潮土和砂姜黑土中双氰胺的硝化抑制作用比较

曹宏磊，颜廷梅，乔　俊，朱宁远

(1.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京　210008；2.中国科学院大学，北京　100049)



潮土和砂姜黑土中双氰胺的硝化抑制作用比较

曹宏磊1,2，颜廷梅1①，乔俊1②，朱宁远1,2

(1.中国科学院南京土壤研究所，江苏 南京210008；2.中国科学院大学，北京100049)

摘要：通过人工气候箱培养试验，研究硝化抑制剂双氰胺(dicyandiamide，DCD)在淮河流域2种主要土壤类型(潮土、砂姜黑土)上的施用效果。通过测定硝态氮和铵态氮含量的相对变化阐明潮土和砂姜黑土中尿素的转化过程，并通过计算硝化抑制率阐明不同DCD添加量条件下硝化抑制强度的变化规律，从而确定不同土壤类型较适宜的DCD添加量。结果表明，潮土和砂姜黑土中添加DCD均能有效缓解铵态氮的硝化作用，且硝化抑制效果随着DCD添加量的增加(2%~10%)而增强。DCD对潮土的最高硝化抑制率可达58.9%，对砂姜黑土的硝化抑制作用较潮土弱，最高硝化抑制率仅为27.4%，且与8%DCD添加量处理之间差异未达显著水平(P<0.05)。潮土在室内培养42 d后w(铵态氮)仍达14.4 mg·kg-1，而砂姜黑土培养7 d后硝化抑制效果迅速下降，培养21 d时几乎检测不到铵态氮，这表明潮土中DCD与尿素配施可有效延长尿素的肥效，而砂姜黑土中DCD与尿素配施效果较差。

关键词：双氰胺；潮土；砂姜黑土；铵态氮；硝态氮；硝化抑制率

我国是世界氮肥生产第1大国,也是氮肥消费最多的国家[1-2]。在所有氮肥品种中,尿素使用占我国农业氮肥使用总量的一半以上[3]。与此同时,尿素在使用过程中存在的问题也日渐突出:利用率低,肥效期短等[2,4]。氮肥施用在促进农业生产发展的同时,也给环境带来了巨大风险。由于氮肥的过量和不正当使用,除一小部分被植物吸收利用外,大部分通过硝化及反硝化方式以淋溶、径流和气体挥发等途径损失,硝态氮的淋溶径流损失会污染地下水和地表水[1,5-6],N2O等反硝化气体的挥发又是温室气体的重要来源。因此,研究如何控制土壤中氮素转化过程,加强农业生产中的氮素管理,具有重要的现实意义。

硝化抑制剂能够抑制铵态氮向硝态氮的转化,使更多的氮素以铵态氮形式固定在土壤中,对于提高氮肥利用率具有重要作用[5,7-9]。双氰胺(dicyandiamide,DCD)作为一种广泛使用的硝化抑制剂,前人的研究多有涉及。刘瑜等[10]研究了DCD在1%～5%添加量条件下对褐土中尿素转化的影响,结果显示,随DCD添加量的增加,抑制效果增强,但4%和5%添加量处理之间差异不显著。石美等[6]研究则表明,10% DCD添加量在石灰性土壤中的硝化抑制效果较好。鉴于硝化抑制剂效果受土壤性质的影响较大[11-13],研究中应考虑硝化抑制剂针对不同土壤的最佳添加量,但目前这方面的研究鲜见报道。笔者主要针对硝化抑制剂DCD在淮河流域2种主要土壤中的使用效果以及最佳添加量展开研究,以期寻找一种经济有效的提高氮肥利用率的硝化抑制剂使用策略。

1材料与方法

1.1试验材料

供试潮土选自河南省西华县黄泛区农场(33°45′28″ N,134°26′48″ E),砂姜黑土选自安徽省泗县(33°31′34″ N,117°45′28″ E)。取耕层0～25 cm土样,经风干,剔除根茎杂物,研磨过20 mm孔径筛备用。土壤基本理化性质见表1。

