養(yǎng)殖肥液施用方式配合NBPT-DCD對(duì)土壤N2O的減排效應(yīng)

顏 青，賴睿特，張克強(qiáng)，梁軍鋒，楊涵博，王 風(fēng)

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191）

0 引 言

作為三大溫室氣體之一，N2O 大量排放是導(dǎo)致全球氣候變暖的重要原因，其中農(nóng)業(yè)土壤是N2O排放的主要來源，農(nóng)用地占地球陸地面積的37%， 其N2O 排放量可占全球總排放量的84%[1]。N2O 排放與農(nóng)用氮源種類密切相關(guān)，隨著水肥一體化的推廣，液體肥料由于具有溶解速率快且擴(kuò)散均勻的優(yōu)點(diǎn)，在灌溉技術(shù)和自動(dòng)化施肥技術(shù)普及度較高的國(guó)家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[2-4]。其中養(yǎng)殖肥液作為畜禽糞便經(jīng)厭氧處理后的二次產(chǎn)物，富含氮磷元素和微生物菌群，是一種良好的液態(tài)氮肥，施用后不僅為土壤微生物提供大量碳氮養(yǎng)分，也有利于土壤碳氮循環(huán)和肥力保持，因此養(yǎng)殖肥液施用是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水肥一體化和資源再利用的重要途徑。

養(yǎng)殖肥液施用多以漫灌為主，但漫灌極易造成土壤N2O大量排放，因此選擇施肥方式尤為重要。雖然針對(duì)施肥方式對(duì)土壤N2O排放影響的研究早已開展，但是大多數(shù)研究集中在尿素上，養(yǎng)殖肥液由于其理化性質(zhì)區(qū)別于尿素，原有結(jié)論在實(shí)際應(yīng)用中參考性不足。除施肥方式外，氮肥增效劑的使用被認(rèn)為是能普遍減少氣態(tài)氮損失、提高氮素利用效率的可靠技術(shù)，可以從根源上抑制土壤N2O的產(chǎn)生，但是施氮方式與氮肥增效劑二者配合施用的抑制效果及協(xié)同效應(yīng)還有待研究。氮肥增效劑主要包括脲酶抑制劑和硝化抑制劑[5-7]，而且研究發(fā)現(xiàn)脲酶-硝化抑制劑配合施用與單獨(dú)施用相比對(duì)N2O 排放的抑制效果更佳。陶瑞等[8]發(fā)現(xiàn)氮肥+硝化抑制劑（CP）或氮肥+脲酶-硝化抑制劑（NBPT+CP）顯著降低土壤N2O 累計(jì)排放量的66.2%和76.8% (35 ℃)。徐玉秀等[9]的meta 分析數(shù)據(jù)顯示，幾種抑制劑對(duì)N2O 減排的效果依次為NBPT+DCD (52.9%)＞DMPP(51.1%)＞NBPT (44.1%)＞吡啶(39.5%)＞DCD (38.9%)。另外硝化抑制劑單獨(dú)施用可能會(huì)促進(jìn)NH3揮發(fā)，因?yàn)橐种葡趸磻?yīng)會(huì)導(dǎo)致土壤銨態(tài)氮積累從而更易NH3揮發(fā)[10-12]。除了在減少氣態(tài)氮損失方面，賴睿特等[13]發(fā)現(xiàn)脲酶-硝化抑制劑配合施用在減少土壤硝態(tài)氮淋溶，提高作物品質(zhì)方面也有顯著效果。綜上，脲酶-硝化抑制劑配合施用對(duì)氮素?fù)p失的整體抑制優(yōu)勢(shì)更明顯，更具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前最有效的土壤脲酶抑制劑之一[14-16]，研究發(fā)現(xiàn)NBPT 對(duì)土壤表觀硝化抑制率為30.94%～31.42%[17]。雙氰胺（DCD）作用于氨氧化過程中的氨單加氧酶（AMO），通過抑制亞硝化細(xì)菌減少硝態(tài)氮的產(chǎn)生，從而減少反硝化產(chǎn)物，對(duì)N2O減排有較好的作用效果[18,19]。

