硝化抑制剂影响小麦产量、N2O与NH3排放的研究①

孙海军，闵 炬，施卫明*，祝介贵

(1 佛山科学技术学院食品科学与工程学院，广东佛山 528000；2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008； 3临朐县九山镇人民政府，山东潍坊 262500)

硝化抑制剂影响小麦产量、N2O与NH3排放的研究①

孙海军1,2，闵 炬2，施卫明2*，祝介贵3

(1 佛山科学技术学院食品科学与工程学院，广东佛山 528000；2 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008； 3临朐县九山镇人民政府，山东潍坊 262500)

通过田间小区试验研究不同施氮水平下，施用硝化抑制剂CP对小麦产量、氮素利用率、氧化亚氮(N2O)排放与氨(NH3)挥发的综合影响规律。结果表明：在施氮水平为140 kg/hm2与180 kg/hm2时，施用CP促使小麦产量分别显著增加17.8% 和15.4%，在同一施氮水平下，施用CP促进小麦氮素利用率提高11.3% ～ 25.2%。施用硝化抑制剂CP可以降低麦季(特别是基肥与穗肥施用时期)土壤N2O的排放速率，并显著减少39.3% ～ 53.7% 的累积N2O排放量。但是在两个施氮水平下，施用CP导致麦季NH3挥发量增加1.46 ～ 1.75倍，而且此效应主要发生于基肥与穗肥观测期。本研究说明：在麦季施用硝化抑制剂CP可以提高氮素利用率，从而提高小麦产量，并且能减少N2O排放，但同时会导致一定程度的NH3挥发增加，需加以控制。

氮素利用率；氨挥发；氧化亚氮；施氮量；硝化抑制剂

氮素是作物正常生长发育所必需的大量营养元素之一，施用氮肥是保证作物高产的重要措施。但是，氮肥施用过量或管理措施不当等都会导致氮素利用率降低和环境流失风险增加[1]。根据前人研究报道，施用硝化抑制剂是提高作物氮素吸收利用率、减少损失的有效技术措施之一[2-6]。前人研究中常用硝化抑制剂有：双氰胺(DCD)、3, 4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)和2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)等[2-4]。其作用原理是通过抑制土壤中硝化微生物的铵氧化过程，减少土壤中铵态氮(NH4+-N)向硝态氮(NO-3-N)的生物转化机率，使土壤中NH4+-N浓度能在较长时间内维持在较高水平，从而促进作物对氮的吸收和微生物固持，减少氮肥环境损失，提高氮素利用效率[2,5-6]。

但是，已有研究表明硝化抑制剂的施用效果与土壤类型、pH和温湿度等诸多环境条件显著相关[7-9]。前人针对硝化抑制剂的研究多是在同一施氮水平下研究其对氮素转化过程的影响[7,10]或者比较不同硝化抑制剂的施用效果等[8,11-12]。而对硝化抑制剂的施用效果与施氮水平的关系研究不充分。孙海军等[4,13]研究表明，硝化抑制剂CP应用于水稻的效果与施氮水平显著相关：即在CP施用条件下，稻季施氮量由240 kg/hm2降至180 kg/hm2可以保证水稻高产。在以水稻-小麦为主要轮作制度的太湖地区，麦季的温湿度条件等显著不同于稻季，那么不同施氮量条件下CP施用对氮素利用率及小麦产量影响如何？需要进一步评价。已有研究充分表明：施用于麦季土壤的硝化抑制剂能够通过减缓土壤中无机氮的硝化过程，从而有效减少N2O排放[10,14-15]。与此同时，硝化抑制剂的施用会导致较高的土壤pH和NH4+-N含量[5-6]，这两个因素极有可能导致麦季NH3挥发损失增加。但是，目前尚缺乏田间试验验证，在推广施用硝化抑制剂时，需要综合考虑这一点。此外，已有研究表明，硝化抑制剂对土壤中NH4+-N的硝化抑制效果随施用时间延长而逐渐降低[7,16]。那么，在氮肥多以基肥和追肥分次施用的小麦高产体系中，施用硝化抑制剂CP在小麦不同生育期(特别是关键施肥期)对N2O排放和NH3挥发的影响规律及发挥作用的关键时期如何，尚不清楚。

为此，本研究拟通过田间小区试验研究在不同施氮量处理下，添加硝化抑制剂CP对太湖地区小麦产量及氮素利用率的影响，及其对麦季N2O排放和NH3挥发的影响效果及规律，为该地区小麦种植体系中氮素优化管理和减少氮素环境损失提供理论依据与技术指导。

