不同施氮措施配合硝化抑制剂对滴灌棉田土壤NH3挥发和N2O排放的影响

廖 欢，王方斌，刘 凯，殷 星，侯振安

(石河子大学 农学院/新疆建设兵团绿洲生态农业重点实验室，新疆石河子 832000)

氮肥在农业生产中起着关键作用，对作物产量和品质有着巨大影响。但目前中国氮肥过量施用现象普遍，不仅造成经济效益和产量降低，也增加了氮素通过硝化-反硝化及氨挥发作用释放到大气中的损失，造成严重的生态环境问题[1-2]。其中以NH3挥发形式造成的损失会导致农业面源污染，影响大气透明度和空气质量[3]。而N2O更是一种会破坏臭氧层的温室气体，在大气中会长久滞留[4]。

目前，国内外关于优化施氮(氮肥减量及施用硝化抑制剂) 主要集中于对N2O排放或NH3挥发的单独研究，对于二者的综合研究仍然较少[13-14]。且施用酸性液体肥对作物产量、氮肥气态损失等的影响的报道十分匮乏。因此，本研究结合水肥一体化技术，通过田间试验对不同施氮措施及配合硝化抑制对滴灌棉田N2O排放和NH3挥发开展综合研究，以期在保证棉花产量的同时，降低氮素气态损失、提高氮素利用率。为棉田合理施肥，降低面源污染风险提供合理依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验于2019年4月—9月在新疆石河子市天业生态园进行。该地区为温带大陆性气候，年均降水量210 mm，蒸发量1 660 mm。土壤类型为灰漠土，质地为壤土。耕层(0～20 cm) 土壤基础性质为：碱解氮0.97 g/kg；速效磷 28.74 mg/kg；速效钾421.20 mg/kg；有机质 10.09 g/kg。供试作物为棉花。

1.2 试验设计与处理

试验采用单因素随机区组设计，设置不施氮肥(N0，施磷酸一铵、硫酸钾)、农民习惯施肥(TN300，施尿素、磷酸一铵、硫酸钾)、农民习惯施肥+硝化抑制剂(TN300+DCD，施尿素、磷酸一铵、硫酸钾、DCD)、酸性液体肥+硝化抑制剂(LN300+DCD，酸性液体肥、DCD)和酸性液体肥减氮20%+硝化抑制剂(LN240+DCD，施酸性液体肥、DCD)共5个处理。各处理施肥量如表1，每处理重复3次，共15 个试验小区，小区面积45.6 m2。尿素中N含量为46.4%、磷酸一铵中P2O5含量为61%、硫酸钾中K2O含量为57%；硝化抑制剂用量按纯氮用量的0.2%计算。所有肥料全作追肥在棉花生长期分6次随水滴施，追肥时间分别为2019年6月29日、2019年7月9日、2019年7月13日、2019年7月23日、2019年8月2日、2019年8月18日。

表1 不同处理纯养分施用量Table 1 Application amount of pure nutrients under different treatments kg/hm2

1.3 样品采集与指标测定

土壤NH3挥发:采用密闭室法，以0.01 mol/L的H2SO4作吸收液收集。在棉花追肥期间进行土壤NH3挥发监测。每个试验小区布置2个氨挥发监测装置，分别在棉花宽行(66 cm)和窄行(10 cm)内各安装1个。在每次追肥前1 d放入装置，并于下一次追肥前1 d取回装置，每1个施肥灌水周期为一个监测周期。采用靛酚蓝比色法测定吸收液，计算NH3挥发损失量。

