氮肥与硝化抑制剂联用对热带菜地氧化亚氮排放的影响

曾子鑫，吴晓君，李京晨，王曙光，郭佩佩，张 丽

（海南大学 热带作物学院，海口， 570228）

氧化亚氮（N2O）是主要的温室气体之一，会破坏臭氧层。RAVISHANGDARA A R等的研究结果[1]表明，N2O是破坏臭氧层的最重要因子，并且被认为是21世纪最大的影响因子。在100年尺度下氧化亚氮（N2O）的全球变暖潜势比CO2的全球变暖潜势高298倍；N2O被认为是一种关键的温室气体[2]。研究结果表明，每年有1.3×107t氮以N2O的形式释放到大气当中，其中直接从农田生态系统中释放的N2O大约占了50%[3]。中国蔬菜生产中施用了大量的氮肥（388～3 656 kg·hm−2）[4]，约占世界蔬菜总产量的51%。我国蔬菜种植产业迅速发展，种植面积由1980年的316万hm2（占农作物总播种面积的2.2%）发展到2019年的2 086万hm2（占农作物总播种面积的12.5%）[5]。我国2019年的农田氮肥总用量（不包含复合肥）已达1930万 t[4]，而菜地的氮肥施用量和复种指数远高于一般农田。通常，一季蔬菜的氮肥施用量高达300～700 kg·hm−2[6]，远超过常规施肥量，造成氮肥利用率严重下降，引起N2O排放增加，甚至减产、土壤酸化等一系列负面影响[7−9]。氮肥合理优化施用，是实现集约化蔬菜生产可持续发展的重要措施。不同形态氮肥对N2O排放的影响不同，研究所得结果也并不完全一致。TIERLING等[10]研究结果表明，在沙壤土中施用铵态氮肥的N2O排放量显著高于施用硝态氮肥；PENG Q等[11]在半干旱温带草原上的研究结果发现，施用铵态氮肥产生的N2O高于硝态氮肥；还有研究结果表明，与硝态氮肥相比，铵态氮肥减少雷竹土中的N2O排放[12]。在菜地土壤中，施铵态氮的N2O排放通量与总量略低于施硝态氮处理的[13]。近年来，利用硝化抑制剂调控氮素循环的研究有很多。双氰胺（DCD）由于效果好、成本低、对环境的危害小等优点在农业中被 广泛应用，是目前研究施用最广泛的硝化抑制剂。它通过抑制硝化过程中的氨氧化微生物或者相关酶的活性，来有效延缓铵态氮（NH4+-N）转换成硝态氮（NO3−-N）的氧化过程，保持土壤长时间NH4+-N的高含量，有效缓解NO3−-N累积，进而减少土壤中N2O的排放。有研究表明，硝化抑制剂可显著降低菜田N2O气体排放[14]。前人研究[10−13]表明，在相同的施氮量下，硝态氮与铵态氮对土壤N2O排放量的研究结果存在分歧。在我国热带地区的菜地中，运用硝化抑制剂减少氮源气体排放，特别是不同形态氮肥对N2O排放影响的报道较少，因此，为了减少N2O排放对不同氮肥添加的反应的不确定性，有必要继续在不同的生态系统中进行实地试验，研究NH4+、NO3−的施用菜地后的N2O排放特征，更好地了解氮肥在特定条件下对N2O排放的影响。这将有助于制定适当的应对措施，以减少热带菜地系统中的N2O排放。本试验以热带地区种植辣椒为研究对象，整个生育期监测施用不同形态氮以及施用硝化抑制剂DCD对菜地N2O排放和辣椒产量的影响，以期为我国集约化菜地高产减排提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况本试验于2019年11月至2020年3月在海南省昌江黎族自治县军营新村试验基地（19°40′N，108°96′E）进行。该基地属典型的热带季风气候区，日照充足，土壤类型为粘土。试验地表层土壤（0 ～ 20 cm）基础理化性质如下：硝态氮1.16 g·kg−1，铵态氮5.36 g·kg−1，全氮1.08 g·kg−1，全磷0.33 g·kg−1，有机碳6.07 g·kg−1，pH 6.8（水土比为5∶1）。

