硝化抑制劑DCD和NP對溫室菜田土壤氮素轉(zhuǎn)化及N2O、CO2排放的影響

臧祎娜， 周曉麗，， 解東友， 梁曉娜， 賈劍波， 王金垚， 張麗娟

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北保定 071000；2. 河北省農(nóng)田生態(tài)環(huán)境重點實驗室，河北保定 071000)

N2O作為重要的溫室氣體，其增溫效應(yīng)可達CO2的298倍[1]。據(jù)估計，大氣每年80%～90%的N2O、5%～20%的CO2來自土壤[2]。為了追求高產(chǎn)，農(nóng)民過量施肥，使氮肥的施用量持續(xù)增加，這大大促進了溫室氣體的排放[3]。與大田作物不同，高投入高產(chǎn)出的經(jīng)營模式使設(shè)施菜田養(yǎng)分投入量很高，氮素積累現(xiàn)象特別明顯[4]。據(jù)統(tǒng)計，至2010年年底，我國設(shè)施蔬菜栽培面積已經(jīng)超過270 hm2[5]；而到2015年，我國北方設(shè)施蔬菜面積突破102 533 hm2[6]。大量投入氮肥不僅利用率較低，造成資源浪費和面源污染，由此還產(chǎn)生大量N2O、CO2等溫室氣體，嚴(yán)重威脅生態(tài)系統(tǒng)安全。因此，研究提高氮肥利用率及溫室氣體減排的途徑和機制具有重要的現(xiàn)實意義。土壤氮素轉(zhuǎn)化過程調(diào)控以及N2O排放機制一直是研究的焦點，已有的研究圍繞不同施氮量及田間管理對氮素轉(zhuǎn)化的影響展開[7]。分析土壤氮素轉(zhuǎn)化和循環(huán)過程，通過施加硝化抑制劑來調(diào)控轉(zhuǎn)化，是提高氮素利用率、減排溫室氣體、優(yōu)化農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可行途徑[8-9]。氮肥配施雙氰胺、硫代硫酸鉀礦質(zhì)氮庫銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化量分別顯著降低了74.1%(P<0.01)、16.6%(P<0.05)，氮肥與這2種抑制劑配施均不同程度地抑制了硝化作用，抑制率分別為35.5%～98.7%、82.2%～103.5%[10]。同時，也有很多研究集中于不同添加劑對露天菜地或種植小麥、玉米等糧食作物的大田中氮素轉(zhuǎn)化以及N2O排放的影響[11-15]。雨養(yǎng)區(qū)種植春玉米的農(nóng)田減量施氮同時添加硝化抑制劑雙氰胺(dicyandiamide，簡稱DCD)降低了硝態(tài)氮峰值19.0%[16]。連續(xù)種植4季蔬菜的大田在各氮肥水平處理下，硝化抑制劑均能降低N2O排放量，抑制率為8.75%～25.28%，且這種減排效果隨著施氮量的增加而增加[17]。

本試驗通過室內(nèi)靜態(tài)培養(yǎng)，測定培養(yǎng)期內(nèi)N2O、CO2排放通量、排放總量、無機氮含量及轉(zhuǎn)化率，研究不同添加比例的硝化抑制劑2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(nitrapyrin，簡稱NP)以及DCD對設(shè)施蔬菜田土壤氮素轉(zhuǎn)化和CO2排放的影響，揭示土壤氮素?fù)p失的機制，旨在篩選效果最優(yōu)的抑制劑及其添加量，對研制生化調(diào)控肥及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用具有現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗于2015年8月30日至10月9日在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)樓實驗室進行。供試土壤選用河北省廊坊市永清縣大辛閣鄉(xiāng)北岔口村蔬菜棚(種植年限為16年，前茬作物為番茄)耕層土壤，質(zhì)地為沙質(zhì)黏壤土，容重為1.2 g/cm3，pH值(水、土體積比=2.5 ∶1)為8.0，有機質(zhì)含量為37.53 g/kg，堿解氮含量為114.80 mg/kg，速效磷含量為278.49 mg/kg，速效鉀含量為307.19 mg/kg。試驗前土壤去除草、雜物，過 2 mm 篩，在(25±1) ℃下避光培養(yǎng)1周。

