于海洋,杨玉婷,马静,徐华,吕世华,袁江,董瑜皎
1. 中国科学院南京土壤研究所//土壤与农业可持续发展国家重点实验室,江苏 南京 210008;2. 四川省农业科学院土壤肥料研究所,四川 成都 610066;3. 中国科学院大学,北京 100049
硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放的影响
于海洋1,3,杨玉婷1,3,马静1*,徐华1,吕世华2,袁江2,董瑜皎2
1. 中国科学院南京土壤研究所//土壤与农业可持续发展国家重点实验室,江苏 南京 210008;2. 四川省农业科学院土壤肥料研究所,四川 成都 610066;3. 中国科学院大学,北京 100049
为明确硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放的影响,采用静态箱-气相色谱法和荧光定量PCR技术研究了双氰胺(Dicyandiamide,DCD)和2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin,CP)两种硝化抑制剂的配施(处理为:覆膜施用尿素,PM;覆膜施用尿素配施DCD,PM+DCD;覆膜施用尿素配施CP,PM+CP)对覆膜栽培下稻田CH4和N2O排放及其相关功能菌群落丰度的影响。结果表明:整个水稻生长期,配施DCD(PM+DCD)显著降低N2O季节总排放(P<0.05),降幅达24%,提高CH4季节总排放(P>0.05);配施CP(PM+CP)同时降低CH4和N2O的季节总排放,降幅均为11%。CH4排放主要集中在水稻分蘖盛期,此阶段,配施DCD显著提高产甲烷菌群落丰度,降低甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05),而配施CP则降低产甲烷菌群落丰度,显著提高甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05),这可能是由于配施DCD提高了CH4排放总量而配施CP降低了CH4排放。在N2O排放集中时期(水稻生长前期),配施DCD和CP均降低了氨氧化菌群落丰度,显著提高了反硝化菌群落丰度的趋势(P<0.05)。配施DCD(PM+DCD)、配施CP(PM+CP)和覆膜栽培(PM)处理的碳交易成本GWP-cost分别为831、735和822 yuan·hm-2;温室气体排放强度GHGI分别为0.69、0.61和0.70 t·t-1;产量分别为9.20、9.24和9.00 t·hm-2。因此,综合考虑温室气体效应和经济效益,覆膜栽培稻田模式下,配施CP可以保证增产和减排,值得推广。
硝化抑制剂;覆膜稻田;CH4和N2O排放;产甲烷菌;甲烷氧化菌;硝化和反硝化菌
CH4和N2O是两种影响全球气候变化的重要温室气体。以100年计,单位质量CH4和N2O的全球增温潜势(Global Warming Potential,GWP)分别是CO2的28倍和265倍(IPCC,2013)。稻田是大气CH4和N2O的重要来源(蔡祖聪等,2009)。传统淹水栽培水稻耗水量大,水资源浪费严重,水稻覆膜栽培节水节肥抗旱日益受到重视(瞿华香等,2008;路兴花等,2009;孙小淋等,2010)。水稻覆膜节水综合高产技术(简称:覆膜栽培技术)是传统地膜覆盖栽培与现代农业有机结合的新型水稻栽培方式,采用三角形稀疏栽培,进行一次性精量施肥(肥料只施于厢面而不施于厢沟,其施肥量少于常规栽培同等大小田块的施肥量),可节水节肥抗旱,保证水稻高产稳产(吕世华等,2009)。目前,该技术已在四川、重庆、云南和广西等地区成功应用。
稻田CH4排放包括CH4产生、氧化和传输3个过程,其中前两个过程与产甲烷菌和甲烷氧化菌的数量密切相关(蔡祖聪等,2009)。土壤N2O的排放主要是硝化和反硝化菌相互作用的结果(Ineson et al.,1998)。研究表明:与常规栽培相比,覆膜栽培可显著降低稻田CH4排放(张怡等,2013a),却显著增加N2O排放(张怡等,2013b)。配施硝化抑制剂可抑制硝化作用,减缓土壤中铵态氮向硝态氮转化,对CH4和N2O排放、作物产量等具有一定影响(Weiske et al.,2001;Xu et al.,2004)。硝化抑制剂可有效减少稻田N2O排放,但对CH4排放的影响报道不一(Liu et al.,2016;Conrad et al.,2012;刘昭兵等,2010)。目前有关硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放影响的研究较少(Nishimura et al.,2012;张怡等,2013b),并且对其微生物学机理的研究迄今未见报道。
