貴州草海地區不同土地利用方式土壤中尿素氮轉化對3種硝化抑制劑的響應

趙 斌，朱四喜，程 誼，徐 鋮，李武江

(1.貴州民族大學 喀斯特濕地生態研究中心，貴陽 550025；2.貴州民族大學 生態環境工程學院，貴陽 550025；3.中國科學院 南京土壤研究所 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室，南京 210008)

近年來，國內外學者對硝化抑制劑研究較多，但主要集中在硝化抑制劑的種類、施用量、石灰性土壤等方面[14-16]。針對偏酸性土壤的研究相對較少，尤其是高原喀斯特地區石漠化相對嚴重的土壤，對其進行尿素氮轉化對硝化抑制劑的響應的研究甚少。有研究表明，土壤中施入的硝化抑制劑DMPP比DCD能更有效地減少N2O排放[17]。毛新偉等[18]研究毛竹土壤中分別施入DMPP和DCD對N2O的排放影響，發現用占總氮的 1.5% DMPP處理的土壤N2O累積排放減排幅度54%，10%DCD處理的土壤減少28%。章燕等[19]在土壤中分別添加DCD、DMPP兩種抑制劑，對硝化速率并未發揮應有的抑制作用，可是兩種抑制劑都對礦化速率有明顯的抑制效果，并且DCD抑制效果明顯高于DMPP，差異達到顯著水平。另外，已有研究發現同種硝化劑對潮土抑制效果要比潮褐土更佳，兩種硝化抑制配施的協同抑制效果比單施的明顯[20]。氮肥在農業生產上的管理是土壤肥料和環境關注的熱點。

貴州草海屬于典型的喀斯特地貌，石漠化嚴重、土壤養分偏低，施入的尿素易損失。目前，在農業生產上，為了增加農產品的產量，采取尿素與硝化抑制劑配施的方法，不僅可提高土壤中尿素利用率，而且可減緩因尿素損失造成的環境污染問題。尿素與硝化抑制劑配施的研究工作主要集中在農田土壤，而對林地、沼澤地土壤研究較少[21-22]。尤其是針對喀斯特地區土壤尿素與硝化抑制劑的研究鮮有報道。因此，本研究以貴州草海濕地生態系統中農用地、沼澤地和林地土壤為研究對象。通過室內恒溫培養，研究貴州草海農用地、沼澤地和林地土壤尿素轉化對雙氰胺、2-氯-6-三氯甲基吡啶(伴能，CP)和2-氯-6-三氯甲基吡啶(奧復托，NP)硝化抑制劑的響應，旨在為喀斯特地區土壤選擇較為理想的硝化抑制劑，促進氮肥的高效利用及氮肥的管理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

草海是典型的高原喀斯特濕地生態系統，位于貴州省威寧縣城西部(26°49′～26°53′N， 104°12′～104°18′E)，海拔約2 171.7 m，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，年均降雨量950 mm，無霜期 208.6 d，年日照時數約1 805.4 h。該地區是鳥類黑頸鶴的越冬棲息地，并沿湖邊緣向外呈現沼澤地、農用地和林地的分布格局。其中沼澤地中主要生長狐尾藻(MyriophyllumverticillatumL.)、海菜花(Otteliaacuminatavar.acuminata)、兩棲蓼(PolygonumamphibiumL.)等濕地植物；農用地主要種植玉米(ZeamaysL.)、菜豆(PhaseolusvulgarisLinn)、馬鈴薯(Solanumtuberosum)等農作物；林地中植物包括云南松(Pinusyunnanensis)、黃杉(PseudotsugasinensisDode)、白櫟(QuercusfabriHance)、刺柏(JuniperusformosanaHayata)等。

1.2 土壤采集及分析

于2017年7月利用梅花五點法分別采集草海碼頭、胡葉林、羊關山、江家灣、朱家灣地段的農用地、沼澤地和林地的表層(0～20 cm)土樣，剔除土壤中的石塊、殘枝落葉等裝入自封袋帶回實驗室，過2 mm篩混合均勻，裝自封袋備用。不同土地利用方式的基本理化性質如下：農用地為黃灰泡土，pH為4.52，有機質35.37 g/kg，全氮 2.61 g/kg；沼澤地為泥炭沼澤土，pH為5.33，有機質43.48 g/kg，全氮2.21 g/kg；林地土壤為黃棕壤，pH為4.84，有機質23.91 g/kg，全氮 1.85 g/kg。選用的硝化抑制劑為雙氰胺(白色結晶性粉末，濃度98.00%，產于上海國藥集團， DCD)、伴能(CP)、奧復托(NP)的兩種2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(Nitrapyrin)。其中，CP的有效成分質量濃度為200 g/L，購于美國陶氏益農公司，而NP購于中國浙江奧復托化工有限公司，質量分數為24.00%。主要分析儀器有pH計(Thermo SCIENTIFIC ORION STAR A211)、Skalar連續流動分析儀和氣相色譜儀(Agilent Technologies 7890A)。

1.3 試驗設計

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 數據處理

試驗數據用Microsoft Excel 2010處理，采用SPSS 19.0進行單因素方差分析(One-Way ANOVA)，采用Duncan’s檢驗進行處理間比較。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式土壤pH變化

