双氰胺单次配施和连续配施的土壤氮素形态和蔬菜硝酸盐累积变化

王煌平, 张 青, 翁伯琦, 张潘丹, 罗 涛,*

(1. 福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州 350013；2. 福建省农业科学院农业生态研究所，福州 350013)

双氰胺单次配施和连续配施的土壤氮素形态和蔬菜硝酸盐累积变化

王煌平1, 张 青1, 翁伯琦2, 张潘丹1, 罗 涛1,*

(1. 福建省农业科学院土壤肥料研究所，福州 350013；2. 福建省农业科学院农业生态研究所，福州 350013)

采用田间试验研究了双氰胺(dicyandiamide，缩写DCD)单次配施和连续配施的土壤氮素形态和蔬菜硝酸盐累积变化。结果表明，与单施化肥相比，DCD单次配施的长期叶菜甘蓝生长过程中土壤铵态氮含量增幅为21.3%—339.4%，土壤硝态氮和菜体硝酸盐含量降幅分别为5.4%—80.2%和4.4%—58.3%；短期叶菜空心菜收获时土壤铵态氮含量增加了299.4%，土壤硝态氮和菜体硝酸盐含量分别降低了26.2%和31.7%。DCD连续配施的“甘蓝-菠菜-空心菜-萝卜-大白菜”种植体系中，土壤铵态氮、硝态氮和菜体硝酸盐含量均呈累积的趋势，配施DCD的土壤铵态氮含量从略高于化肥处理(44.0%)发展到极显著高于化肥处理(392.5%，P<0.01)，土壤硝态氮含量从极显著低于化肥处理(-68.2%，P<0.01)发展到显著高于化肥处理(146.6%，P<0.05)，菜体硝酸盐含量从显著低于化肥处理(-30.2%，P<0.05)发展到极显著高于化肥处理(40.4%，P<0.01)。由此可见，DCD单次配施可显著降低菜体硝酸盐含量，而连续配施DCD的土壤能维持一定量的铵态氮水平，这些盈余的铵态氮会进一步转化为硝态氮残留在土壤中，并可能产生蔬菜硝酸盐累积的风险。

双氰胺；单次配施；连续配施；氮素形态；硝酸盐累积

蔬菜是健康饮食的重要组成部分，富含维生素、矿物质、粗纤维等营养成分。日常食用定量的蔬菜可以预防人体多种疾病的发生，包括心血管疾病、癌症、肥胖症和糖尿病[1]。但蔬菜易富集硝酸盐，是饮食硝酸盐摄入的主要来源[2]，虽然适量的硝酸盐摄入对人体健康无害，但硝酸盐摄入量过多，将对人体健康产生不利的影响，如引起胃肠癌和高铁血红蛋白血症等[3]。因此，蔬菜硝酸盐的累积已备受关注。我国是蔬菜种植大国，蔬菜播种面积从1978年的3331×103hm2增加到2010年的19000×103hm2[4]，居世界第一位，但菜体硝酸盐污染的普遍现象已严重影响着蔬菜的食用安全和出口[5- 6]，如何减少蔬菜硝酸盐累积是提高蔬菜品质最重要且亟待解决的问题之一。近十几年来，国内外科研工作者已提出了不少应对措施，如筛选低硝酸盐吸收蔬菜品种[7]、改进氮肥剂型(添加硝化抑制剂、脲酶抑制剂)[8]、改善施肥方法[9]等。其中，氮肥配施双氰胺(dicyandiamide，缩写DCD)一直是土壤肥料研究中的热点。罗涛等研究表明，尿素配施DCD，土壤铵态氮含量升高，硝态氮含量降低，空心菜增产7.7%，菜体硝酸盐含量降低63.6%[10]。Cui等研究表明，黄棕壤施用DCD的土壤硝酸盐淋失减少58.5%，N2O减排83.8%[11]，显然，农田施用DCD是一种增产保质、提高氮肥利用率的有效技术措施。但这些研究多数为DCD单次施用的报道，缺乏DCD连续施用的菜地环境效应研究。因此，针对我国蔬菜硝酸盐污染面广的生产实际，结合已有的定位试验平台，全面开展DCD单次配施和连续配施对土壤氮素形态和蔬菜硝酸盐累积变化的研究，可为菜地DCD应用的蔬菜安全生产和环境评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