本研究通过田间原位试验,观测了两种硝化抑制剂双氰胺(Dicyandiamide,DCD)和2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin,CP)对覆膜稻田CH4和N2O排放通量的影响,并采集田间原位新鲜土样,利用荧光定量PCR(Quantitative Real-time Polymerase Chain Reaction,qPCR)技术研究了硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O相关功能菌群丰度的影响。着重讨论了覆膜栽培下硝化抑制剂配施对CH4和N2O的减排效果,旨在进一步揭示硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放的影响机理,寻求覆膜栽培方式下有效的减排模式。
1.1 试验设计
试验于2014年4月—9月在四川省资阳市雁江区响水村(104°34′E,30°05′N)进行。该地区属中亚热带湿润季风气候区,年平均气温16.8 ℃,年平均降水量965.8 mm,是西南地区典型单季稻产区。土壤样品为侏罗纪遂宁组母质发育红棕紫泥,其基本理化性质为:全C 29.8 g·kg-1,全N 1.9 g·kg-1,土壤pH 8.2。
试验共设3个处理,每个处理4次重复,随机区组排列:(1)覆膜栽培施用尿素(PM):尿素施用量为150 kg·hm-2(以N计),4月23日作基肥一次性配施,肥料均匀施于厢面上;(2)覆膜栽培尿素配施DCD(PM+DCD):尿素施用量同PM处理,DCD与尿素做为基肥混施,配施量为尿素用量的5%;(3)覆膜栽培尿素配施CP(PM+CP):尿素施用量同PM处理,CP与尿素作为基肥混施,配施量为尿素用量的0.24%,采用CP氮肥(CP与尿素混合造粒,CP含量为尿素的0.24%)。所有处理均配施525 kg·hm-2的过磷酸钙(P2O5质量分数为12%)、150 kg·hm-2的氯化钾(K2O质量分数为40%)、3 kg·hm-2的硼砂和2.3 kg·hm-2的一水合硫酸锌,作为基肥一次性配施。
试验小区面积为33 m2(6.6 m×5 m),设5条厢沟,4条厢面。各厢沟长5 m、宽16 cm、深15 cm,厢面宽1.45 m。供试水稻品种为内香10号,于3月27日育苗,4月25日移栽,9月5日收获。各处理水稻采用三角稀植,行窝距为40 cm×40 cm,每窝以三角形方式栽3穴,每穴1苗,苗间距12 cm,移栽密度为每平方米18穴。各处理田间管理相同,相关操作按吕世华等(2009)推荐的模式进行。
1.2 田间样品采集与保存
CH4和N2O气体样品采用静态箱法(暗箱)采集,箱体均为不锈钢。各处理放置2个静态箱:箱A放置于厢面正上方,包括中段箱和顶箱2部分,高分别为60 cm和70 cm,底面积均为40 cm×40 cm,中段箱顶部设有密封用水槽,用于水稻生长后期加层;箱B放置于厢沟,高为70 cm,底面积为40 cm×10 cm。水稻生长期每隔4~7 d采样1次,采样时间为上午8:00—12:00。采样时将静态箱罩在事先埋入小区地下约15 cm深处的不锈钢底座上。静态箱密封后用两通针将气体导入20 mL真空玻璃瓶中,每隔15 min采样1次,共采样4次。采集气样的同时,测定水层厚度及箱内气温,用于计算排放通量。
分别于5月6日分蘖初期、6月11日分蘖盛期、8月24日成熟期采集土壤样品。各小区采用五点法采集表层(0~10 cm)土壤,去除其中的植物残体、根系和石头后充分混匀,装入无菌塑料袋中,于4 ℃条件下运回实验室;用于分子分析的土样保存于-20 ℃冰箱中。
1.3 样品分析
1.3.1 气体样品分析
CH4浓度用带FID检测器的气相色谱(岛津GC-12A)测定,N2O由带有63Ni电子捕获检测器的气相色谱(岛津GC-14A)测定。CH4和N2O标准气体均由中国计量科学研究院提供。
1.3.2 土壤样品分析
DNA提取前,使用冻干机(LABCONCO,2.5 L)将用于分子分析的新鲜土样于-50 ℃冻干。土壤DNA的提取利用FastDNA®SPIN Kit for Soil(MP Biomedical LLC,Ohio,USA)试剂盒,依照说明书上的方法,每个样品取0.5 g土壤提取DNA。所提DNA质量与长度通过1%凝胶电泳检测。
相关基因(碳循环相关基因:mcrA、pmoA基因;氮循环相关基因:细菌amoA基因、nisS、nisK、nosZ基因)的定量PCR分析均采用SYBR Green染色法。各基因定量PCR所用引物和参考文献如表1所示。