表1供试土壤基本理化性质

Table 1Chemical and physical properties of tested soils

土壤类型w(有机质)/(g·kg-1)w(全氮)/(g·kg-1)w(铵态氮)/(mg·kg-1)w(硝态氮)/(mg·kg-1)w(全磷)/(g·kg-1)w(速效磷)/(mg·kg-1)w(速效钾)/(mg·kg-1)pH值土壤粒径分布/%砂粒粉粒黏粒潮土15.801.084.888.670.8213.01171.677.967.217.515.3砂姜黑土17.811.244.813.920.6124.46255.007.633.039.927.1

供试氮肥(尿素)和硝化抑制剂双氰胺均为分析纯药品。

1.2试验设计与方法

试验共设7个处理:土壤尿素氮添加量均为150 mg·kg-1,DCD添加量分别为尿素氮添加量的0%、2%、4%、6%、8%、10%和12%,其中,0%为对照(CK)。具体操作方法如下:每个处理称取风干土样2.8 kg(含水率为1.67%),按各处理所需比例称取尿素和DCD混匀溶于适量的水中后,完全喷施于土壤中并混匀,同时调节土壤含水率为最大田间持水量的60%。称取100 g调配好的土样于100 mL三角瓶中,用封口膜封口并均匀扎孔保证通气,每个处理设置24个平行。将三角瓶置于25 ℃培养箱中(SPX-350,智能生化培养箱)培养42 d。培养期间,每隔2 d通过称量法补足培养过程中损失的水分,并在培养1、3、7、14、21、28、35和42 d时,各处理取出1组(每个处理3个平行)用于测定土壤中硝态氮和铵态氮含量,同时测定土壤含水率。

1.3测定方法

硝态氮和铵态氮的测定:称取土样10 g于250 mL广口瓶中,加入2 mol·L-1KCl溶液100 mL,塞紧瓶塞置于恒温振荡器中振荡1 h,浸提硝态氮和铵态氮。铵态氮含量用靛酚蓝比色法测定,硝态氮含量采用A220-A275双波长紫外分光光度法测定。

1.4数据分析

数据分析采用Excel2010和SPSS19.0软件。

2结果与分析

2.1潮土中双氰胺的硝化抑制效应

培养期间,各处理潮土硝态氮含量均呈现逐渐上升趋势(图1),而铵态氮含量则随培养时间的延长而不断下降(图2)。

图1不同DCD添加量潮土硝态氮含量变化

Fig.1VariationofNO3--Ncontentinfluvo-aquic

soilrelativetoDCDamendmentrate

无DCD添加处理(CK)在培养1周后,所添加的尿素基本以硝态氮形式存在,与CK相比,不同DCD添加量处理潮土中硝态氮含量较低,同时铵态氮含量较高,这表明DCD对尿素转化均存在硝化抑制效果。在2%～10%DCD添加量范围内,随着DCD添加量的增加,硝态氮含量增加速率和铵态氮含量降低速率均逐渐减小,表明抑制效果逐渐增强(图1～2)。在不添加DCD(CK)情况下,培养第3天即几乎检测不到铵态氮,这说明CK处理尿素转化过程已结束,但添加DCD的各处理仍可检测到铵态氮,说明DCD的添加延缓了尿素的转化过程,其中,10%DCD处理在42 d时仍能检测到较高含量铵态氮。而12%DCD添加量处理在培养35 d时铵态氮含量已显著低于10%DCD添加量处理(P<0.05),且硝态氮含量高于10%DCD处理。

由表2可知,添加2%～12%DCD的6个处理潮土硝化抑制率呈现先升高后下降的趋势,在第3天达到最大值。2%、4%和6%DCD处理硝化抑制率分别在培养14、28和35 d时几乎为0%,而此时10%DCD处理硝化抑制率仍维持在20%以上,显著优于其他处理(P<0.05)。同时培养1～28 d时,4%～12%DCD处理平均硝化抑制率分别为23.9%、27.6%、32.5%、39.3%和37.8%,10% DCD添加量处理硝化抑制效果明显优于其他处理。因此,综合考虑硝化抑制效果和使用成本,潮土添加10%DCD的效果最佳。

