硝化抑制劑阻控養(yǎng)殖肥液灌溉土壤氮素淋失

楊涵博，賴睿特，張克強，沈豐菊，李佳佳，高文萱，羅艷麗，王 風(fēng)*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，天津 300191）

2016年我國設(shè)施蔬菜面積達(dá)到391.5萬hm2，預(yù)計到2020年將穩(wěn)定增長到410.5萬hm2。設(shè)施蔬菜因高產(chǎn)量、高品質(zhì)與高效益等特點，已經(jīng)發(fā)展成為我國農(nóng)業(yè)的主體產(chǎn)業(yè)[1]。但是，設(shè)施蔬菜因大水大肥的管理方式也造成了土壤養(yǎng)分大量淋失，在灌溉作用下約有30%～50%的氮素通過淋溶損失[2-4]。山東設(shè)施蔬菜集中生產(chǎn)區(qū)地下水硝態(tài)氮濃度為49.6～78.0 mg·L-1，超過國家地下水飲用標(biāo)準(zhǔn)[5]。

配施硝化抑制劑作為一種有效降低氮素?fù)p失的技術(shù)，已被廣泛研究并得以實際應(yīng)用[6-7]。硝化抑制劑通過抑制氮肥氨氧化作用和亞硝化作用[8]，降低亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的活性，從而抑制土壤中的NH+4被氧化為NO-3，減少硝態(tài)氮在土壤中的生成和累積[9-10]，進而減少氮肥以硝態(tài)氮形式的淋溶損失及對生態(tài)環(huán)境的影響。目前應(yīng)用最為廣泛的硝化抑制劑是雙氰胺（DCD）和氯甲基吡啶（Nitrapyrin）[11-12]。研究表明，DCD的施入對NH+4-N累積有一定效果，設(shè)施番茄配施DCD后0～30 cm土層NO-3-N含量降低了63.70%～80.53%[13]，而DCD施加量在施氮量的1%～5%時，氮素淋失量顯著降低了23.68%～37.94%[14]。Owens發(fā)現(xiàn)施用Nitrapyrin可使土壤氮素淋溶損失減少13%[15]。也有研究發(fā)現(xiàn)DCD和Nitrapyrin均可顯著抑制土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，兩種抑制劑處理的土壤銨態(tài)氮含量分別較不施加抑制劑處理增加了46.2～256.1 mg·kg-1和3.68～372.9 mg·kg-1[16]。

然而，國內(nèi)外對硝化抑制劑阻控土壤氮素淋失的研究大多數(shù)是基于化肥施用條件下進行的，總體結(jié)論為硝化抑制劑有利于減少硝態(tài)氮的淋溶損失。但是以養(yǎng)殖肥液為主體的新型肥料在設(shè)施農(nóng)業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，而養(yǎng)殖肥液作為一種養(yǎng)分濃度比較高的有機態(tài)氮和無機態(tài)氮混合肥料，氮素的濃度及其形態(tài)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)超過化肥。正因為養(yǎng)殖肥液具有以上特性，在農(nóng)田灌溉過程中單獨施用會加劇氮素的淋失[17]。因此，阻控養(yǎng)殖肥液灌溉土壤的氮素淋溶損失十分重要。本研究擬通過土柱模擬試驗，研究兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤氮素淋失特征與效果，為養(yǎng)殖肥液在設(shè)施蔬菜上的安全利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與裝置

1.1.1 供試土壤

供試土壤采自天津市寧河區(qū)設(shè)施蔬菜大棚0～20 cm表層土壤，土壤質(zhì)地類型為壤土。新鮮土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，揀出作物殘根及石塊，過2 mm篩后混勻，備用。土樣pH值8.61，銨態(tài)氮（NH+4-N）含量7.40 mg·kg-1，硝態(tài)氮（NO-3-N）含量2.18 mg·kg-1，總氮（TN）含量0.71 g·kg-1，土壤有機質(zhì)含量 22.81 g·kg-1。