1.2 試驗設(shè)計與布置

在室溫(25±1) ℃下，采用靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)進行室內(nèi)模擬試驗。試驗共設(shè)6個處理，每個處理9個重復(fù)，隨機排列(表1)。

表1 試驗主要成分設(shè)計

將預(yù)培養(yǎng)土樣與不同添加物充分混勻后裝入廣口瓶(高17 cm，內(nèi)徑9.6 cm)，廣口瓶事先分別于距瓶底2.5、5.0 cm 處標(biāo)記，土壤分2次裝入并壓實到標(biāo)記刻度處，使廣口瓶中土層高度為5 cm，樣品容重與田間容重一致。裝瓶完畢后，繼續(xù)向瓶中土層噴灑蒸餾水，調(diào)節(jié)土壤含水量為田間最大持水量的70%，蓋上封口膜(Parafilm膜，透氣不透水)，同時裹上黑色塑料袋避光，將樣品隨機放置在(25±1) ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng) 40 d。在培養(yǎng)期間每3 d稱質(zhì)量1次，根據(jù)初始瓶質(zhì)量補加去離子水以保持土壤含水量恒定。

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 N2O和CO2裝瓶后的第1、2、3、5、7、10、13、16、22、30、40天采集氣體。采集時間為每天08：30—09：00，采氣前揭開 Parafilm 膜5 min，充分通氣，然后塞上橡皮塞富集氣體。橡皮塞上連有三通閥，通過注射器與三通閥連接可以采集廣口瓶頂部的氣樣，連續(xù)采集0、10、20 min的氣體各1針，每針20 mL，同時記錄溫度。利用氣相色譜儀(Agilent 7890A型)測定N2O、CO2氣體樣品濃度。

1.3.3 土壤pH值的測定 在試驗開始、初期、試驗結(jié)束時采集土壤樣品，土樣風(fēng)干并通過1 mm篩，采用電位計法測定土壤pH值。

1.4 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計分析

1.4.1 N2O通量 計算公式：

F1=273÷(273+T)×28×60×24×10-3×V×dC/dt÷22.4/0.465 67。

(1)

式中：F1為 N2O排放通量(N2O-N) ，μg/(kg·d)；T為瓶內(nèi)溫度，℃；28為1 mol N2O分子中N的質(zhì)量數(shù)；22.4為 273 K 時 N2O摩爾體積，L/mol；V為土壤表面上方的氣體體積，L；C為N2O 氣體濃度，nL/L；t為關(guān)瓶時間，min；dC/dt為廣口瓶內(nèi)N2O氣體濃度的時間變化率，nL/(L·min)。

1.4.2 CO2通量 計算公式：

F2=273÷(273+T)×12×60×24×10-3×V×dC/dt/22.4÷0.465 67。

(2)

式中：F2為 CO2排放通量(CO2-C)，mg/(kg·d)；12為 1 mol CO2分子中C的質(zhì)量數(shù)； dC/dt為廣口瓶內(nèi) CO2氣體濃度隨時間的變化率，nL/(L·min)。

1.4.3 土壤NO3-、NH4+含量 計算公式：

M=C×[100+1.24×w]/24。

(3)

式中：M為土壤NO3-、NH4+含量，mg/kg(以氮計)；C為浸提液中NO3-、NH4+濃度，mg/L(以氮計)；w為土壤水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.4.4 土壤表觀硝化率 計算公式：

土壤表觀硝化率=NO3--N 含量 /(NH4+-N 含量+NO3--N含量)×100%。

(4)

