貴州草海地區(qū)不同土地利用方式土壤中尿素氮轉(zhuǎn)化對(duì)3種硝化抑制劑的響應(yīng)

趙 斌，朱四喜，程 誼，徐 鋮，李武江

(1.貴州民族大學(xué) 喀斯特濕地生態(tài)研究中心，貴陽(yáng) 550025；2.貴州民族大學(xué) 生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；3.中國(guó)科學(xué)院 南京土壤研究所 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)硝化抑制劑研究較多，但主要集中在硝化抑制劑的種類(lèi)、施用量、石灰性土壤等方面[14-16]。針對(duì)偏酸性土壤的研究相對(duì)較少，尤其是高原喀斯特地區(qū)石漠化相對(duì)嚴(yán)重的土壤，對(duì)其進(jìn)行尿素氮轉(zhuǎn)化對(duì)硝化抑制劑的響應(yīng)的研究甚少。有研究表明，土壤中施入的硝化抑制劑DMPP比DCD能更有效地減少N2O排放[17]。毛新偉等[18]研究毛竹土壤中分別施入DMPP和DCD對(duì)N2O的排放影響，發(fā)現(xiàn)用占總氮的 1.5% DMPP處理的土壤N2O累積排放減排幅度54%，10%DCD處理的土壤減少28%。章燕等[19]在土壤中分別添加DCD、DMPP兩種抑制劑，對(duì)硝化速率并未發(fā)揮應(yīng)有的抑制作用，可是兩種抑制劑都對(duì)礦化速率有明顯的抑制效果，并且DCD抑制效果明顯高于DMPP，差異達(dá)到顯著水平。另外，已有研究發(fā)現(xiàn)同種硝化劑對(duì)潮土抑制效果要比潮褐土更佳，兩種硝化抑制配施的協(xié)同抑制效果比單施的明顯[20]。氮肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的管理是土壤肥料和環(huán)境關(guān)注的熱點(diǎn)。

貴州草海屬于典型的喀斯特地貌，石漠化嚴(yán)重、土壤養(yǎng)分偏低，施入的尿素易損失。目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上，為了增加農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量，采取尿素與硝化抑制劑配施的方法，不僅可提高土壤中尿素利用率，而且可減緩因尿素?fù)p失造成的環(huán)境污染問(wèn)題。尿素與硝化抑制劑配施的研究工作主要集中在農(nóng)田土壤，而對(duì)林地、沼澤地土壤研究較少[21-22]。尤其是針對(duì)喀斯特地區(qū)土壤尿素與硝化抑制劑的研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以貴州草海濕地生態(tài)系統(tǒng)中農(nóng)用地、沼澤地和林地土壤為研究對(duì)象。通過(guò)室內(nèi)恒溫培養(yǎng)，研究貴州草海農(nóng)用地、沼澤地和林地土壤尿素轉(zhuǎn)化對(duì)雙氰胺、2-氯-6-三氯甲基吡啶(伴能，CP)和2-氯-6-三氯甲基吡啶(奧復(fù)托，NP)硝化抑制劑的響應(yīng)，旨在為喀斯特地區(qū)土壤選擇較為理想的硝化抑制劑，促進(jìn)氮肥的高效利用及氮肥的管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

草海是典型的高原喀斯特濕地生態(tài)系統(tǒng)，位于貴州省威寧縣城西部(26°49′～26°53′N(xiāo)， 104°12′～104°18′E)，海拔約2 171.7 m，屬于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，年均降雨量950 mm，無(wú)霜期 208.6 d，年日照時(shí)數(shù)約1 805.4 h。該地區(qū)是鳥(niǎo)類(lèi)黑頸鶴的越冬棲息地，并沿湖邊緣向外呈現(xiàn)沼澤地、農(nóng)用地和林地的分布格局。其中沼澤地中主要生長(zhǎng)狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)、海菜花(Otteliaacuminatavar.acuminata)、兩棲蓼(PolygonumamphibiumL.)等濕地植物；農(nóng)用地主要種植玉米(ZeamaysL.)、菜豆(PhaseolusvulgarisLinn)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等農(nóng)作物；林地中植物包括云南松(Pinusyunnanensis)、黃杉(PseudotsugasinensisDode)、白櫟(QuercusfabriHance)、刺柏(JuniperusformosanaHayata)等。