DCD单次配施包括甘蓝种植试验和空心菜种植试验，试验地均设在福建省莆田市荔城区镇海街道古山村蔬菜基地，位于东经119°01′54″，北纬25°25′06″，属南亚热带海洋性季风气候区，年均气温16—21 ℃，年均降雨量1500 mm，年均日照时数1995.9 h，无霜期316—350 d，土壤类型均为灰埭土。甘蓝种植试验的前茬作物为水稻，土壤基础肥力为：pH值 5.2，有机质13.4 g/kg，全氮0.9 g/kg，有效磷42.2 mg/kg，速效钾54.0 mg/kg；空心菜种植试验的前茬作物为蔬菜，土壤基本理化性状为：pH值 5.5，有机质14.1 g/kg，碱解氮75.5 mg/kg，有效磷120.4 mg/kg，速效钾94.7 mg/kg。

DCD连续配施试验地设在福州市闽侯县白沙镇溪头村农业部福建耕地保育观测试验站，位于东经119°04′52″，北纬26°12′33″，属中亚热带和南亚热带气候过渡区，年均气温19.5 ℃，年均降雨量1350.9 mm，年均日照时数1812.5 h，无霜期311 d，土壤类型为黄泥土，前茬作物为水稻。土壤基本理化性状为：pH值 5.4，有机质31.6 g/kg，碱解氮92.6 mg/kg，速效磷11.4 mg/kg，速效钾39.2 mg/kg。

1.2 试验设计

DCD单次配施试验设化肥(缩写SF)和化肥配施DCD(缩写SFD)2个处理，每个处理3个重复，共6个小区，随机区组排列。甘蓝种植试验自2009年11月至2010年3月，供试甘蓝品种为结球甘蓝(BrassicaoleraceaL. var.capitataL.)，小区面积9.9 m2(1.1 m×9.0 m)，于2009年11月28日施基肥，12月21日施追肥，2010年3月27日收获。空心菜种植试验自2011年6月至7月，供试空心菜品种为台湾竹叶空心菜(IpomoeaaquaticaF.)，小区面积12 m2(2.0 m×6.0 m)，所有肥料(包括DCD)于6月21日做基肥一次性施入，7月24日收获。

DCD连续配施试验也设化肥(缩写MF)和化肥配施DCD(缩写MFD)2个处理，处理重复数和小区数与DCD单次配施试验一致。试验自2008年12月至2011年4月，种植蔬菜依次为“甘蓝—菠菜—空心菜—萝卜—大白菜”，每年种植两季蔬菜。供试甘蓝品种为京丰1号结球甘蓝(B.oleraceavar.capitata)，2008年12月4日移栽，2009年4月7日收获；菠菜品种为全能菠菜(SpinaciaoleraceaL.)，2009年9月30日播种，11月30日收获；空心菜品种为泰国空心菜(I.aquaticaF.)，2010年5月2日播种，6月9日收获；萝卜品种为汉白玉萝卜(RaphanussativusL.radish)，2010年10月9日播种，2011年1月5日收获；大白菜品种为强春大白菜(Brassicacampestrispekinensis)，2011年2月21日移栽，4月27日收获。定位试验点小区面积30 m2(5.0 m×6.0m)，每区设3畦，每畦4.0 m×1.3 m，畦间距0.5 m，所有肥料在每季蔬菜种植时均做基肥一次性施入。所有试验地化肥用量为当地常规施肥用量，化肥配施DCD处理的DCD用量为化肥纯氮量的10%，化肥和DCD的用量及施肥方式见表1，所有试验处理中小区蔬菜播种量或移栽数均一致。