1.2 试验设计试验共设 4个处理，每个处理3个重复，随机排列，分别是 NH4（铵态氮肥）、NO3（硝态氮肥）、NH4+D（铵态氮肥+双氰胺）、NO3+D（硝态氮肥+双氰胺）。每个小区有3垄，面积：4.5 m×10 m，每个处理设置3次重复。各施N处理施N量一致，总施N量为300 kg·hm−2，同时各处理施入等量的磷肥（过磷酸钙，含P2O516%）和钾肥（氯化钾，含K2O 60%），氮肥30%作为基肥，追肥两次40%、30%，磷钾肥作基肥一次施入。供试植物为辣椒，品种为大家族新优，育苗30 d后移栽至大田。田间管理（包括蔬菜品种、施肥量及施用方法、耕作、灌溉、除虫和杂草控制）与当地农民管理方式保持一致。供试氮肥分别为硫酸铵（N含量21%）、硝酸铵钙（N含量14.4%）；双氰胺（DCD）为分析纯化学试剂（麦克林试剂有限公司）。

1.3 样品采集与分析采用静态箱-气相色谱法测定菜地土壤N2O的排放通量。采样箱（50 cm×50 cm×50 cm）由透明亚克力材料制成，采样底座由聚氯乙烯材料制成，内置小风扇用于混匀气体。在试验开始前，将方形的采样箱底座安装在各个小区中，采样时将采样箱扣在采样箱底座上，用水密封。采样时间为上午8∶00−10∶00，扣上采样箱之后，于0、10、20、30 min分别用50 mL针筒收集50 mL气体样品，然后将样品带回实验室，用气相色谱仪（GC-2030）分析N2O浓度。采样频率一般为每 7 d 1次，施肥之后每隔1 d 收集1次样品，持续7 d。根据4个样品的N2O浓度值和采样时间的直线回归方程的斜率求得N2O的排放通量。气体排放通量及总量的计算方法等参照胡玉麟[15]。

辣椒最后一次收获后，同时采集耕层土壤（0～20 cm）样品，储存于−4 ℃冰箱，用来测定土壤铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3−-N）含量、微生物量碳氮、有机碳、全氮、pH。全氮、NH4+-N和NO3−-N含量分别采用全自动间断化学分析仪测定；微生物量碳氮利用氯仿熏蒸法测定；有机质采用重铬酸钾容量法测定；辣椒收获之后，直接称量鲜重，获得产量。

1.4 数据处理采 用SPSS 20.0（IBM Co.,Armonk, NY, USA）和SigmaPlot 14.0软件进行数据分析和图表制作，数据结果以Mean±SE表示，n=3。采用单因素方差分析对不同处理间N2O累积排放量、辣椒产量和各项土壤理化指标进行方差分析。采用Pearson’s相关分析判断N2O排放与土壤理化指标之间的关系。

2 结果与分析

2.1 N2O排放通量的动态变化由图1可知，在整个辣椒生长季，各处理的N2O排放通量变化趋势基本一致，所有处理都在追肥后出现N2O排放通量最大峰值,然后快速下降,之后各处理N2O排放通量均保持在较低水平，菜地N2O排放通量变化范围为1.51～80.53 μg·m−2·h−1，NH4处理土壤N2O 排放通量始终高于NO3处理，NH4处理 N2O排放最大峰值达80.53 μg·m−2·h−1，NO3处理 N2O最大峰值同比NH4处理降低了21.2%。

图1 不同处理N2O排放通量变化

在添加DCD后, NH4与 NO3处理于1月22日出现 1个 N2O 排放峰，NH4++D处理排放峰值为 34.06 μg·m−2·h−1，较NH4处理排放峰值降低57.71%，NO3+D较NO3处理降低54.34%；NH4与NO3处理在配施 DCD 的前提下土壤 N2O 排放通量均显著降低。DCD的添加可有效降低NH4（铵态氮） 、NO3（硝态氮） 2种施肥模式下土壤 N2O排放通量。

