潮土和砂姜黑土中雙氰胺的硝化抑制作用比較

曹宏磊，顏廷梅，喬　俊，朱寧遠(yuǎn)

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京　210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　100049)

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潮土和砂姜黑土中雙氰胺的硝化抑制作用比較

曹宏磊1,2，顏廷梅1①，喬俊1②，朱寧遠(yuǎn)1,2

(1.中國科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京210008；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

摘要：通過人工氣候箱培養(yǎng)試驗(yàn)，研究硝化抑制劑雙氰胺(dicyandiamide，DCD)在淮河流域2種主要土壤類型(潮土、砂姜黑土)上的施用效果。通過測定硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的相對變化闡明潮土和砂姜黑土中尿素的轉(zhuǎn)化過程，并通過計(jì)算硝化抑制率闡明不同DCD添加量條件下硝化抑制強(qiáng)度的變化規(guī)律，從而確定不同土壤類型較適宜的DCD添加量。結(jié)果表明，潮土和砂姜黑土中添加DCD均能有效緩解銨態(tài)氮的硝化作用，且硝化抑制效果隨著DCD添加量的增加(2%~10%)而增強(qiáng)。DCD對潮土的最高硝化抑制率可達(dá)58.9%，對砂姜黑土的硝化抑制作用較潮土弱，最高硝化抑制率僅為27.4%，且與8%DCD添加量處理之間差異未達(dá)顯著水平(P<0.05)。潮土在室內(nèi)培養(yǎng)42 d后w(銨態(tài)氮)仍達(dá)14.4 mg·kg-1，而砂姜黑土培養(yǎng)7 d后硝化抑制效果迅速下降，培養(yǎng)21 d時(shí)幾乎檢測不到銨態(tài)氮，這表明潮土中DCD與尿素配施可有效延長尿素的肥效，而砂姜黑土中DCD與尿素配施效果較差。

關(guān)鍵詞：雙氰胺；潮土；砂姜黑土；銨態(tài)氮；硝態(tài)氮；硝化抑制率

我國是世界氮肥生產(chǎn)第1大國,也是氮肥消費(fèi)最多的國家[1-2]。在所有氮肥品種中,尿素使用占我國農(nóng)業(yè)氮肥使用總量的一半以上[3]。與此同時(shí),尿素在使用過程中存在的問題也日漸突出:利用率低,肥效期短等[2,4]。氮肥施用在促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的同時(shí),也給環(huán)境帶來了巨大風(fēng)險(xiǎn)。由于氮肥的過量和不正當(dāng)使用,除一小部分被植物吸收利用外,大部分通過硝化及反硝化方式以淋溶、徑流和氣體揮發(fā)等途徑損失,硝態(tài)氮的淋溶徑流損失會(huì)污染地下水和地表水[1,5-6],N2O等反硝化氣體的揮發(fā)又是溫室氣體的重要來源。因此,研究如何控制土壤中氮素轉(zhuǎn)化過程,加強(qiáng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的氮素管理,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

硝化抑制劑能夠抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化,使更多的氮素以銨態(tài)氮形式固定在土壤中,對于提高氮肥利用率具有重要作用[5,7-9]。雙氰胺(dicyandiamide,DCD)作為一種廣泛使用的硝化抑制劑,前人的研究多有涉及。劉瑜等[10]研究了DCD在1%～5%添加量條件下對褐土中尿素轉(zhuǎn)化的影響,結(jié)果顯示,隨DCD添加量的增加,抑制效果增強(qiáng),但4%和5%添加量處理之間差異不顯著。石美等[6]研究則表明,10% DCD添加量在石灰性土壤中的硝化抑制效果較好。鑒于硝化抑制劑效果受土壤性質(zhì)的影響較大[11-13],研究中應(yīng)考慮硝化抑制劑針對不同土壤的最佳添加量,但目前這方面的研究鮮見報(bào)道。筆者主要針對硝化抑制劑DCD在淮河流域2種主要土壤中的使用效果以及最佳添加量展開研究,以期尋找一種經(jīng)濟(jì)有效的提高氮肥利用率的硝化抑制劑使用策略。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試潮土選自河南省西華縣黃泛區(qū)農(nóng)場(33°45′28″ N,134°26′48″ E),砂姜黑土選自安徽省泗縣(33°31′34″ N,117°45′28″ E)。取耕層0～25 cm土樣,經(jīng)風(fēng)干,剔除根莖雜物,研磨過20 mm孔徑篩備用。土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1供試土壤基本理化性質(zhì)