考慮到抑制效果、環(huán)境影響以及成本問題，NBPT-DCD配合施用是減少養(yǎng)殖肥液施用過程中氮素氣態(tài)損失的較為理想的技術(shù)選擇。本文擬通過室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，揭示養(yǎng)殖肥液漫灌與覆土兩種施用方式下添加NBPT+DCD 組合對(duì)土壤N2O 排放影響，為實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖肥液農(nóng)田高效循環(huán)利用和土壤N2O減排提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤類型為壤土，采自天津市寧河區(qū)設(shè)施農(nóng)業(yè)大棚0～20 cm 表層土壤，新鮮土樣經(jīng)風(fēng)干后過2 mm 篩、混勻后備用，土壤理化性質(zhì)如表1所示。養(yǎng)殖肥液取自天津市益利來養(yǎng)殖有限公司常年運(yùn)轉(zhuǎn)的塞流式厭氧反應(yīng)器，原料為豬場(chǎng)糞污，養(yǎng)殖肥液pH 值為8.51，總氮（TN）為679.68 mg/L，銨態(tài)氮（NH4+-N）為518.58 mg/L，硝態(tài)氮（NO3--N）為63.84 mg/L，有機(jī)氮為97.26 mg/L。雙氰胺簡(jiǎn)稱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%。N-丁基硫代磷酰三胺簡(jiǎn)稱NBPT，生產(chǎn)廠家為北京華威銳科化工有限公司，分析純，純度97%。

表1 土壤理化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)計(jì)

培養(yǎng)裝置為1.2 L 黑色圓柱形PVC 密封罐，罐高13 cm，直徑10.9 cm，罐蓋中心粘有T 形墊用于取氣。每個(gè)培養(yǎng)裝置中350 g 供試土壤，施入相應(yīng)處理后，于培養(yǎng)箱25 ℃恒溫培養(yǎng)。試驗(yàn)共設(shè)5 個(gè)處理：不施氮（CK）、漫灌施用（S）、覆土施用（D）、漫灌施用+NBPT-DCD 組合（S+UI+NI）、覆土施用+NBPT-DCD 組合（D+UI+NI）。每個(gè)處理設(shè)置2 組平行，分別用于土壤N2O 采集和土壤樣品采集，每個(gè)平行設(shè)置3 個(gè)重復(fù)。施氮量設(shè)為100 kg/hm2，NBPT、DCD 施用量分別是施氮量的1%和5%。NBPT 和DCD 分別與土壤樣品均勻混合后，將養(yǎng)殖肥液按照施氮量一次性施入，肥液分別采用漫灌、覆土形式施入，漫灌處理為直接施入土壤表面，覆土處理在土壤層1/2 深度處施入等量肥液后重新覆蓋土層。各個(gè)處理按照試驗(yàn)設(shè)置分別施加養(yǎng)殖肥液、NBPT、DCD 后，加水將各處理的土壤含水量統(tǒng)一調(diào)節(jié)為60%田間持水量（36%），試驗(yàn)期間采用稱重法補(bǔ)充水分，使土壤含水量始終保持60%田間持水量穩(wěn)定水平。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品采集與測(cè)定

采用靜態(tài)箱-氣相色譜法測(cè)定土壤N2O 排放通量[20]，分別于第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、15 d 10：00采集氣體樣品，將培養(yǎng)裝置密封后開始計(jì)時(shí)，使用2 mL 注射器分別在0、10、20、30 min 取氣并保存到頂空采氣瓶，使用氣相色譜儀測(cè)定N2O濃度并計(jì)算排放通量及累積排放量；土壤理化性質(zhì)采用常規(guī)方法測(cè)定[21]。土壤樣品于第1、3、15 d對(duì)土壤進(jìn)行破壞性取樣，使用土壤取樣器于0～1 和1～2 cm 土層取樣，測(cè)定土壤-N與NO3--N含量的樣品使用2 mol/L KCl溶液浸提，全自動(dòng)流動(dòng)注射分析儀（FIA-6000+）測(cè)定NH4+-N 與-N濃度。

1.3.2 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法

土壤N2O排放通量[22]：

式中：F為N2O 排放通量，μg/(m2·h)；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下N2O 密度，μg/m3；V為采樣箱內(nèi)有效體積，m3；A為采樣箱所覆蓋的土壤面積，m2；dc/dt為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)N2O 濃度變化，10-9min-1；T為采樣箱內(nèi)溫度，K。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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。施肥方式與添加抑制劑組合采用雙因素方差分析法（Two-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤N2O排放的變化特征