1.1.2 供試硝化抑制劑及肥料

DCD生產(chǎn)廠家為上海麥克林生化科技有限公司，分析純，純度99%。Nitrapyrin生產(chǎn)廠家為北京百靈威科技有限公司，分析純，純度98%。尿素生產(chǎn)廠家為天津市津科精細(xì)化工研究所，分析純，純度99%。養(yǎng)殖肥液取自天津市益利來養(yǎng)殖有限公司常年運轉(zhuǎn)的塞流式厭氧反應(yīng)器，原料為豬場糞污，養(yǎng)殖肥液pH值8.30，NH+4-N濃度464.80 mg·L-1，NO-3-N濃度2.11 mg·L-1，TN濃度692.55 mg·L-1，溶解性有機碳（DOC）濃度100.18 mg·L-1。

1.1.3 土壤淋溶模擬裝置與填裝過程

淋溶模擬裝置（圖1）為PVC材質(zhì)，內(nèi)徑19 cm，高40 cm。柱體內(nèi)部下端鋪有100目的尼龍網(wǎng)，起到初步過濾作用，柱體底部的出水管內(nèi)裝滿脫脂棉花，深度過濾水樣。將土柱固定在穩(wěn)定的鋼架上，所有土柱保持與地面垂直，柱體出水口處接有容器收集土壤淋溶液，收集容器與淋溶柱口緊密相連以隔絕空氣。所有處理均按照1.26 g·cm-3的自然土壤容重模擬填裝，同時將DCD和Nitrapyrin分別按照各處理設(shè)置伴施量溶水后與土壤均勻混合后一并填裝。填裝時在PVC管內(nèi)壁均勻涂抹一層凡士林減小邊緣效應(yīng)，將風(fēng)干過篩的土樣分兩層（每層高10 cm）依次填裝壓實、再填裝壓實[18]。土壤填裝高度設(shè)計為20 cm，柱體上部空間用于灌溉。

圖1 試驗用土壤養(yǎng)分淋溶模擬裝置Figure 1 Soil nutrients leaching simulator

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置8個處理，單施尿素、單施肥液、3個DCD施用水平、3個Nitrapyrin施用水平，DCD和Nitrapyrin的用量均為施氮量的百分比。其中單施尿素處理將尿素與水混勻，逐次灌溉。處理如下，處理1（CK1）：單施尿素，處理2（CK2）：單施肥液，處理 3（5%DCD）：5%DCD+肥液，處理4（10%DCD）：10%DCD+肥液，處理 5（15%DCD）：15%DCD+肥液，處理 6（0.25%Nitra）：0.25%Nitra+肥液，處理7（0.5%Nitra）：0.5%Nitra+肥液，處理8（1%Nitra）：1%Nitra+肥液。每個處理3次重復(fù)，共24個土柱。本試驗所有處理的土柱單次施氮量和灌水量均為60 kg N·hm-2和250 mL，每間隔3 d進行一次灌溉，5個灌溉淋溶周期施氮量共300 kg·hm-2，灌水量共1250 mL。

1.2.2 淋溶模擬試驗

對土柱進行預(yù)處理，每日早8：00用去離子水800 mL淋洗1次，連續(xù)淋洗3 d，以減少由于土柱裝填所造成的差異。穩(wěn)定2 d后開始試驗，試驗開始后，在第1 d早晨8：00灌施250 mL肥液或去離子水，每次灌水后收集淋溶液直到不再滲出為止，每次灌施完成后，在土柱頂部用保鮮膜封好，間隔3 d進行一次灌溉，一共5個周期。每次淋溶液收集結(jié)束后，立即帶回實驗室進行養(yǎng)分濃度測定。

1.2.3 測定指標(biāo)與方法

基礎(chǔ)土壤樣品pH值用pH計測定（水土比為5∶1），含水量用烘干法測定，土壤總氮、NH+4-N、NO-3-N含量用比色法測定[19]。淋溶液總氮濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法、NH+4-N濃度用納氏試劑法、NO-3-N濃度用紫外分光光度法、pH值用pH計測定，DOC濃度用TOC儀測定，ORP用氧化還原電位計測定[20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。處理間差異顯著性采用單因素方差分析法（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 淋溶液銨態(tài)氮濃度變化特征

兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液銨態(tài)氮濃度見圖2。如圖所示，隨尿素溶液灌溉次數(shù)增加，CK1淋溶液銨態(tài)氮濃度快速增加，在灌溉第5次濃度增加到14 mg·L-1。養(yǎng)殖肥液單施和兩種硝化抑制劑伴施處理，隨灌溉次數(shù)增加淋溶液銨態(tài)氮總體變化較小，基本在第3次灌溉時達(dá)到銨態(tài)氮濃度極大值，該數(shù)值在1.8～3.4 mg·L-1之間，隨后銨態(tài)氮濃度降低。灌溉的第2至第5次，CK2和硝化抑制劑伴施處理與CK1處理相比銨態(tài)氮濃度均顯著降低（P＜0.05）。雖然施用硝化抑制劑處理淋溶液中銨態(tài)氮濃度比CK2平均降低28.69%，但僅在第3次灌溉中10%DCD、15%DCD和0.25%Nitra 3個處理銨態(tài)氮濃度與CK2之間達(dá)到顯著性水平（P＜0.05）。在灌溉的第1次、第3次和第5次DCD與氯甲基吡啶表現(xiàn)出顯著差異（P＜0.05），DCD的抑制效果更好。

2.2 淋溶液硝態(tài)氮濃度變化特征

圖2 兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液銨態(tài)氮濃度Figure 2 Ammonium nitrogen concentrations in leaching water

兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度見圖3。如圖所示，隨灌溉次數(shù)增加CK1和CK2處理淋溶液硝態(tài)氮濃度快速降低，并從第3次灌溉起趨于平穩(wěn)，隨灌溉次數(shù)增加，硝化抑制劑伴施處理淋溶液硝態(tài)氮濃度先降低并均在第3次灌溉時達(dá)到極低值，隨后濃度有增加趨勢。在第3次灌溉前，CK2和硝化抑制劑伴施處理（除15%DCD處理外）淋溶液硝態(tài)氮濃度均比CK1顯著降低（P＜0.05）。在第1次灌溉中，硝化抑制劑伴施處理淋溶液硝態(tài)氮濃度均比CK2降低了27.4%～78%，均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。第2次灌溉過程中，兩種硝化抑制劑不同施用量處理淋溶液硝態(tài)氮濃度比CK2處理降低了15.9%～78.9%，其中5%DCD處理達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。第1次和第2次灌溉中，淋溶液硝態(tài)氮濃度呈現(xiàn)5%DCD＜10%DCD＜15%DCD趨勢，而0.5%Nitra處理硝態(tài)氮濃度比其他兩個劑量更低。第3次灌溉中硝化抑制劑伴施處理與養(yǎng)殖肥液單施處理間差異不顯著。

8個處理在5次灌溉過程中，土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度與溶液ORP相關(guān)分析結(jié)果為：

y=2.324 9x-314.57（R2=0.602 8*，n=34）

土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度與溶液氧化還原電位間存在顯著相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）。

2.3 淋溶液總氮濃度變化特征

兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液總氮濃度見圖4。總氮濃度變化特征與硝態(tài)氮濃度相似，隨灌溉次數(shù)的增加，各處理淋溶液總氮濃度逐漸下降，至第3次灌溉硝化抑制劑添加處理總氮濃度達(dá)到極小值，隨后濃度略有增加，而CK1和CK2處理總氮濃度基本穩(wěn)定直至整個灌溉過程。前2次灌溉中，CK2和硝化抑制劑伴施處理淋溶液總氮濃度比CK1顯著降低（P＜0.05），施用硝化抑制劑處理淋溶液中總氮濃度比CK2平均降低47%，淋溶液總氮濃度呈現(xiàn)5%DCD＜10%DCD＜15%DCD趨勢，而0.5%Nitra處理總氮濃度比其他兩個劑量更低。

