硝化抑制剂对设施菜田土壤N2O和CO2排放及蔬菜产量品质的影响

倪玉雪，赵梦强，周晓丽，韩 建，张丽娟 ，尹 兴

（1. 邢台市信都区农业农村局土肥站，河北 邢台 054000；2. 河北农业大学资源与环境学院/河北省蔬菜产业协同创新中心，河北 保定 071000；3. 河北经贸大学公共管理学院，河北 石家庄 050061）

0 引言

【研究意义】当前，我国设施蔬菜面积已高达393.33万hm2，且平均复合增长率为1.25%左右，由于其具有高投入、高产出、高效益等特点，在实际生产中，菜农往往会过量施用化肥，这不仅不能达到增产增收的效果，反而会导致肥料浪费，造成作物营养失调、品质下降及温室气体排放增加等一系列问题，对生态环境造成威胁[1-3]。【前人研究进展】张彦才等[4]通过研究表明在大棚蔬菜化肥投入量远高于作物实际需要量，其中N、P2O5、K平均施用量分别高出了约0.8～2.5倍、9.2～19.1倍和2倍。徐福利等[5]对延安市宝塔区日光温室大棚蔬菜研究得出，该区施肥量偏大，并由此引法了严重的土壤次生盐渍化。氮肥施入土壤后有3个去向：作物吸收、土壤残留以及不同途径的损失，其中N2O排放和硝酸盐淋洗是主要的氮素损失途径。据估计，我国设施菜田反硝化N年损失量可高达45.8 kg·hm-2，反硝化对N2O排放总量的贡献率可达22.5%～57.7%[5]。有研究表明，设施蔬菜栽培下，传统的水肥管理会造成硝态氮的大量淋失[6]。张学军等[7]调查发现，银川市795.31 hm2大棚蔬菜，可能淋失的氮素为129 t左右，会使地下水硝态氮含量提高10 mg·L-1，并使蔬菜硝酸盐含量提高。同时，氮肥施用量过高会影响氮素从叶片向籽粒转运，进而影响籽粒产量和氮素利用率的提高[8]。

研究表明，当施肥量相同时，施用硝化抑制剂双氰胺（Dicyandiamide，DCD）能够有效抑制土壤中铵态氮向硝态氮的转化，显著提高作物产量且降低硝酸盐含量，且DCD和吡啶单独施用使得N2O的排放系数分别降低38.9%和39.9%[9-10]。刘敏等[11]的研究表明施用硝化抑制剂DCD减少土壤N2O的排放，但也会略促进NH3的排放。除对降低氮素损失外，配施硝化抑制剂亦可减少农田土壤碳排放[12-13]，研究表明施用硝化抑制剂可使土壤CO2的累积释放量降低11.0%～13.5%[14-15]。此外，DCD可以提高作物产量，研究表明，添加DCD可促进芹菜产量的增加，提高芹菜可溶性糖、可溶性蛋白质、维生素C含量，改善营养品质；配施5%的DCD时，芝麻产量、收获指数分别增加了126%、29%[16-18]。【本研究切入点】截止到目前关于配施硝化抑制剂的施用方法主要集中在肥料与抑制剂单独施用或混合后再统一施入田中，这既会增加农田养分管理流程，同时也可能会造成肥料与抑制剂施用位置的不匹配或混合不均匀，从而导致硝化抑制剂的效果降低，若将抑制剂与氮肥制成成品氮肥硝化抑制剂后再施用可有效解决上述存在的问题缺陷。【拟解决的关键问题】本研究通过盆栽试验，在氮肥中添加硝化抑制剂DCD、2-氯-6（三氯甲基）吡啶（Nitrapyrin，NP）制成氮肥硝化抑制剂，明确氮肥硝化抑制剂对设施菜田的氮素损失的作用，了解施用硝化抑制剂对温室气体CO2和N2O的减排作用及如何提高作物的产量、品质，以期为设施蔬菜栽培的固氮减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

