氮肥及硝化抑制劑配合施用對石灰性土壤二氧化碳釋放的影響

李雪松，Sajjad Raza，劉占軍，陳竹君，周建斌*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100）

氮肥及硝化抑制劑配合施用對石灰性土壤二氧化碳釋放的影響

李雪松1，2，Sajjad Raza1，2，劉占軍1，2，陳竹君1，2，周建斌1，2*

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.農(nóng)業(yè)部西北植物營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室，陜西楊凌 712100）

為研究施用氮肥對同時含有有機碳及無機碳石灰性土壤碳釋放的影響，在陜西楊凌進行田間試驗，比較了不同施氮量（0、160、220 kg·hm-2）及其與硝化抑制劑（DCD）配合（N160、N220及N160+DCD、N220+DCD）對土壤pH值、礦質(zhì)態(tài)氮含量和二氧化碳（CO2）釋放量的影響。結(jié)果表明：施用氮肥顯著降低了耕層土壤pH；配施DCD后土壤pH降低幅度小于未加DCD處理；加入DCD使氮肥的硝化過程推遲了約20 d；未加DCD處理的土壤CO2釋放量隨施氮量增加而增加，試驗結(jié)束時（施肥37 d后）土壤CO2累積釋放量最高達到167.1 g·m-2。與N0處理相比，N160和N220處理的土壤CO2累積釋放量顯著增加，增幅分別為20.9%和25.7%；N160+DCD和N220+DCD處理顯著降低了土壤CO2累積釋放量，比對應(yīng)相同施氮量處理分別降低了13.5%和11.0%。上述結(jié)果說明施用氮肥會同時影響石灰性土壤有機碳及無機碳的釋放，施用氮肥引起的土壤無機碳的釋放值得關(guān)注。

石灰性土壤；氮肥；硝化抑制劑；土壤pH；土壤碳釋放

以溫室效應(yīng)帶來的全球變暖為主要特征的氣候變化是人類社會面臨的重要問題[1-2]。溫室效應(yīng)氣體中二氧化碳（CO2）的影響最大，對與其密切相關(guān)的土壤碳轉(zhuǎn)化過程及影響因素的研究已成為人們關(guān)注的熱點。土壤釋放CO2（通常稱為土壤呼吸）是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是土壤碳素向大氣輸出的主要途徑[3-4]，也是影響大氣CO2濃度的關(guān)鍵生態(tài)過程。土壤排放到大氣的CO2高達68～100 Pg C·a-1[5]，約占大氣CO2總量的10%[6]，土壤CO2通量的微小變化即可對全球氣候變化和碳循環(huán)產(chǎn)生重大影響[7]。

土壤CO2的釋放同時受生物及土地利用、土壤濕度、pH值、施肥等非生物因素的影響[8-9]，其中氮肥施用是影響土壤CO2釋放的重要因素[10]。石灰性土壤同時含有機碳及無機碳，關(guān)于氮肥對土壤有機碳釋放的影響已有不少研究[11-12]，但施用氮肥對石灰性土壤無機碳釋放的影響尚不清楚。氮肥施入土壤后，會導(dǎo)致土壤碳氮循環(huán)的改變，如銨態(tài)氮在微生物的作用下會發(fā)生硝化反應(yīng)，每生成1 mol的硝酸根同時釋放出2 mol的H+[13-14]，從而降低土壤pH。我國是世界氮肥生產(chǎn)和消費的第一大國，約占全世界氮肥總用量的30%[15]。長期或大量施用氮肥，導(dǎo)致我國農(nóng)田土壤酸化問題突出，其中以南方地區(qū)土壤表現(xiàn)更為嚴(yán)重[16]，北方石灰性土壤pH的降低也較為明顯[17]。王媛華等[18]研究發(fā)現(xiàn)，堿性土壤在不同氮肥處理下土壤pH值均有不同程度的降低。Schroder等[19]研究表明，從1971年至2002年，由于氮肥的大量施用，北美中西部平原表層土壤（0～15 cm）pH顯著降低。無機碳是石灰性土壤重要的碳庫[20-21]。有研究表明，土壤酸化已經(jīng)改變了全球無機碳儲量及組分[22]。Wu等[23]大尺度分析了我國土壤無機碳含量的變化，發(fā)現(xiàn)土壤酸化使我國土壤無機碳自20世紀(jì)80年代至今損失約1.6 PgC。硝化抑制劑是減少氮素損失、提高氮肥利用率的措施之一[24-25]；硝化抑制劑可延緩硝化作用的發(fā)生，但其對石灰性土壤釋放CO2有何影響，鮮見報道。