2.4 淋溶液DOC濃度變化特征

兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液DOC濃度見圖5。如圖所示，隨灌溉次數(shù)的增加，各處理淋溶液DOC濃度逐漸下降，處理間DOC濃度總體呈現(xiàn)CK1＞CK2＞硝化抑制劑處理，CK2處理DOC濃度比CK1降低了19.3%～44.8%，硝化抑制劑處理DOC濃度比CK2降低了37.5%～66.35%，三大類處理間每次灌溉后淋溶液DOC濃度均達(dá)到5%顯著水平。但是兩種硝化抑制劑之間以及不同施用劑量間淋溶液DOC濃度差異不顯著。

圖3 兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度Figure 3 Nitrate nitrogen concentrations in leaching water

圖4 兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液總氮濃度Figure 4 Total nitrogen concentrations in leaching water

2.5 不同處理養(yǎng)分淋失量

兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤養(yǎng)分淋失量見表1。不同處理總氮淋失量為220.62～570.16 kg·hm-2，除15%DCD和0.25%Nitra處理外，其余處理均顯著低于CK1。5%DCD總氮淋失量比CK2處理降低了42%。施加養(yǎng)殖肥液和兩種抑制劑伴施處理銨態(tài)氮淋失量比CK1顯著減少（P＜0.05），但不同劑量的DCD和Nitra間差異不顯著。5%DCD硝態(tài)氮淋失量比其他處理降低36%～73%。CK2處理DOC淋失量顯著低于CK1處理，抑制劑伴施處理DOC淋失量比CK2處理顯著降低（P＜0.05）。

3 討論

3.1 兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤對淋溶液氮素濃度的影響

試驗結(jié)果表明，尿素溶液連續(xù)灌溉導(dǎo)致淋溶液銨態(tài)氮濃度持續(xù)增加，而養(yǎng)殖肥液灌溉處理淋溶液銨態(tài)氮濃度保持在較低水平。主要原因是尿素溶液在土壤中易隨飽和水分遷移至下部土層[21-22]，而存留在下部土層的尿素分子一般經(jīng)過3～5 d就能在土壤脲酶作用下轉(zhuǎn)化成銨態(tài)氮[18，23]，由于間歇性飽和水分灌溉使銨態(tài)氮淋溶出土層[21，24-25]，這也是試驗過程隨灌溉次數(shù)增加土壤淋溶液銨態(tài)氮濃度持續(xù)增加的原因。養(yǎng)殖肥液氮素形態(tài)以銨態(tài)氮和有機態(tài)氮素為主，其中銨態(tài)氮通常占總氮70%左右，灌溉后銨態(tài)氮可以被土體顆粒迅速吸附[26-27]，從而降低淋溶液中銨態(tài)氮濃度。

圖5 兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液DOC濃度Figure 5 DOC concentrations in leaching water

表1 不同處理養(yǎng)分淋失量（kg·hm-2）Table 1 Nutrient loss in different treatments（kg·hm-2）