图2不同DCD添加量潮土铵态氮含量变化

Fig.2Variation of NH4+-N content in fluvo-aquic

soil relative to DCD amendment rate

表 2不同DCD添加量潮土的硝化抑制率

Table 2Nitrification inhibition rate in fluvo-aquic soil relative to DCD amendment rate

处理不同培养时间条件下的硝化抑制率/%1d3d7d14d21d28d35d42d2%DCD19.8±4.4b34.2±1.1c11.2±3.4c3.2±3.1e3.3±3.4e-9.0±4.8c-1.6±5.4d-16.6±4.6b4%DCD25.8±0.2ab52.8±1.6b37.5±1.7b20.4±4.2d5.3±0.9e1.9±2.6b11.5±1.0bc-7.9±8.5b6%DCD27.1±2.2ab54.2±1.3b44.4±2.3ab24.8±3.5d10.5±1.3d4.3±1.7b-3.4±11.4d-17.0±9.5b8%DCD29.1±0.5a58.8±0.8a43.3±2.2ab30.7±0.9c23.2±2.1c9.8±10.3b7.3±4.2cd-6.1±8.2b10%DCD25.2±8.3ab56.1±3.9ab46.3±8.5a42.8±1.2a34.1±4.5a31.0±2.4a27.6±4.0a11.7±11.3a12%DCD26.7±1.1ab58.9±0.9a49.0±2.6a35.9±2.9b29.0±1.6b27.2±1.4a20.0±2.7ab-14.0±5.2b

同一列英文小写字母不同表示处理间硝化抑制率差异显著(P<0.05)。

2.2砂姜黑土中双氰胺的硝化抑制效应

尿素施入砂姜黑土中后42 d内,硝态氮含量随培养时间的延长而逐渐增加,铵态氮含量随培养时间的延长而逐渐降低,大体趋势与潮土一致(图3～4)。

图3　不同DCD添加量砂姜黑土硝态氮含量变化

图4不同DCD添加量砂姜黑土铵态氮含量变化

Fig.4Variation of NH4+-N content in lime concretion

black soil relative to DCD amendment rate

CK处理在培养3 d时即检测不到铵态氮,而硝化抑制效果相对较好的8%、10%和12% DCD处理w(铵态氮)在培养21 d时接近0 mg·kg-1,这表明砂姜黑土添加DCD处理可明显延长尿素肥效期。与CK处理相比,2%～12%DCD处理均呈现一定程度的硝化抑制效果,但处理间差异并不明显,尤其是8%、10%和12%DCD处理之间。相对于潮土,DCD在砂姜黑土上的硝化抑制效果并不明显,在最高12% DCD添加量情况下,其硝化抑制效果也仅能维持约21 d。

与潮土相比,砂姜黑土试验不同DCD添加量处理硝化抑制率均没有明显的变化规律。10%DCD处理培养3 d后,最高硝化抑制率为27.4%,但其与8%DCD处理最高硝化抑制率(24.7%)之间没有显著差异。砂姜黑土不同DCD添加量对硝化抑制率影响不显著,仅在1～7 d时表现为硝化抑制效果随DCD添加量的增加而增强的趋势;培养7～42 d时各处理之间基本上不存在显著差异(表3)。

表3不同DCD添加量砂姜黑土的硝化抑制率

Table 3Nitrification rate in lime conc retion black soil relative to DCD amendment rate