為此，本文以陜西關(guān)中地區(qū)的典型塿土作為研究對象，在田間情況下研究了氮肥及其與硝化抑制劑（DCD）配合施用對土壤CO2釋放的影響，旨在評價施用氮肥對石灰性土壤碳釋放的作用。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2015年10月在陜西楊凌西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站試驗地進行。該地位于陜西關(guān)中地區(qū)的渭河三級階地，平均海拔523 m，年均氣溫13℃，年均降水量600～650 mm，主要集中在7、8、9月，年均蒸發(fā)量1400 mm，屬于半濕潤易旱區(qū)。土壤類型為褐土類，塿土亞類，紅油土屬，系統(tǒng)分類為土墊旱耕人為土，耕層土壤質(zhì)地為粉砂粘壤土[26]。土壤基本性質(zhì)：有機質(zhì)16.77 g·kg-1、全氮0.99 g·kg-1、速效磷8.46 mg·kg-1、速效鉀91.75 mg·kg-1、硝態(tài)氮4.56 mg·kg-1、銨態(tài)氮2.12 mg·kg-1、pH8.24、碳酸鈣66.01 g·kg-1。

田間試驗設(shè)氮肥不同用量及其與硝化抑制劑（DCD）配比5個處理，即氮肥用量為0、160、220 kg· hm-2，及施用160、220 kg·hm-2氮肥基礎(chǔ)上再加入硝化抑制劑，處理代號分別為N0、N160、N220、N160+ DCD和N220+DCD。所用氮肥種類為尿素，DCD用量為施N量的10%[27]。每個處理4個重復(fù)，隨機排列，小區(qū)面積4 m×4 m，不同小區(qū)間隔0.50 m，周圍設(shè)置保護行。在施肥后的第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37 d采用堿液吸收法分別測定土壤釋放CO2通量，并在施肥后的第1、6、9、12、16、20、25、30、37 d采集0～20 cm土樣，測定土壤pH和礦質(zhì)態(tài)氮含量。試驗期間氣溫及降雨量見圖1。

1.2 分析項目及計算方法

CO2釋放量采用堿液吸收法測定[28]：在試驗小區(qū)內(nèi)選定直徑為25 cm的圓形測定點，將一小三角架固定在圓心，其上放置事先已注入20mL1mol·L-1NaOH溶液的廣口瓶，迅速用PVC管（直徑25 cm、高30 cm，一端密閉）扣在選定的樣圓上，為隔絕外界空氣避免大氣CO2的干擾，圓桶下緣壓入土中2 cm，確保桶與外界無氣體交換。24 h后取出堿液瓶，迅速加蓋后帶回實驗室內(nèi)分析，釋放量用BaCl2沉淀-鹽酸-氫氧化鈉滴定法測定，可得到該時間內(nèi)的土壤呼吸速率。

堿液吸收法測定數(shù)據(jù)計算公式：

圖1 試驗期間氣溫及降雨量Figurre 1 Changes of air temperature and rainfall during the experiment

式中：V1為土壤CO2釋放速率，g·m-2·d-1；V0為滴定對照瓶中堿液至終點所需酸的體積，mL；V為滴定暴露于土壤空氣的瓶中堿液至終點所需酸的體積，mL；C為鹽酸標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，mol·L-1；S為PVC管底面積，m2。

CO2累積釋放量計算公式[29]：

式中：M為CO2累積釋放量，g·m-2；F為釋放通量（即釋放速率），g·m-2·d-1；i為采樣次數(shù)；t為播種后天數(shù)，d。

土壤礦質(zhì)態(tài)氮的測定：稱取新鮮土樣5.00 g，用1 mol·L-1KCl浸提，振蕩機180 r·min-1振蕩1 h后連續(xù)流動分析儀（AA3）測定。

土壤pH值測定：稱取土樣10.00 g，水土比2.5∶1，PHS-3C精密pH計測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2007，繪圖采用Sigmaplot 12.0，方差分析采用SAS 8.0。