表1 肥料用量及施肥方式

- 代表不施该种肥料; 双氰胺dicyandiamide

1.3 样品采集及测定

DCD单次配施的甘蓝种植试验从2010年1月6日起每隔20 d取第5片完全展开叶并采集耕层(0—20 cm)土样，共采样5次。空心菜种植试验于菜体收获时取菜体可食用部分并采集耕层土样，甘蓝和空心菜种植试验每小区各采集8个菜体样品和土样。DCD连续配施试验于菜体收获时取蔬菜可食用部分并采集耕层土样，每畦各采集4个菜体样品和土样，每小区各采集12个菜体样品和土样，并于2011年2月10日和5月30日，分别采集萝卜和大白菜收获后30 d各12个土样混合。所有试验采集的菜体样品均保存在4 ℃冰箱于次日切碎混合用于测定菜体硝酸盐含量，土壤鲜样混合后均保存在-20 ℃冰箱于第3天测定土壤铵态氮和硝态氮含量。蔬菜硝酸盐含量的测定参照杨锚等[12]，土壤铵态氮和硝态氮含量的测定分别采用靛酚兰比色法和双波长紫外分光光度法[13]，试验数据采用Excel 2003办公软件结合DPS7.05软件进行统计分析，LSD多重比较法检验差异显著性。

2 结果与分析

2.1 DCD配施对土壤铵态氮变化的影响

DCD可抑制土壤中硝化细菌的活性，从而减缓土壤铵态氮向硝态氮的转化[10]。DCD单次配施的结果显示，在长期叶菜甘蓝生长期间，SFD和SF处理的铵态氮均呈现先升高后降低的趋势。所有取样时间点SFD处理的土壤铵态氮含量均高于SF处理，增幅为21.3%—339.4%(图1)。二者铵态氮含量除第1次取样差异尚未显著外，其余取样时间点差异均极显著(P<0.01)。空心菜种植试验表明，SFD处理空心菜收获时的土壤铵态氮含量也高于SF处理，增加了299.4%，差异达极显著水平(P<0.01)(图1)。

图1 DCD单次配施甘蓝和空心菜土壤铵态氮的变化Fig.1 Soil ammonium nitrogen changes in cabbage and water spinach cultivation with single application of DCD (dicyandiamide)SF(single application of fertilizer)和SFD(single application of fertilizer with dicyandiamide)分别表示单次配施的化肥处理和化肥配施处理

图2显示，在“甘蓝-菠菜-空心菜-萝卜-大白菜”种植体系中，甘蓝、菠菜、空心菜、萝卜、大白菜收获时，DCD连续配施的MFD处理的土壤铵态氮含量均高于MF处理，分别比MF处理提高了44.0%、8.8%、46.2%、122.1%、392.5%，二者土壤铵态氮含量从甘蓝季的差异尚不明显发展到萝卜季的差异极显著(P<0.01)。可见，DCD不论是单次配施，还是连续配施，均可提高土壤铵态氮含量，随着蔬菜种植季的增加，DCD连续配施使土壤铵态氮呈现累积的趋势。

图2 DCD连续配施“甘蓝-菠菜-空心菜-萝卜-大白菜”蔬菜季土壤铵态氮的变化Fig.2 Soil ammonium nitrogen changes in “cabbage-spinach-water spinach-radish-Chinese cabbage” cultivation with multiple application of DCDMF(multiple application of fertilizer)和MFD(multiple application of fertilizer with dicyandiamide)分别表示DCD连续配施的化肥处理和化肥配施DCD处理

2.2 DCD配施对土壤硝态氮变化的影响

图3表明，甘蓝生长期间，SFD处理和SF处理土壤硝态氮变化整体呈下降的趋势，SFD处理的土壤硝态氮含量在前期下降较慢，但在第3次与第4次取样间急剧下降，而SF处理的土壤硝态氮含量则在第1次与第2次取样间急剧减少，在后期下降较慢。SFD处理所有取样时间点的硝态氮含量均低于SF处理，降幅为5.4%—80.2%。二者硝态氮含量除第1次取样差异尚未显著外，其余取样时间点差异均极显著(P<0.01)。图3表明，与甘蓝种植试验一致，空心菜收获时SFD处理的土壤硝态氮也低于SF处理，降低了26.2%。

图3 DCD单次配施甘蓝和空心菜土壤硝态氮的变化Fig.3 Soil nitrate nitrogen changes in cabbage and water spinach cultivation with single application of DCD