表1 相关基因定量PCR所用引物及参考文献Table 1 Primers and references used in qPCR
1.4 数据处理
CH4和N2O排放通量计算参考蔡祖聪等(2009)的方法:
排放通量计算公式如下:
式中,F为CH4或N2O排放通量(CH4排放通量单位为mg·m-2·h-1;N2O排放通量单位为μg·m-2·h-1,以N计;下同);ρ为标准状态下CH4和N2O密度(其值分别为0.714 kg·m-3和1.25 kg·m-3);h为采样箱顶部至水面实际高度(m);r为单位时间内采样箱内CH4和N2O浓度变化(μL·L-1·h-1或nL·L-1·h-1);T为采样箱内平均温度(℃)。
通过箱B测得的气体排放通量(FB)为厢沟气体排放通量,通过箱A测得的气体排放通量(FA)为厢面气体排放通量,各处理的气体排放通量FT为厢面及厢沟的气体排放通量与对应区域面积的加权平均(张怡等,2016a),即:
式中,SA、SB和S分别为试验小区内厢面区域、厢沟区域和小区面积。
全球增温潜势(Global Warming Potential,GWP,以100年尺度计)计算公式(Qin et al.,2010)如下:
式中,单分子CH4和N2O引起的全球增温潜势(GWP,t·CO2-eq·hm-2)分别是CO2的28倍和265倍。
温室气体排放强度(Greenhouse Gas Intensity,GHGI)计算公式(Shang et al.,2011)如下:
式中,GWP为CH4和N2O的综合温室效应(折合成CO2温室效应,t·hm-2),Y为作物产量(t·hm-2)。
根据产量、成本以及CH4和N2O的碳交易成本(GWP-cost)(其单价为134 yuan·t-1CO2)可计算净收入(Philip et al.,2015),公式(Liu et al.,2016)如下:
式中,各个变量单位均为yuan·hm-2。
2.1 覆膜稻田CH4和N2O排放通量的季节变化
由图1(a)可知,水稻生长期内各处理CH4排放通量变化基本一致,均表现为生长前期逐渐上升,中期排放较高,后期逐渐降低,并维持在较低水平。各处理CH4排放高峰主要集中在分蘖盛期前后,排放峰值在移栽后第70天出现,PM+DCD、PM+CP和PM处理排放峰值分别为29.3、22.2和22.0 mg·m-2·h-1。水稻生长的前期和中期,PM+DCD处理CH4排放高于PM处理,PM+CP处理排放低于PM处理。生长后期,各处理CH4排放维持在低水平(0.0~8.7 mg·m-2·h-1),但排放通量表现出一定的差异,PM+DCD和PM+CP处理CH4排放低于PM处理。整个水稻生长期,PM+DCD处理CH4排放总量略高于PM处理,PM+CP处理排放低于PM处理(表2)。
图1 各处理水稻生长期CH4(a)和N2O(b)排放通量的季节变化Fig. 1 Seasonal variations of CH4(a) and N2O (b) fluxes of different treatments during the rice growth period
由图1(b)可知,各处理N2O排放主要集中在水稻生长前期。移栽后第13~17天,各处理迅速出现排放峰值,分别为127.3、137.3 和60.8 μg·m-2·h-1。配施DCD推迟了排放峰值出现的时间,并显著降低N2O排放通量。随着水稻生长,N2O排放逐渐降低,在水稻生长中后期,各处理N2O排放趋势基本相同,均维持在较低水平(0.0~8.5 μg·m-2·h-1)。整个水稻生长期,PM+DCD处理N2O排放通量明显低于PM处理,PM+CP与PM处理呈现相同的N2O排放季节变化规律。PM+DCD处理N2O排放总量显著低于PM处理(P<0.05),PM+CP处理排放低于PM处理(表2)。
2.2 土壤微生物群落丰度的动态变化
图2所示为不同水稻生长阶段相关土壤微生物群落丰度变化。各处理产甲烷菌(mcrA)群落丰度在分蘖盛期最低,且各处理对产甲烷菌群落丰度的影响随水稻生长阶段不同而变化。分蘖初期,配施DCD提高了产甲烷菌群落丰度,配施CP显著降低了产甲烷菌丰度(P<0.05)。分蘖盛期,各处理产甲烷菌群落丰度均小于分蘖初期,对比PM处理,配施DCD显著提高了产甲烷菌群落丰度(P<0.05),配施CP降低了产甲烷菌群落丰度。成熟期,各处理产甲烷菌群落丰度差异显著,配施DCD和CP降低了甲烷氧化菌群落丰度,尤其是配施CP。整个水稻生长期,对比PM处理,配施DCD对产甲烷菌生长产生先促进后抑制作用,配施CP则表现为持续抑制作用。各处理对甲烷氧化菌(proA)丰度的影响随时间变化的规律不明显。分蘖初期和分蘖盛期,配施DCD显著降低了甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05),配施CP则显著提高了甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05)。成熟期,相对PM处理,配施DCD显著提高了甲烷氧化菌群落丰度(P<0.05),配施CP却降低了甲烷氧化菌群落丰度。整个水稻生长期,对于甲烷氧化菌,配施DCD表现为先抑制后促进,配施CP则表现为先促进后抑制。
