不同硝化抑制劑組合對銨態(tài)氮在黑土和褐土中轉(zhuǎn)化的影響

油倫成，李東坡，崔 磊，武志杰，李學(xué)紅，肖富容，李永華，閆增輝，鄭 野，張金明，高 波，崔永坤

（1 中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所，遼寧沈陽 110016；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3 北方華錦化學(xué)工業(yè)集團有限公司，遼寧盤錦 124021；4 錦西天然氣化工有限責(zé)任公司，遼寧葫蘆島 125001；5 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193）

在水稻追肥和復(fù)混肥料加工過程中大量使用銨態(tài)氮肥，主要為氯化銨、硫酸銨[1-4]。目前對改善這部分肥料的性能，提高其穩(wěn)定性和長效性并沒有引起充分的重視[5-7]。為提高我國整體氮肥利用率，減少氮肥施用量[8]，高效穩(wěn)定性銨態(tài)氮肥的研制不容忽視[9-11]。

為提高作物產(chǎn)量和減少環(huán)境代價，在作物的營養(yǎng)臨界期和營養(yǎng)最大效率期精準(zhǔn)施肥尤為重要，如小麥的分蘗和孕穗期，玉米的孕穗期。但由于傳統(tǒng)氮肥轉(zhuǎn)化速率過快，氮素通過各種途徑過早損失，不但無法為作物提供充足的氮素，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。一般在4個月內(nèi)，作物對氮素需求最大，因此篩選出可以維持4個月以上硝化抑制效果的抑制劑配方尤為重要，硝化抑制率一般應(yīng)維持在20%～60%為宜，可提高作物產(chǎn)量10%以上[12]。如果抑制率過高，則會增加氨揮發(fā)強度，造成空氣污染；如果抑制率過低，則無法保證氮素的持續(xù)供應(yīng)，并會增加硝態(tài)氮淋洗，污染水體。

對硝化抑制劑的研究早在20世紀(jì)中后期就已經(jīng)開始[13]。1974年，美國DOW公司開發(fā)CP(Nitrapyrin)產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。在施用等氮量情況下，在石灰性土壤中添加CP的水稻種植中，其硝化率為不添加CP的30%，在微酸性或酸性黏土中，其硝化率比不添加CP減少10%，在強堿性土壤中硝化率也明顯減小，但由于強堿性土壤中易造成氨揮發(fā)，因此在強堿性土壤中對減少氮素損失效果不佳。一般情況下，添加CP的土壤中銨態(tài)氮存留時間延長40天以上。但由于銨態(tài)氮在土壤中長時間存留，也會增加氨揮發(fā)損失[14]。一般在最大田間持水量的60%左右，溫度在25℃左右，pH處于中性或弱堿性時，CP能發(fā)揮最好的抑制效果。除此之外，還有一種抑制劑—3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)被廣泛應(yīng)用，并取得較好的效果[15]。DMPP可以有效控制氮素流失和改變農(nóng)作物對氮素的吸收方式。添加化肥純氮量1%的DMPP，即可達到較好的硝化抑制效果，其硝化抑制作用可持續(xù)1～3個月時間。不同的土壤類型中DMPP作用效果不同[16]。另外，還有我們所熟知的抑制劑—二氰二胺(DCD)。氮肥中加入DCD后，淋溶造成的氮素損失有效減少40%左右[17]。近年來，研究表明DCD在蔬菜、水果、茶葉、藥材等領(lǐng)域都起到良好的作用，因此被大范圍快速推廣使用。另外，由德國SKW公司開發(fā)的硝化抑制劑1-甲胺甲酰-3-甲基吡唑(CMP)，也具有硝化抑制效果。研究表明，CMP可以有效抑制土壤硝化反應(yīng)，使銨態(tài)氮在土壤中長期穩(wěn)定存在，有效抑制硝態(tài)氮的生成[15]。

土壤質(zhì)地、孔隙度、有機質(zhì)含量、酸堿度等因素影響硝化抑制劑的效果[18-20]。在pH低于6的土壤中，硝化反應(yīng)不明顯，在pH處于中性或者偏堿性土壤中，硝化反應(yīng)較為明顯，要取得理想的硝化抑制效果需要適宜的硝化抑制劑類型[21-25]和濃度[26-30]。然而，針對我國不同類型土壤[31-34]、不同種類銨態(tài)氮肥(如硫酸銨、氯化銨)的專用高效生化抑制劑配方的系統(tǒng)研究工作相對較少。由于一些硝化抑制劑單一施用有效作用時間較短，不能有效減少銨態(tài)氮肥總損失量，而將兩種或者多種抑制劑配合使用可以解決這一問題[35]，達到更好的抑制效果，同時會降低生產(chǎn)成本[36]。另外，一些硝化抑制劑雖然可以有效抑制硝化反應(yīng)進行，但是其成本高、合成工藝復(fù)雜、對環(huán)境造成一定的污染，因此，篩選針對不同種類銨態(tài)氮肥、適應(yīng)我國典型土壤的成本低廉、高效、專用，并且對環(huán)境友好的抑制劑或組合配方十分必要。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試肥料：氯化銨(分析純)，由天津永大化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