1 材料与方法

1.1 材料

田间小区试验于2013年11月—2014年6月在江苏省宜兴市丁蜀镇渭渎村开展。该地区为亚热带季风气候，年降雨量为1 100 ～ 1 400 mm，年平均气温为16oC左右。根据国际粮农组织(FAO)土壤分类系统，供试土壤类型为发育于湖积物的滞水潜育人为土，是太湖区域代表性土壤类型。耕层(0 ～ 15 cm)土壤基础性质为：全氮1.56 g/kg，速效氮120 mg/kg，有效磷14 mg/kg，速效钾40 mg/kg，有机质22.7 g/kg，pH (H2O) 6.25。

本研究所用硝化抑制剂的有效成分为2-氯-6-三氯甲基吡啶(N-serve，CP)，在乳液成品中含量为24%，由浙江奥复托化工有限公司提供成品。

1.2 方法

1.2.1 试验设计 试验共设置5个处理，分别为：①CK ，无氮肥对照；②N140，施氮140 kg/hm2；③N140+CP，施氮140 kg/hm2，配施CP；④N180，施氮180 kg/hm2；⑤N180+CP，施氮180 kg/hm2，配施CP。每处理3次重复，共计15个小区(5 m × 6 m)。本研究中氮肥分3次施用：30% 作为基肥，30% 作为分蘖肥，40% 作为孕穗肥，施用时间分别为2013年11月23日，2014年1月14日和3月14日。CP在3次施用氮肥时，按照有效成分为尿素质量0.25%的比例均匀喷于尿素颗粒表面施用。各处理施用等量磷、钾肥，施用量分别为60 kg/hm2(以P2O5计)和90 kg/hm2(以K2O计)，磷、钾肥均作为基肥一次施用。在上季作物水稻收获后翻耕土壤，同时施用基肥，然后播种小麦，同步开始相关测试项目。小麦季试验期间水、肥、药等管理措施均同当地农户，小麦于2014年6月5日收获。

1.2.2 样品采集及测定 1)小麦产量与氮素利用率的测定。小麦成熟后，去除距离小区田埂1 m范围内植株以减少边际效应干扰，采集每小区有效面积(4 m × 5 m)内所有小麦地上部分，晒干称重，记录小麦生物量。然后，剪取小麦穗部，脱粒，称重，记录小麦产量。小麦氮素利用率(NUE，%)=(施氮处理小麦总吸收氮量-不施氮处理小麦总吸收氮量)/麦季氮素投入量×100。小麦植株全氮量采用硫酸消解-凯氏定氮法测试。

2) 麦季N2O排放与NH3挥发量的测定。麦季N2O采集与检测采用静态箱-气相色谱法[4]。静态箱尺寸为内径25 cm，高100 cm。取样时将其置于水槽底座中形成一密闭空间，然后在密闭15、30 和45 min时分别采集箱内气体样品，用气相色谱(Agilent 7890A)分析其中N2O浓度。通过以下公式计算N2O排放通量：

式中：F为 N2O 排放通量(µg/(m2·h))，ρ为标准状况下N2O气体密度(1.25 kg/m3)，h为静态箱高度，Δc/Δt为静态箱内气体浓度随时间的变化率(µg/(L·h))，T为采气箱内绝对温度。在每次施肥后的第 2、4、6、8 天加密采集气体样品，平时观测周期内每10 ～ 12 d采集一次气体样品。采用积分法计算麦季累积 N2O排放量。

麦季NH3挥发量观测采用连续动力抽气-密闭室法[4]。本研究中用于测定NH3挥发的密闭室尺寸为内径15 cm、高 20 cm的透明有机玻璃罩；所用吸收液为2% 浓度的硼酸溶液，每1 L吸收液加20 ml 甲基红/溴甲酚绿混合指示剂，滴定用标准硫酸浓度为0.098 5 mol/L。NH3挥发测定于每次施氮肥后立即开始，于每日上午8：00—10：00与下午14：00—16：00进行。在观测过程中发现，由于麦季温度较低、降雨频发，导致土壤水分含量高等原因，每日NH3挥发量不高。如果选择每日滴定，会造成较大操作误差，为避免此问题，本研究在施肥后连续10 d抽气，在监测结束时集中滴定，计为当次施肥后NH3挥发损失总量。