盆栽土壤选自河北省廊坊市永清县大辛阁乡北岔口村（116°26′58″E；39°21′44″N）的蔬菜棚（棚龄18年），以耕层（0～30 cm）土壤作为供试土壤，其主要理化性质如下：有机质25.85 g·kg-1，碱解氮 114.80 mg·kg-1，有效磷 278.49 mg·kg-1，速效钾307.19 mg·kg-1，pH 8.00，容重 1.20 g·cm-3。采集的土壤样品过2 mm筛。供试作物为小白菜，品种为上海鸡毛菜。

1.2 试验设计

盆栽试验于河北农业大学日光温室内进行。试验选用肥料为大量元素水溶肥（R1）（含N 20%）和液态沼渣氮肥（L）（含N 2%），选用硝化抑制剂为宁夏嘉峰双氰胺DCD（C2H4N4，白色结晶性粉末，含量≥99.5%）和廊坊北鑫2-氯-6-三氯甲基吡啶NP（C6H3Cl4N，白色结晶性粉末，含量≥99%）。试验共设处理如下：①不施肥（ CK）；②大量元素水溶肥（ R1）；③大量元素水溶肥+硝化抑制剂DCD[R1（DCD）]；④大量元素水溶肥+硝化抑制剂NP[R1（NP）]；⑤液态沼渣氮肥：L；⑥液态沼渣氮肥+硝化抑制剂DCD[L（DCD）]，每个处理3次重复。施纯氮量均为225 kg·hm-2，同时配施磷肥（P2O5施用量为150 kg·hm-2）和钾肥（K2O 施用量为225 kg·hm-2），DCD 和 NP 用量分别为 22.5 kg·hm-2（纯氮量的10%）和1.8 kg·hm-2（纯氮量的0.8%）。基肥施用全部的磷肥和2/3的氮肥和钾肥（N 150 kg·hm-2、P2O5150 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2），追肥施用 1/3的氮肥和钾肥（N 75 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2）。

盆栽试验所用装置为PVC圆柱管（直径19.6 cm，高35 cm）[19]。装填时，在土柱内壁涂抹凡士林，并将土柱内壁边缘的土壤压实，以确保无边缘效应。将处理好的土样分层装入圆柱管中，并压实达到田间容重1.2 g·cm-3，形成高30 cm的模拟土柱。将0～5 cm土壤与肥料混匀，填装在土柱表面。小白菜直接播种，每盆种植4棵小白菜，种植期间用去离子水浇灌以保证蔬菜正常成长，9月16日施用基肥，10月11日追肥一次直至成熟。

1.3 样品采集与指标测定

1.3.1 气体样品 每次施肥后第1天开始，连续10 d进行采样。采样时间为每天上午9：00～9：30用带有橡皮塞的注射器采集N2O和CO2气体样品，每隔10 min采样1次，共采集3次，每次采样30 mL，并记录箱内温度。采用静态暗箱法-气相色谱法[20]对气体样品进行测定，N2O浓度用电子捕获检测器（ECD）测定，载气为高纯氮气，检测器温度为330 ℃，分离柱温度为55 ℃。最后，用线性插值法计算N2O的累积排放量。

N2O的排放通量计算公式[21]：

式中，F为 N2O 排放通量，μg· m-2·h-1；ρ为标准状态下N2O的密度，其值是1.25 kg·m-3；V表示密闭箱内温室气体所能容纳的有效体积，m3；A为箱内土面面积，m2；dc/dt表示单位时间内密闭箱内N2O浓度的变化量，109·min-1；T为测定时密闭箱内平均温度， ℃。

1.3.2 土壤样品 小白菜收获后，分别采集0～10、10～20、20～30深度土壤样品，装袋密封，放入冰箱保存。土壤容重测定用环刀法；有机质测定用重铬酸钾外加热法；速效磷测定采用1 mol·L-1的NaHCO3浸提，钼锑抗比色法；速效钾采用1 mol·L-1的NH4OAc浸提，火焰光度计测定；NH4+-N和NO3-N采用1 mol·L-1的KCl溶液浸提，流动分析仪测定[22]。