表2 不同处理的环境和经济效益Table 2 Environmental and economic benefit of different treatments
图2 不同水稻生长阶段土壤微生物群落丰度Fig. 2 Abundances of different soil microbial communities at different rice growing stages
分蘖初期,对比PM处理,配施DCD和CP均降低了氨氧化菌(amoA)群落丰度,提高了反硝化菌(nirS、nirK和nosZ)群落丰度,尤其是配施CP能够显著提高nirK型和nosZ型反硝化菌群落丰度。分蘖盛期,配施DCD和CP均提高氨氧化菌群落丰度(DCD效果更明显),显著提高nirK和nosZ型反硝化菌群落丰度,而对于nirS型反硝化菌群落丰度影响不明显。成熟期,配施DCD和CP均提高了氨氧化菌和反硝化群落丰度(除nosZ型反硝化细菌外)。整个水稻生长期,覆膜稻田反硝化菌群落丰度比土壤中氨氧化菌群落丰度高出2~3个数量级,说明覆膜稻田以反硝化作用为主;对比PM处理,配施DCD和CP后氨氧化菌群落丰度呈现先降低后升高的趋势,而反硝化菌群丰度则呈现持续升高的趋势(nosZ型反硝化细菌除外)。
2.3 环境及经济效益评价
各处理水稻生长期CH4和N2O的综合温室效应无显著性差异(P>0.05,表2)。对比PM处理,配施DCD提高了CH4排放总量,降低了N2O排放总量,对综合温室效应的影响无明显差异,但有增高的趋势,而配施CP同时降低了CH4和N2O排放总量,综合温室效应下降了11%。PM处理GHGI最大,达到0.70 t·t-1。对比PM处理,PM+DCD处理GHGI降幅不明显,PM+CP处理明显减少,降幅为13%;PM+DCD和PM+CP处理产量略有提高,幅度为4%~7%,按照氮肥与抑制剂配施水平,其收益分别增加318 yuan·hm-2和550 yuan·hm-2(其中投入成本见表3)。对于覆膜稻田,配施DCD可提高水稻产量,但可能会增强温室效应,而配施CP可达到增产减排的效果。
表3 成本评估Table 3 Economic viability analysis of different treatments yuan·hm-2
3.1 硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放的影响
在水稻生长期内,DCD的配施对覆膜稻田的N2O减排更为有效,同时可增加CH4排放。配施CP同时降低覆膜稻田CH4和N2O排放。目前关于DCD配施对CH4排放的影响研究并不一致(李曼丽等,2003a;李曼丽等,2003b;Xu et al.,2004;彭世彰等,2007)。由于DCD和CP均与基肥同时配施,配施时间较早,发挥作用的有效时间较短,一般为4~6周(刘倩等,2011;Majumdar et al.,2000;顾艳等,2013),结合DCD和CP有效时间(移栽后第1天至移栽后第30天,1~30 d),可能更能说明配施硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放的影响。然而本研究发现,配施DCD可能通过长时间提高产甲烷菌群落丰度,抑制甲烷氧化菌群落数量,为覆膜稻田提供了较好的产CH4条件,从而提高了CH4排放量(图2)。CH4排放主要发生在植株通气组织发达的分蘖盛期(图1),此时植株传输CH4能力强,有利于土壤中CH4的传输。整个水稻生长前期,配施CP可长时间抑制产甲烷菌的生长,促进甲烷氧化菌的生长(图2),进而减少CH4排放。
对于覆膜稻田而言,N2O排放主要集中在水稻生长前期,这可能是由于此时土壤中底物丰富,覆膜水稻植株对土壤中N的吸收能力处于较低水平,导致大量积累的N发生转化,产生大量N2O。本研究表明,配施DCD显著减少了N2O排放,其可能原因是覆膜稻田大量N2O排放出现在DCD有效作用时期(图1),DCD促进反硝化菌的生长,降低了氨氧化菌群落丰度,延缓铵态氮氧化生成硝态氮的过程,从而影响N2O的排放(图2)。这与Ball et al.(2012)和Menéndez et al.(2012)研究一致。