1.2.3 数据分析 采用Excel 2007办公软件对数据进行基础统计与分析。各处理之间差异性比较采用SPSS 16.0软件进行方差分析和Duncan多重比较方法(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 小麦产量与氮素利用率

表1数据表明，本研究中小麦产量为2.51 ～ 6.28 t/hm2，施用氮肥显著增加小麦产量，4个施氮处理的小麦产量为对照处理的1.77 ～ 2.50倍，且小麦产量随施氮水平的提高显著增加(P＜0.05)。其中，N180处理比N140处理产量高22.2%，N180+CP处理比N140+CP处理产量高19.8%。试验结果同时表明：在不同施氮水平下，施用硝化抑制剂CP均可以显著提高小麦产量(P＜0.05)，其中N140+CP处理比N140处理小麦产量高17.8%，而且能够达到180 kg/hm2施氮处理的产量水平；在180 kg/hm2施氮水平下，CP施用可显著提高小麦产量15.4% (P＜0.05)。

从表1结果还可知，不同施氮处理下小麦氮素吸收利用率为22.6% ～ 33.5%，在本研究中，随着施氮水平的提高，小麦氮素利用率显著升高。其中，N180处理和N180+CP处理的氮素利用率分别比N140和N140+CP处理高22.2% 和19.8%。这可能与高施氮水平下小麦生物量大，因此能够吸收更高量的氮有直接关系。结果同时表明，在同一施氮水平下，添加硝化抑制剂CP的处理中小麦的氮素利用率均有所提高。其中，当施氮水平为140 kg/hm2时，CP施用下小麦氮素利用率显著提高25.2%(P＜0.05)，当施氮量增加至180 kg/hm2时，CP施用仍可使氮素利用率提高11.3%，但未达到统计学的显著水平(P＜0.05)。

表1 不同施氮水平下施用CP对小麦产量和氮素利用率的影响Table 1 Effects of CP application on wheat grain yields and N usage efficiency under two N application rates

2.2 麦季N2O排放动态变化和累计排放量

在小麦生长周期内，均可以监测到一定量的N2O排放(图1)。由图1可知，麦季各处理N2O的排放峰值主要出现在基肥和穗肥施用后的1 ～ 15 d。另外，在穗肥施用前，由于气候温度的升高和降雨导致的水分剧烈变化等原因，也监测到N2O排放峰值。在N2O排放高峰时期，施用硝化抑制剂CP能够显著降低N2O排放速率(P＜0.05)。比如：基肥和穗肥施用后，N140处理的4次连续观测的N2O平均排放速率分别为204.7 µg/(m2·h)和154.4 µg/(m2·h)，N140+CP处理分别降至126.6 µg/(m2·h)和79.2 µg/(m2·h)；而在180 kg/hm2施氮水平下，两个施肥阶段的N2O平均排放速率分别由N180处理的283.9 µg/(m2·h) 和226.7µg/(m2·h) 降至N180+CP处理的142.2 µg/(m2·h)和83.4 µg/(m2·h)。

从图2结果可知，施氮处理下麦季N2O排放总量为2.26 ～ 5.77 kg/hm2，占麦季氮素投入量的1.01% ～2.73%。在不施用硝化抑制剂CP的情况下，当施氮量由140 kg/hm2增加至180 kg/hm2时，N2O排放总量显著增加 54.8%(P＜0.05)。施用硝化抑制剂CP后，此增加效应减弱：N180+CP处理仅比N140+CP处理的N2O排放总量高18.1%，且差异未达显著水平(P＜0.05)。更有意义的是：在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮水平下，施用CP均能够显著降低两个施氮水平处理下的麦季N2O排放总量，降低比例分别为39.3%和53.7%(P＜0.05)。

图1 不同处理下麦季N2O排放速率的动态变化Fig. 1 Changes of N2O emission rates during wheat growth season under different treatments

图2 不同施氮水平下施用CP对麦季累计N2O排放的影响(CK处理麦季累计N2O排放量为0.85±0.26 kg/hm2)Fig. 2 Effects of CP application on seasonal cumulative N2O emissions under two N application rates