Table 1Chemical and physical properties of tested soils

土壤類型w(有機(jī)質(zhì))/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)w(銨態(tài)氮)/(mg·kg-1)w(硝態(tài)氮)/(mg·kg-1)w(全磷)/(g·kg-1)w(速效磷)/(mg·kg-1)w(速效鉀)/(mg·kg-1)pH值土壤粒徑分布/%砂粒粉粒黏粒潮土15.801.084.888.670.8213.01171.677.967.217.515.3砂姜黑土17.811.244.813.920.6124.46255.007.633.039.927.1

供試氮肥(尿素)和硝化抑制劑雙氰胺均為分析純藥品。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理:土壤尿素氮添加量均為150 mg·kg-1,DCD添加量分別為尿素氮添加量的0%、2%、4%、6%、8%、10%和12%,其中,0%為對照(CK)。具體操作方法如下:每個(gè)處理稱取風(fēng)干土樣2.8 kg(含水率為1.67%),按各處理所需比例稱取尿素和DCD混勻溶于適量的水中后,完全噴施于土壤中并混勻,同時(shí)調(diào)節(jié)土壤含水率為最大田間持水量的60%。稱取100 g調(diào)配好的土樣于100 mL三角瓶中,用封口膜封口并均勻扎孔保證通氣,每個(gè)處理設(shè)置24個(gè)平行。將三角瓶置于25 ℃培養(yǎng)箱中(SPX-350,智能生化培養(yǎng)箱)培養(yǎng)42 d。培養(yǎng)期間,每隔2 d通過稱量法補(bǔ)足培養(yǎng)過程中損失的水分,并在培養(yǎng)1、3、7、14、21、28、35和42 d時(shí),各處理取出1組(每個(gè)處理3個(gè)平行)用于測定土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量,同時(shí)測定土壤含水率。

1.3測定方法

硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定:稱取土樣10 g于250 mL廣口瓶中,加入2 mol·L-1KCl溶液100 mL,塞緊瓶塞置于恒溫振蕩器中振蕩1 h,浸提硝態(tài)氮和銨態(tài)氮。銨態(tài)氮含量用靛酚藍(lán)比色法測定,硝態(tài)氮含量采用A220-A275雙波長紫外分光光度法測定。

1.4數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel2010和SPSS19.0軟件。

2結(jié)果與分析

2.1潮土中雙氰胺的硝化抑制效應(yīng)

培養(yǎng)期間,各處理潮土硝態(tài)氮含量均呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(圖1),而銨態(tài)氮含量則隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而不斷下降(圖2)。

圖1不同DCD添加量潮土硝態(tài)氮含量變化

Fig.1VariationofNO3--Ncontentinfluvo-aquic

soilrelativetoDCDamendmentrate

無DCD添加處理(CK)在培養(yǎng)1周后,所添加的尿素基本以硝態(tài)氮形式存在,與CK相比,不同DCD添加量處理潮土中硝態(tài)氮含量較低,同時(shí)銨態(tài)氮含量較高,這表明DCD對尿素轉(zhuǎn)化均存在硝化抑制效果。在2%～10%DCD添加量范圍內(nèi),隨著DCD添加量的增加,硝態(tài)氮含量增加速率和銨態(tài)氮含量降低速率均逐漸減小,表明抑制效果逐漸增強(qiáng)(圖1～2)。在不添加DCD(CK)情況下,培養(yǎng)第3天即幾乎檢測不到銨態(tài)氮,這說明CK處理尿素轉(zhuǎn)化過程已結(jié)束,但添加DCD的各處理仍可檢測到銨態(tài)氮,說明DCD的添加延緩了尿素的轉(zhuǎn)化過程,其中,10%DCD處理在42 d時(shí)仍能檢測到較高含量銨態(tài)氮。而12%DCD添加量處理在培養(yǎng)35 d時(shí)銨態(tài)氮含量已顯著低于10%DCD添加量處理(P<0.05),且硝態(tài)氮含量高于10%DCD處理。

由表2可知,添加2%～12%DCD的6個(gè)處理潮土硝化抑制率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢,在第3天達(dá)到最大值。2%、4%和6%DCD處理硝化抑制率分別在培養(yǎng)14、28和35 d時(shí)幾乎為0%,而此時(shí)10%DCD處理硝化抑制率仍維持在20%以上,顯著優(yōu)于其他處理(P<0.05)。同時(shí)培養(yǎng)1～28 d時(shí),4%～12%DCD處理平均硝化抑制率分別為23.9%、27.6%、32.5%、39.3%和37.8%,10% DCD添加量處理硝化抑制效果明顯優(yōu)于其他處理。因此,綜合考慮硝化抑制效果和使用成本,潮土添加10%DCD的效果最佳。