由图4可知，甘蓝季、菠菜季、萝卜季MFD处理的土壤硝态氮含量均低于MF处理，分别降低了68.2%、40.0%和9.6%；而空心菜季和大白菜季的土壤硝态氮反而高于MF处理，分别增加了82.3%和146.6%。MFD处理硝态氮含量从甘蓝季极显著(P<0.01)低于MF处理，发展到菠菜季、空心菜季和萝卜季差异不显著，再到大白菜季显著高于MF处理(P<0.05)。可见，DCD单次配施可明显降低土壤硝态氮含量(图3)，而DCD连续配施在前两季可有效降低土壤硝态氮含量，但随着蔬菜种植季的增加，土壤硝态氮反而呈累积的趋势。

图4 DCD连续配施“甘蓝-菠菜-空心菜-萝卜-大白菜”蔬菜季土壤硝态氮的变化Fig.4 Soil nitrate nitrogen changes in “cabbage-spinach-water spinach-radish-Chinese cabbage” cultivation with multiple application of DCD

2.3 DCD配施对蔬菜季菜体硝酸盐累积的影响

蔬菜硝酸盐限量是无公害蔬菜的重要品质指标之一[5]。由图5可知，甘蓝种植时SFD处理和SF处理的菜体硝酸盐变化趋势与土壤硝态氮变化相似。随着甘蓝种植时间的延长，菜体硝酸盐含量呈下降趋势，且SFD处理的菜体硝酸盐含量均低于SF处理，降幅为4.4%—58.3%。二者除第1次和第5次取样差异尚不显著外，其余取样时间点差异极显著(P<0.01)，表明甘蓝正常收获时，DCD配施能明显减少甘蓝的硝酸盐富集。由图5可知，SFD处理和SF处理的空心菜菜体硝酸盐含量分别为2573.2 mg/kg 湿重和3770.2mg/kg 湿重，SFD处理比SF处理降低了31.7%，DCD单次配施后空心菜菜体的硝酸盐含量从高于无公害蔬菜的硝酸盐限量(叶菜类≤3000 mg/kg 湿重)[14]，降低到符合硝酸盐限量的要求。

图5 DCD单次配施甘蓝和空心菜的硝酸盐变化Fig.5 Nitrate changes of vegetables in cabbage and water spinach cultivation with single application of DCD

图6显示，MFD处理的甘蓝季、菠菜季和空心菜季蔬菜可食用部分菜体硝酸盐含量均低于MF处理，分别减少了30.2%、25.9%和3.0%；而萝卜季和大白菜季的菜体硝酸盐含量则高于MF处理，分别增加了4.1%和40.4%。在5季蔬菜种植后，MFD处理的菜体硝酸盐含量从显著低于MF处理(P<0.05)，发展到极显著高于MF处理(P<0.01)。对DCD单次配施甘蓝生长期土壤硝态氮含量与蔬菜硝酸盐含量相关性分析表明，土壤硝态氮含量与蔬菜硝酸盐含量呈显著正相关(P<0.01)。由此可见，随着蔬菜种植季的增加，DCD连续配施后蔬菜硝酸盐富集主要是由土壤硝态氮累积引起的(图4)。

图6 DCD连续配施“甘蓝-菠菜-空心菜-萝卜-大白菜”蔬菜季的菜体硝酸盐变化Fig.6 Nitrate changes of vegetables in “cabbage-spinach-water spinach-radish-Chinese cabbage” cultivation with multiple application of DCD

3 讨论与结论

同大多数的研究相似[8,10]，本研究DCD单次配施可增加土壤铵态氮含量，减少土壤硝态氮含量(图1，图3)。Schroder和Kelin等报道DCD反复配施的硝化抑制效果和土壤氮素形态变化不明显[15- 16]。本试验DCD连续配施的土壤铵态氮和硝态氮变化整体均呈累积的趋势(图2，图4)，土壤铵态氮含量从甘蓝季的略高于化肥处理(44.0%)，发展到萝卜季的极显著高于化肥处理(392.5%，P<0.01)；硝态氮含量从甘蓝季极显著低于化肥处理(-68.2%，P<0.01)，发展到大白菜季显著高于化肥处理(146.6%，P<0.05)，这与已有报道的差异可能是由于作物品种，肥料种类及用量不同而引起。