2.3 麦季NH3挥发量

本研究中，施氮处理麦季累计NH3挥发量为2.01 ～7.31 kg/hm2，占氮素投入量的0.64% ～ 3.56%，且不同处理之间NH3挥发排放量差异显著(P＜0.05)。表2数据说明，施氮量增加会导致NH3挥发损失显著增加(P＜0.05)，该效应存在于3次施肥观测期，且在硝化抑制剂施用条件下亦如此(表2)。试验结果同时说明，施用硝化抑制剂CP导致麦季累计NH3挥发量显著增加。在140 kg/hm2与180 kg/hm2施氮水平下，施用CP导致麦季不同施肥阶段NH3挥发量分别增加39.1% ～ 78.8% 和10.8% ～ 64.7%；同时导致施用CP处理下NH3挥发累计排放量是等氮量投入下未施用CP处理的1.75倍和1.46倍，此效应主要发生于基肥和穗肥施用时期(表2)，差异均达到显著水平(P＜0.05)。

表2 施用CP 硝化抑制剂对小麦不同施肥观测期NH3挥发量的影响Table 2 Effects of CP application on NH3 volatilization under different fertilization stages in wheat season

3 讨论

本研究中氮肥施用量增加促进小麦产量提升，而且施用硝化抑制剂CP具有显著的增产效果，当施氮量为140 kg/hm2和180 kg/hm2时，CP施用可分别促进小麦增产17.8% 和15.4%。同时，本研究结果表明小麦氮素利用率在施用CP条件下提高11.3% ～25.2%(表1)。因此，施用硝化抑制剂促进小麦产量提升的主要原因之一是CP增加小麦对氮的吸收，提高氮素利用效率。与本研究结果一致，刘欢等[17]发现在195 kg/hm2施氮水平上，配施抑制剂处理可使小麦增产9.0% ～ 24.6%。另有学者报道，几种常见硝化抑制剂(如DCD、DMPP等)用于小麦生产均具有增产效果[11-12,18]。而华建峰等[8]研究表明，硝化抑制剂处理的春小麦产量没有明显提升，主要原因是其研究中抑制剂处理小麦的倒伏问题影响了产量，这与其设定施氮量偏高(底肥施氮量即高达105 kg/hm2)有关系。本课题前期研究工作发现，在施用硝化抑制剂条件下可将施氮量由240 kg/hm2降至180 kg/hm2，能够保证水稻高产[4]。在本研究中，两个施氮水平下施用CP均增加小麦产量，那么在该区域小麦种植体系下继续增加施氮量，CP施用是否仍有增产效果？仍需要进一步研究。由此可见，今后需要寻找一个相对适宜施氮量：在该施氮量下，既能保证小麦高产，而且氮素利用率高，环境损失少。

施用氮肥是土壤产生N2O的主要因素。本研究中氮肥施用量增加导致土壤N2O排放通量显著提高。根据前人报道，旱作系统中硝化抑制剂处理能减少氨氧化细菌的群落数量，降低硝化速率，使土壤中NH4+-N在较长时间内维持在一个较高水平，而使NO-3-N处于较低水平，发挥抑制硝化过程的作用[7]。而且，施用硝化抑制剂会增加土壤微生物对氮的固持，从而减少N2O排放[9]。本研究结果亦表明，施用硝化抑制剂CP可以显著降低不同施氮水平处理下麦季N2O累积排放量。在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮水平下，施用CP分别降低N2O排放39.3% 和53.7%。特别是在基肥与穗肥施用后观测周期内，CP施用能够显著降低N2O排放速率(图1)，从而减少整个小麦生长季的累积N2O排放量。与本研究结论相一致，Bhatia等[10]报道，施用硝化抑制剂可减少麦季由于N2O排放导致的温室效应13.5% ～ 19.5%。本研究中，硝化抑制剂分次与氮肥同时施用，减排N2O效果更明显。同时有研究表明，施用DCD能显著降低菜地土壤N2O排放速率和排放总量[19-20]。这说明，相较于常规尿素处理，硝化抑制剂CP施用确实能够抑制氮素从NH4+-N向NO-3-N的转化，从而减少N2O排放，在不同种植体系中温室气体减排方面均表现出良好效果。