处理不同培养时间条件下的硝化抑制率/%1d3d7d14d21d28d35d42d2%DCD9.1±1.1c2.9±1.9d-1.6±1.9d-0.2±3.9a9.6±8.1a2.4±8.2ab-4.6±8.1b7.2±9.3a4%DCD15.1±1.2b12.6±4.2c2.4±0.8c1.1±3.3a0.5±10.3a-5.7±5.1b6.1±7.1ab11.0±2.7a6%DCD16.6±0.9b19.9±1.3b9.3±3.4b5.7±3.5a10.1±4.0a6.9±5.6a7.9±3.6a10.8±8.9a8%DCD20.3±0.7a24.7±0.3a12.8±1.8b4.5±5.3a10.5±4.2a5.4±4.1a6.5±7.4ab10.7±6.6a10%DCD19.5±1.7a27.4±1.5a16.6±1.3a6.0±3.2a10.8±6.3a10.7±6.3a5.4±4.8ab13.2±5.0a12%DCD18.7±0.7a23.0±2.8ab19.6±2.0a7.8±5.2a12.1±7.9a7.9±2.3a0.9±7.4ab13.5±7.4a

同一列英文小写字母不同表示处理间硝化抑制率差异显著(P<0.05)。

尿素的转化一定程度上表现为铵态氮含量的降低和硝态氮含量的增加。由图1～4可知,培养条件相同情况下,砂姜黑土铵态氮含量的减少以及硝态氮含量的增加较潮土更为迅速。培养1 d后,潮土试验各处理w(铵态氮)为91.9～120.4 mg·kg-1,砂姜黑土则仅为56.4～87.2 mg·kg-1;潮土试验各处理w(硝态氮)为52.2～71.7 mg·kg-1,砂姜黑土为119.9～150.4 mg·kg-1,表明相同条件下砂姜黑土更有利于硝化作用的进行。砂姜黑土添加DCD处理虽然具有一定的硝化抑制作用,但与潮土相比效果不理想,主要表现为硝化抑制率较低和铵态氮的迅速硝化。

3讨论

尿素作为一种化学合成的有机态氮肥,施入土壤后在适宜条件下会迅速水解为NH4+-N,并进一步在硝化细菌作用下氧化为NO3--N[14]。研究发现,无论潮土还是砂姜黑土,其CK处理在培养1 d后铵态氮含量即达到最大值,这在一定程度上证实了上述结论。石美等[6]以及SHEN等[15]报道,较高的土壤pH值会导致硝酸盐的累积。另外,双波长紫外分光光度法测定硝态氮含量时不能完全避免亚硝态氮(NO2--N)的影响[16]。笔者研究发现,无论潮土还是砂姜黑土,在培养3 d后,尽管CK处理铵态氮含量已接近零,硝态氮含量却并未达到最大值,推断可能的原因是有部分氮素以NO2--N形式存在。

DCD主要通过对土壤中铵氧化细菌产生毒性,导致NH4+氧化为NO2-的过程被抑制,从而使硝化反应被抑制[8,17-18]。潮土培养试验结果表明,硝化抑制效果在10% DCD添加量条件下达到最大,进一步增加DCD添加量对提高硝化抑制效果的作用并不明显;其原因可能是试验条件下DCD的硝化抑制效果随添加量的增加而呈“S”型增加,而10% DCD添加量足以满足对环境内铵氧化细菌的抑制。DCD本身含氮量高达65%以上,可作为一种缓释氮肥[17],更多的DCD添加反而相当于加入氮素,这可能也是12% DCD添加量处理抑制效果不佳的原因之一。