土壤N2O 排放通量變化如圖1 所示。在培養(yǎng)期前9 天，施加養(yǎng)殖肥液處理的土壤N2O 排放通量總體呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)，多個(gè)處理后期由于基肥的消耗開始出現(xiàn)N2O 負(fù)排放。CK 處理在培養(yǎng)期內(nèi)N2O排放通量保持最低，施加養(yǎng)殖肥液的各處理土壤N2O 排放通量均高于CK 處理，尤其是漫灌處理（S、S+UI+NI）。與S處理相比，D處理土壤N2O排放通量峰值降低并且出峰時(shí)間延遲，D 處理N2O 排放通量第6 天達(dá)到峰值，比S 處理延遲5 天；D、S 處理N2O 排放通量的最大值分別為13.32、33.06 μg/(m2·h)。NBPT 與DCD 配合施用降低土壤N2O 排放通量，S+UI+NI 處理在第1 天N2O 排放通量較S 處理降低，總體變化趨勢(shì)與S 處理相似，D+UI+NI 處理在試驗(yàn)前期的N2O 排放通量沒有峰值出現(xiàn)且處于較低水平，基肥消耗較慢，氮素在土壤中停留時(shí)間較長(zhǎng)，因此在第13 天抑制劑作用減弱后N2O排放增加。

2.2 土壤N2O累積排放量

雙因素方差分析結(jié)果表明（見表2），養(yǎng)殖肥液施用方式極顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.01）；添加NBPT+DCD 組合顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.05）；但是施肥方式與添加NBPT+DCD組合的交互作用對(duì)土壤N2O排放影響不顯著（P＞0.05）。

表2 雙因素方差分析結(jié)果Tab.2 Results of two-way ANOVA test(F)

各處理土壤N2O 累積排放量如圖2 所示。CK 處理的土壤N2O累積排放量始終處于較低水平。施加養(yǎng)殖肥液的各個(gè)處理（S、D、S+UI+NI、D+UI+NI）土壤N2O 累積排放量在前11 天均逐漸增加，第11天各處理間N2O累積排放量規(guī)律呈S＞S+UI+NI＞D＞D+UI+NI＞CK。第11 天之后除D+UI+NI 處理，其他施肥處理的N2O累積排放量開始降低，添加抑制劑處理D+UI+NI的土壤N2O 累積排放量從第13 天開始超過D 處理，抑制劑逐漸失效。養(yǎng)殖肥液覆土施用能夠極顯著（P＜0.01）降低土壤N2O累積排放量，如D 處理的土壤N2O 累積排放量比S 處理減少21.94%～72.90%；添加NBPT+DCD 組合后，養(yǎng)殖肥液覆土施用也顯著（P＜0.05）降低土壤N2O累積排放量，如D+UI+NI處理的土壤N2O累積排放量比D處理減少5.96%～33.80%。

2.3 土壤無機(jī)氮含量

各處理土壤NH4+-N 與NO3--N 含量如圖3 所示。在試驗(yàn)周期內(nèi)CK 處理的無機(jī)氮含量變化不明顯且處于較低水平。施肥處理（S、D、S+UI+NI、D+UI+NI）的土壤NH4+-N 含量在試驗(yàn)期間為9.74～90.98 mg/kg，整體呈降低趨勢(shì)；NO3--N 含量為12.03～54.42 mg/kg，總體呈上升趨勢(shì)。在前3 天，由于漫灌處理（S、S+UI+NI）在施肥時(shí)上層土壤直接接觸肥液，因此上層土壤的NH4+-N 和NO3--N 含量都明顯高于其他處理。之后隨著肥液下滲和硝化作用，上層和下層土壤的NH4+-N 含量降低，NO3--N 由于土壤顆粒電性相斥極易下移，因此下層土壤NO3--N 含量始終增加，而上層土壤NO3--N 含量先升高后降低。覆土處理（D、D+UI+NI）由于上層土壤在施肥時(shí)沒有直接接觸肥液，因此前3 天上層土壤的NH4+-N 和NO3--N 含量變化不明顯。隨后上層和下層土壤的NH4+-N 含量降低，NO3--N含量升高。在試驗(yàn)第15 d，D+UI+NI處理在上、下層土壤中的NO3--N含量均低于D處理。

2.4 不同處理的表觀硝化率

表觀硝化率反映了土壤硝化作用的強(qiáng)度，各處理的表觀硝化率如表3所示，培養(yǎng)期間各處理表觀硝化率整體隨時(shí)間延長(zhǎng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，施肥處理的表觀硝化率較CK 處理顯著增加，在試驗(yàn)前期，覆土施肥和添加抑制劑都在一定程度上降低土壤硝化強(qiáng)度。在第3 天，S、S+UI+NI 處理的表觀硝化率顯著高于D、D+UI+NI處理，且上、下層土壤表觀硝化率大小均呈S＞S+UI+NI＞D＞D+UI+NI＞CK 規(guī)律。S、S+UI+NI 處理的上層土壤表觀硝化率高于下層土壤，D、D+UI+NI 處理則相反。添加抑制劑表觀硝化率降低但不顯著。第15 天，各施肥處理表觀硝化率差異不顯著，但仍顯著高于CK處理。