土壤N2O排放：N2O气体样品采用静态箱-气相色谱法。在土壤NH3挥发监测的同时，进行N2O排放的监测。采样箱由底座(长×宽为 60 cm×60 cm)和顶箱(高90 cm)组成，每个小区放置2个采样箱(膜间和膜内各1个)。采样前往底座中注水，将顶箱扣至底座上，以防底座与顶箱结合处漏气。箱体由不锈钢钢架构成，由硬质塑料膜密封，外层包裹薄海绵和锡纸用于防止温度变化幅度过大影响气体测定结果。箱体内置小风扇和温度计，用于混匀箱体气体和观测箱内温度变化。箱体中部安置抽气孔，采样时按照0、10、20、30 min时间间隔进行气体收集。在每次追肥后的第3天进行N2O排放通量的测定，取样时间为8:00—12:00。

棉花产量：棉花收获期实测各小区产量，再换算为公顷产量。

1.4 数据处理

土壤N2O排放通量和累积排放量的计算公式[17]分别为公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中，F为N2O排放通量[μg/(m2·h)]；ρ为标准状态下N2O密度(kg/m3)；h为采气箱高度(m)；Δc/Δt为采气箱内N2O气体浓度的变化率；T为采气箱内温度(℃)；FN2O为N2O累积排放量(kg/hm2)；i为采样次数；t为采样时间(d)；24为一天的时间。

土壤 NH3挥发速率和累积排放量的计算公式[18]分别为公式(3)和(4)：

E=M×(A×D)-1×10-2

(3)

FNH3=E×D

(4)

式中，E为NH3挥发速率[kg/(hm2·d)]，FNH3为NH3挥发累积排放量(kg/hm2)，M为通气法单个装置平均每次测的氨量(mg)，A为捕获装置的横截面积(m2)，D为每次连续测定的时间(d)。

计算N2O排放系数、NH3挥发损失率、氮肥气态净损失量、氮肥气态净损失率和氮肥利用率。

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理和制图。应用SPSS 22.0进行单因素方差分析，方差分析达到显著性水平(P<0.05)后采用Duncan’s法进行处理间多重比较。

2 结果与分析

2.1 滴灌棉田土壤无机氮含量

图1 滴灌棉田全生育期(A)与一个施肥灌水周期(B)的土壤含量 content of soil in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

2.2 滴灌棉田土壤氮素气态损失

2.2.1 N2O排放通量的动态变化 棉花整个生育期内，N0处理N2O排放通量一直维持在较低水平，其他处理N2O排放通量的变化趋势一致(图3-A)。在一个施肥灌水周期内，施肥处理在施肥后第3天出现N2O排放峰值，且各处理峰值大小表现为：TN300>TN300+DCD>LN300+DCD> LN240+DCD>N0。表明常规施肥处理会促进土壤的硝化/反硝化作用，加速土壤N2O的产生和排放，但施用酸性液体肥并添加硝化抑制剂DCD可显著降低N2O排放。TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD分别较TN300处理降低了11.70%、13.89%、22.86%(图3-B)。

2.2.2 N2O累积排放量 棉花全生育期各处理土壤N2O累积排放量为0.16～0.33 kg/hm2，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD的土壤 N2O 累积排放量分别较N0处理增加106.79%、80.37%、67.08%、41.54% (图4-A)。一个施肥灌水周期内的土壤N2O累积排放量为TN300>TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD>N0(图4-B)。由此表明，添加硝化抑制剂DCD的各处理(TN300+DCD 、LN300+DCD、 LN240+DCD)均可有效减少土壤N2O排放，以酸性液体肥减氮20%和硝化抑制剂DCD配施(LN240+DCD)效果最好。

图2 滴灌棉田全生育期(A)与一个施肥灌水周期(B)的土壤含量 content of soil in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

图3 滴灌棉田全生育期(A)与一个施肥灌水周期(B)的土壤N2O排放通量Fig.3 N2O emission flux of soil in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同