供試硝化抑制劑：2-氯-6(三氯甲基)-吡啶(CP)，DMPP，CMP，3-甲基吡唑(MP)，2-氨基-4-氯-6-甲基嘧啶(AM)，均為分析純試劑，純度 ≥98.0%，由Maya Reagent生物技術(shù)公司生產(chǎn)；Nguard，油狀液體，由Solvay S.A.公司提供；DCD，二氰二胺，為分析純試劑，純度 ≥ 84.0%，由Macklin生物技術(shù)公司生產(chǎn)。

供試土壤：黑土，采自吉林省長春市農(nóng)安縣(125°49′E、43°51′N)，屬于中溫帶大陸性氣候。土壤保水能力強，肥力高。褐土，采自遼寧省朝陽市朝陽縣(119°50′E、41°25′N)，屬于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候。以上2種類型土壤分別取自旱地農(nóng)田耕層0—20 cm。試驗所用土壤經(jīng)過自然風(fēng)干后過2 mm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 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 試驗設(shè)計

采用室內(nèi)土壤培養(yǎng)方法。以氯化銨為研究對象，添加單一或者組合抑制劑，制備穩(wěn)定性氯化銨，氯化銨氮添加量均為N 0.50 g/kg干土。具體試驗處理包括：1)不施肥對照(CK)；2)施用氯化銨肥料(N)；3)～9)處理為氯化銨添加了不同抑制劑，依次為N+CP、N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+DCD、N+CP+CMP、N+CP+AM、N+CP+MP。單一抑制劑CP、N-guard、DMPP、DCD、CMP、AM、MP的添加量分別為氯化銨氮量的0.5%、1.5%、1.0%、4.0%、0.2%、4.0%、1.0%，抑制劑組合的添加量為抑制劑單獨添加量的50%。

培養(yǎng)試驗采用4號敞口塑料盆(12 cm口徑)，每盆裝干土1 kg，加入150 mL左右去離子水，盆口蓋一層塑料保鮮膜，在無光照的恒溫室中放置一周，使土壤活化。將各處理肥料與活化后的土壤充分混勻后，再裝回盆內(nèi)，盆口蓋一層扎眼的塑料保鮮膜，每一處理3次重復(fù)。

室內(nèi)恒溫培養(yǎng)試驗，溫度保持在(25 ± 2)℃，土壤濕度為田間最大持水量的60%。分別在培養(yǎng)第1、4、7、11、15、22、30、45、60、75、90、105、120 天取土樣，測定土壤含水量、土壤NH4+-N和NO3--N含量，并計算硝化抑制率。

1.3 測定及計算方法

土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮用2.00 mol/L氯化鉀浸提，用3-AA3型流動分析儀測定。硝化抑制率(DN)計算公式：DN(%)=(C-D)/C×100，式中，C和D分別為普通氯化銨和添加抑制劑氯化銨培養(yǎng)后土壤硝態(tài)氮濃度測定值(mg/L)。

1.4 統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。采用Duncan最小顯著極差法進行多重比較，差異顯著水平為P＜0.05，利用Origin 8.6軟件作圖。圖中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同抑制劑的氯化銨在黑土中的轉(zhuǎn)化特征

在黑土中，所有氯化銨氮肥處理的銨態(tài)氮含量在整個培養(yǎng)期都呈現(xiàn)下降趨勢，硝態(tài)氮含量都呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(圖1)。CP單獨添加和與其他6種抑制劑混合添加在培養(yǎng)120 天內(nèi)的抑制效果都顯著高于無添加抑制劑的N處理(P＜0.05)。在培養(yǎng)第120天時，N處理土壤中銨態(tài)氮含量已不足40%，添加抑制劑的7個處理土壤中依然含有65%以上銨態(tài)氮，并且該7個處理間銨態(tài)氮含量沒有顯著差異(P＞0.05)，證明添加硝化抑制劑CP及其組合處理的硝化抑制有效作用時間達到120 天以上(圖1)。

硝化抑制劑CP單獨添加及其6個組合添加處理土壤的硝態(tài)氮含量在整個培養(yǎng)期變化趨勢基本相同，均顯著低于N處理(P＜0.05)，證明添加抑制劑的7個處理都具有較好的硝化抑制效果，并且硝化抑制有效作用時間在4個月以上(圖1)。

