不同硝化抑制剂组合对铵态氮在黑土和褐土中转化的影响

2019-03-07油伦成李东坡武志杰李学红肖富容李永华闫增辉张金明崔永坤

植物营养与肥料学报 2019年12期

油伦成，李东坡，崔磊，武志杰，李学红，肖富容，李永华，闫增辉，郑野，张金明，高波，崔永坤

（1 中国科学院沈阳应用生态研究所，辽宁沈阳 110016；2 中国科学院大学，北京 100049；3 北方华锦化学工业集团有限公司，辽宁盘锦 124021；4 锦西天然气化工有限责任公司，辽宁葫芦岛 125001；5 中国农业大学资源与环境学院，北京 100193）

在水稻追肥和复混肥料加工过程中大量使用铵态氮肥，主要为氯化铵、硫酸铵[1-4]。目前对改善这部分肥料的性能，提高其稳定性和长效性并没有引起充分的重视[5-7]。为提高我国整体氮肥利用率，减少氮肥施用量[8]，高效稳定性铵态氮肥的研制不容忽视[9-11]。

为提高作物产量和减少环境代价，在作物的营养临界期和营养最大效率期精准施肥尤为重要，如小麦的分蘖和孕穗期，玉米的孕穗期。但由于传统氮肥转化速率过快，氮素通过各种途径过早损失，不但无法为作物提供充足的氮素，而且严重污染环境。一般在4个月内，作物对氮素需求最大，因此筛选出可以维持4个月以上硝化抑制效果的抑制剂配方尤为重要，硝化抑制率一般应维持在20%～60%为宜，可提高作物产量10%以上[12]。如果抑制率过高，则会增加氨挥发强度，造成空气污染；如果抑制率过低，则无法保证氮素的持续供应，并会增加硝态氮淋洗，污染水体。

对硝化抑制剂的研究早在20世纪中后期就已经开始[13]。1974年，美国DOW公司开发CP(Nitrapyrin)产品，并广泛应用于农业生产中。在施用等氮量情况下，在石灰性土壤中添加CP的水稻种植中，其硝化率为不添加CP的30%，在微酸性或酸性黏土中，其硝化率比不添加CP减少10%，在强碱性土壤中硝化率也明显减小，但由于强碱性土壤中易造成氨挥发，因此在强碱性土壤中对减少氮素损失效果不佳。一般情况下，添加CP的土壤中铵态氮存留时间延长40天以上。但由于铵态氮在土壤中长时间存留，也会增加氨挥发损失[14]。一般在最大田间持水量的60%左右，温度在25℃左右，pH处于中性或弱碱性时，CP能发挥最好的抑制效果。除此之外，还有一种抑制剂—3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)被广泛应用，并取得较好的效果[15]。DMPP可以有效控制氮素流失和改变农作物对氮素的吸收方式。添加化肥纯氮量1%的DMPP，即可达到较好的硝化抑制效果，其硝化抑制作用可持续1～3个月时间。不同的土壤类型中DMPP作用效果不同[16]。另外，还有我们所熟知的抑制剂—二氰二胺(DCD)。氮肥中加入DCD后，淋溶造成的氮素损失有效减少40%左右[17]。近年来，研究表明DCD在蔬菜、水果、茶叶、药材等领域都起到良好的作用，因此被大范围快速推广使用。另外，由德国SKW公司开发的硝化抑制剂1-甲胺甲酰-3-甲基吡唑(CMP)，也具有硝化抑制效果。研究表明，CMP可以有效抑制土壤硝化反应，使铵态氮在土壤中长期稳定存在，有效抑制硝态氮的生成[15]。