圖2不同DCD添加量潮土銨態(tài)氮含量變化

Fig.2Variation of NH4+-N content in fluvo-aquic

soil relative to DCD amendment rate

表 2不同DCD添加量潮土的硝化抑制率

Table 2Nitrification inhibition rate in fluvo-aquic soil relative to DCD amendment rate

處理不同培養(yǎng)時(shí)間條件下的硝化抑制率/%1d3d7d14d21d28d35d42d2%DCD19.8±4.4b34.2±1.1c11.2±3.4c3.2±3.1e3.3±3.4e-9.0±4.8c-1.6±5.4d-16.6±4.6b4%DCD25.8±0.2ab52.8±1.6b37.5±1.7b20.4±4.2d5.3±0.9e1.9±2.6b11.5±1.0bc-7.9±8.5b6%DCD27.1±2.2ab54.2±1.3b44.4±2.3ab24.8±3.5d10.5±1.3d4.3±1.7b-3.4±11.4d-17.0±9.5b8%DCD29.1±0.5a58.8±0.8a43.3±2.2ab30.7±0.9c23.2±2.1c9.8±10.3b7.3±4.2cd-6.1±8.2b10%DCD25.2±8.3ab56.1±3.9ab46.3±8.5a42.8±1.2a34.1±4.5a31.0±2.4a27.6±4.0a11.7±11.3a12%DCD26.7±1.1ab58.9±0.9a49.0±2.6a35.9±2.9b29.0±1.6b27.2±1.4a20.0±2.7ab-14.0±5.2b

同一列英文小寫字母不同表示處理間硝化抑制率差異顯著(P<0.05)。

2.2砂姜黑土中雙氰胺的硝化抑制效應(yīng)

尿素施入砂姜黑土中后42 d內(nèi),硝態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸增加,銨態(tài)氮含量隨培養(yǎng)時(shí)間的延長而逐漸降低,大體趨勢與潮土一致(圖3～4)。

圖3　不同DCD添加量砂姜黑土硝態(tài)氮含量變化

圖4不同DCD添加量砂姜黑土銨態(tài)氮含量變化

Fig.4Variation of NH4+-N content in lime concretion

black soil relative to DCD amendment rate

CK處理在培養(yǎng)3 d時(shí)即檢測不到銨態(tài)氮,而硝化抑制效果相對較好的8%、10%和12% DCD處理w(銨態(tài)氮)在培養(yǎng)21 d時(shí)接近0 mg·kg-1,這表明砂姜黑土添加DCD處理可明顯延長尿素肥效期。與CK處理相比,2%～12%DCD處理均呈現(xiàn)一定程度的硝化抑制效果,但處理間差異并不明顯,尤其是8%、10%和12%DCD處理之間。相對于潮土,DCD在砂姜黑土上的硝化抑制效果并不明顯,在最高12% DCD添加量情況下,其硝化抑制效果也僅能維持約21 d。

與潮土相比,砂姜黑土試驗(yàn)不同DCD添加量處理硝化抑制率均沒有明顯的變化規(guī)律。10%DCD處理培養(yǎng)3 d后,最高硝化抑制率為27.4%,但其與8%DCD處理最高硝化抑制率(24.7%)之間沒有顯著差異。砂姜黑土不同DCD添加量對硝化抑制率影響不顯著,僅在1～7 d時(shí)表現(xiàn)為硝化抑制效果隨DCD添加量的增加而增強(qiáng)的趨勢;培養(yǎng)7～42 d時(shí)各處理之間基本上不存在顯著差異(表3)。

表3不同DCD添加量砂姜黑土的硝化抑制率

Table 3Nitrification rate in lime conc retion black soil relative to DCD amendment rate

處理不同培養(yǎng)時(shí)間條件下的硝化抑制率/%1d3d7d14d21d28d35d42d2%DCD9.1±1.1c2.9±1.9d-1.6±1.9d-0.2±3.9a9.6±8.1a2.4±8.2ab-4.6±8.1b7.2±9.3a4%DCD15.1±1.2b12.6±4.2c2.4±0.8c1.1±3.3a0.5±10.3a-5.7±5.1b6.1±7.1ab11.0±2.7a6%DCD16.6±0.9b19.9±1.3b9.3±3.4b5.7±3.5a10.1±4.0a6.9±5.6a7.9±3.6a10.8±8.9a8%DCD20.3±0.7a24.7±0.3a12.8±1.8b4.5±5.3a10.5±4.2a5.4±4.1a6.5±7.4ab10.7±6.6a10%DCD19.5±1.7a27.4±1.5a16.6±1.3a6.0±3.2a10.8±6.3a10.7±6.3a5.4±4.8ab13.2±5.0a12%DCD18.7±0.7a23.0±2.8ab19.6±2.0a7.8±5.2a12.1±7.9a7.9±2.3a0.9±7.4ab13.5±7.4a

