不同氮肥用量下硝化抑制剂和木醋液对土壤N2O 排放的影响

马智勇，贾俊香，王 斌，张浩东，王 玲，谢英荷，吴伟锋，吕鉴于，白春雨

（山西农业大学资源环境学院，国家级实验教学示范中心，山西太谷030801）

氧化亚氮（N2O）作为一种重要的温室气体，其单分子增温潜势是CO2的近300 倍，且能在大气中存在较长时间[1]。随着工业发展和农业中氮肥的大量使用，大气中N2O 浓度逐年升高，正在不断加剧着全球温室效应[2-3]。农田生态系统中菜地管理具有氮肥用量大和复种指数高的特点，使其已经成为重要的农田N2O 排放源[4-5]。菜地氮肥的大量施用，一方面降低了氮肥的利用率和造成土壤的板结[6]，另一方面会带来N2O 和其他温室气体的大量排放[7]。据统计，菜地土壤的N2O 排放占到了全国总的土壤N2O 排放的20%[8]，所以，研究菜地土壤N2O 排放具有重要意义。

硝化抑制剂双氰胺（DCD）因其在提升土壤氮肥利用率和降低土壤N2O 排放方面具有良好的效果[9]，近年来被大量运用于农田和室内培养试验[10-11]。现有研究表明，双氰胺对作物产量的影响不显著，但在不同作物的整个生长季均可大幅度降低土壤N2O 的排放[12-13]。木醋液是对木材进行干馏后得到的一种木焦油，其主要成分是水和酸类物质，有浓烈的醋味，液体为红褐色。研究发现，木醋液在改善作物品质、改良土壤方面具有一定的作用，可用于植物生长的调节[14-15]。此外，木醋液中含有酚、醇、吠喃类和含氮的碱类有机化合物，以及大量微量元素[16]。土壤中施用木醋液能有效抑制有害微生物繁殖[17]。叶面喷施木醋液可促进叶片光合作用，加快生长，减缓衰老。现阶段，在土壤中施加氮肥和双氰胺对温室气体排放的影响研究主要集中在南方的稻田土壤和菜地土壤[18-19]。双氰胺对北方菜地土壤温室气体排放影响的研究甚少。而木醋液对温室气体排放影响的研究更为少见。

本研究通过室内静态培养方法，探究硝化抑制剂和木醋液对北方菜地土壤温室气体排放的影响，旨在减少菜地土壤N2O 的排放。

1 材料和方法

1.1 供试土壤的基本理化性质

供试土壤选自山西省晋中市平遥县南西泉村蔬菜地耕层土壤（菜地种植年限为10 a），土壤基础理化性质列于表1。施用氮肥为含氮量46.7%的分析纯尿素，硝化抑制剂为无锡亚泰联合化工有限公司生产的分析纯双氰胺，木醋液为山东冠县阜丰化肥有限公司生产。

表1 试验地0～20 cm 土层土壤基本理化性质

1.2 试验设计

试验于2019 年1 月8—20 日在山西农业大学资源环境学院实验室进行。采用静态培养进行室内模拟试验。试验共设7 个处理，分别为：CK.不施氮肥；N1.200 kg/hm2氮肥；N1＋D.200 kg/hm2氮肥＋10 kg/hm2双氰胺；N1＋M.200 kg/hm2氮肥＋稀释100 倍的木醋液；N2.400 kg/hm2氮肥；N2＋D.400 kg/hm2氮肥＋10 kg/hm2双氰胺；N2＋M.400 kg/hm2氮肥＋稀释100 倍的木醋液。每个处理设置3 个重复。

1.3 气样采集与分析

土壤样品培养开始于2019 年1 月7 日，在土壤样品培养的第2，4，6，8，11，14 天的9：00 采集气瓶密闭培养0，30，60 min 后的气体样品20 mL。样品用气相色谱仪（Agilent 7890B）进行测定。柱箱温度设定为60 ℃，N2O 检测器为ECD，温度设定为300 ℃。根据每组3 个样品的N2O 体积比与对应采样时间的直线回归斜率，求得N2O 的排放通量。采用加权平均法，求得整个观测时期N2O 的累积排放量。

