贵州草海地区不同土地利用方式土壤中尿素氮转化对3种硝化抑制剂的响应

赵 斌，朱四喜，程 谊，徐 铖，李武江

(1.贵州民族大学 喀斯特湿地生态研究中心，贵阳 550025；2.贵州民族大学 生态环境工程学院，贵阳 550025；3.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，南京 210008)

近年来，国内外学者对硝化抑制剂研究较多，但主要集中在硝化抑制剂的种类、施用量、石灰性土壤等方面[14-16]。针对偏酸性土壤的研究相对较少，尤其是高原喀斯特地区石漠化相对严重的土壤，对其进行尿素氮转化对硝化抑制剂的响应的研究甚少。有研究表明，土壤中施入的硝化抑制剂DMPP比DCD能更有效地减少N2O排放[17]。毛新伟等[18]研究毛竹土壤中分别施入DMPP和DCD对N2O的排放影响，发现用占总氮的 1.5% DMPP处理的土壤N2O累积排放减排幅度54%，10%DCD处理的土壤减少28%。章燕等[19]在土壤中分别添加DCD、DMPP两种抑制剂，对硝化速率并未发挥应有的抑制作用，可是两种抑制剂都对矿化速率有明显的抑制效果，并且DCD抑制效果明显高于DMPP，差异达到显著水平。另外，已有研究发现同种硝化剂对潮土抑制效果要比潮褐土更佳，两种硝化抑制配施的协同抑制效果比单施的明显[20]。氮肥在农业生产上的管理是土壤肥料和环境关注的热点。

贵州草海属于典型的喀斯特地貌，石漠化严重、土壤养分偏低，施入的尿素易损失。目前，在农业生产上，为了增加农产品的产量，采取尿素与硝化抑制剂配施的方法，不仅可提高土壤中尿素利用率，而且可减缓因尿素损失造成的环境污染问题。尿素与硝化抑制剂配施的研究工作主要集中在农田土壤，而对林地、沼泽地土壤研究较少[21-22]。尤其是针对喀斯特地区土壤尿素与硝化抑制剂的研究鲜有报道。因此，本研究以贵州草海湿地生态系统中农用地、沼泽地和林地土壤为研究对象。通过室内恒温培养，研究贵州草海农用地、沼泽地和林地土壤尿素转化对双氰胺、2-氯-6-三氯甲基吡啶(伴能，CP)和2-氯-6-三氯甲基吡啶(奥复托，NP)硝化抑制剂的响应，旨在为喀斯特地区土壤选择较为理想的硝化抑制剂，促进氮肥的高效利用及氮肥的管理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

草海是典型的高原喀斯特湿地生态系统，位于贵州省威宁县城西部(26°49′～26°53′N， 104°12′～104°18′E)，海拔约2 171.7 m，属于亚热带湿润季风气候，年均降雨量950 mm，无霜期 208.6 d，年日照时数约1 805.4 h。该地区是鸟类黑颈鹤的越冬栖息地，并沿湖边缘向外呈现沼泽地、农用地和林地的分布格局。其中沼泽地中主要生长狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)、海菜花(Otteliaacuminatavar.acuminata)、两栖蓼(PolygonumamphibiumL.)等湿地植物；农用地主要种植玉米(ZeamaysL.)、菜豆(PhaseolusvulgarisLinn)、马铃薯(Solanumtuberosum)等农作物；林地中植物包括云南松(Pinusyunnanensis)、黄杉(PseudotsugasinensisDode)、白栎(QuercusfabriHance)、刺柏(JuniperusformosanaHayata)等。

1.2 土壤采集及分析

于2017年7月利用梅花五点法分别采集草海码头、胡叶林、羊关山、江家湾、朱家湾地段的农用地、沼泽地和林地的表层(0～20 cm)土样，剔除土壤中的石块、残枝落叶等装入自封袋带回实验室，过2 mm筛混合均匀，装自封袋备用。不同土地利用方式的基本理化性质如下：农用地为黄灰泡土，pH为4.52，有机质35.37 g/kg，全氮 2.61 g/kg；沼泽地为泥炭沼泽土，pH为5.33，有机质43.48 g/kg，全氮2.21 g/kg；林地土壤为黄棕壤，pH为4.84，有机质23.91 g/kg，全氮 1.85 g/kg。选用的硝化抑制剂为双氰胺(白色结晶性粉末，浓度98.00%，产于上海国药集团， DCD)、伴能(CP)、奥复托(NP)的两种2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin)。其中，CP的有效成分质量浓度为200 g/L，购于美国陶氏益农公司，而NP购于中国浙江奥复托化工有限公司，质量分数为24.00%。主要分析仪器有pH计(Thermo SCIENTIFIC ORION STAR A211)、Skalar连续流动分析仪和气相色谱仪(Agilent Technologies 7890A)。