同一列英文小寫字母不同表示處理間硝化抑制率差異顯著(P<0.05)。

尿素的轉(zhuǎn)化一定程度上表現(xiàn)為銨態(tài)氮含量的降低和硝態(tài)氮含量的增加。由圖1～4可知,培養(yǎng)條件相同情況下,砂姜黑土銨態(tài)氮含量的減少以及硝態(tài)氮含量的增加較潮土更為迅速。培養(yǎng)1 d后,潮土試驗(yàn)各處理w(銨態(tài)氮)為91.9～120.4 mg·kg-1,砂姜黑土則僅為56.4～87.2 mg·kg-1;潮土試驗(yàn)各處理w(硝態(tài)氮)為52.2～71.7 mg·kg-1,砂姜黑土為119.9～150.4 mg·kg-1,表明相同條件下砂姜黑土更有利于硝化作用的進(jìn)行。砂姜黑土添加DCD處理雖然具有一定的硝化抑制作用,但與潮土相比效果不理想,主要表現(xiàn)為硝化抑制率較低和銨態(tài)氮的迅速硝化。

3討論

尿素作為一種化學(xué)合成的有機(jī)態(tài)氮肥,施入土壤后在適宜條件下會(huì)迅速水解為NH4+-N,并進(jìn)一步在硝化細(xì)菌作用下氧化為NO3--N[14]。研究發(fā)現(xiàn),無論潮土還是砂姜黑土,其CK處理在培養(yǎng)1 d后銨態(tài)氮含量即達(dá)到最大值,這在一定程度上證實(shí)了上述結(jié)論。石美等[6]以及SHEN等[15]報(bào)道,較高的土壤pH值會(huì)導(dǎo)致硝酸鹽的累積。另外,雙波長紫外分光光度法測定硝態(tài)氮含量時(shí)不能完全避免亞硝態(tài)氮(NO2--N)的影響[16]。筆者研究發(fā)現(xiàn),無論潮土還是砂姜黑土,在培養(yǎng)3 d后,盡管CK處理銨態(tài)氮含量已接近零,硝態(tài)氮含量卻并未達(dá)到最大值,推斷可能的原因是有部分氮素以NO2--N形式存在。

DCD主要通過對土壤中銨氧化細(xì)菌產(chǎn)生毒性,導(dǎo)致NH4+氧化為NO2-的過程被抑制,從而使硝化反應(yīng)被抑制[8,17-18]。潮土培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,硝化抑制效果在10% DCD添加量條件下達(dá)到最大,進(jìn)一步增加DCD添加量對提高硝化抑制效果的作用并不明顯;其原因可能是試驗(yàn)條件下DCD的硝化抑制效果隨添加量的增加而呈“S”型增加,而10% DCD添加量足以滿足對環(huán)境內(nèi)銨氧化細(xì)菌的抑制。DCD本身含氮量高達(dá)65%以上,可作為一種緩釋氮肥[17],更多的DCD添加反而相當(dāng)于加入氮素,這可能也是12% DCD添加量處理抑制效果不佳的原因之一。