3.2 硝化抑制剂对覆膜稻田相关微生物群落丰度的影响
覆膜稻田水稻生长期内,配施DCD对产甲烷菌群落产生先促进后抑制作用,对甲烷氧化菌群落的作用则恰好相反。配施CP对产甲烷菌群落生长呈现持续抑制作用,对甲烷氧化菌群落生长则表现为先持续促进后有所抑制的作用。研究(Bodelier et al.,2000)表明,高CH4和低NO3--N浓度均极大促进了甲烷氧化菌生长并提高了其种群数量,进而氧化更多CH4,减少排放。这可能是配施CP能够降低CH4排放的微生物机理。结合图1(a)和表2,配施DCD略微提高了CH4排放总量;配施CP降低了CH4排放,这可能是由于配施DCD提高了产甲烷菌群落丰度,显著减少甲烷氧化菌群落丰度,而配施CP则降低了产甲烷菌群落丰度,显著提高了甲烷氧化菌群落丰度(图2)。
覆膜旱作稻田N2O排放是土壤硝化菌与反硝化菌共同作用所致(李曼丽等,2003a),硝化抑制剂主要通过抑制氨氧化细菌起作用(武志杰等,2008)。无机氮通常是植物和微生物的限制因子,即使在相对肥沃的土壤(Kaye et al.,1997;Schimel et al.,2003)。配施DCD和CP可能增强了水稻对无机氮的竞争能力,从而加重微生物对无机氮急迫的需求负担,抑制了微生物群落活性。本研究中,在DCD和CP有效作用时段,配施DCD和CP使氨氧化菌群落丰度呈下降趋势。水稻生长后期,土壤通气性较好,硝化作用和反硝化作用同时加强(图2)。
3.3 配施硝化抑制剂对覆膜稻田环境经济效益的影响
抑制剂的配施可抑制尿素水解后的硝化过程,使配施土壤中的氮源长时间以NH4+-N形态存在,从而提高作物对氮肥的利用率,促进作物增产(李香兰等,2009)。应用于农业生产的DCD低于施氮量的10%,无毒性残留,但其过高的成本使得其推广受到限制(杨春霞等,2006)。本研究中,配施DCD和CP均有增产和减排效果,幅度分别为2%~3%和2%~13%,其环境经济收益增加318~550 yuan·hm-2,但CP的使用量仅为DCD的5%,环境经济效益却优于DCD。对比可知,配施CP既能提高经济效益又能减少综合温室效应,具有一定的推广潜力。因此,覆膜栽培模式下,配施CP氮肥是一种值得推荐的栽培方式。鉴于CP在中国农业生产中推广应用较少,今后应结合中国农业生产特点,加强室内和大田试验与示范研究,以加快硝化抑制剂CP的推广应用进程。
整个水稻生长期,配施DCD显著降低了覆膜稻田N2O排放,略微提高了CH4排放总量;配施CP可同时减少CH4和N2O排放。CH4排放高峰主要集中在水稻分蘖盛期,配施DCD提高了产甲烷菌群落丰度,显著降低了甲烷氧化菌群落丰度;配施CP则降低了产甲烷菌群落丰度,显著提高了甲烷氧化菌群落丰度。N2O排放主要集中在水稻生长前期,配施DCD和CP均降低了氨氧化菌群落丰度,提高了反硝化菌群落丰度。配施DCD和CP均可实现增产减排, CP效果更明显。覆膜稻田配施CP碳交易成本显著降低,配施DCD无显著变化,这与产量、温室气体排放总量和成本投入相关。对比可知,覆膜稻田配施CP既有经济效益又有环境效应,具有一定推广应用前景。
ANGEL R, CLAUS P, CONRAD R. 2012. Methanogenic archaea are globally ubiquitous in aerated soils and become active under wet anoxic conditions [J]. ISME Journal, 6(4): 847-862.
ANGEL R, MATTHIES D, CONRAD R. 2011. Activation of methanogenesis in arid biological soil crusts despite the presence of oxygen [J]. PLoS One, 6(5): e20453.
BALL B, CAMERON K, Di H, et al. 2012. Effect of trampling of a wet dairy pasture soil porosity and on mitigation of nitrous oxide emission by a nitrification inhibitor, dicyandiamide [J]. Soil Use and Management, 28(2): 194-201.