由表1可知，在各處理下，隨著土壤培養時間延長，農用地、沼澤地和林地土壤pH整體呈下降趨勢。其中，農用地和沼澤地的土壤pH先升高后下降，除0.31%NP處理下培養時間為21 d外；經0.27%CP處理的林地土壤pH始終處于降低趨勢，5%DCD處理的土壤pH從第4天至第21天逐漸回升，而CK和0.31% NP處理分別在培養時間為7 d和14 d時出現升高。農用地在前14 d的培養期間，不同處理間差異不顯著，直到第21天時， CK與 0.31%NP處理的土壤pH差異顯著；沼澤地在第7天，CK處理的土壤pH與5%DCD、0.27%CP、 0.31%NP處理的土壤差異顯著，0.27%CP與 0.31%NP處理差異不顯著；林地經0.27%CP與 0.31%NP處理土壤pH在各培養期間差異都不顯著，0.27%CP與CK相比，土壤pH均表差異顯著。

土地利用方式 Land use type處 理Treatment培養時間/d Incubation time2471421農用地 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沼澤地 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：不同小寫字母表示同種土壤在各硝化抑制處理下的差異顯著(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質量分數動態變化

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處理的農用地，隨著培養時間延長土壤硝化抑制率逐漸降低，且第4天均約為第21天的2倍。另外 0.31%NP 處理土壤，在第14天抑制率效果最好，硝化抑制率可達77.94%。0.27%CP處理第4天和第7天的硝化抑制率均高于5%DCD、 0.31%NP，與0.31%NP差異顯著。第14天和第21天時，5%DCD與0.27%CP、0.31%NP差異顯著，0.31%NP硝化抑制率較高。說明在前 7 d內0.27%CP對農用地具有較好的抑制效果，之后第14天至第21天內0.31%NP的抑制效果較為明顯。沼澤地、林地的5%DCD、 0.27%CP和0.31%NP硝化抑制率隨著培養時間延長先增后減。沼澤地的0.27%CP、0.31%NP硝化抑制率在第7天最高，分別是72.42%、 88.84%。 5%DCD處理的沼澤地在在第14天硝化抑制率最高(67.82%)，除培養時間在第7天之外， 0.31%NP與5%DCD、0.27%CP顯著差異，說明0.31%NP對沼澤地的抑制劑效果相對較差， 0.27%CP發揮相對較好的抑制作用。除培養時間在第14天外，林地土壤中抑制效果相對較強的為0.31 NP，其次0.27% CP,5% DCD較弱。

2.4 不同土地利用方式土壤凈硝化速率和凈礦化速率

從圖2可看出，農用地、沼澤地和林地CK處理的凈硝化速率明顯高于5%DCD、0.27%CP、031%NP，與3種硝化抑制劑存在顯著差異。農用地與沼澤地的土壤凈硝化速率按快至慢均為CK>0.31%NP>5%DCD>0.27%CP；林地為CK>5%DCD>0.27%CP>0.31%NP。 0.27% CP對農用地和沼澤地及0.31%NP對林地土壤氮轉化抑制效果較好。不同土地利用方式的凈礦化速率無明顯規律，林地的凈礦化速率小于農用地、沼澤地，而且沼澤地與林地的凈礦化速率相似，0.27%CP最大，CK最小，最大與最小分別相差0.89、0.59 mg/(kg·d)。

表2 在硝化抑制劑處理下的土壤硝化抑制率Table 2 Soil nitrification inhibition rate under the treatment of nitrification inhibitor %

圖中不同小寫字母表示同種土壤中不同處理差異顯著(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

圖2 硝化抑制劑處理下的土壤凈硝化速率和凈礦化速率
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累積排放量

如圖3所示，在21 d培養期間，不同土地利用方式的土壤N2O累積排放量存在差異，農用地土壤N2O累積排放量為：CK>5%DCD> 0.31%NP>0.27%CP；沼澤地為0.31%NP>CK>5%DCD>0.27%CP，林地為0.27%CP> 5%DCD>CK>0.31%NP。農用地土壤的不同處理間土壤N2O累積排放量差異顯著，沼澤地CK與0.31%NP處理，5%DCD與0.27%CP處理差異不顯著，林地0.27%CP與0.31%NP處理差異顯著。

圖3 21 d硝化抑制劑處理的土壤N2O累積排放量Fig.3 N2O accumulated emissions of soil treated with nitrification inhibitors on 21 d

3 討 論

從土壤凈礦化速率整體看出，土壤凈礦化速率依次為沼澤地>農用地>林地，而沼澤地有機質含量最高，林地最低，這與段偉等[35]研究發現土壤凈氮礦化量與其有機質呈極顯著線性正相關相一致。溫室氣體N2O主要來源于農業排放，排放量占人為源的50%以上，主要是通過硝化和反硝化作用產生[36-37]。本試驗培養是在有氧條件下進行，則土壤N2O排放主要為硝化作用。在培養21 d期間，各處理農用地土壤N2O累積排放量差異顯著，同時土壤N2O累積排放量顯著高于沼澤地和林地。導致農用地N2O累積排放量偏高原因，可能是草海農用地以蔬菜、馬鈴薯等農作物為主，種植強度和施肥量較大[38]。在草海地區不同土地利用中，農用地經0.27%CP處理的土壤N2O累積排放量均顯著低于CK、5%DCD、 0.31%NP處理，沼澤地土壤N2O累積排放量， 0.27%CP處理顯著低于CK、0.31%NP處理，林地0.31%處理土壤N2O累積排放量均顯著低于CK、5%DCD、0.31NP處理。影響硝化抑制劑抑制效果的因素包括土壤質地、硝化抑制劑種類、土壤pH、有機質含量、土壤含水量等[39]。由于本研究的試驗是在室內控溫下進行，還需具體根據野外實際情況，才能更好地分析草海地區不同土地利用土壤中尿素氮轉化對5%DCD、0.27%CP、 0.31%NP等3種硝化抑制劑的響應。

4 結 論