土壤质地、孔隙度、有机质含量、酸碱度等因素影响硝化抑制剂的效果[18-20]。在pH低于6的土壤中，硝化反应不明显，在pH处于中性或者偏碱性土壤中，硝化反应较为明显，要取得理想的硝化抑制效果需要适宜的硝化抑制剂类型[21-25]和浓度[26-30]。然而，针对我国不同类型土壤[31-34]、不同种类铵态氮肥(如硫酸铵、氯化铵)的专用高效生化抑制剂配方的系统研究工作相对较少。由于一些硝化抑制剂单一施用有效作用时间较短，不能有效减少铵态氮肥总损失量，而将两种或者多种抑制剂配合使用可以解决这一问题[35]，达到更好的抑制效果，同时会降低生产成本[36]。另外，一些硝化抑制剂虽然可以有效抑制硝化反应进行，但是其成本高、合成工艺复杂、对环境造成一定的污染，因此，筛选针对不同种类铵态氮肥、适应我国典型土壤的成本低廉、高效、专用，并且对环境友好的抑制剂或组合配方十分必要。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试肥料：氯化铵(分析纯)，由天津永大化学试剂有限公司生产。

供试硝化抑制剂：2-氯-6(三氯甲基)-吡啶(CP)，DMPP，CMP，3-甲基吡唑(MP)，2-氨基-4-氯-6-甲基嘧啶(AM)，均为分析纯试剂，纯度 ≥98.0%，由Maya Reagent生物技术公司生产；Nguard，油状液体，由Solvay S.A.公司提供；DCD，二氰二胺，为分析纯试剂，纯度 ≥ 84.0%，由Macklin生物技术公司生产。

供试土壤：黑土，采自吉林省长春市农安县(125°49′E、43°51′N)，属于中温带大陆性气候。土壤保水能力强，肥力高。褐土，采自辽宁省朝阳市朝阳县(119°50′E、41°25′N)，属于北温带大陆性季风气候。以上2种类型土壤分别取自旱地农田耕层0—20 cm。试验所用土壤经过自然风干后过2 mm筛，备用。土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Physicochemical properties of tested soil

1.2 试验设计

采用室内土壤培养方法。以氯化铵为研究对象，添加单一或者组合抑制剂，制备稳定性氯化铵，氯化铵氮添加量均为N 0.50 g/kg干土。具体试验处理包括：1)不施肥对照(CK)；2)施用氯化铵肥料(N)；3)～9)处理为氯化铵添加了不同抑制剂，依次为N+CP、N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+DCD、N+CP+CMP、N+CP+AM、N+CP+MP。单一抑制剂CP、N-guard、DMPP、DCD、CMP、AM、MP的添加量分别为氯化铵氮量的0.5%、1.5%、1.0%、4.0%、0.2%、4.0%、1.0%，抑制剂组合的添加量为抑制剂单独添加量的50%。

培养试验采用4号敞口塑料盆(12 cm口径)，每盆装干土1 kg，加入150 mL左右去离子水，盆口盖一层塑料保鲜膜，在无光照的恒温室中放置一周，使土壤活化。将各处理肥料与活化后的土壤充分混匀后，再装回盆内，盆口盖一层扎眼的塑料保鲜膜，每一处理3次重复。

室内恒温培养试验，温度保持在(25 ± 2)℃，土壤湿度为田间最大持水量的60%。分别在培养第1、4、7、11、15、22、30、45、60、75、90、105、120 天取土样，测定土壤含水量、土壤NH4+-N和NO3--N含量，并计算硝化抑制率。

1.3 测定及计算方法

土壤铵态氮、硝态氮用2.00 mol/L氯化钾浸提，用3-AA3型流动分析仪测定。硝化抑制率(DN)计算公式：DN(%)=(C-D)/C×100，式中，C和D分别为普通氯化铵和添加抑制剂氯化铵培养后土壤硝态氮浓度测定值(mg/L)。

1.4 统计与分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0软件对数据进行统计分析。采用Duncan最小显著极差法进行多重比较，差异显著水平为P＜0.05，利用Origin 8.6软件作图。图中数据为平均值 ± 标准差。

2 结果与分析

2.1 添加不同抑制剂的氯化铵在黑土中的转化特征

在黑土中，所有氯化铵氮肥处理的铵态氮含量在整个培养期都呈现下降趋势，硝态氮含量都呈现逐渐增加趋势(图1)。CP单独添加和与其他6种抑制剂混合添加在培养120 天内的抑制效果都显著高于无添加抑制剂的N处理(P＜0.05)。在培养第120天时，N处理土壤中铵态氮含量已不足40%，添加抑制剂的7个处理土壤中依然含有65%以上铵态氮，并且该7个处理间铵态氮含量没有显著差异(P＞0.05)，证明添加硝化抑制剂CP及其组合处理的硝化抑制有效作用时间达到120 天以上(图1)。