BODELIER P, HAHN A, ARTH I, et al. 2000. Effects of ammonium-based fertilisation on microbial processes involved in methane emission from soils planted with rice [J]. Biogeochemistry, 51(3): 225-257.
CONRAD R, KLOSE M, LU Y, et al. 2012. Methanogenic pathway and archaeal communities in three different anoxic soils amended with rice straw and maize straw [J]. Frontiers in Microbiology, 3: 4-doi: 10.3389/fmicb.2012.00004.
COSTELLO A, LIDSTROM M. 1999. Molecular characterization of functional and phylogenetic genes from natural populations of methanotrophs in lake sediments [J]. Applied and Environmental Microbiology, 65(11): 5066-5074.
HENRY S, BAUDOIN E, LÓPEZ-GUTIÉRREZ J, et al. 2004. Quantification of denitrifying bacteria in soils by nirK gene targeted real-time PCR [J]. Journal of Microbiological Methods, 59(3): 327-335.
HENRY S, BRU D, STRES B, et al. 2006. Quantitative detection of the nosZ gene, encoding nitrous oxide reductase, and comparison of the abundances of 16S Rrna, narG, nirK and nosZ genes in soils [J]. Applied and Environmental Microbiology, 72(8): 5181-5189.
INESON P, COWARD P, HARTWIG U. 1998. Soil gas fluxes of N2O, CH4and CO2beneath Lolium perenne under elevated CO2: The Swiss free air carbon dioxide enrichment experiment [J]. Plant Soil, 198: 89-95.
IPCC. 2013. Climate change 2013: The physical science basis [R]. Cambridge: Cambridge University Press.
JIA Z, SUGANO A, ASARI N, et al. 2007. Molecular characterization of methane-oxidizing bacteria associated with rice straw decomposition in a rice field [J]. Soil Science and Plant Nutrition, 53(6): 729-739.
KANDELER E, DEIGLMAYR K, TSCHERKO D, et al. 2006. Abundance of narG, nirS, nirK, and nosZ genes of denitrifying bacteria during primary successions of a glacier foreland [J]. Applied and Environmental Microbiology, 72(9): 5957-5962.
KAYE J, HART S. 1997. Competition for nitrogen between plants and soil microorganisms [J]. Trends in Ecology and Evolution, 12(4): 139-143.