2.2.3 NH3挥发速率动态变化 棉花全生育期NH3挥发速率变化如图5-A所示，各处理NH3挥发速率变化趋势相似，在0.67～1.77 kg/(hm2·d)变化。施肥处理NH3挥发速率均明显大于N0处理。在一个施肥灌水周期内TN300、TN300+DCD 、LN300+DCD、 LN240+DCD、N0处理的NH3挥发速率均在施肥后的第1天达到最大(图5-B)，然后迅速降低，在第3天～第7天基本维持稳定(图5-B)。说明向棉田中滴施肥料会在较短时间内迅速增大NH3挥发速率。

2.2.4 NH3累积挥发量 由图6可知，肥料施用导致NH3累积挥发量较N0处理显著增加。与传统施肥(TN300)相比，TN300+DCD、 LN300+DCD处理NH3累积挥发量显著增加24.79%、15.97%。 LN240+DCD 与TN300处理无显著变化。说明添加硝化抑制剂DCD会导致土壤NH3挥发积累量增加，但酸性液体肥减氮20%与硝化抑制剂DCD配施(LN240+DCD)的NH3挥发积累量可较LN300+DCD处理减少13.06%。因此，滴灌棉田施用硝化抑制剂DCD时可减少氮肥施用量以避免NH3挥发的损失 增加。

2.2.5 土壤氮素气态损失 由表2可知，棉花全生育期N2O排放系数为0.027%～0.056%，NH3挥发损失率为0.825%～1.376%，氮肥气态净损失量为2.580～4.256 kg/hm2，氮肥气态净损失率为0.881%～1.419%。各处理NH3挥发损失率明显大于N2O排放损失率，且各处理N2O排放损失率的大小表现为TN300>TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD；而NH3挥发损失率和氮肥气态净损失率的大小表现为TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD>TN300。说明添加硝化抑制剂DCD会显著增加滴灌棉田土壤的NH3挥发损失，从而加大氮肥的气态净损失，但施用酸性液体肥的处理受到硝化抑制剂DCD的影响明显小于施用常规肥料的处理，且酸性液体肥减氮20%有利于降低氮肥的气态损失。

图5 滴灌棉田全生育期(A)与一个施肥灌水周期(B)的土壤NH3挥发速率Fig.5 Soil NH3 volatilization rate in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

图6 滴灌棉田全生育期(A)与一个施肥灌水周期(B)的土壤NH3累积挥发量Fig.6 Soil NH3 volatilization accumulation in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

表2 不同处理棉田土壤氮素气态损失Table 2 Gas loss of nitrogen of cotton soil under different treatments

2.3 棉花产量

由图7可知，各处理棉花产量为4 587～ 6 844 kg/hm2。施用氮肥显著增加了棉花产量，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD处理的棉花产量分别较N0处理增加 37.12%、35.36%、49.20%、37.39%。在相同施氮水平下，LN300+DCD处理棉花产量显著高于其他处理，且TN300、TN300+DCD、LN240+DCD处理的棉花产量无明显差异。说明施用酸性液体肥并添加硝化抑制剂DCD可显著增加棉花产量，且酸性液体肥减氮20%也可使棉花产量达到较高水平。

2.4 棉花氮素吸收量及氮肥利用率

不同处理棉花氮素吸收量存在显著差异(图8)。与N0处理相比，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD处理的氮素吸收量分别增加31.79%、36.68%、51.40%、 42.55%。

且施用硝化抑制剂DCD的处理棉花氮素吸收量和氮肥利用率均较TN300处理有一定程度的增加。说明添加硝化抑制剂DCD有利于棉花对氮素的吸收。除此之外，在相同施氮水平下， LN300+DCD处理的棉花氮素吸收量和氮肥利用率分别比TN300+DCD处理高10.77%、28.47%。说明施用酸性液体肥较施用常规化肥更有利于棉花对氮素的吸收，提高氮肥利用率，并且当酸性液体肥减氮20%仍可使棉花氮肥利用率显著增加。