在0～30天的培養(yǎng)期內(nèi)，N處理NH4+-N含量下降較快，而硝化抑制劑處理的下降較慢。在培養(yǎng)第30天時，N處理的剩余NH4+-N含量為179 mg/kg，硝化抑制劑處理的依然維持在400 mg/kg以上，顯著高于N處理(P＜0.05)。培養(yǎng)45～75天，N處理的銨態(tài)氮保持相對穩(wěn)定，銨態(tài)氮含量維持在150～200 mg/kg，沒有顯著下降趨勢，而硝化抑制劑處理的銨態(tài)氮含量下降較快，銨態(tài)氮減少量在100 mg/kg左右；培養(yǎng)75～120 天，N處理銨態(tài)氮含量依然沒有顯著下降趨勢，銨態(tài)氮含量保持在150～200 mg/kg，硝化抑制劑處理也沒有顯著下降趨勢，銨態(tài)氮含量保持在300 mg/kg以上，顯著高于施N處理(圖1)。

在0～45天培養(yǎng)期，N處理硝態(tài)氮含量增長較快，在第45天，增加了300 mg/kg，而添加硝化抑制劑的7個處理的硝態(tài)氮含量增加較緩慢，增加量小于80 mg/kg，硝化抑制率為63%～75%(表2)；在培養(yǎng)45～75天，N處理硝態(tài)氮含量增長相對減緩，增長量接近100 mg/kg，而硝化抑制劑處理在此階段增加最大，增加量由小于100 mg/kg增加到200 mg/kg左右，在培養(yǎng)75天時的硝化抑制率為41%～52%；在培養(yǎng)75～120天，N與添加硝化抑制劑處理土壤的硝態(tài)氮含量都增加較為緩慢，增長幅度都在50 mg/kg以內(nèi)，在培養(yǎng)第120天時的硝化抑制率依然在26%～40%(表2)。

圖1 黑土中不同處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量動態(tài)變化Fig.1 Dynamic changes of soil NH4+-N and NO3--N contents in black soil under different treatments

表2 黑土上抑制劑的硝化抑制率(%)Table 2 Soil nitrification inhibition rate in black soil in different treatments

2.2 添加不同抑制劑的氯化銨在褐土中的轉(zhuǎn)化特征

在褐土中，所有施氮處理的銨態(tài)氮含量在整個培養(yǎng)期都呈現(xiàn)下降趨勢，硝態(tài)氮含量都呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(圖2)。

在0～75天培養(yǎng)期，添加硝化抑制劑的處理，銨態(tài)氮含量都顯著高于無添加抑制劑的N處理(P＜0.05)。在培養(yǎng)75天時，N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP處理土壤硝態(tài)氮含量依然顯著低于N處理(P＜0.05)，硝化抑制率分別為43%、42%、35%、37%(表3)。在培養(yǎng)第90天時，N+CP、N+CP+AM、N+CP+DCD處理銨態(tài)氮含量介于100～200 mg/kg，顯著高于N處理(P＜0.05)，添加N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP處理與N處理沒有顯著差異(P＞0.05)。在90～120天培養(yǎng)期，N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP處理硝態(tài)氮含量與N處理無顯著差異(P＞0.05)，硝化抑制率全部下降為9%以下，說明這些處理在培養(yǎng)75天內(nèi)具有硝化抑制效果。在培養(yǎng)第105天時，N+CP、N+CP+AM的處理銨態(tài)氮含量與N處理沒有顯著差異(P＞0.05)，說明這2種處理的硝化抑制有效作用時間在105天以內(nèi)；N+CP、N+CP+AM處理硝態(tài)氮含量依然顯著低于N處理(P＜0.05)，其硝化抑制率分別為23%、12%，說明有效硝化抑制時間為105天左右。在培養(yǎng)第120天時，N+CP+DCD處理與N處理銨態(tài)氮含量沒有顯著差異(P＞0.05)，說明有效作用時間為120天左右；其硝態(tài)氮含量都顯著低于N處理(P＜0.05)，硝化抑制率為20%，說明硝化抑制效果可以維持4個月以上(圖2)。

圖2 褐土中不同處理銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量動態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of soil NH4+-N and NO3--N contents in cinnamon soil under different treatment

表3 褐土上抑制劑的硝化抑制率(%)Table 3 Nitrification inhibition rate in cinnamon soil in different treatments

3 討論

3.1 在黑土中不同硝化抑制劑或組合對氯化銨氮素轉(zhuǎn)化的影響

在黑土中，所有添加氯化銨氮肥的處理都發(fā)生較強的硝化反應(yīng)，說明土壤中添加銨態(tài)氮肥處理顯著增加了硝化反應(yīng)速率，增加了土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的進程，這與孫志梅等[37]研究結(jié)果一致。