硝化抑制剂CP单独添加及其6个组合添加处理土壤的硝态氮含量在整个培养期变化趋势基本相同，均显著低于N处理(P＜0.05)，证明添加抑制剂的7个处理都具有较好的硝化抑制效果，并且硝化抑制有效作用时间在4个月以上(图1)。

在0～30天的培养期内，N处理NH4+-N含量下降较快，而硝化抑制剂处理的下降较慢。在培养第30天时，N处理的剩余NH4+-N含量为179 mg/kg，硝化抑制剂处理的依然维持在400 mg/kg以上，显著高于N处理(P＜0.05)。培养45～75天，N处理的铵态氮保持相对稳定，铵态氮含量维持在150～200 mg/kg，没有显著下降趋势，而硝化抑制剂处理的铵态氮含量下降较快，铵态氮减少量在100 mg/kg左右；培养75～120 天，N处理铵态氮含量依然没有显著下降趋势，铵态氮含量保持在150～200 mg/kg，硝化抑制剂处理也没有显著下降趋势，铵态氮含量保持在300 mg/kg以上，显著高于施N处理(图1)。

在0～45天培养期，N处理硝态氮含量增长较快，在第45天，增加了300 mg/kg，而添加硝化抑制剂的7个处理的硝态氮含量增加较缓慢，增加量小于80 mg/kg，硝化抑制率为63%～75%(表2)；在培养45～75天，N处理硝态氮含量增长相对减缓，增长量接近100 mg/kg，而硝化抑制剂处理在此阶段增加最大，增加量由小于100 mg/kg增加到200 mg/kg左右，在培养75天时的硝化抑制率为41%～52%；在培养75～120天，N与添加硝化抑制剂处理土壤的硝态氮含量都增加较为缓慢，增长幅度都在50 mg/kg以内，在培养第120天时的硝化抑制率依然在26%～40%(表2)。

图1 黑土中不同处理铵态氮、硝态氮含量动态变化Fig.1 Dynamic changes of soil NH4+-N and NO3--N contents in black soil under different treatments

表2 黑土上抑制剂的硝化抑制率(%)Table 2 Soil nitrification inhibition rate in black soil in different treatments

2.2 添加不同抑制剂的氯化铵在褐土中的转化特征

在褐土中，所有施氮处理的铵态氮含量在整个培养期都呈现下降趋势，硝态氮含量都呈现逐渐增加趋势(图2)。

在0～75天培养期，添加硝化抑制剂的处理，铵态氮含量都显著高于无添加抑制剂的N处理(P＜0.05)。在培养75天时，N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP处理土壤硝态氮含量依然显著低于N处理(P＜0.05)，硝化抑制率分别为43%、42%、35%、37%(表3)。在培养第90天时，N+CP、N+CP+AM、N+CP+DCD处理铵态氮含量介于100～200 mg/kg，显著高于N处理(P＜0.05)，添加N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP处理与N处理没有显著差异(P＞0.05)。在90～120天培养期，N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP处理硝态氮含量与N处理无显著差异(P＞0.05)，硝化抑制率全部下降为9%以下，说明这些处理在培养75天内具有硝化抑制效果。在培养第105天时，N+CP、N+CP+AM的处理铵态氮含量与N处理没有显著差异(P＞0.05)，说明这2种处理的硝化抑制有效作用时间在105天以内；N+CP、N+CP+AM处理硝态氮含量依然显著低于N处理(P＜0.05)，其硝化抑制率分别为23%、12%，说明有效硝化抑制时间为105天左右。在培养第120天时，N+CP+DCD处理与N处理铵态氮含量没有显著差异(P＞0.05)，说明有效作用时间为120天左右；其硝态氮含量都显著低于N处理(P＜0.05)，硝化抑制率为20%，说明硝化抑制效果可以维持4个月以上(图2)。