1.2 土壤采集及分析

于2017年7月利用梅花五點(diǎn)法分別采集草海碼頭、胡葉林、羊關(guān)山、江家灣、朱家灣地段的農(nóng)用地、沼澤地和林地的表層(0～20 cm)土樣，剔除土壤中的石塊、殘枝落葉等裝入自封袋帶回實(shí)驗(yàn)室，過(guò)2 mm篩混合均勻，裝自封袋備用。不同土地利用方式的基本理化性質(zhì)如下：農(nóng)用地為黃灰泡土，pH為4.52，有機(jī)質(zhì)35.37 g/kg，全氮 2.61 g/kg；沼澤地為泥炭沼澤土，pH為5.33，有機(jī)質(zhì)43.48 g/kg，全氮2.21 g/kg；林地土壤為黃棕壤，pH為4.84，有機(jī)質(zhì)23.91 g/kg，全氮 1.85 g/kg。選用的硝化抑制劑為雙氰胺(白色結(jié)晶性粉末，濃度98.00%，產(chǎn)于上海國(guó)藥集團(tuán)， DCD)、伴能(CP)、奧復(fù)托(NP)的兩種2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin)。其中，CP的有效成分質(zhì)量濃度為200 g/L，購(gòu)于美國(guó)陶氏益農(nóng)公司，而NP購(gòu)于中國(guó)浙江奧復(fù)托化工有限公司，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.00%。主要分析儀器有pH計(jì)(Thermo SCIENTIFIC ORION STAR A211)、Skalar連續(xù)流動(dòng)分析儀和氣相色譜儀(Agilent Technologies 7890A)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

N=(Nti+1-Nti)/(ti+1-ti)

(1)

M=(Mti+1-Mti)/(ti+1-ti)

(2)

Nr=[(A-B)/A]×100%

(3)

F=ρ×dc/dt×V×273/(273+T)/W

(4)

C=∑[(Fi+1+Fi)/2]×(ti+1-ti)

(5)

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010處理，采用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，采用Duncan’s檢驗(yàn)進(jìn)行處理間比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤pH變化

由表1可知，在各處理下，隨著土壤培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)，農(nóng)用地、沼澤地和林地土壤pH整體呈下降趨勢(shì)。其中，農(nóng)用地和沼澤地的土壤pH先升高后下降，除0.31%NP處理下培養(yǎng)時(shí)間為21 d外；經(jīng)0.27%CP處理的林地土壤pH始終處于降低趨勢(shì)，5%DCD處理的土壤pH從第4天至第21天逐漸回升，而CK和0.31% NP處理分別在培養(yǎng)時(shí)間為7 d和14 d時(shí)出現(xiàn)升高。農(nóng)用地在前14 d的培養(yǎng)期間，不同處理間差異不顯著，直到第21天時(shí)， CK與 0.31%NP處理的土壤pH差異顯著；沼澤地在第7天，CK處理的土壤pH與5%DCD、0.27%CP、 0.31%NP處理的土壤差異顯著，0.27%CP與 0.31%NP處理差異不顯著；林地經(jīng)0.27%CP與 0.31%NP處理土壤pH在各培養(yǎng)期間差異都不顯著，0.27%CP與CK相比，土壤pH均表差異顯著。