2 結(jié)果分析

2.1 土壤pH值

由圖2可知，試驗期間各處理的土壤pH都比較高（pH＞8.0），與供試石灰性土壤本身的pH值較高有關(guān)。試驗期間N0處理土壤pH無顯著變化（P＞0.05）。與N0相比，N160和N220處理土壤pH平均降低了0.1個單位；到試驗結(jié)束時，不施氮和只施氮肥處理土壤pH差異達顯著水平（P＜0.05），但不同施肥量之間差異不顯著（P＞0.05）。與只施氮肥處理相比，加入DCD后土壤pH降低的幅度較小，可能與DCD抑制了硝化作用進行而減少了質(zhì)子釋放有關(guān)。

2.2 土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量

2.2.1 土壤NH+4-N

圖2 不同處理土壤pH的動態(tài)變化Figure 2 Changes of soil pH of the different treatments during the experiment

試驗期間除N0處理土壤的NH+4-N含量保持穩(wěn)定外，其他各處理土壤NH+4-N含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢（圖3）。在試驗前16 d，N160和N220處理與N0處理NH+4-N含量差異均達顯著水平（P＜0.05）；隨著時間的推移，土壤NH+4-N含量逐漸降低，培養(yǎng)結(jié)束時各處理間無顯著差異（P＞0.05）。加入DCD處理的土壤NH+4-N始終高于未加DCD處理。N160和N220處理的土壤NH+4-N含量在試驗第16 d與N0相比無差異，N160+DCD和N220+DCD處理的土壤NH+4-N含量在試驗第30 d與N0相比無顯著性差異，說明加入DCD使得硝化過程推遲了20 d左右。

2.2.2 土壤NO-3-N

N0處理土壤NO-3-N含量在整個試驗期間無明顯變化，變化幅度為4.74～9.60 mg·kg-1（圖4）。未加入DCD條件下土壤NO-3-N含量隨施氮量的增加而增加，試驗第9 d與N0相比達顯著差異水平，之后直至試驗結(jié)束N160和N220處理土壤NO-3-N含量均顯著高于N0；加入DCD處理，土壤NO-3-N在整個試驗期間增加幅度不大，含量始終低于僅施氮肥處理。這與DCD與氮肥配合延遲了NH+4-N的硝化作用有關(guān)。試驗后期各處理NO-3-N含量均有所降低，可能與試驗期間降雨較多，表層土壤NO-3-N發(fā)生淋溶有關(guān)。

圖3 不同處理土壤NH+4-N變化Figure 3 Changes of NH+4-N in soils of the different treatments during the experiment

圖4 不同處理土壤NO-3-N變化Figure 4 Changes of NO-3-N in soils of the different treatments during the experiment

2.3 土壤CO2釋放速率

從圖5可以看出，與N0相比，各施氮處理土壤CO2釋放速率均較高，且隨著施氮量的增加而增加。各施肥處理CO2釋放速率在試驗前5 d無顯著差異，之后加入DCD處理的CO2釋放速率有所降低，與未加入DCD的對應(yīng)相同施氮處理差異達顯著水平（P＜0.05）。

不同處理土壤CO2釋放速率表現(xiàn)出兩個峰：前期先升高，到第5 d達到第一個峰值，CO2釋放速率最大值為5.81 mg·m-2·d-1，可能與尿素水解釋放CO2有關(guān)；到試驗第15 d達到第二個峰值，CO2釋放速率最大值為5.33 mg·m-2·d-1；之后CO2釋放速率開始降低，至第19 d后趨于平穩(wěn)。

2.4 土壤CO2累積釋放量

從圖6可以看出，與N0相比，單施氮肥處理不同程度地增加了試驗期間土壤CO2累積釋放量，試驗結(jié)束時土壤CO2累積釋放量最大值為167.1 g·m-2，試驗結(jié)束時N160和N220處理土壤CO2累積釋放量顯著高于對照（P＜0.05），分別比對照增加了20.9%和25.7%。與僅施氮肥處理相比，加入DCD顯著降低了土壤CO2累積釋放量，N160+DCD和N220+DCD處理分別降低了13.5%和11.0%。

圖5 不同處理土壤CO2釋放速率變化Figure 5 Changes of CO2release rates from soil of the differenttreatments during the experiment