LIU G, YU H, ZHANG G, et al. 2016. Combination of wet irrigation and nitrification inhibitor reduced nitrous oxide and methane emissions from a rice cropping system [J]. Environmental Science and Pollution Research, 23(17): 17426-17436.
MAJUMDAR D, KMUAR S, PATHAK H, et al. 2000. Reducing nitrous oxide emission from an irrigated rice field of North India with nitrification inhibitors [J]. Agriculture, Ecosystem & Environment, 81(3): 163-169.
MENÉNDEZ S, BARRENA I, SETIEN I, et al. 2012. Efficiency of nitrification inhibitor DMPP to reduce nitrous oxide emissions under different temperature and moisture conditions [J]. Soil Biology and Biochemistry, 53: 82-89.
NISHIMURA S, KOMADA M, TAKEBE M, et al. 2012. Nitrous oxide evolved from soil covered with plastic mulch film in horticultural field [J]. Biology and Fertility of Soils, 48(7): 787-795.
PHILIP D, SHI Y. 2015. Impact of allowance submissions in European carbon emission markets [J]. International Review of Financial Analysis, 40: 27-37.
SCHIMEL J, WEINTRAUB M. 2003. The implications of exoenzyme activity on microbial carbon and nitrogen limitation in soil: a theoretical model [J]. Soil Biology and Biochemistry, 35(4): 549-563.
SHANG Q, YANG X, GAO C, et al. 2011. Net annual global warming potential and greenhouse gas intensity in Chinese double rice-cropping systems: a 3-year field measurement in long-term fertilizer experiments [J]. Global Change Biology, 17(6): 2196-2210.
WEISKE A, BENCKISER G, HERBERT T, et al. 2001. Influence of the nitrification inhibitor 3, 4-dimethylpyrazole phosphate (DMPP) in comparison to dicyandiamide (DCD) on nitrous oxide emissions, carbon dioxide fluxes and methane oxidation during 3 years of repeated application in field experiments [J]. Biology and Fertility of Soils, 34(2): 109-117.
XU Y, SHEN Q, LI M, et al. 2004. Effect of soil water status and mulching on N2O and CH4emission from lowland rice field in China [J]. Biology and Fertility of Soils, 39(3): 215-217.
蔡祖聪, 徐华, 马静. 2009. 稻田生态系统CH4和N2O排放[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社.
顾艳, 吴良欢, 刘彦伶, 等. 2013. 氯甲基吡啶剂型对土壤硝化的抑制效果初步研究[J]. 农业环境科学学报, 32(2): 251-258.
李曼丽, 徐阳春, 沈其荣, 等. 2003a. 旱作及水作条件下稻田CH4和N2O排放的观察研究[J]. 土壤学报, 40(6): 864-869.
李曼丽, 徐阳春, 沈其荣, 等. 2003b. 覆草旱作稻田CH4和N2O的排放[J]. 中国环境科学, 23(6): 579-582.
李香兰, 徐华, 蔡祖聪. 2009. 氢醌/双氰胺组合影响稻田甲烷和氧化亚氮排放研究进展[J]. 土壤学报, 46(5): 917-924.
刘倩, 褚贵新, 刘涛, 等. 2011. DCD在不同质地土壤上的硝化抑制效果和剂量效应研究[J]. 中国生态农业学报, 19(4): 765-770.
刘昭兵, 纪雄辉, 彭华, 等. 2010. 施氮量及抑制剂配比对双季稻生长期温室气体排放的影响[J]. 生态环境学报, 19(4): 919-927.
路兴花, 吴良欢, 庞林江. 2009. 节水栽培水稻某些氮代谢生理特性研究[J]. 植物营养与肥料学报, 15(4): 737-743.
吕世华, 曾祥忠, 任光俊, 等. 2009. 水稻覆膜节水综合高产技术[J]. 四川农业科技, (2): 23-24.
彭世彰, 李道西, 徐俊增, 等. 2007. 节水灌溉模式对稻田CH4排放规律的影响[J]. 环境科学, 28(1): 9-13.
瞿华香, 张玉烛, 屠乃美, 等. 2008. 旱作水稻研究现状与展望[J]. 中国农业科技导报, 10(4): 34-42.