容易理解，当施氮水平由140 kg/hm2增加至180 kg/hm2时，麦季NH3挥发量显著增加，占氮素投入量的比例也随之增加。根据前人报道，硝化抑制剂在与铵态氨肥或者尿素配合施用时，受土壤环境和自身特性等综合因素的影响，在抑制土壤中氮素硝化-反硝化过程的同时有加剧NH3挥发的潜在几率[7,21-22]。本研究表明，在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮水平下，施用硝化抑制剂CP导致NH3挥发量分别增加74.6%和45.6%。与本研究结果一致，前人在菜园土研究结果表明，硝化抑制剂DCD施用显著增加NH3挥发损失[23]。而且，Zaman等[24]报道，硝化抑制剂DCD的施用在春、秋季分别增加15.6% 和39.0% 的牧地土壤NH3挥发。在本研究中发现，施用CP减少N2O排放效果显著的基肥和穗肥观测周期内，也是其增加NH3排放的两个关键时期。可见，硝化抑制剂在成功抑制麦季土壤NH4+-N硝化作用的同时，也加剧了其通过NH3挥发损失的风险。而且，根据前人研究报道，添加硝化抑制剂DCD处理的土壤pH一直处于较高水平，NH3挥发强度与土壤pH同步，导致DCD处理土壤NH3挥发量高达对照处理的523.0% ～575.8%[23]。尿素氮施入土壤后，其水解过程可使土壤pH暂时升高，随着硝化作用的进行，土壤pH又呈下降趋势[23]。而硝化抑制剂恰好可以抑制硝化作用，使土壤在更长的时间内保持较高的NH4+-N含量和pH，这两个因素导致NH3挥发在一定程度上增加。不过，本研究中NH3挥发损失绝对量为2.01 ～ 7.31 kg/hm2，仅占当季尿素氮投入量的0.64% ～ 3.56% (表2)，处于一个较低水平，而且在应用硝化抑制剂时，联合其他措施(如添加脲酶抑制剂、浮萍接种等)可以控制NH3挥发[8,26-27]。因此，施用硝化抑制剂CP对太湖地区小麦种植仍然是一较有利选择。

4 结论

1) 在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮量处理下，施用硝化抑制剂CP可以提高小麦氮素利用率11.3% ～25.2%，并增加小麦产量15.4% ～ 17.8%。同时，施用硝化抑制剂CP能有效减少39.3% ～ 53.7% 的麦季土壤N2O排放。

2) 施用CP导致麦季氮素NH3挥发量增加1.46 ～1.75倍，但NH3损失绝对量较低，仅为2.01 ～ 7.31 kg/hm2(占当季投入氮的0.64% ～ 3.56%)，在生产实践中可以有效控制。

3) 综合考虑对氮素利用率与小麦产量，N2O排放及NH3挥发的影响，施用CP是一种较有利选择。

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Effects of Nitrification Inhibitor Application on Wheat Grain Yield,N2O Emission and NH3Volatilization

SUN Haijun1,2, MIN Ju2, SHI Weiming2*, ZHU Jiegui3
(1 School of Food Science and Engineering, Foshan University, Foshan, Guangdong 528000, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 People’s Government of Jiushan Town, Weifang, Shandong 262500, China)

A field pilot-scale experiment was conducted to evaluate the comprehensive effects of nitrification inhibitor CP application on wheat grain yield, nitrogen usage efficiency (NUE), nitrous oxide (N2O) emission and ammonia (NH3)volatilization from soil under different N applied rates. Results showed that CP application significantly increased wheat grain yield by 17.8% and 15.4% when N applied rates were 140 kg/hm2and 180 kg/hm2, respectively. Furthermore, the NUE of wheat was increased by 11.3%—25.2% under CP added treatments. The application of CP decreased N2O emission rates (especially during the observed periods after basal and earing fertilizers applied) and thereby reduced wheat seasonal cumulative N2O emissions by 39.3%—53.7%. However, the total NH3volatilization of wheat season observed under CP added treatments were 1.46—1.75 folds of that observed under their counter treatments without CP, which were mainly observed during the monitoring periods of basal and earing fertilization. We conclude that the CP application can promote the NUE of wheat, thereby enhance wheat grain yield, and reduce N2O emission, whereas lead to higher NH3losses at a certain degree, thus should be controlled.

Nitrogen usage efficiency; Ammonia volatilization; Nitrous oxide; Nitrogen application rates; Nitrification inhibitor

S143.1+6；S19

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.003

国家青年科学基金项目(31601832)，江苏省青年科学基金项目(BK20160931)和土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放基金项目 (Y412201425)资助。

* 通讯作者(wmshi@issas.ac.cn)

孙海军 (1987—)，男，山东潍坊人，博士，高级实验师，主要从事农田氮素循环及其环境效应与面源污染控制研究。

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