1.3 试验设计

N=(Nti+1-Nti)/(ti+1-ti)

(1)

M=(Mti+1-Mti)/(ti+1-ti)

(2)

Nr=[(A-B)/A]×100%

(3)

F=ρ×dc/dt×V×273/(273+T)/W

(4)

C=∑[(Fi+1+Fi)/2]×(ti+1-ti)

(5)

1.4 数据处理

试验数据用Microsoft Excel 2010处理，采用SPSS 19.0进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，采用Duncan’s检验进行处理间比较。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式土壤pH变化

由表1可知，在各处理下，随着土壤培养时间延长，农用地、沼泽地和林地土壤pH整体呈下降趋势。其中，农用地和沼泽地的土壤pH先升高后下降，除0.31%NP处理下培养时间为21 d外；经0.27%CP处理的林地土壤pH始终处于降低趋势，5%DCD处理的土壤pH从第4天至第21天逐渐回升，而CK和0.31% NP处理分别在培养时间为7 d和14 d时出现升高。农用地在前14 d的培养期间，不同处理间差异不显著，直到第21天时， CK与 0.31%NP处理的土壤pH差异显著；沼泽地在第7天，CK处理的土壤pH与5%DCD、0.27%CP、 0.31%NP处理的土壤差异显著，0.27%CP与 0.31%NP处理差异不显著；林地经0.27%CP与 0.31%NP处理土壤pH在各培养期间差异都不显著，0.27%CP与CK相比，土壤pH均表差异显著。

土地利用方式 Land use type处 理Treatment培养时间/d Incubation time2471421农用地 Farm landCK4.97±0.08 a5.14±0.23 a5.65±0.05 a4.95±0.12 a4.70±0.35 b5%DCD5.24±0.22 a5.37±0.30 a5.68±0.06 a5.12±0.32 a5.01±0.03 ab0.27%CP5.27±0.23 a5.32±0.11 a5.82±0.16 a4.59±0.49 a5.02±0.08 ab0.31%NP5.10±0.10 a5.12±0.21 a5.71±0.06 a4.86±0.03 a5.32±0.55 a沼泽地 Marsh landCK5.89±0.03 a6.52±0.48 ab6.30±0.08 b5.49±0.11 a5.21±0.15 b5%DCD5.85±0.19 a6.27±0.30 b6.75±0.07 a5.49±0.08 a5.42±0.07 ab0.27%CP5.72±0.05 a6.11±0.06 b5.44±0.20 c5.46±0.32 a5.38±0.06 ab0.31%NP6.16±0.10 a6.86±0.24 a5.55±0.31 c5.48±0.14 a5.87±0.20 a林地 Wood landCK4.62±0.09 b3.93±0.09 b4.15±0.22 b3.97±0.17 c3.91±0.00 b5%DCD4.72±0.03 b3.93±0.08 b4.06±0.03 b4.39±0.04 b4.48±0.04 a0.27%CP5.32±0.11 a4.82±0.07 a4.76±0.10 a4.57±0.10 a4.49±0.08 a0.31%NP4.97±0.09 ab4.95±0.10 a4.66±0.05 a4.77±0.11 a4.52±0.03 a

注：不同小写字母表示同种土壤在各硝化抑制处理下的差异显著(P<0.05)，下同 。

Note: Different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level between different nitrification inhibition treatments in the same soil, the same below.