1.4.5 統(tǒng)計分析 數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS 16.0進行方差分析與統(tǒng)計分析，用最小顯著差異法(LSD)作多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O和CO2排放特征

2.1.1 培養(yǎng)期間土壤N2O和CO2排放通量動態(tài)變化 由圖1-a可知，對照N0的N2O排放通量最低，N1處理N2O排放通量最高，在第1天即達到最大值2 430.03 μg/(kg·d)，之后逐漸減少；N4處理N2O排放通量僅次于N1處理，隨時間的變化趨勢與N1處理相同；N2處理的N2O排放通量低于N4處理，在第1天達到最大值，第3天則急劇減少，此后趨于平緩；N3處理的N2O排放通量峰值延后，第3天出峰至第5天后驟降，此后趨于平緩。N2、N3、N4處理的N2O排放通量峰值分別為311.63、336.46、1 435.07 μg/(kg·d)。

由圖1-b可知，N0處理的CO2排放通量最低，在第5天達到峰值； N3處理CO2排放通量最高，呈現(xiàn)先上升后緩慢下降的趨勢；N2處理隨時間的變化趨勢與N3處理大致相同，但其CO2排放通量低于N3處理。N4與N1處理的排放通量相差不大，培養(yǎng)前期CO2排放通量呈先上升后下降趨勢，后期略有上升而后趨于平緩。

2.1.2 土壤N2O和CO2累積排放量 由圖2-a可知，N0處理的N2O累積排放量最低，為308.35 μg/(kg·d)；N1處理累積排放量最高，為7 450.94 μg/(kg·d)；N4處理累積排放量比N1處理少40.44%，且差異顯著； N2、N3處理的N2O累積排放量分別為872.16 、786.68 μg/(kg·d)，2種處理間差異不顯著，均顯著低于N4處理，與N0處理差異不顯著。

由圖2-b可知，不施氮處理CO2累積排放量為 308.02 mg/(kg·d)，低于其他處理； N3處理CO2累積排放量最高，為757.87 mg/(kg·d)，顯著高于其他處理。N1、N2、N4處理CO2累積排放量分別為360.04、367.35、325.03 mg/(kg·d)，均顯著低于N3處理，與N0處理沒有顯著差異。

2.2 培養(yǎng)期土壤無機氮含量的動態(tài)變化

由圖3可知，在培養(yǎng)期間，N0處理的土壤NO3--N含量呈現(xiàn)減—增—減—增的趨勢。N1處理土壤NO3--N含量在培養(yǎng)前期先減少后增加，培養(yǎng)后期先減少后增加，總體高于其他各處理；土壤NH4+-N含量在第1天最高，第3天及其后均為0。N2處理的土壤NO3--N含量在第1天達到最大值，高于其他處理，第3天降到培養(yǎng)期最低值，培養(yǎng)后期整體呈增加趨勢，但均低于N0、N1、N4處理；土壤NH4+-N含量總體變化趨勢為先減少后增加，培養(yǎng)后期與N3處理相當(dāng)。 N3處理的土壤NO3--N含量在培養(yǎng)期間均低于其他處理，總體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；而在培養(yǎng)期內(nèi)土壤NH4+-N含量高于N0、N1、N4處理。N4處理土壤NO3--N含量與N1處理大體相當(dāng)，總體呈先減少后增加的趨勢；土壤NH4+-N含量在第1天達最大值，隨后降低，第7天又增加，第7天后先減少后增加，低于N2、N3處理。

2.3 土壤表觀硝化率

由表2可知，N0處理土壤表觀硝化率在第3天就達到100.0%，隨后不變；N1處理前期略有浮動，在第16天達到100.0%后不再變化； N2、N3處理的表觀硝化率均低于其他處理，變化趨勢大致相同，總體呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，其中N3處理土壤表觀硝化率整體最低；N4處理土壤表觀硝化率高于N2、N3處理，總體呈現(xiàn)波動上升趨勢。綜上所述，N3處理的效果最佳，N2處理次之，N4處理對N2O抑制效果較差。