對比研究表明,潮土添加2%～12% DCD處理最高硝化抑制率分別為34.2%、52.8%、54.2%、58.8%、56.1和58.9%,遠(yuǎn)高于砂姜黑土的9.1%、15.1%、19.9%、24.7%、27.4%和23.0%。土壤質(zhì)地、溫度、水分和pH值等會(huì)影響DCD的硝化抑制作用[1,12]。筆者研究中外界條件相對一致,同一DCD添加量情況下砂姜黑土和潮土的硝化抑制效果差異較大,其可能原因是土壤質(zhì)地的較大差異及pH值的不同。筆者試驗(yàn)中,潮土砂粒含量為67.2%,遠(yuǎn)高于砂姜黑土的33.0%;而砂姜黑土黏粒含量也高于潮土。有研究表明,硝化抑制劑在砂壤土中的效果要優(yōu)于壤土和黏壤土,在偏黏性土壤中硝化抑制劑效果較差,DCD在砂土中的硝化抑制效果要高于黏土[8,18]。相比于潮土,砂姜黑土自身性質(zhì)較為復(fù)雜,農(nóng)業(yè)障礙因子較多:質(zhì)地黏重,結(jié)構(gòu)性差,孔隙性小,肥力水平低[19-22];土壤pH值與DCD的抑制效果關(guān)系也較密切,一般來講,硝化抑制劑在pH值為4.4～8.1范圍內(nèi)最有效,且pH值高的土壤,其硝化活性就高,更有利于DCD抑制作用的發(fā)揮[13,23],故潮土施用DCD的硝化抑制效果較好。土壤微生物對于硝化抑制劑效用的發(fā)揮也有著至關(guān)重要的作用。張苗苗等[11]認(rèn)為不同土壤中優(yōu)勢氨氧化菌群對DCD的敏感性和要求的劑量不一致,這也會(huì)導(dǎo)致DCD抑制效果的差異。關(guān)于2種土壤微生物種類以及抑制效果差異性,尚有待于進(jìn)一步試驗(yàn)研究論證。

4結(jié)論

(1)潮土和砂姜黑土中添加DCD均可緩解銨態(tài)氮的硝化作用,且硝化抑制效果隨DCD添加量的增加(2%～10%)而增加。潮土最高硝化抑制率達(dá)58.9%,遠(yuǎn)高于砂姜黑土(27.4%),潮土施用DCD的硝化抑制效果要優(yōu)于砂姜黑土。

(2)潮土培養(yǎng)42 d后,10%DCD添加量處理w(銨態(tài)氮)為14.4 mg·kg-1,而砂姜黑土培養(yǎng)7 d后銨態(tài)氮含量迅速下降,至培養(yǎng)21 d時(shí)幾乎檢測不到銨態(tài)氮。說明潮土中DCD與尿素配施可明顯提高尿素肥效,砂姜黑土的配施效果較差。

(3)在潮土中施用硝化抑制劑DCD以10%添加量效果較好,DCD不適合在質(zhì)地黏重的砂姜黑土上施用。

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(責(zé)任編輯： 李祥敏)

Comprative Study on Effect of Dicyandiamide Inhibiting Nitrifcation in Fluvo-Aquic Soil and Lime Concretion Black Soil.

CAOHong-lei1,2,YANTing-mei1,QIAOJun1,ZHUNing-yuan1,2

(1.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:A soil incubation experiment was carried out in a conditioned chamber to study effect of dicyandiamide (DCD) inhibiting nitrification in two main types of soils (fluvo-aquic soil and lime concretion black soil) in the Huaihe River Basin. The process of urea conversion was monitored through analyzing changes in relative concentration of NH4+-N and NO3--N and changes in inhibition strength of DCD with dosage of the habitator used were illuminated through calculating nitrification inhibition rates. Then optimal DCD dosages were figured out for different soils. Results indicate that in both soils DCD inhibited nitrification effectively, and within the range of DCD dosages (2%-10%) set for the incubation experiment, the effect increased with rising DCD dosage. In the fluvo-aquic soil, the nitrification inhibition rate reached as high as 58.9%, while in the lime concretion black soil, it was much lower, being 27.4% only， and the difference between the two soil was not so significant when the DCD dosage was 8% (P<0.05). In the fluvo-aquic soil, the concentration of NH4+-N decreased to 14.4 mg·kg-1after 42 days of incubation, whereas in the lime concretion black soil the concentration of NH4+-N dropped drastically after 7 days of incubation, and became almost undetetable after 21 days. These findings indicate that DCD applied in combination with urea can prolong effect of the fertilizer in fluvo-aquic soil, but the effect is not so high in lime concretion black soil.

Key words:dicyandiamide;fluvo-aquic soil;lime concretion black soil;ammonia-nitrogen;nitrate-nitrogen;nitrification inhibition rate

作者簡介：曹宏磊(1991—),男,河南商丘人,碩士生,主要從事農(nóng)業(yè)面源污染控制方面的研究。E-mail: hlcao@issas.ac.cn

通信作者①E-mail: tmyan@issas.ac.cn ②E-mail: jqiao@issas.ac.cn

基金項(xiàng)目：國家重大科技專項(xiàng)(2012ZX07204-003-002);國家科技支撐計(jì)劃(2012BAD15B03)

收稿日期：2015-03-27

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.018

中圖分類號：S143.1+6;S19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-4831(2016)01-0110-05