2.2 不同土地利用方式土壤质量分数动态变化

2.3 不同土地利用方式土壤硝化抑制率

由表2可知， 5%DCD、0.27%CP处理的农用地，随着培养时间延长土壤硝化抑制率逐渐降低，且第4天均约为第21天的2倍。另外 0.31%NP 处理土壤，在第14天抑制率效果最好，硝化抑制率可达77.94%。0.27%CP处理第4天和第7天的硝化抑制率均高于5%DCD、 0.31%NP，与0.31%NP差异显著。第14天和第21天时，5%DCD与0.27%CP、0.31%NP差异显著，0.31%NP硝化抑制率较高。说明在前 7 d内0.27%CP对农用地具有较好的抑制效果，之后第14天至第21天内0.31%NP的抑制效果较为明显。沼泽地、林地的5%DCD、 0.27%CP和0.31%NP硝化抑制率随着培养时间延长先增后减。沼泽地的0.27%CP、0.31%NP硝化抑制率在第7天最高，分别是72.42%、 88.84%。 5%DCD处理的沼泽地在在第14天硝化抑制率最高(67.82%)，除培养时间在第7天之外， 0.31%NP与5%DCD、0.27%CP显著差异，说明0.31%NP对沼泽地的抑制剂效果相对较差， 0.27%CP发挥相对较好的抑制作用。除培养时间在第14天外，林地土壤中抑制效果相对较强的为0.31 NP，其次0.27% CP,5% DCD较弱。

2.4 不同土地利用方式土壤净硝化速率和净矿化速率

从图2可看出，农用地、沼泽地和林地CK处理的净硝化速率明显高于5%DCD、0.27%CP、031%NP，与3种硝化抑制剂存在显著差异。农用地与沼泽地的土壤净硝化速率按快至慢均为CK>0.31%NP>5%DCD>0.27%CP；林地为CK>5%DCD>0.27%CP>0.31%NP。 0.27% CP对农用地和沼泽地及0.31%NP对林地土壤氮转化抑制效果较好。不同土地利用方式的净矿化速率无明显规律，林地的净矿化速率小于农用地、沼泽地，而且沼泽地与林地的净矿化速率相似，0.27%CP最大，CK最小，最大与最小分别相差0.89、0.59 mg/(kg·d)。

表2 在硝化抑制剂处理下的土壤硝化抑制率Table 2 Soil nitrification inhibition rate under the treatment of nitrification inhibitor %

图中不同小写字母表示同种土壤中不同处理差异显著(P<0.05)，下同 Different lowercase letters in the figure indicated significant difference at 0.05 level of different treatments in the same soil, the same below

图2 硝化抑制剂处理下的土壤净硝化速率和净矿化速率
Fig.2 Soil net nitrification rate and net mineralization rate under nitrification inhibitor treatment

2.5 草海不同土地利用方式土壤N2O累积排放量

如图3所示，在21 d培养期间，不同土地利用方式的土壤N2O累积排放量存在差异，农用地土壤N2O累积排放量为：CK>5%DCD> 0.31%NP>0.27%CP；沼泽地为0.31%NP>CK>5%DCD>0.27%CP，林地为0.27%CP> 5%DCD>CK>0.31%NP。农用地土壤的不同处理间土壤N2O累积排放量差异显著，沼泽地CK与0.31%NP处理，5%DCD与0.27%CP处理差异不显著，林地0.27%CP与0.31%NP处理差异显著。

图3 21 d硝化抑制剂处理的土壤N2O累积排放量Fig.3 N2O accumulated emissions of soil treated with nitrification inhibitors on 21 d

3 讨 论

从土壤净矿化速率整体看出，土壤净矿化速率依次为沼泽地>农用地>林地，而沼泽地有机质含量最高，林地最低，这与段伟等[35]研究发现土壤净氮矿化量与其有机质呈极显著线性正相关相一致。温室气体N2O主要来源于农业排放，排放量占人为源的50%以上，主要是通过硝化和反硝化作用产生[36-37]。本试验培养是在有氧条件下进行，则土壤N2O排放主要为硝化作用。在培养21 d期间，各处理农用地土壤N2O累积排放量差异显著，同时土壤N2O累积排放量显著高于沼泽地和林地。导致农用地N2O累积排放量偏高原因，可能是草海农用地以蔬菜、马铃薯等农作物为主，种植强度和施肥量较大[38]。在草海地区不同土地利用中，农用地经0.27%CP处理的土壤N2O累积排放量均显著低于CK、5%DCD、 0.31%NP处理，沼泽地土壤N2O累积排放量， 0.27%CP处理显著低于CK、0.31%NP处理，林地0.31%处理土壤N2O累积排放量均显著低于CK、5%DCD、0.31NP处理。影响硝化抑制剂抑制效果的因素包括土壤质地、硝化抑制剂种类、土壤pH、有机质含量、土壤含水量等[39]。由于本研究的试验是在室内控温下进行，还需具体根据野外实际情况，才能更好地分析草海地区不同土地利用土壤中尿素氮转化对5%DCD、0.27%CP、 0.31%NP等3种硝化抑制剂的响应。

4 结 论