孙小淋, 杨立年, 杨建昌, 等. 2010. 水稻高产节水灌溉技术及其生理生态效应[J]. 中国农学通报, 26(3): 253-257.
武志杰, 史云峰, 陈利军. 2008. 硝化抑制作用机理研究进展[J]. 土壤通报, 39(4): 962-970.
杨春霞, 李永梅. 2006. 双氰胺对不同质地红壤中尿素的硝化抑制作用研究[J]. 中国生态农业学报, 14(2): 111-113.
张怡, 吕世华, 马静, 等. 2013a. 水稻覆膜节水综合高产技术对稻田CH4排放的影响[J]. 生态环境学报, 22(6): 935-941.
张怡, 吕世华, 马静, 等. 2013b. 覆膜栽培及抑制剂配施对稻田N2O排放的影响[J]. 土壤, 45(5): 830-837.
张怡, 吕世华, 马静, 等. 2016. 冬季水分管理和水稻覆膜栽培对川中丘陵地区冬水田CH4排放的影响[J]. 生态学报, 36(4): 1095-1103.
Effect of Nitrification Inhibitor Application on CH4and N2O Emissions from Plastic Mulching Rice Fields
YU Haiyang1,3, YANG Yuting1,3, MA Jing1*, XU Hua1, LV Shihua2, YUAN Jiang2, DONG Yujiao2
1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China; 2. Institute of Soil Fertilizer, Sichuan Agriculture Sciences Academy, Chengdu 610066, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
The research determined the effects of two nitrification inhibitors—Dicyandiamide (DCD) and Nitrapyrin (CP)—on the CH4and N2O emissions, and on the abundance of related functional bacteria in plastic mulching paddy fields using the method Static chamber-gas chromatogram and Real-time PCR. Three were three treatments: only urea (PM), urea and DCD (PM+DCD), urea and CP (PM+CP). The results indicated that the application of DCD (PM+DCD) significantly decreased the total N2O emissions (24%) during the whole rice growing season, while slightly increased total CH4emissions. The application of CP (PM+CP) decreased the total emissions of CH4(11%) and N2O (11%). CH4emissions were mainly in the stage of fully tilling, in which the application of DCD significantly increased the abundance of methanogens and decreased the abundance of methanotrophs, while the application of CP decreased the abundance of methanogens and significantly increased the abundance of methanotrophs. This is may be the reason why the application of DCD, slightly increased CH4emissions and the application of CP reduced CH4emissions. The application of DCD and CP tended to decrease the abundance of ammonia-oxidizing bacteria and significantly increased the abundance of denitrifiers during the main period of the emission of N2O (pre-season). The average values of GWP-cost in PM+DCD, PM+CP and PM treatments were 831, 735 and 822 yuan·hm-2, respectively. GHGI of these three treatments were 0.69, 0.60 and 0.70 t·t-1grain, respectively, and their yield were 9.20, 9.24 and 9.00 t·hm-2, respectively. Therefore, considering lower greenhouse gas emissions and economic benefits, the application of CP could be the better way to be popularizing widely in plastic mulching rice fields.
nitrification inhibitor; plastic mulching paddy fields; CH4and N2O emissions; methanogens; methanotrophs; nitrifier and denitrifiers
10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.014
X144
A
1674-5906(2017)03-0461-07
于海洋, 杨玉婷, 马静, 徐华, 吕世华, 袁江, 董瑜皎. 2017. 硝化抑制剂对覆膜稻田CH4和N2O排放的影响[J]. 生态环境学报, 26(3): 461-467.
YU Haiyang, YANG Yuting, MA Jing, XU Hua, LV Shihua, YUAN Jiang, DONG Yujiao. 2017. Effect of nitrification inhibitor application on CH4and N2O emissions from plastic mulching rice fields [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 461-467.
国家自然科学基金项目(41271259;41571232);中国科学院南京土壤研究所领域前沿项目(ISSASIP1652);土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金课题(Y20160039)
于海洋(1990年生),男,硕士研究生,研究方向为农田温室气体排放规律及其机理研究。E-mail: yuhy@issas.ac.cn *通信作者:马静(1974年生),女,副研究员,博士。E-mail: jma@issas.ac.cn
2016-12-24