1.3.3 植物样品 小白菜收获时采集地上部植株，先用自来水冲去表面污泥，再用蒸馏水冲洗2～3次，用吸水纸吸干，称重计产。称重后，将植株鲜样分成两份，一份打浆测定蔬菜品质指标，另一份置于烘箱105 ℃杀青后于65 ℃烘干，称重后粉碎过筛，装袋备用。将打浆后的植物样品进行定容、振荡、过滤，取清液进行品质测定。维生素C含量测定采用2，6-二氯靛酚滴定法；硝酸盐、可溶性糖、可溶性蛋白质含量测定采用紫外分光光度法；可滴定酸测定采用0.1 mol·L-1氢氧化钠溶液直接滴定法。植株全氮采用浓H2SO4-H2O2消煮，凯式定氮法测定。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2007 进行处理，用SAS8.0软件进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 硝化抑制剂对土壤N2O排放的影响

小白菜生育期内，土壤N2O排放通量的动态变化如图1。施肥后，土壤N2O的排放量显著增加，CK处理土壤N2O排放量基本稳定，排放值在6.11～12.27 μg·hm-2·h-1。施用基肥后，土壤 N2O 排放量在第1天达到最大值，然后呈逐渐下降趋势，4 d后施肥处理N2O排放通量较为平稳且接近于CK处理。R1（DCD）和R1（NP）的土壤N2O排放通量明显低于R1处理，与R1处理相比，R1（DCD）和R1（NP）的N2O排放量分别减少了43.55%和63.35%；L（DCD）较L处理土壤N2O排放通量减少了45.84%。追肥后，土壤N2O排放通量在第2天达到最大值，之后逐渐下降。R1（DCD）和R1（NP）处理的土壤N2O排放量显著低于R1，R1（DCD）和R1（NP）处理较R土壤N2O排放通量分别减少了76.10%和70.17%；与L处理相比，L1（DCD）土壤N2O排放通量减少了44.54%。表明施用硝化抑制剂DCD和NP会降低土壤N2O的排放通量。

图1 土壤N2O的排放通量的动态变化Fig. 1 Temporal dynamics of soil N2O flux

施肥显著增加了土壤N2O累积排放量（图2）。不施肥处理土壤N2O累积排放量最低，R1处理土壤N2O累积排放量最高。施用基肥后，R1（DCD）和R1（NP）处理土壤N2O累积排放量分别为0.14、0.10 mg·kg-1，较R1处理（0.26 mg·kg-1）分别减少了45.70%和62.46%，差异显著；L（DCD）处理土壤N2O累积排放量为 0.05 mg·kg-1，较 L 处理 0.10 mg·kg-1减少了45.81%，差异不显著。追肥后，R1（DCD）和R1（NP）处理土壤N2O累积排放量分别为0.09和0.10 mg·kg-1，较 R1处理（0.30 mg·kg-1）分别减少了 71.54%和66.81%，差异显著；L（DCD）处理土壤N2O累积排放量为 0.07 mg·kg-1，较 L 处理 0.11 mg·kg-1减少了37.13%，差异不显著。

图2 土壤N2O累积排放量Fig. 2 Total N2O emission from soil

整个施肥时期来看，施用大量元素水溶肥R1与液态沼渣氮肥L相比，后者降低土壤N2O排放的效果更好；施用硝化抑制剂更能在其基础上有效降低土壤N2O的累积排放量。

2.2 硝化抑制剂对土壤CO2排放的影响

小白菜生育期间土壤CO2排放通量如图3。整个监测期间，土壤CO2排放呈现上下波动的变化趋势，各处理的变化趋势基本相同。不施肥处理土壤CO2累积排放量最低（图4），施用基肥后，各施肥处理土壤CO2累积排放量顺序为：R1（DCD）＞R1（NP）＞R1、L＞L（DCD），各处理没有显著差异。与R1处理相比，R1（DCD）和R1（NP）处理土壤CO2累积排放量分别增加了7.20%和2.08%；与L处理相比，L（DCD）处理土壤CO2累积排放量减少了5.13%。追肥后，各施肥处理土壤CO2累积排放量顺序为：R1（DCD）＞R1＞R1（NP）、L（DCD）＞L；与R1处理相比，R1（DCD）处理土壤CO2累积排放量增加了46.47%，R1（NP）处理减少了23.60%；与L处理相比，L（DCD）处理土壤CO2累积排放量增加了28.42%。土壤CO2排放可能与肥料的种类 、施肥的时间以及硝化抑制剂的种类有关，添加硝化抑制剂DCD和NP没有表现出明显的作用。

