双氰胺减少铵态氮肥施用后潮土N2O排放的机制

马兰，李晓波，马舒坦

（1.山东省蚕业研究所，山东 烟台 264002；2.安徽师范大学生态与环境学院，安徽 芜湖 241002；3.中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室，南京 210008；4.仲恺农业工程学院资源与环境学院，广东省普通高校农业产地污染综合防治工程技术研究中心，广州 510225；5.中国科学院华南植物园，广州 510650）

20 世纪末以来，由于温室气体导致的全球变暖问题引起了科学家的广泛关注。氧化亚氮（N2O）是一种重要的温室气体，不仅导致全球变暖，而且破坏平流层中的臭氧层[1−2]。在百年尺度内，N2O 的相对增温潜势是CO2的310 倍，大气中的N2O 浓度已由工业革命前的0.27µg·L−1增加到了0.32µg·L−1[3]。农业土壤N2O 排放量约占全球人为活动排放总量的60%[4]。因此，减少农业源N2O排放是一项刻不容缓的任务。

目前，大量研究报道硝化抑制剂的施用可以有效减少N2O 排放。AKIYAMA 等[5]通过荟萃分析表明硝化抑制剂施用可显著减少N2O 排放达38%。双氰胺（DCD）是最常用的一种硝化抑制剂，具有挥发性小、可降解、无毒性残留等优点。前期针对潮土的研究发现，DCD 通过抑制氮肥施用后的大量累积来减少N2O 的排放[6]。硝化作用和反硝化作用是土壤N2O 的主要产生过程[7]。不仅是硝化和反硝化过程的中间产物[8]，同时也是化学反硝化、硝化细菌反硝化和异养反硝化的底物[9]。在华北平原典型玉米−小麦轮作的潮土中，氮肥施用后N2O 主要通过硝化作用产生[10]。前期通过高压灭菌试验证明了化学反硝化对潮土中N2O 排放的贡献仅为1.1%[6]。HUANG 等[11]的研究发现氨氧化过程是石灰性潮土中N2O 产生的引擎。硝化过程产生N2O 包括的氨氧化和硝化细菌反硝化两个途径，均由氨氧化细菌完成[9]。前人的研究结果表明，硝化抑制剂减少N2O 排放的主要机制是其抑制了亚硝化单胞菌属的活性，同时延迟转化，从而减少了硝化反硝化的底物[12−13]。DCD 在抑制氨氧化细菌活性的同时，是否会间接影响相关的生物转化过程，从而影响N2O的排放还未可知。

为此，本文选取典型旱地潮土作为研究对象，采用室内好氧培养方法，分别以氯化铵（NH4Cl）和亚硝酸钠（NaNO2）作为的氮源，研究DCD 对转化过程中N2O 排放和无机氮含量的影响；同时设置不同添加量，模拟累积对土壤CO2和N2O 排放的影响，深化对DCD 减少农田土壤N2O排放机理的认识，以期为硝化抑制剂的推广应用提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤采自河南省封丘县中国科学院封丘农业生态试验站（35°00′N，114°24′E）的旱地土壤，土壤类型为黄河冲积物发育而成的砂质潮土，采样深度为0～20 cm。土样采集后于室温下风干，压碎过2 mm筛，剔除微小根系，于室温下保存。土壤的基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1 Basic properties of the soils used in the experiment

1.2 试验设计

称取相当于20 g 烘干土的风干土于250 mL 三角瓶中，加入蒸馏水调节土壤水分含量至最大持水量（WHC）的40%，盖上封口膜，于30 ℃恒温培养箱中预培养一周，以激活土壤微生物。预培养后，不同形态氮肥和DCD 均以溶液的形式加入到土壤中，加入量为2 mL，其中含氮量均为100 mg·kg−1（以干土计），DCD的用量为施氮量的4%。同时加入蒸馏水调节水分含量至65%WHC，盖上封口膜，扎3 个小孔保证通气，继续于30 ℃恒温培养箱中培养30 d，每隔2～3 d称质量补充一次水分。

气体样品于培养后的2 h 和1、2、3、5、7、10、15、22、30 d采集。每次采集气样前先去掉三角瓶的封口膜，盖紧硅橡胶塞，于固定装置上抽真空1 min后充入室内空气1 min，反复3 次，每次2 min，使N2O 和CO2浓度与大气浓度平衡，并采集培养瓶上部空气气体样本，作为初始气体浓度，记录采样时间。将培养样品置于30 ℃恒温培养箱中培养4 h 后用连有三通阀的10 mL 一次性螺口式注射器采集第二针气体，并再次记录采样时间。每次抽取气样前用注射器反复抽提瓶内气体3次以混匀气体。

土壤样品于培养后的2 h 和1、2、3、5、7、30 d 采集，破坏性取样，随机从各处理中取出3 个培养瓶（作为3 次重复），按水土比5∶1 加入2 mol·L−1KCl 溶液（已将加水量考虑在内），并于25 ℃、250 r·min−1恒温振荡1 h，定量滤纸过滤，收集滤液于塑料瓶中，以备测定含量。