所有處理淋溶液硝態(tài)氮和總氮濃度在前3次灌溉過程顯著降低，伴施兩種硝化抑制劑處理的后3次灌溉濃度普遍升高趨勢，尿素單施和肥液單施處理的后3次灌溉濃度略有降低或基本穩(wěn)定。隨灌溉次數(shù)增加土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度逐漸降低，因為尿素和養(yǎng)殖肥液中氮素主要形態(tài)均不是硝態(tài)氮，硝態(tài)氮是通過有機氮脲酶水解轉(zhuǎn)化和銨態(tài)氮硝化作用形成的[23]，而在含水量飽和的土壤中氧化還原電位可能是控制銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的關(guān)鍵因素，本研究表明土壤淋溶液硝態(tài)氮濃度與其氧化還原電位顯著相關(guān)，且隨飽和灌溉次數(shù)增加，淋溶液硝態(tài)氮濃度逐漸降低。長期淹水的稻田土壤中以銨態(tài)氮形態(tài)為主且硝態(tài)氮含量極低的現(xiàn)象[28]也側(cè)面支持了試驗結(jié)論。此外，本試驗發(fā)現(xiàn)淋溶液中硝態(tài)氮濃度占總氮的70%以上，表明硝態(tài)氮仍然是淋溶氮素的主要形態(tài)，與化肥施用條件下研究結(jié)果一致[29]。同時也說明，養(yǎng)殖肥液灌溉條件下淋溶液中除速效氮形態(tài)外，仍然存在其他形態(tài)的氮素，如有機氮[30]，可能與養(yǎng)殖肥液中較高的有機氮濃度有關(guān)。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)DCD和Nitrapyrin能夠有效降低養(yǎng)殖肥液灌溉土壤淋溶液硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總氮濃度。同時5%DCD和0.25%Nitra劑量處理的淋溶液養(yǎng)分濃度較低，抑制效果最好。但是隨灌溉過程持續(xù)的氮素投入，抑制劑的抑制效果有所降低。已有研究表明施加DCD和Nitrapyrin能顯著抑制施肥條件下土壤中NH+4的氧化，減少硝酸鹽的形成[31-32]，本試驗證實硝化抑制劑在養(yǎng)殖肥液施用條件下仍然能夠發(fā)揮抑制銨態(tài)氮氧化的作用，而且較低劑量的硝化抑制劑就能發(fā)揮較好的淋溶阻控效果。施加硝化抑制劑處理在第3次灌溉時淋溶液硝態(tài)氮濃度有升高的趨勢，可能因為隨著試驗周期的增加，不同處理土壤硝化過程的底物累積差異導(dǎo)致其濃度不同，另一方面可能因為抑制劑溶水特征會隨試驗周期的增加抑制效果逐漸減弱[13]，所以在實際應(yīng)用中應(yīng)考慮及時追施抑制劑或者將抑制劑土壤施用改為與養(yǎng)殖肥液混合施用。

3.2 兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉土壤對淋溶液碳素濃度的影響

本試驗表明尿素溶液灌溉淋溶液DOC濃度顯著高于養(yǎng)殖肥液單施處理。尿素溶液灌溉淋溶液DOC濃度最高，主要因為尿素溶于水，尿素分子含有的碳元素會直接隨尿素分子淋溶出土體，而此處理淋溶液DOC的來源也主要是尿素。灌溉養(yǎng)殖肥液增加了微生物生長所需的碳源和能源[33]，有研究表明施加沼液比施加尿素明顯提高了土壤微生物數(shù)量和酶活性[34]，養(yǎng)殖肥液中有機碳可能被微生物截留而存在于土壤中，從而降低了DOC的淋失。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液淋溶液中DOC濃度削減顯著，可能是硝化抑制劑影響了肥液施加的土壤碳氮循環(huán)，起到抑制有機碳分解的作用[35]。有研究表明，在同時含有有機碳和無機碳的石灰性土壤中加入硝化抑制劑后，土壤CO2釋放量降低了11.0%～13.9%[35]。

4 結(jié)論

（1）與尿素溶液灌溉相比，養(yǎng)殖肥液可以顯著降低淋溶液中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和DOC的淋失，平均降低33.01%、65.79%、38.03%和31.82%。

（2）硝化抑制劑伴施養(yǎng)殖肥液灌溉有利于養(yǎng)分淋溶的阻控，DCD和Nitrapyrin伴施淋溶液中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、DOC比養(yǎng)殖肥液灌溉平均降低27.19%、35.69%、45.89%、53.69%和24.86%、30.87%、21.10%、64%。

（3）從抑制效果及經(jīng)濟角度推薦5%DCD伴施養(yǎng)殖肥液作為優(yōu)化的養(yǎng)分淋溶阻控模式，但抑制劑的作用效果、抑制時間與施用方式之間的關(guān)系還需要進一步研究。