表3 不同處理表觀硝化率%Tab.3 Apparent nitrification rate of each treatment

3 討 論

3.1 養(yǎng)殖肥液施用方式對(duì)土壤N2O排放的影響

除土壤類型、施肥種類、施氮量外，施肥方式也是影響土壤N2O 排放的重要因素之一[24-26]。Wulf 等[27]研究發(fā)現(xiàn)肥料通常被不均勻地分布在土壤基質(zhì)中，這可能會(huì)影響碳氮轉(zhuǎn)化以及溫室氣體的排放。本試驗(yàn)中，養(yǎng)殖肥液施用方式極顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.01），且養(yǎng)殖肥液漫灌處理的土壤N2O累積排放量顯著高于覆土處理（P＜0.05）。張?jiān)婪嫉萚26]發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖肥液漫灌顯著提高N2O排放通量和累積排放量，這與我們的研究結(jié)果一致。養(yǎng)殖肥液漫灌與覆土施入對(duì)N2O排放影響的區(qū)別主要體現(xiàn)在N2O 排放途徑、排放阻力、有機(jī)物分解三個(gè)方面。在排放途徑上，由于養(yǎng)殖肥液中NH4+-N 含量占總氮的76.30%，漫灌為表層土壤提供豐富的NH4+-N，水分隨土層下滲至平衡，空氣中的氧氣為硝化反應(yīng)提供良好的條件，此時(shí)N2O 主要通過硝化反應(yīng)產(chǎn)生，王洪媛等[28]的研究結(jié)果也表明漫灌更利于硝化反應(yīng)，促進(jìn)N2O排放；覆土處理中表層與下層土壤N2O產(chǎn)生途徑很可能不同：表層土壤由于未直接施肥，底物NH4+-N含量少，硝化反應(yīng)強(qiáng)度較弱；下層土壤可能出現(xiàn)硝化、反硝化、硝酸鹽異化還原成銨（DNRA）耦合的狀態(tài)，這些過程在時(shí)間和空間上可能是分開的，但都會(huì)造成土壤N2O 的排放，不同反應(yīng)的相對(duì)重要性主要取決于土壤O2濃度以及濕度水平[29-30]。覆土施肥為下層土壤提供NH4+-N 和水分，極易造成下層土壤暫時(shí)缺氧，研究發(fā)現(xiàn)在LAYER 處理中，缺氧情況從添加糞便的中心線幾乎對(duì)稱地?cái)U(kuò)散[29]，而硝化作用是一個(gè)嚴(yán)格的耗氧過程[31]，因此不利于硝化反應(yīng)。由于養(yǎng)殖肥液中NO3--N 含量很低僅占9.40%，同樣也不利于反硝化或DNRA反應(yīng)，因此試驗(yàn)前期不利于N2O產(chǎn)生。隨著下層土壤通氣情況改善硝化反應(yīng)加強(qiáng)，但同時(shí)硝化反應(yīng)和有機(jī)物分解耗氧，氧氣含量不穩(wěn)定，硝化、反硝化、DNRA反應(yīng)耦合發(fā)生，直至外源施入NH4+-N 消耗完成，硝化反應(yīng)減弱。在排放阻力上，漫灌處理在表層土壤產(chǎn)生N2O 并排放，但覆土處理的N2O 與漫灌處理相比排放阻力較大，而且研究發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的N2O在排放前需要向土壤表面擴(kuò)散[32]，這種擴(kuò)散在高含水量的土壤中相當(dāng)緩慢[29]。在試驗(yàn)前期下層N2O 通過土層向空氣排放的過程中易被還原為N2從而被消耗，之后隨著土壤中NO3--N 含量升高開始不利于N2O 還原[33,34]。在有機(jī)物分解上，由于養(yǎng)殖肥液不僅是氮源也是碳源，有機(jī)物分解是耗氧過程，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)物分解在2h 內(nèi)即可將土壤環(huán)境變?yōu)槿毖鮗29]。漫灌處理的氧氣條件優(yōu)于覆土，更利于有機(jī)物分解和微生物作用，因此更有利于N2O排放。