在黑土中，添加硝化抑制劑的所有處理有效硝化抑制作用時間都超過整個培養(yǎng)期，說明本研究所用硝化抑制劑或組合，在整個培養(yǎng)期都顯著降低了土壤中硝化作用強度，有效抑制了土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，降低土壤中硝化反應(yīng)速率，這與李莉等[33]研究結(jié)果相一致，這可能與抑制土壤中胺氧化酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶活性和氨氧化古菌豐度有關(guān)。

3.2 在褐土中不同硝化抑制劑或組合對氯化銨氮素轉(zhuǎn)化的影響

在褐土中，所有添加氯化銨氮肥處理土壤銨態(tài)氮含量在整個培養(yǎng)期都處于下降趨勢，說明在整個培養(yǎng)期都發(fā)生顯著的硝化反應(yīng)，土壤中銨態(tài)氮含量增加，顯著增加了土壤中硝化反應(yīng)速率，這與聶彥霞等[32]研究結(jié)果一致。

在褐土中，在培養(yǎng)前3個月，添加硝化抑制劑的處理有效抑制土壤中硝化反應(yīng)，可能因為改變了土壤中氨氧化古菌群落結(jié)構(gòu)和豐度以及胺氧化酶活性，這與張苗苗等[38]研究結(jié)果一致。處理N+CP、N+CP+AM、N+CP+DCD硝化抑制效果顯著高于處理N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP，說明不同的硝化抑制劑或硝化抑制劑組合，不但影響硝化抑制作用強度，而且影響硝化抑制作用時間，因此研究不同硝化抑制劑或硝化抑制劑組合在不同類型土壤中的作用效果具有現(xiàn)實意義[39-40]。

N+CP、N+CP+AM處理的有效硝化抑制時間在105天以內(nèi)，而N+CP+DCD處理有效硝化抑制作用時間為120天左右，由此可知，N+CP+DCD處理抑制硝化作用效果最好，并且在褐土中有效作用時間最長，比CP單獨使用，明顯增加了抑制作用時間與效果。因此在褐土中添加氯化銨態(tài)氮肥，應(yīng)首先選用添加CP+DCD制成高效穩(wěn)定性銨態(tài)氮肥。

3.3 在黑土和褐土中同種硝化抑制劑或組合對氯化銨氮素轉(zhuǎn)化的影響

在培養(yǎng)初期，土壤中加入銨態(tài)氮肥，褐土中微生物固持和土壤固定作用遠大于黑土，造成這種差異的主要因素可能是土壤酸堿度，因為在堿性土壤中氨氧化相關(guān)微生物豐度和酶活性高于酸性土壤中相關(guān)微生物和酶指標(biāo)[41]。

在培養(yǎng)第3～4周，在黑土和褐土中僅添加氯化銨處理硝化反應(yīng)速率最快，而添加硝化抑制劑處理硝化反應(yīng)速率較為遲緩，說明這個階段在黑土和褐土中發(fā)生顯著的硝化反應(yīng)，并且硝化抑制劑起到較好的抑制效果。

在培養(yǎng)60～90天，黑土中沒有發(fā)生顯著的硝化反應(yīng)，而在褐土中硝化反應(yīng)較顯著，說明堿性褐土具有更優(yōu)的硝化反應(yīng)相關(guān)微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性，硝化作用潛力大于黑土。

在培養(yǎng)90～120天，黑土中氯化銨氮肥處理的硝化反應(yīng)趨于平穩(wěn)，說明黑土中硝態(tài)氮含量過高，抑制了土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化；褐土中僅施N處理硝化反應(yīng)已趨于完全，而添加硝化抑制劑的處理依然有較強的硝化反應(yīng)，說明在培養(yǎng)前期褐土的硝化作用受到抑制，在后期依然繼續(xù)進行，添加硝化抑制劑對褐土中的硝化作用起到了削峰填谷的效果，有利于銨態(tài)氮的緩慢氧化，延長了氯化銨氮肥的效果。

4 結(jié)論

1)在濕潤地區(qū)pH較低的酸性土壤上，硝化抑制劑CP或CP+N-guard、CP+DCD組合抑制銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化的作用效果顯著，較高的銨態(tài)氮含量可維持4個月以上，有利于作物的吸收和利用。

2)在堿性褐土中，硝化抑制劑CP+DCD組合的硝化抑制效果較好，在培養(yǎng)120天內(nèi)，仍然可以維持褐土中較高的銨態(tài)氮含量，其硝化抑制率為20%。

3)在黑土上施用氯化銨時，可添加CP或CP+N-guard、CP+DCD組合制備穩(wěn)定性氮肥；在褐土上施用氯化銨，則適宜添加CP+DCD組合作為堿性土壤上施用氯化銨時的添加劑。