土地利用方式 Land use type處 理Treatment培養(yǎng)時(shí)間/d Incubation time2471421農(nóng)用地 Farm landCK4.97±0.08 a5.14±0.23 a5.65±0.05 a4.95±0.12 a4.70±0.35 b5%DCD5.24±0.22 a5.37±0.30 a5.68±0.06 a5.12±0.32 a5.01±0.03 ab0.27%CP5.27±0.23 a5.32±0.11 a5.82±0.16 a4.59±0.49 a5.02±0.08 ab0.31%NP5.10±0.10 a5.12±0.21 a5.71±0.06 a4.86±0.03 a5.32±0.55 a沼澤地 Marsh landCK5.89±0.03 a6.52±0.48 ab6.30±0.08 b5.49±0.11 a5.21±0.15 b5%DCD5.85±0.19 a6.27±0.30 b6.75±0.07 a5.49±0.08 a5.42±0.07 ab0.27%CP5.72±0.05 a6.11±0.06 b5.44±0.20 c5.46±0.32 a5.38±0.06 ab0.31%NP6.16±0.10 a6.86±0.24 a5.55±0.31 c5.48±0.14 a5.87±0.20 a林地 Wood landCK4.62±0.09 b3.93±0.09 b4.15±0.22 b3.97±0.17 c3.91±0.00 b5%DCD4.72±0.03 b3.93±0.08 b4.06±0.03 b4.39±0.04 b4.48±0.04 a0.27%CP5.32±0.11 a4.82±0.07 a4.76±0.10 a4.57±0.10 a4.49±0.08 a0.31%NP4.97±0.09 ab4.95±0.10 a4.66±0.05 a4.77±0.11 a4.52±0.03 a

注：不同小寫(xiě)字母表示同種土壤在各硝化抑制處理下的差異顯著(P<0.05)，下同 。

Note: Different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level between different nitrification inhibition treatments in the same soil, the same below.

2.2 不同土地利用方式土壤質(zhì)量分?jǐn)?shù)動(dòng)態(tài)變化

2.3 不同土地利用方式土壤硝化抑制率

由表2可知， 5%DCD、0.27%CP處理的農(nóng)用地，隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)土壤硝化抑制率逐漸降低，且第4天均約為第21天的2倍。另外 0.31%NP 處理土壤，在第14天抑制率效果最好，硝化抑制率可達(dá)77.94%。0.27%CP處理第4天和第7天的硝化抑制率均高于5%DCD、 0.31%NP，與0.31%NP差異顯著。第14天和第21天時(shí)，5%DCD與0.27%CP、0.31%NP差異顯著，0.31%NP硝化抑制率較高。說(shuō)明在前 7 d內(nèi)0.27%CP對(duì)農(nóng)用地具有較好的抑制效果，之后第14天至第21天內(nèi)0.31%NP的抑制效果較為明顯。沼澤地、林地的5%DCD、 0.27%CP和0.31%NP硝化抑制率隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)先增后減。沼澤地的0.27%CP、0.31%NP硝化抑制率在第7天最高，分別是72.42%、 88.84%。 5%DCD處理的沼澤地在在第14天硝化抑制率最高(67.82%)，除培養(yǎng)時(shí)間在第7天之外， 0.31%NP與5%DCD、0.27%CP顯著差異，說(shuō)明0.31%NP對(duì)沼澤地的抑制劑效果相對(duì)較差， 0.27%CP發(fā)揮相對(duì)較好的抑制作用。除培養(yǎng)時(shí)間在第14天外，林地土壤中抑制效果相對(duì)較強(qiáng)的為0.31 NP，其次0.27% CP,5% DCD較弱。