圖6 不同處理土壤CO2累積釋放量Figure 6 The cumulative released CO2from the different treatments during the experiment

3 討論

3.1 施用氮肥和DCD對土壤pH和礦質(zhì)氮變化的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，N160和N220處理土壤pH顯著低于N0處理，施用氮肥基礎(chǔ)上加入DCD后，土壤pH降低幅度小于未加入DCD的土壤（圖1），與他人的研究結(jié)果一致。如孫志梅等[30]發(fā)現(xiàn)，施用氮肥土壤酸化作用明顯，而將尿素與DCD配合施用明顯減輕了土壤的酸化程度。石美等[27]培養(yǎng)試驗發(fā)現(xiàn)，在單獨施用尿素21 d內(nèi)，石灰性土壤pH由于硝化作用的進行而顯著降低，pH降低幅度約0.6個單位；而尿素和DCD配合施用在25 d內(nèi)土壤pH顯著高于只施尿素處理，在培養(yǎng)的60 d內(nèi)土壤pH降低的幅度始終低于單獨施用尿素處理?？梢娛┤隓CD緩解了氮肥施用帶來的土壤酸化現(xiàn)象。

本研究還發(fā)現(xiàn)，無論是否加入DCD，土壤NH+4-N含量均在第6 d達到最大值，說明施入土壤的尿素在此時完全水解。未加入DCD處理的土壤，其NH+4-N含量在第16 d達到痕量，而加入DCD處理的土壤，其NH+4-N含量在第37 d達到痕量，說明加入DCD使氮素硝化過程延遲了20 d左右。劉瑜等[31]研究表明，褐土施用DCD使尿素加入后的硝化過程時間延長30 d。石美等[27]研究指出，DCD使供試的石灰性土壤硝化過程延滯了35～39 d。與這些研究結(jié)果相比，本研究加入DCD使硝化過程的延遲時間相對較短，可能與試驗期間降雨較多有關(guān)，因為DCD不易被土壤吸附，隨水流失，所以減弱了DCD發(fā)揮的抑制效果[32]。

3.2 施用氮肥及DCD對石灰性土壤CO2的影響及機理

本研究發(fā)現(xiàn)，隨著施氮量的增加土壤碳釋放量相應(yīng)增加，試驗結(jié)束時，N160和N220處理土壤CO2釋放量分別比N0處理高20.9%和25.7%。相關(guān)性分析表明，試驗結(jié)束時土壤CO2累積釋放量與施肥量之間呈顯著正相關(guān)（r=0.996），表明氮肥用量與土壤碳釋放之間具有密切的關(guān)系。氮肥配施DCD后，土壤CO2累積釋放量顯著降低（P＜0.05），試驗結(jié)束時N160+ DCD和N220+DCD處理比對應(yīng)相同施氮處理土壤的CO2釋放量分別降低了13.5%和11.0%，差異達顯著水平（圖6）。

石灰性土壤同時存在有機碳及無機碳，土壤釋放的碳除來自有機碳的分解外，也可能來自土壤無機碳的釋放[33-34]。前者是生物因素主導(dǎo)的過程，氮肥施入土壤后，為土壤微生物提供了必需的氮素，提高了微生物對土壤有機碳的分解[35]；后者是非生物因素主導(dǎo)的過程，主要受土壤條件特別是土壤pH的影響，土壤pH降低，會促進石灰性土壤無機碳的釋放。孟延等[36]培養(yǎng)試驗研究發(fā)現(xiàn)，施用氮肥顯著降低土壤pH，增加了石灰性土壤CO2的釋放量，估算可知來源于無機碳的比例約54%。關(guān)于田間條件下施用氮肥對石灰性土壤無機碳可能釋放的影響研究較少。如Heimann 等[37]新近研究表明，從1981年到2009年不到30年期間，由于大量施用化肥，北京地區(qū)一些土壤酸化現(xiàn)象明顯，無機碳含量由3.6 g·kg-1下降到0.96 g·kg-1。因此，氮肥配施DCD后，土壤CO2累積釋放量顯著降低可能與DCD對硝化過程抑制后降低了H+的釋放，進而減少土壤無機碳的溶解與釋放有關(guān)。這說明施用氮肥不僅影響土壤碳釋放生物過程，同時影響土壤碳釋放的非生物過程。