图3 培养期间土壤CO2的排放通量的动态变化Fig. 3 Temporal dynamics of soil CO2 flux during monitoring

图4 土壤CO2累积排放量Fig. 4 Total CO2 emission from soil

2.3 小白菜收获后土壤硝态氮分布情况

小白菜收获后0～30 cm土壤硝态氮分布情况如图5所示。不同施肥处理对0～30 cm不同深度土壤硝态氮含量有一定的影响，硝态氮的含量随土壤深度的增加而增大。不同土壤深度中对照组CK土壤硝态氮含量最低，R1处理土壤硝态氮含量最高，施用硝化抑制剂DCD和NP土壤硝态氮含量均降低。在0～10 cm土壤深度中，R1（DCD）和R1（NP）土壤硝态氮含量显著低于R1处理，R1（DCD）和R1（NP）处理间无显著差异；在10～20 cm，R1（DCD）和R1（NP）土壤硝态氮含量低于R1处理，但R1和R1（NP）壤硝态氮含量差异不明显；在20～30 cm土壤深度中，R1（DCD）和R1（NP）土壤硝态氮含量低于R1处理，各施肥处理间无显著差异。施用硝化抑制剂对土壤硝态氮分布有一定的影响，可以降低硝态氮在土壤中的含量。

图5 收获后土壤硝态氮含量Fig. 5 Soil nitrate content after vegetable harvest

2.4 硝化抑制剂对小白菜养分含量、产量及品质影响

2.4.1 硝化抑制剂对小白菜全氮量及产量的影响 由表1可以看出，不施肥处理小白菜全氮量和产量最低，施用硝化抑制剂后各处理小白菜的全氮量和产量均无显著差异。其中小白菜产量由大到小的顺序为：R1（DCD）＞R1（NP）＞R1、L（DCD）＞L。与R1处理相比，R1（DCD）和R1（NP）处理小白菜产量分别增加了28.18%和2.87%，与L处理相比，L（DCD）处理小白菜产量增加了4.84%。表明施用硝化抑制剂能提高小白菜产量，但是影响不显著。

表1 硝化抑制剂对小白菜全氮量、产量的影响Table 1 Effects of nitrification inhibitors on nitrogen absorption and yield of Chinese cabbage

2.4.2 硝化抑制剂对小白菜品质的影响 从表2可以看出，各处理品质指标中，维生素C、可溶性糖、可滴定酸、可溶性蛋白质含量各处理间无差异；施用硝化抑制剂后，可降低小白菜的硝酸盐含量，R1（DCD）和 R1（NP）较R1，L（DCD）较L油菜硝酸盐含量分别降低了11.1%、3.4%、7.7%，可溶性蛋白质含量分别降低了24.2%、15.5%、12.4%，但各处理间差异不显著。综合来看，施用硝化抑制剂后小白菜的品质并没有降低。

表2 硝化抑制剂对小白菜品质的影响Table 2 Effect of nitrification inhibitors on quality of Chinese cabbage