1.3 分析测定方法

土壤pH 值（水土比2.5∶1）采用pH 计（Sartorius，PB−10）测定。土壤全氮、全碳含量采用元素分析仪（Vario MAX）测定。土壤质地采用激光粒度仪（Beck⁃man Coulter）测定。土壤浸提液中的和含量采用全自动间断化学分析仪（Smart⁃chem 200S/N1104238，WESTCO，France）测定。气体样品中N2O 和CO2浓度用带电子捕获（ECD）和氢火焰离子化（FID）检测器的气相色谱（安捷伦7890A）测定。

1.4 数据处理

N2O 和CO2排放通量根据密闭4 h 前后三角瓶内N2O和CO2浓度差值计算。计算公式为：

式中：F为N2O−N 或CO2的排放速率，µg·kg−1·h−1或mg·kg−1·h−1；dc/dt为单位时间内培养瓶内N2O−N 或CO2浓度增加量，µg·L−1·h−1或mg·L−1·h−1；Vm为气体的摩尔体积，22.4 L·mol−1；M为N2O 中N 或CO2的摩尔质量，28 g·mol−1或44 g·mol−1；V为培养瓶中气体的有效空间体积，L；T为培养时的温度，℃；m为培养瓶中烘干土质量，kg。

培养期间N2O 和CO2累积排放量为前后2次采样测定的排放通量平均值与时间间隔乘积的累加，计算公式为：

式中：S为N2O−N 或CO2累积排放量，µg·kg−1或mg·kg−1；F为N2O−N 或CO2的排放速率，µg·kg−1·h−1或mg·kg−1·h−1；t为培养后的天数，d；i为采样次数。

净硝化速率（Net nitrification rate）为单位培养天数内的净硝化量，计算公式为：

式中：Nt为净硝化速率，mg·kg−1·d−1；[]为土壤中含量，mg·kg−1；t为培养时间，d；t0为培养初始时间，d。

试验所得的数据采用Excel整理计算，数据结果采用SPSS 16.0软件进行方差分析（One−way ANOVA）及多重比较，采用LSD 法进行差异显著性检验（α=0.05），用Origin 9.0制图。

2 结果与分析

2.1 DCD 对−N 和−N 转化过程中N2O 排放和无机氮含量的影响

表2 不同施肥处理土壤的N2O累积排放量（µg·kg−1）Table 2 Cumulative N2O emissions in soil under different fertilization treatments（µg·kg−1）

培养7 d 和30 d 后土壤净硝化速率如图2 所示。培养后第7 d，处理中土壤净硝化速率极显著低于处理（P＜0.01），而处理中土壤净硝化速率显著高于处理（P＜0.05），处理与处理之间差异不显著。培养30 d 后，DCD 添加对于处理的净硝化速率影响均不显著（P＞0.05），但是施用处理中的净硝化速率显著低于处理（P＜0.05）。

2.2 不同−N添加量对土壤N2O和CO2排放的影响

不同培养时间CO2排放通量见图3b，在培养2 h时，添加的处理同不添加处理相比差异不显著。但培养1 d后，添加的处理CO2排放通量显著高于不添加处理。培养5 d 后250 mg·kg−1处理的CO2排放通量显著低于其他处理（P＜0.05），培养第5～10 d，添加处理的CO2排放通量显著低于不添加处理（P＜0.05）。但在培养结束时，不同处理间差异不显著。

从整个培养期间CO2累积排放量来看，施用50、100、150 mg·kg−1处理下CO2累积排放量同不添加处理差异不显著（表3），但是施用200、250 mg·kg−1处理显著降低了CO2排放量，较不添加处理分别减少了13.23%和26.41%（表3）。

表3 添加不同量−N处理的土壤CO2和N2O累积排放量Table 3 Cumulative CO2 and N2O emissions in different −N fertilization treatments

表3 添加不同量−N处理的土壤CO2和N2O累积排放量Table 3 Cumulative CO2 and N2O emissions in different −N fertilization treatments

2.3 不同−N 添加量对土壤无机氮及全氮含量的影响

3 讨论

3.2 DCD对−N产生N2O的影响

NH4Cl 施用于土壤后，随着硝化作用的不断进行含量逐渐下降（P＜0.01），而硝化反应过程的中间产物（）在土壤中不断积累。这可能与高铵、高pH 值条件有利于累积有关[6]。施用DCD 后，在培养初期，排放通量的峰值显著低于处理（图1a），同SHEN 等[17]的研究结果相一致。在本研究中，培养后第7 d，DCD 仅降低了施用土壤中的净硝化速率，而对施用土壤没有影响（图2），说明DCD 对硝化反应的第一步有抑制作用[18]，从而推迟了的氧化，使得土壤中的氮以形式存在，促进了的累积。虽然高铵有利于的积累，但由于参与硝化反应的底物减少，致使产生的减少。施用于土壤中的铵态氮肥，除作物吸收和损失以外，最终都应被硝化和反硝化。培养30 d 后，处理中土壤净硝化速率与处理没有显著差异（图2），说明DCD 施入土壤后会被逐步降解，这与前人的研究结果一致[19]。在培养后期，不同处理间含量差异不显著，均达到相对稳定的最大值，而且也降到最低，说明土壤中的最终都转化为的产生量在培养后期并没有显著增加，原因可能是随着硝化反应的进行，不断消耗，高转化的抑制作用逐渐下降甚至消失，生成的很快转化为。

4 结论