2.4 不同土地利用方式土壤凈硝化速率和凈礦化速率

從圖2可看出，農(nóng)用地、沼澤地和林地CK處理的凈硝化速率明顯高于5%DCD、0.27%CP、031%NP，與3種硝化抑制劑存在顯著差異。農(nóng)用地與沼澤地的土壤凈硝化速率按快至慢均為CK>0.31%NP>5%DCD>0.27%CP；林地為CK>5%DCD>0.27%CP>0.31%NP。 0.27% CP對(duì)農(nóng)用地和沼澤地及0.31%NP對(duì)林地土壤氮轉(zhuǎn)化抑制效果較好。不同土地利用方式的凈礦化速率無(wú)明顯規(guī)律，林地的凈礦化速率小于農(nóng)用地、沼澤地，而且沼澤地與林地的凈礦化速率相似，0.27%CP最大，CK最小，最大與最小分別相差0.89、0.59 mg/(kg·d)。

表2 在硝化抑制劑處理下的土壤硝化抑制率Table 2 Soil nitrification inhibition rate under the treatment of nitrification inhibitor %

圖中不同小寫(xiě)字母表示同種土壤中不同處理差異顯著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters in the figure indicated significant difference at 0.05 level of different treatments in the same soil, the same below

圖2 硝化抑制劑處理下的土壤凈硝化速率和凈礦化速率
Fig.2 Soil net nitrification rate and net mineralization rate under nitrification inhibitor treatment

2.5 草海不同土地利用方式土壤N2O累積排放量

如圖3所示，在21 d培養(yǎng)期間，不同土地利用方式的土壤N2O累積排放量存在差異，農(nóng)用地土壤N2O累積排放量為：CK>5%DCD> 0.31%NP>0.27%CP；沼澤地為0.31%NP>CK>5%DCD>0.27%CP，林地為0.27%CP> 5%DCD>CK>0.31%NP。農(nóng)用地土壤的不同處理間土壤N2O累積排放量差異顯著，沼澤地CK與0.31%NP處理，5%DCD與0.27%CP處理差異不顯著，林地0.27%CP與0.31%NP處理差異顯著。

圖3 21 d硝化抑制劑處理的土壤N2O累積排放量Fig.3 N2O accumulated emissions of soil treated with nitrification inhibitors on 21 d

3 討 論

從土壤凈礦化速率整體看出，土壤凈礦化速率依次為沼澤地>農(nóng)用地>林地，而沼澤地有機(jī)質(zhì)含量最高，林地最低，這與段偉等[35]研究發(fā)現(xiàn)土壤凈氮礦化量與其有機(jī)質(zhì)呈極顯著線性正相關(guān)相一致。溫室氣體N2O主要來(lái)源于農(nóng)業(yè)排放，排放量占人為源的50%以上，主要是通過(guò)硝化和反硝化作用產(chǎn)生[36-37]。本試驗(yàn)培養(yǎng)是在有氧條件下進(jìn)行，則土壤N2O排放主要為硝化作用。在培養(yǎng)21 d期間，各處理農(nóng)用地土壤N2O累積排放量差異顯著，同時(shí)土壤N2O累積排放量顯著高于沼澤地和林地。導(dǎo)致農(nóng)用地N2O累積排放量偏高原因，可能是草海農(nóng)用地以蔬菜、馬鈴薯等農(nóng)作物為主，種植強(qiáng)度和施肥量較大[38]。在草海地區(qū)不同土地利用中，農(nóng)用地經(jīng)0.27%CP處理的土壤N2O累積排放量均顯著低于CK、5%DCD、 0.31%NP處理，沼澤地土壤N2O累積排放量， 0.27%CP處理顯著低于CK、0.31%NP處理，林地0.31%處理土壤N2O累積排放量均顯著低于CK、5%DCD、0.31NP處理。影響硝化抑制劑抑制效果的因素包括土壤質(zhì)地、硝化抑制劑種類(lèi)、土壤pH、有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量等[39]。由于本研究的試驗(yàn)是在室內(nèi)控溫下進(jìn)行，還需具體根據(jù)野外實(shí)際情況，才能更好地分析草海地區(qū)不同土地利用土壤中尿素氮轉(zhuǎn)化對(duì)5%DCD、0.27%CP、 0.31%NP等3種硝化抑制劑的響應(yīng)。

4 結(jié) 論