2.2 配施DCD对N2O累积排放量、辣椒产量的影响由表1可知，与只添加氮肥的处理相比，NH4处理和NO3处理配施DCD均显著降低了N2O累计排放量（P<0.05），降幅分别为59 %和49 %，而NH4+D处理和NO3+D处理对N2O累计排放量的影响差异不显著。NH4处理和NO3处理施用DCD后则N2O累计排放量显著减少2.44、1.46 kg·hm−2（P<0.05）相 当 于 减 少 了59.37%、48.99%的土壤N2O排放量。NH4处理和NO3处理 的 辣 椒 产 量 分 别 为18.06、11.41 t·hm−2，较NO3处理差异显著，提高了58.28%。由图2可知，施用DCD后，NH4+D处理和NO3+D处理产量差异均不显著。此外，NH4+D处理的N2O排放量显著低于NH4处理，NO3+D处理显著低于NO3处理（P<0.05）。单位产量N2O排放量为0.11~0.23 kg·t−1。与NH4和NO3处理相比，NH4+D和NO3+D处理单位产量N2O排放量均显著降低（P<0.05）。NH4与NO3处理之间无显著差异（P<0.05）。

图2 不同处理的N2O累积排放量

表1 不同处理的N2O排放指标

2.3 配施DCD对收获期土壤理化性质的影响从表2可知，在施氮时添加硝化抑制剂可以提高土壤微生物生物量碳、氮含量。与不添加DCD的处理相比，NH4与NO3处理土壤微生物生物量碳含量分别提高了32.65%、27.98%，土壤微生物生物量氮含量分别提高了18.64%、15.52%；不同形态氮肥对土壤有机碳含量有显著影响，NO3、NO3+D处理的有机碳含量均显著高于NH4、NH4+D，增幅为16.39%、9.97%，硝化抑制剂DCD对NH4处理的土壤有机碳含量有显著影响，提高9.1%；配施DCD后土壤pH值有升高的趋势，NH4处理间差异显著，但NO3处理间的差异不显著；两种施肥模式下，添加DCD处理均增加了土壤NH4+-N含量以及全氮含量，NH4处理差异显著，分别增加34.5%、20.0%。由图3可知，N2O累积排放量与土壤微生物量碳、氮呈正相关，且微生物量碳达到极显著水平，与土壤pH值和土壤有机碳呈负相关，达到显著水平。

表2 不同处理土壤理化性质

图3 N2O排放与土壤理化性质的相关性

3 讨 论

菜地作为一种典型的土地利用方式，是重要的N2O排放源之一[16]。菜地 N2O 排放受多种因素的影响，包括肥料类型、养分形态及土壤性质等，这些因素对土壤 N2O 排放的影响不一致[17−18]。在本研究中，氮肥形态对菜地N2O的排放具有显著影响，NH4肥料处理的土壤N2O排放量都比NO3肥料处理的土壤高，这与LEBENDER等[19]的研究结果一致。铵态氮肥的N2O排放量高于硝态氮肥，说明硝化作用是本研究影响N2O产生的主要机制。硝化作用是N2O排放的主要过程，这可能与旱地土壤的低含水量有关。在土壤充水孔隙度60%以下时，硝化过程成为N2O的主要来源；当含水率达到70%～80%时，N2O排放量最大，此时硝化与反硝化作用均为N2O产生的重要途径[20]。本试验选用不同形态氮肥品种的目的在于定性分析2个过程产生N2O的相对大小，测定结果表明，与NH4处理相比，NO3处理显著降低了土壤N2O排放峰与N2O总排放量。这说明产生N2O的主要过程为硝化反应。该结果与姜宁宁等[21]的研究结果一致。可见，在该试验土壤中施用铵态氮肥，更容易造成N2O气体排放，降低肥料利用率，同时也会对环境造成污染。

大量研究[22−24]发现，DCD对旱地N2O有较好的减排效果，DCD对不同类型（包括蔬菜、玉米、草地等）的土壤的N2O的减排效率达到38%～65%。本研究中添加DCD后，N2O排放量的降幅约为60%，与上述结果基本一致。DCD处理N2O累积排放量大小依次为：NH4>NO3>NH4+D>NO3+D。与 不 施DCD相 比，NH4+D、NO3+D 处理均出现显著降低的N2O排放峰，HUANG等[25]研究表明，当铵肥配施DCD或3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）时，N2O的排放分别显著减少70%和55%（P<0.05），硝态氮和两者的联合施用有效地减少了N2O的排放，分别为13%和21%。这与本试验的研究结果一致。故菜地N2O累积排放总量显著降低。铵态氮处理结果与DCD 处理较单施化学氮肥处理有效提高了土壤铵态氮含量，减少铵态氮向硝态氮转化。ASING等[26]表明，无论在哪种施肥模式下DCD始终能有效抑制土壤铵态氮向硝态氮的转化过程，进而控制土壤硝态氮水平，同时减少硝酸盐的淋失。JU等[27]的研究提出，改变供氮形态结合硝化抑制剂作为缓解土壤N2O排放的有效措施，其抑制N2O排放的机制与本研究基本一致。