对比研究表明,潮土添加2%～12% DCD处理最高硝化抑制率分别为34.2%、52.8%、54.2%、58.8%、56.1和58.9%,远高于砂姜黑土的9.1%、15.1%、19.9%、24.7%、27.4%和23.0%。土壤质地、温度、水分和pH值等会影响DCD的硝化抑制作用[1,12]。笔者研究中外界条件相对一致,同一DCD添加量情况下砂姜黑土和潮土的硝化抑制效果差异较大,其可能原因是土壤质地的较大差异及pH值的不同。笔者试验中,潮土砂粒含量为67.2%,远高于砂姜黑土的33.0%;而砂姜黑土黏粒含量也高于潮土。有研究表明,硝化抑制剂在砂壤土中的效果要优于壤土和黏壤土,在偏黏性土壤中硝化抑制剂效果较差,DCD在砂土中的硝化抑制效果要高于黏土[8,18]。相比于潮土,砂姜黑土自身性质较为复杂,农业障碍因子较多:质地黏重,结构性差,孔隙性小,肥力水平低[19-22];土壤pH值与DCD的抑制效果关系也较密切,一般来讲,硝化抑制剂在pH值为4.4～8.1范围内最有效,且pH值高的土壤,其硝化活性就高,更有利于DCD抑制作用的发挥[13,23],故潮土施用DCD的硝化抑制效果较好。土壤微生物对于硝化抑制剂效用的发挥也有着至关重要的作用。张苗苗等[11]认为不同土壤中优势氨氧化菌群对DCD的敏感性和要求的剂量不一致,这也会导致DCD抑制效果的差异。关于2种土壤微生物种类以及抑制效果差异性,尚有待于进一步试验研究论证。

4结论

(1)潮土和砂姜黑土中添加DCD均可缓解铵态氮的硝化作用,且硝化抑制效果随DCD添加量的增加(2%～10%)而增加。潮土最高硝化抑制率达58.9%,远高于砂姜黑土(27.4%),潮土施用DCD的硝化抑制效果要优于砂姜黑土。

(2)潮土培养42 d后,10%DCD添加量处理w(铵态氮)为14.4 mg·kg-1,而砂姜黑土培养7 d后铵态氮含量迅速下降,至培养21 d时几乎检测不到铵态氮。说明潮土中DCD与尿素配施可明显提高尿素肥效,砂姜黑土的配施效果较差。

(3)在潮土中施用硝化抑制剂DCD以10%添加量效果较好,DCD不适合在质地黏重的砂姜黑土上施用。

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(责任编辑： 李祥敏)

Comprative Study on Effect of Dicyandiamide Inhibiting Nitrifcation in Fluvo-Aquic Soil and Lime Concretion Black Soil.

CAOHong-lei1,2,YANTing-mei1,QIAOJun1,ZHUNing-yuan1,2

(1.Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Abstract:A soil incubation experiment was carried out in a conditioned chamber to study effect of dicyandiamide (DCD) inhibiting nitrification in two main types of soils (fluvo-aquic soil and lime concretion black soil) in the Huaihe River Basin. The process of urea conversion was monitored through analyzing changes in relative concentration of NH4+-N and NO3--N and changes in inhibition strength of DCD with dosage of the habitator used were illuminated through calculating nitrification inhibition rates. Then optimal DCD dosages were figured out for different soils. Results indicate that in both soils DCD inhibited nitrification effectively, and within the range of DCD dosages (2%-10%) set for the incubation experiment, the effect increased with rising DCD dosage. In the fluvo-aquic soil, the nitrification inhibition rate reached as high as 58.9%, while in the lime concretion black soil, it was much lower, being 27.4% only， and the difference between the two soil was not so significant when the DCD dosage was 8% (P<0.05). In the fluvo-aquic soil, the concentration of NH4+-N decreased to 14.4 mg·kg-1after 42 days of incubation, whereas in the lime concretion black soil the concentration of NH4+-N dropped drastically after 7 days of incubation, and became almost undetetable after 21 days. These findings indicate that DCD applied in combination with urea can prolong effect of the fertilizer in fluvo-aquic soil, but the effect is not so high in lime concretion black soil.

Key words:dicyandiamide;fluvo-aquic soil;lime concretion black soil;ammonia-nitrogen;nitrate-nitrogen;nitrification inhibition rate

作者简介：曹宏磊(1991—),男,河南商丘人,硕士生,主要从事农业面源污染控制方面的研究。E-mail: hlcao@issas.ac.cn

通信作者①E-mail: tmyan@issas.ac.cn ②E-mail: jqiao@issas.ac.cn

基金项目：国家重大科技专项(2012ZX07204-003-002);国家科技支撑计划(2012BAD15B03)

收稿日期：2015-03-27

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.01.018

中图分类号：S143.1+6;S19

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)01-0110-05