温室气体减排和作物增产等方面优于原始剂型。
3.4 不同处理对玉米产量的影响
试验结果表明，与 U 处理相比，NBPT 和 DMPP 处理均显著提高了玉米产量。与 NBPT 和 DMPP 处理相比，微囊 N 和微囊 D 处理均显著提高了玉米产量，这说明微囊通过对抑制剂的包覆，减少土壤温度、水分、酸碱度等外界因素对抑制剂的干扰，增强了植物对土壤 NH4+-N 的吸收，从而使其在作物增产方面优于原始剂型。本研究主要验证了抑制剂微囊新剂型即微囊 N 和微囊 D 在温室气体减排和玉米增产方面的效果，尽管已取得一定进展，但其减排增效背后的微生物机理仍需深入探索。未来研究可考虑结合 15N 稳定性同位素示踪技术，精确分析土壤温室气体排放肥料来源所占比重，从而为量化抑制剂对土壤温室气体排放的相关研究提供参考依据。
4 结论
与 U 处理相比，NBPT、DMPP、微囊N和微囊D处理均显著降低了 N2O、CH4 和 CO2 的排放通、累计排放量以及土壤矿质氮的含量。微囊 N 和微囊 D 在减少主要温室气体排放方面显著优于其原剂型 NBPT 和 DMPP。尤其是微囊 D，其在降低 GWP 和 GHGI 方面表现最佳，且与微囊 N 相比差异显著（P<0.05），但两者在玉米产量上无显著差异。综合来看，微囊 D 在棕壤条件下对温室气体减排和玉米增产的效果最好，建议在结合具体环境条件下优先选用。