前人研究[28−29]发现，施用硝化抑制剂对作物产量影响结果不同，尽管有研究表明对作物产量有提高，表明这些影响可能取决于硝化抑制剂特性、水肥管理、土壤性质等。本研究结果与郭娇等[30]的研究结果一致，添加硝化抑制剂对蔬菜产量没有明显影响（表1）。MIN等[31]研究结果表明，施用硝化抑制剂（CP）在低氮的情况下，对蔬菜产量有显著影响，在高氮的情况下没有显著影响。这是由于在密集型蔬菜种植系统中，土壤中过多的氮素盈余，硝化抑制剂对产量的正效应可能会被掩盖。此外，通过硝化抑制剂减少气态氮排放而节省的氮量远远小于施用的氮量，因此很难观测到产量的提高。

施用硝化抑制剂后，抑制土壤硝化作用，减缓铵态氮向硝态氮转化，为微生物提供更多的氮源，提高土壤中微生物含量，提高土壤的pH，为微生物提供更好的生长环境，处理NH4和NO3添加DCD后，微生物量碳存在显著差异。刘生辉等[32]研究结果表明，在施氮时添加硝化抑制剂可以提高土壤微生物生物量碳含量；与不添加硝化抑制剂（DMPP）处理相比, 培养期内处理土壤微生物生物量碳含量分别提高了1.78%～4.35%。本试验结果与文献[32]一致。由相关性分析可知，微生物量碳与N2O累积排放量呈显著负相关，这可能是土壤N2O的产生过程受硝化作用与反硝化作用的影响，其作用过程又受土壤微生物活性的影响，因而导致两者呈负相关。本试验结果与谢义琴等[33]研究结果一致。

添加DCD抑制硝化作用，延长NH4+-N在土壤中存留的时间，进而提高土壤中NH4+-N含量，因此NH4+D和NO3+D处理均比单施氮肥处理能促进微生物对肥料N的固持, 土壤微生物量氮有增加趋势，但无显著性差异。本试验结果与张学文[34]的研究结果相一致。硝化抑制剂DCD的加入可通过抑制NH4+-N向NO3−-N转化，而抑制硝化作用过程中H+的产生，进而有效缓解氮肥施用引起的土壤pH值降低。NH4处理添加DCD后，生育期结束后土壤pH值显著升高，而硝态氮处理有升高趋势，但没有显著差异。张昊青等[35]研究结果表明，在添加DCD的条件下，在整个培养期间土壤pH一直保持稳定且始终高于不加DCD处理。研究发现在红壤土培养过程中，添加DCD使土壤pH显著提高[36]。本研究的相关性分析可知，土壤pH值与N2O累积排放量呈负相关（P<0.05），这与在温带草地土壤的研究结果[37]一致。

4 结 论

在本研究中，氮肥形态和硝化抑制剂显著影响菜地N2O排放。N2O排放发生在热带地区辣椒地，而且N2O排放的峰值随处理的不同而有很大差异。本研究中各处理的N2O排放总量在1.52～4.11 kg· hm−2之间。结果表明，菜地N2O排放是重要的潜在N2O排放源。与相同数量的氮肥处理相比，NH4+D和NO3+D处理的累积N2O排放量分别显著减少59.37%和48.99%。这些结果表明，DCD更能减少N2O的排放，特别是在追肥后能显著降低N2O的排放。氮肥配施硝化抑制剂，土壤pH值升高，产量无显著差异。综上所述，施用铵态氮肥配施DCD，在保证蔬菜产量的前提下，可显著降低菜地N2O排放，缓解土壤酸化问题。本研究将为热带地区菜地N2O排放提供理论依据。