图7 棉花产量Fig.7 Cotton yield

图8 棉花氮素吸收量及氮肥利用率Fig.8 Nitrogen uptake and nitrogen use efficiency of cotton

3 讨 论

N2O是仅次于CO2和CH4的重要温室气体，可在气中稳定存留的时间长达150 a[19]目前大气中N2O的体积分数已达到3.24×10-7，并以每年0.2%～0.3% 的速率增长[20]。因此如何减少农田N2O排放是全球生态环境科学研究的热点之一。本试验对滴灌棉田土壤N2O排放进行测定，结果显示，施用化肥(TN300)会显著促进土壤的硝化/反硝化作用，使土壤 N2O 累积排放量较N0处理显著增加了1.07倍，但添加硝化抑制剂DCD或施用酸性液体肥配合硝化抑制剂DCD可显著降低N2O排放。这与高珊等[21]发现施用DCD或DMPP(3，4-二甲基吡唑磷酸盐)可使菜地土壤N2O累积排放量降低10.8%～ 55.9%的研究结果相一致。马志雯等[22]对添加硝化抑制剂影响新疆膜下滴灌棉田土壤N2O的研究也表明，添加硝化抑制剂处理比单施尿素处理减少9.9%的N2O排放量。这说明适量添加硝化抑制剂可有效降低农田N2O排放，利于缓解全球温室效应。此外，本试验中棉花全生育期内的土壤N2O累积排放量为TN300>TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD>N0。这与吴得峰等[23]对春玉米的研究结果相同，减氮处理可以使N2O排放显著降低29.4%，且在减氮基础上添加DCD可使N2O排放再降低28.1%。除此之外，在本试验中LN300+DCD、 LN240+DCD两个处理还表现出更有利于降低N2O的排放。说明在相同施氮水平下，施用酸性液体肥会较常规化肥产生和排放更少N2O，且酸性液体肥减氮20%并配合硝化抑制剂DCD是降低N2O排放最有效的施肥方式。

多年研究结果表明，硝化抑制剂也具有减少肥料氮素损失，提高氮肥利用率的作用。但其对作物产量影响的研究结果并不完全一致。本研究结果表明，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD处理的棉花产量分别较N0处理增加37.12%、35.36%、49.20%、37.39%。说明添加硝化抑制剂DCD可显著增加棉花产量，且酸性液体肥较常规化肥具有更显著的增产作用。王静等[33]也指出尿素配施硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐可以有效地增加水稻产量，促进氮素吸收，提高氮肥利用率。这与大多数研究[34-37]硝化抑制剂对作物氮素吸收和产量影响的结果相一致。但也有人认为硝化抑制剂对水稻、小麦、甜玉米等多种作物产量无较大影响[38-39]。如王雅楣[40]的研究结果表明，施用硝化抑制剂硫脲甲醛树脂可使小麦的株高、干质量、籽粒产量有不同程度的增加，但对产量无显著影响。这可能是由于氮肥施用量或硝化抑制剂施用量不合理造成的。本试验中，各处理氮肥利用率为LN300+DCD>LN240+DCD>TN300+DCD>TN300。说明硝化抑制剂DCD可作为氮肥增效剂提高滴灌棉田的氮肥利用率，且酸性液体肥配合硝化抑制剂DCD的效果最好。这可能是由于硝化抑制剂可以通过抑制氨氧化菌的amoA基因丰度来延缓硝化反应，以促进植株对氮素的吸收利用，从而提高作物产量和氮肥利用率[41]。

4 结 论

滴灌棉田单施氮肥会显著增加土壤N2O 排放。氮肥配合硝化抑制剂DCD施用会使N2O 排放显著降低，使NH3挥发速率、累积量及氮肥的气态净损失有一定程度增加，但酸性液体肥减氮20%和硝化抑制剂DCD配施(LN240+DCD)可以有效避免NH3挥发损失的增加，有利于降低氮肥的气态损失。同时添加硝化抑制剂DCD可显著增加棉花产量，提高氮肥利用率，且施用酸性液体肥较施用常规化肥具有更显著的增产作用。