3.2 不同養(yǎng)殖肥液施用方式下NBPT-DCD 組合對(duì)土壤N2O排放的影響

本試驗(yàn)中，添加NBPT-DCD 組合顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.05），養(yǎng)殖肥液覆土施入時(shí)添加NBPT-DCD 顯著降低土壤N2O 累積排放量。目前針對(duì)NBPT-DCD 作用機(jī)理的研究已經(jīng)日益成熟，NBPT、DCD 分別是脲酶、氨單加氧酶活性的抑制劑[35,36]，NBPT-DCD 聯(lián)用時(shí)可以同時(shí)抑制有機(jī)氮水解和硝化過程，利于土壤NH4+-N 保持[12,37]。雖然在漫灌和覆土施肥下添加NBPT-DCD，N2O 排放都出現(xiàn)抑制，但抑制情況仍有差異，除排放阻力不同外，這主要是因?yàn)橥寥啦煌瑓^(qū)域氧氣水分條件差異導(dǎo)致抑制途徑的空間分布不同。養(yǎng)殖肥液漫灌時(shí)，此時(shí)NBPT-DCD 抑制表層土壤硝化作用和有機(jī)氮分解從而減少N2O 排放，抑制劑作用減緩氮素轉(zhuǎn)化過程，但由于氧氣充足，兩個(gè)反應(yīng)雖然受抑制但仍在進(jìn)行；養(yǎng)殖肥液覆土?xí)rNBPT-DCD 抑制下層、表層土壤的硝化反應(yīng)以及有機(jī)氮分解為NH4+，與SI 不同的是，DI 處理中除抑制劑作用外，氧氣條件也不利于反應(yīng)發(fā)生，有機(jī)氮分解和硝化反應(yīng)受到更強(qiáng)抑制，因此抑制劑在養(yǎng)殖肥液覆土?xí)rN2O減排效果更顯著。直到后期NBPT-DCD 抑制作用減弱和氧氣條件改善，有機(jī)氮分解和硝化反應(yīng)增強(qiáng)，可能會(huì)使N2O排放在后期增強(qiáng)，但隨著氮素轉(zhuǎn)化消耗很快降低。另外抑制劑作用可能持續(xù)時(shí)間有限，有研究[35]證實(shí)在施用處理12 d 后沒有抑制的跡象，即這些化合物在土壤中的停留時(shí)間很短，試驗(yàn)第11 d 后抑制作用逐漸失效，這也基本支持了先前的結(jié)論。而且抑制劑的作用是在一定作用時(shí)間內(nèi)抑制且延緩N2O 排放，而不是阻止排放。D 處理在試驗(yàn)前期雖然土壤N2O排放通量小但仍然有峰值出現(xiàn)，但D+UI+NI處理的土壤N2O 累積排放量始終處于較低水平，試驗(yàn)前期D+UI+NI 處理在前11 d 的土壤N2O 排放通量沒有出現(xiàn)峰值（圖1），但輸入氮在土壤中的轉(zhuǎn)化是不可避免的，因此土壤N2O在第13 d 會(huì)出現(xiàn)集中排放。我們猜測(cè)抑制劑作用體現(xiàn)在降低土壤N2O排放最大值和增加低排放峰次數(shù)上，從而調(diào)整集中排放的時(shí)間和排放量，這在漫灌處理中也有體現(xiàn)。如果延長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間，D+UI+NI處理的抑制劑效果逐漸減弱直至最后失去抑制作用，從N2O累積排放量來看，試驗(yàn)前11 d的D+UI+NI抑制效果較好，之后D+UI+NI處理的N2O累積排放量逐漸增加并超過D處理。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）養(yǎng)殖肥液施用方式極顯著影響土壤N2O排放，與養(yǎng)殖肥液漫灌相比，覆土施入顯著降低土壤N2O排放，累積排放量降幅達(dá)21.94%～72.90%。

（2）當(dāng)土壤含水量為60%田間持水量，在試驗(yàn)前11 d，添加1%NBPT+5%DCD 組合對(duì)養(yǎng)殖肥液施用后的土壤N2O 排放起到抑制作用，尤其在養(yǎng)殖肥液覆土施入條件下D+UI+NI處理的土壤N2O 累積排放量與D 處理相比可減少5.96%～33.80%，抑制效果最佳。添加抑制劑對(duì)于減少土壤中NO3--N含量也有一定效果，在試驗(yàn)第15 d，D+UI+NI處理在上、下層土壤中的NO3--N 含量仍低于D 處理，從而有利于減少硝態(tài)氮淋溶污染。（3）在實(shí)際應(yīng)用中，建議采用覆土施肥和添加1%NBPT+5%DCD 抑制劑組合的配合施用方式，不僅減少氮損失，同時(shí)可以達(dá)到水肥一體化和土壤N2O減排的雙贏效果，但是覆土施肥深度需要根據(jù)種植作物種類、生長(zhǎng)特性和土壤環(huán)境因地制宜。