在本试验中，DCD单次配施可有效地降低甘蓝生长期菜体硝酸盐含量(4.4%—58.3%)，以及空心菜收获时菜体硝酸盐含量(31.7%)(图5)，这与大多数的研究结果一致[8,10,17- 18]。然而，DCD连续配施，随着蔬菜种植季的增加，菜体硝酸盐含量从甘蓝季显著低于化肥处理(-30.2%，P<0.05)，发展到大白菜季极显著高于化肥处理(40.4%，P<0.01)(图6)。究其原因，DCD连续配施的蔬菜硝酸盐富集与土壤维持较高的硝态氮含量密切相关(图4)，但是否与蔬菜品种、水分、地温等因素相关需进一步研究。

DCD单次配施和连续配施均显示硝化抑制效果，但DCD连续配施的土壤氮素形态及菜体硝酸盐则呈累积的趋势。对连续配施DCD蔬菜收获后30 d的土壤铵态氮和硝态氮变化的比较表明，萝卜和大白菜收获后AMFD处理的土壤铵态氮和硝态氮含量均高于AMF处理，其中土壤铵态氮含量分别增加了42.6%和57.8%，大白菜季差异极显著(P<0.01)；土壤硝态氮含量分别增加了43.0%和55.3%，差异分别达显著(P<0.05)和极显著水平(P<0.01)(表2)。此外，对连续配施DCD蔬菜收获时和收获后土壤铵态氮和硝态氮变化的比较表明，与收获时(MFD处理)相比，萝卜和大白菜收获后(AMFD处理)的土壤铵态氮含量分别降低了46.0%和27.0%，其中萝卜季差异极显著(P<0.01)；二者土壤硝态氮含量分别增加了3.6%和74.8%，其中大白菜季差异极显著(P<0.01)。由此可见，连续配施DCD可使土壤维持一定量的铵态氮水平(图2)，但DCD抑制硝化作用是有时间性的[19]，一旦加入到土壤中，随着DCD硝化抑制活性的减弱[19- 20]，土壤中盈余的铵态氮将进一步转化为硝态氮残留在土壤中(图4)，并可能为下季蔬菜吸收利用，从而产生蔬菜硝酸盐累积的风险(图6)。

表2 蔬菜收获时和收获后土壤铵态氮和硝态氮的变化

AMF(after vegetables harvest in multiple application of fertilizer treatment)、AMFD(after vegetables harvest inmultople application of fertilizer with dicyandiamide treatment)分别表示MF处理和MFD处理种植蔬菜收获后30 d的相应处理；变化率1和变化率2分别表示(AMFD-AMF)/AMFD和(AMFD-MFD)/AMFD；大写字母和小写字母分别代表P<0.01和P<0.05

综上所述，DCD单次配施可明显增加土壤铵态氮含量，降低土壤硝态氮含量，减少蔬菜硝酸盐富集。而DCD连续配施，随着蔬菜种植季的增加，土壤铵态氮和硝态氮含量呈累积的趋势，并可能产生蔬菜硝酸盐富集的现象。因此，在生产实际中应用DCD，随着作物种植季的增加，应逐年减少肥料和DCD的用量，以及含有DCD的稳定性肥料的用量[21]，以防控土壤铵态氮和硝态氮累积，以及蔬菜硝酸盐富集的风险。

致谢: 感谢福建省农业科学院土壤肥料研究所化验室颜明娟主任和蔡顺香副主任对样品测试的协助。

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Changesofsoilnitrogentypesandnitrateaccumulationinvegetableswithsingleormultipleapplicationofdicyandiamide

WANG Huangping1, ZHANG Qing1, WENG Boqi2, ZHANG Pandan1, LUO Tao1,*

1InstituteofSoilandFertilizer,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou350013,China2AgriculturalEcologyInstitute,FujianAcademyofAgriculturalSciences,Fuzhou350013,China

dicyandiamide(DCD); single application; multiple application; nitrogen types; nitrate accumulation

国家科技支撑计划课题(2012BAD14B15)；福建省省属公益类科研院所基本科研专项(2011R1024-5)；福建省财政专项福建省农业科学院科技创新团队建设基金(STIF-Y01)

2012- 04- 28;

2013- 01- 06

*通讯作者Corresponding author.E-mail: luotaofjfz@188.com

10.5846/stxb201204280611

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