1.4 数据处理

运用软件Excel 2010 进行数据统计和作图，用SPSS 22.0 软件进行数据方差分析和多重比较（P＜0.05）。

式中，F 表示N2O 排放通量（ng/（m2·h））；ρ 表示标准状况下N2O-N 的密度，为1.25 g/L；V 表示采样气瓶体积（m3）；A 表示采样气瓶内土壤表面积（m2）；ΔC/Δt 表示N2O 排放速率（nL/（L·h））；T 表示采样瓶内温度（℃）。

2 结果与分析

2.1 相同氮肥用量不同处理间N2O 排放通量比较分析

由图1 可知，在200 kg/hm2氮肥用量下，整个培养期间氮肥处理和氮肥加木醋液处理的N2O 排放通量表现出相同的变化趋势，即在培养初期N2O排放通量迅速升高，随后逐渐减低。CK 表现为培养初期N2O 排放通量最低，随后缓慢升高，最后逐步趋近于无排放，且在整个试验期间变化幅度较小，为1.22～12.33 ng/（m2·h）。氮肥处理在试验的第4 天N2O 排放通量达到峰值，随后3 次测定中逐渐降低，且排放通量变化幅度较大，达到6.06～48.80 ng/（m2·h）。木醋液处理在整个试验期间N2O 排放通量表现为先快速升高后逐渐降低，变化幅度在7.40～65.20 ng/（m2·h），且当日N2O 最大排放通量出现在该处理中。整个培养期间，木醋液处理的N2O 排放通量均略高于氮肥处理。硝化抑制剂处理在整个试验期间N2O 排放通量均维持在较低水平，没有出现明显的排放峰值，且整体低于氮肥处理。

400 kg/hm2氮肥用量中，培养期间各处理N2O 排放通量随时间的变化趋势基本一致。培养初期，3 个处理排放通量均较低，在培养的第6 天左右达到整个培养期间的峰值，随后逐渐降低。氮肥处理N3 的N2O 排放通量在试验期间并没有显著高于其他处理，变化范围在0.32～12.01 ng/（m2·h）。不施氮处理（CK）、硝化抑制剂处理（N2＋D）和木醋液处理（N2＋M）在整个试验期间排放通量和变化趋势都十分相近，最大峰值均出现在1 月12 日的监测中。氮肥处理（N2）的N2O 最大峰值出现在1 月10 日的监测中，峰值比其他处理提前2 d 监测到。木醋液处理在整个试验期间N2O 排放通量的变化趋势表现为先快速升高后逐渐降低，峰值达到9.57 ng/（m2·h），当日N2O 最大排放通量同样出现在该处理中。硝化抑制剂处理在整个试验期间N2O 排放通量变化明显，先快速增加，后逐渐降低，且在1 月12 日出现明显的排放峰值，但整体低于氮肥处理。

2.2 不同氮肥用量下相同处理的N2O 排放通量比较分析

由图2 可知，200，400 kg/hm2这2 种氮肥用量下菜地土壤N2O 排放表现出显著差异，200 kg/hm2氮肥用量的土壤N2O 排放通量显著高于400 kg/hm2氮肥用量。且200 kg/hm2氮肥用量下硝化抑制剂处理和木醋液处理也高于400 kg/hm2氮肥用量下的硝化抑制剂和木醋液处理。200 kg/hm2氮肥处理在整个培养期间的N2O 排放通量变幅在6.06～48.8 ng/（m2·h），最大排放通量出现在1 月10 日。400 kg/hm2氮肥用量在整个培养期间的N2O 排放通量变幅在0.32～12.01 ng/（m2·h），最大排放通量同样出现在1 月10 日。200 kg/hm2氮肥用量下的硝化抑制剂处理N1＋D 在整个培养期间的N2O 排放通量变化较小，变幅在0.27～2.60 ng/（m2·h），最大排放通量出现在第1 次测试中，整体低于相同用量下的氮肥处理和木醋液处理。400 kg/hm2氮肥用量下的硝化抑制剂处理在整个培养期间的N2O 排放通量变化相对较大，变幅在-0.26～3.24 ng/（m2·h），且未显著低于同组的氮肥处理。木醋液处理N1＋M在整个培养期间的N2O 排放通量变化最大，变幅在7.4～65.2 ng/（m2·h），最大排放通量出现在1 月12 日，也是所有处理中的单日排放最大值，整体高于相同用量下的氮肥处理，显著高于相同氮肥用量下的硝化抑制剂处理。400 kg/hm2氮肥用量下的木醋液处理N2＋M 在整个培养期间的N2O 排放通量变化较大，变幅在0.35～9.57 ng/（m2·h），最大排放通量出现在1 月12 日，且排放通量的变化趋势与相同用量下的氮肥处理和硝化抑制剂处理类似。