本研究同時發(fā)現(xiàn)，氮肥施用一周內(nèi)，不論是否加入DCD，相同施氮處理土壤CO2釋放速率差異不大。這可能與此時土壤CO2釋放的來源主要為尿素水解有關(guān)。隨著試驗時間的延長，不同處理的土壤CO2累積釋放量的差異逐漸變大。這可能由于加入與未加入DCD處理土壤pH降低的幅度不同，所以造成土壤無機碳的釋放不同。若要進一步準(zhǔn)確區(qū)分土壤碳釋放來源，需采用δ13C等更為準(zhǔn)確的方法進行研究。

4 結(jié)論

（1）與未施氮肥對照（N0）相比，N160和N220處理顯著降低了土壤pH；施用氮肥基礎(chǔ)上加入DCD后土壤pH降低幅度小于未加入DCD土壤。加入DCD使氮肥硝化過程推遲了20 d左右。

（2）施用氮肥顯著提高了石灰性土壤CO2釋放量，與不施肥相比增加了20.9%～25.7%；而氮肥與硝化抑制劑DCD配施，土壤CO2釋放量降低了11.0%～13.9%。這與DCD延緩了NH+4-N的硝化作用，土壤pH降低的幅度較小有關(guān)，說明施用氮肥會同時影響石灰性土壤有機碳及無機碳的釋放。

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Effects of application of nitrogen fertilizer and nitrification inhibitor on carbon dioxide emissions from calcareous soil

LI Xue-song1,2,Sajjad Raza1,2,LIU Zhan-jun1,2,CHEN Zhu-jun1,2,ZHOU Jian-bin1,2*
（1.College of Natural Resources and Environment,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.Key Laboratory of Plant Nutrition and the Agri-environment in Northwest China,Ministry of Agriculture,Yangling 712100,China）

A field trial was conducted to study the effects of adding nitrogen（N）fertilizer and nitrification inhibitor（DCD）on CO2emissions from calcareous soil in Yangling,Shaanxi.The treatments included a control to which no N fertilizer was added（N0）and two N fertilizer rates（160 and 220 kg N·hm-2,represented as N160 and N220,respectively）and their combinations with DCD（N160+DCD and N220+ DCD,respectively）.The soil pH,contents of mineral N（NH+4-N,NO-3-N）,and CO2emissions were measured.The results showed that the application of N fertilizer significantly reduced soil pH in comparison with N0.The decreasing rates of soil pH were less when N fertilizer was added with DCD.Addition of DCD delayed the nitrification of the N fertilizer by about 20 days.The CO2emissions from different N fertilizer treatments increased as the N rate increased when no DCD was added.Moreover,the maximum CO2emissions from soil after the experiment（37 days after adding N fertilizer）was as high as 167.1 g·m-2.Compared with the N0 treatment,the amount of CO2emissions from the N160 and N220 treatments increased by 20.9%and 25.7%,respectively.When DCD was combined with the N160 and N220 treatments,CO2emissions from the soil decreased by 13.5%and 11.0%,respectively.This indicates that the application of N fertilizer affected both the release of organic carbon and inorganic carbon from the calcareous soil.Thus,the effect of N fertilizer on the release of inorganic carbon from soil needs more study.

calcareous soil;nitrogen fertilizer;nitrification inhibitor;soil pH;soil carbon release

X511

A

1672-2043（2017）08-1658-06

10.11654/jaes.2017-0110

2017-01-19

李雪松（1993—），女，安徽宿州人，碩士研究生，主要從事土壤碳、氮關(guān)系研究。E-mail：1652289308@qq.com

*通信作者：周建斌E-mail：jbzhou@nwsuaf.edu.cn

國家自然科學(xué)基金項目（41671295,31372137）；國家“十二五”科技支撐計劃課題（2012BAD15B04）

Project supported：National Natural Science Foundation of China（41671295，31372137）；The National Technology R&D Pillar Program in the 12th Five Year Plan of China（2012BAD15B04）

李雪松，Sajjad Raza，劉占軍，等.氮肥及硝化抑制劑配合施用對石灰性土壤二氧化碳釋放的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36（8）：1658-1663.

LI Xue-song,Sajjad Raza,LIU Zhan-jun,et al.Effects of application of nitrogen fertilizer and nitrification inhibitor on carbon dioxide emissions from calcareous soil[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（8）：1658-1663.