表2 不同處理土壤表觀硝化率的動態(tài)變化

2.4 pH值

由圖4可知，培養(yǎng)期間N0處理的pH值為7.30～8.00； N1處理的pH值為7.5～8.5； N2、N3處理的pH值高于對照處理，其中N3處理的pH值最高；N4處理的pH值總體高于N0、N1處理，且變化幅度較大。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

相關(guān)研究表明，設(shè)施蔬菜地典型種植模式(番茄—白菜—生菜) 下，減氮優(yōu)化施肥配施硝化抑制劑處理的N2O年排放總量比傳統(tǒng)施肥減少61.13%[17]。這與本試驗結(jié)果類似，硝化抑制劑DCD與氮肥(N4處理)配施于溫室菜地中，與只施尿素的N1處理相比，土壤N2O排放降低了40.44%。楊柳青等的研究發(fā)現(xiàn)，華北平原石灰性潮土施加硝化抑制劑NP、DCD能夠降低87.4%～99.6%的N2O排放[18]。本試驗中N2、N3處理的N2O累積排放量分別為872.16、786.68 μg/(kg·d)，與N1處理(只添加尿素)相比分別下降了88.29%、89.44%，且2個處理間沒有顯著差異，表明不同濃度的NP抑制N2O排放的效果差異不大。

有研究表明，硝化抑制劑可選擇性地抑制土壤硝化微生物的活動，有效減緩?fù)寥乐袖@態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化[19]。NP通過抑制土壤中氨氧化細(xì)菌的生長有效延緩了銨態(tài)氮的氧化過程，整個培養(yǎng)過程中土壤銨態(tài)氮含量與pH值呈正相關(guān)關(guān)系，與氨氧化細(xì)菌數(shù)量和硝態(tài)氮含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[20]。本試驗測定土壤CO2排放量發(fā)現(xiàn)，N3處理能顯著促進土壤CO2排放，同時培養(yǎng)期N3處理的pH值最高，NP為有機物，筆者推測N3處理可能通過影響土壤pH值和土壤的碳氮比(C/N)來影響土壤微生物活性，從而使CO2排放量增加，具體原因有待進一步試驗驗證。

相關(guān)研究表明，在紅壤菜地上，與普通尿素處理相比，碧晶尿素(含nitrapyrin)處理地表徑流中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、無機氮的流失量分別降低13.1%、12.9%、11.7%[21]。姜亮等研究發(fā)現(xiàn)，施用NP處理的東北黑土土壤NH4+-N含量顯著高于單施尿素處理，NO3--N和NO2-N含量均顯著低于單施尿素處理[22]。本試驗表明，添加硝化抑制劑NP的處理(N2、N3)土壤NO3--N含量較只施尿素的處理(N1)顯著降低，而NH4+-N含量則有所提高；不同濃度的NP影響無機氮轉(zhuǎn)化的能力不同，添加0.8%NP的處理(N3)調(diào)控效果更優(yōu)。楊威研究表明，種植番茄的溫室土在優(yōu)化施肥處理條件下，配施DCD能顯著抑制土壤NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化，提高氮素利用率[23]。本試驗添加DCD處理(N4)與只施氮肥處理(N1)相比土壤NH4+-N含量有所提高。

3.2 結(jié)論

添加硝化抑制劑NP和DCD均能抑制溫室菜田土壤中N2O的排放，其中添加0.8%NP處理的抑制效果更好，其次為添加0.1%NP的處理，添加5%DCD處理的抑制效果較差。

添加0.8%NP的處理能促進CO2排放，排放量顯著高于其他處理。

添加0.1%、0.8%NP均明顯降低了土壤中NO3--N含量，提高了土壤中NH4+-N含量，其中0.8%NP的效果更好；添加5%DCD處理的土壤中NH4+-N含量與對照相比有所增加。