3 讨论

3.1 氮肥硝化抑制剂对N2O排放的影响

硝化抑制剂可以用来减缓土壤中NH4+-N转换成NO3-N的氧化，减缓NH3的挥发、N2与N2O的气态N的损失[23]。本研究盆栽试验中，施用基肥和追肥后，L处理比R1处理N2O排放更少；与R1处理相比，R1（DCD）土壤N2O排放通量分别减少了43.55%和76.10%，R1（NP）处理分别减少了63.35%和70.17%；与L处理相比，L（DCD）土壤N2O排放量减少了45.84%和44.54%。这表明，施用液态沼渣氮肥对减少N2O的排放效果更好一些；在大量元素水溶肥R1和液态沼渣氮肥L添加DCD和NP更能有效减少N2O的排放。伍延正等[14]的研究表明，施入DCD油菜地N2O累积排放量减少了23.6%。易琼等[24]研究表明，在等氮量条件下，配施硝化抑制剂DCD处理较常规施肥处理N2O排放总量降低了72.8%。在大田试验中，添加硝化抑制剂DCD处理较不施加DCD处理，4年氧化亚氮累积排放量减少了33.39%[25]。熊舞等[26]研究表明，在相同氮素水平下，氮肥中添加硝化抑制剂NP抑制了N2O排放，抑制率在7.21%～59.81%。Ding W X等[27]通过玉米田间试验发现，添加DCD能使土壤N2O的总排放量减少39%。这与本试验结果一致，其原因可能是由于施用硝化抑制剂改变了土壤微生物环境，从而抑制了土壤硝化细菌的活性，减少了土壤N2O的排放[28]。由此表明硝化抑制剂DCD和NP抑制了铵的硝化作用，导致N2O排放总量降低。

3.2 硝化抑制剂对土壤硝态氮的影响

本硝化抑制剂盆栽试验中，R1（DCD）、R1（NP）和L（DCD）处理的土壤硝态氮含量均低于不添加硝化抑制剂处理，与硝化抑制剂DCD和NP抑制铵态氮向硝态氮转化有很大关系。吴得峰等[29]研究表明，施入DCD可使土壤中铵态氮的含量升高，并使硝态氮的含量降低。鲁艳红等[30]的研究表明，在同等氮素水平下，添加硝化抑制剂DCD的早、晚稻硝态氮含量分别降低了8.8%和37.9%，表明硝化抑制剂DCD可显著降低土壤中的硝态氮含量。郝小雨等[31]的研究表明，黑土玉米在同一施氮量下，添加DCD使0～20、21～40 cm土层硝态氮含量分别减少了45.7%和28.5%，添加2-氯-6-三氯甲基吡啶（NP）分别减少了39.7%和21.8%。这与本试验结果一致，主要原因是由于土壤中铵态氮向硝态氮转化的过程是由土壤中酶的活性所主导的，而添加硝化抑制剂可通过抑制土壤微生物的活性降低铵态氮向硝态氮的转化[32]。表明添加硝化抑制剂DCD和NP能增加土壤中有效态氮的固持，提高氮素利用率，最终降低土壤中硝态氮累积量。

3.3 硝化抑制剂对产品品质和产量的影响

本盆栽试验中，与CK相比，各施氮处理小白菜产量、全氮量、小白菜品质均有所提高，小白菜硝酸盐含量有所降低，但各施肥处理间差异并不显著。赵欧亚等[33]研究表明，与农民习惯性施肥相比，含有DCD和吡啶的水溶肥可提高黄瓜产量和可溶性糖含量，并能有效降低黄瓜中的硝酸盐含量，但维生素C含量无显著差异；大田试验中，在铵态氮肥中添加硝化抑制剂对提高花椰菜产量、改善花果中维生素和可溶性糖含量、降低花果中硝酸盐含量均有一定效果[34]。硝化抑制剂DCD的施用可显著提高作物产量，并能在一定程度改善作物品质，提高食用的安全性[35]。尹兴等[36]研究表明，番茄施用DCD后，传统施氮+DCD较传统施氮、减量施氮+DCD较减量施氮处理的产量分别增加了 20.2%和 2.4%，其中传统施氮+DCD显著高于传统施氮处理。这与本试验不一致，可能是因为种植的植物种类不一样。余光辉等[37]的研究表明小白菜施入硝化抑制剂可降低小白菜中的硝酸盐含量，还能保证作物的产量，这与本试验结果一致，是因为硝化抑制剂可抑制土壤中的铵态氮向硝态氮转化，从而减少植物从土壤中吸收的硝态氮，进而使植物体内的硝酸盐含量降低，增加氮素的有效性，从而提高作物产量。

综上所述，在小白菜的生产中，施用大量元素水溶肥（R1）与液态沼渣氮肥（L）相比，后者对减少N2O的排放效果更好；配合添加硝化抑制剂更能有效地减少N2O排放，提高氮素利用率，并能在一定程度上提高小白菜的产量和品质，可以推广施用硝化抑制剂。