图2 褐土中不同处理铵态氮、硝态氮含量动态变化Fig.2 Dynamic changes of soil NH4+-N and NO3--N contents in cinnamon soil under different treatment

表3 褐土上抑制剂的硝化抑制率(%)Table 3 Nitrification inhibition rate in cinnamon soil in different treatments

3 讨论

3.1 在黑土中不同硝化抑制剂或组合对氯化铵氮素转化的影响

在黑土中，所有添加氯化铵氮肥的处理都发生较强的硝化反应，说明土壤中添加铵态氮肥处理显著增加了硝化反应速率，增加了土壤中铵态氮向硝态氮转化的进程，这与孙志梅等[37]研究结果一致。

在黑土中，添加硝化抑制剂的所有处理有效硝化抑制作用时间都超过整个培养期，说明本研究所用硝化抑制剂或组合，在整个培养期都显著降低了土壤中硝化作用强度，有效抑制了土壤中铵态氮向硝态氮转化，降低土壤中硝化反应速率，这与李莉等[33]研究结果相一致，这可能与抑制土壤中胺氧化酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶活性和氨氧化古菌丰度有关。

3.2 在褐土中不同硝化抑制剂或组合对氯化铵氮素转化的影响

在褐土中，所有添加氯化铵氮肥处理土壤铵态氮含量在整个培养期都处于下降趋势，说明在整个培养期都发生显著的硝化反应，土壤中铵态氮含量增加，显著增加了土壤中硝化反应速率，这与聂彦霞等[32]研究结果一致。

在褐土中，在培养前3个月，添加硝化抑制剂的处理有效抑制土壤中硝化反应，可能因为改变了土壤中氨氧化古菌群落结构和丰度以及胺氧化酶活性，这与张苗苗等[38]研究结果一致。处理N+CP、N+CP+AM、N+CP+DCD硝化抑制效果显著高于处理N+CP+N-guard、N+CP+DMPP、N+CP+CMP、N+CP+MP，说明不同的硝化抑制剂或硝化抑制剂组合，不但影响硝化抑制作用强度，而且影响硝化抑制作用时间，因此研究不同硝化抑制剂或硝化抑制剂组合在不同类型土壤中的作用效果具有现实意义[39-40]。

N+CP、N+CP+AM处理的有效硝化抑制时间在105天以内，而N+CP+DCD处理有效硝化抑制作用时间为120天左右，由此可知，N+CP+DCD处理抑制硝化作用效果最好，并且在褐土中有效作用时间最长，比CP单独使用，明显增加了抑制作用时间与效果。因此在褐土中添加氯化铵态氮肥，应首先选用添加CP+DCD制成高效稳定性铵态氮肥。

3.3 在黑土和褐土中同种硝化抑制剂或组合对氯化铵氮素转化的影响

在培养初期，土壤中加入铵态氮肥，褐土中微生物固持和土壤固定作用远大于黑土，造成这种差异的主要因素可能是土壤酸碱度，因为在碱性土壤中氨氧化相关微生物丰度和酶活性高于酸性土壤中相关微生物和酶指标[41]。

在培养第3～4周，在黑土和褐土中仅添加氯化铵处理硝化反应速率最快，而添加硝化抑制剂处理硝化反应速率较为迟缓，说明这个阶段在黑土和褐土中发生显著的硝化反应，并且硝化抑制剂起到较好的抑制效果。

在培养60～90天，黑土中没有发生显著的硝化反应，而在褐土中硝化反应较显著，说明碱性褐土具有更优的硝化反应相关微生物群落结构和酶活性，硝化作用潜力大于黑土。

在培养90～120天，黑土中氯化铵氮肥处理的硝化反应趋于平稳，说明黑土中硝态氮含量过高，抑制了土壤中铵态氮向硝态氮转化；褐土中仅施N处理硝化反应已趋于完全，而添加硝化抑制剂的处理依然有较强的硝化反应，说明在培养前期褐土的硝化作用受到抑制，在后期依然继续进行，添加硝化抑制剂对褐土中的硝化作用起到了削峰填谷的效果，有利于铵态氮的缓慢氧化，延长了氯化铵氮肥的效果。