2.3 不同处理间N2O 的累积排放量比较分析

从图3 可以看出，200 kg/hm2氮肥用量下的各处理N2O 累积排放量表现出较大的差异，N1 处理和N1＋M处理的N2O 累积排放量显著高于CK 和N1＋D 处理，分别达到539.04，549.31 ng/m2，表明氮肥的施用会促进菜地土壤N2O 的排放。木醋液处理N2O 累积排放量略高于单施氮肥处理10.27 ng/m2，表明木醋液可以增加菜地土壤施加氮肥后的N2O 累积排放量。硝化抑制剂处理N2O 累积排放量低于不施氮处理（CK）和氮肥处理，分别为二者累积排放量的35.4%和3.76%。

400 kg/hm2氮肥用量下各处理间N2O 累积排放量没有出现较大的差异，整体变化范围在37.87～59.68 ng/m2，N2O 最低累积排放量出现在硝化抑制剂处理中，为37.87 ng/m2。木醋液处理的N2O 累积排放量为该组最高，达到59.68 ng/m2。200 kg/hm2氮肥处理和木醋液处理的N2O 排放累积排放量均显著大于400 kg/hm2氮肥用量的相应处理，分别达到了12.4 倍和9.2 倍。

3 结论与讨论

本研究结果表明，200 kg/hm2氮肥用量组中，氮肥处理的N2O 排放通量在整个培养期均大于不施氮处理，说明氮肥的施用能促进菜地土壤N2O 的排放并提高N2O 累积排放量，但过高的氮肥用量反而会降低其累积排放量。山楠等[20-21]对菜地土壤N2O排放的研究表明，氮肥的施用相对控制处理均提高了土壤N2O 的排放通量。在400 kg/hm2氮肥用量组中，整个培养期间氮肥处理N2O 排放通量并没有显著高于控制处理。原因可能是过高的氮肥用量抑制了土壤中硝化和反硝化活动的进行，或是高氮肥用量导致的土壤表面板结，降低了土壤内部气体向外扩散[22-23]。土壤中高氮肥用量出现低N2O 排放通量的研究较少，还需进一步对其内部机制进行探究。

硝化抑制剂在2 种氮肥用量中均能降低土壤N2O 的排放通量和累积排放量，200 kg/hm2氮肥用量下，硝化抑制剂在整个培养期间N2O 排放通量均低于相同条件下的其他处理。400 kg/hm2氮肥用量下，虽然氮肥处理的N2O 排放通量在整个培养周期一直处于较低水平，但硝化抑制剂处理仍能降低其排放通量，甚至在后期出现土壤对大气中N2O 的吸收。研究认为，土壤N2O 的产生是由硝化过程和反硝化过程共同作用的结果，而土壤硝化和反硝化过程依赖于土壤水分含量以及底物含量[24]。硝化抑制剂双氰胺主要是通过抑制硝化过程中NH4+-N 向NO3--N 的转化，从而降低土壤N2O 的排放[25]。

本研究2 种氮肥处理中的木醋液处理相对单施氮肥处理均能少量的增加土壤N2O 的排放通量和累积排放量。这可能是由于木醋液提高了土壤脲酶活性和低肥力土壤的土壤肥力生物指数[26-27]，促进了土壤中硝化和反硝化反应的进行，从而提高了该处理土壤N2O 的排放通量。