不同施氮措施配合硝化抑制劑對滴灌棉田土壤NH3揮發和N2O排放的影響

廖 歡，王方斌，劉 凱，殷 星，侯振安

(石河子大學 農學院/新疆建設兵團綠洲生態農業重點實驗室，新疆石河子 832000)

氮肥在農業生產中起著關鍵作用，對作物產量和品質有著巨大影響。但目前中國氮肥過量施用現象普遍，不僅造成經濟效益和產量降低，也增加了氮素通過硝化-反硝化及氨揮發作用釋放到大氣中的損失，造成嚴重的生態環境問題[1-2]。其中以NH3揮發形式造成的損失會導致農業面源污染，影響大氣透明度和空氣質量[3]。而N2O更是一種會破壞臭氧層的溫室氣體，在大氣中會長久滯留[4]。

目前，國內外關于優化施氮(氮肥減量及施用硝化抑制劑) 主要集中于對N2O排放或NH3揮發的單獨研究，對于二者的綜合研究仍然較少[13-14]。且施用酸性液體肥對作物產量、氮肥氣態損失等的影響的報道十分匱乏。因此，本研究結合水肥一體化技術，通過田間試驗對不同施氮措施及配合硝化抑制對滴灌棉田N2O排放和NH3揮發開展綜合研究，以期在保證棉花產量的同時，降低氮素氣態損失、提高氮素利用率。為棉田合理施肥，降低面源污染風險提供合理依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

田間試驗于2019年4月—9月在新疆石河子市天業生態園進行。該地區為溫帶大陸性氣候，年均降水量210 mm，蒸發量1 660 mm。土壤類型為灰漠土，質地為壤土。耕層(0～20 cm) 土壤基礎性質為：堿解氮0.97 g/kg；速效磷 28.74 mg/kg；速效鉀421.20 mg/kg；有機質 10.09 g/kg。供試作物為棉花。

1.2 試驗設計與處理

試驗采用單因素隨機區組設計，設置不施氮肥(N0，施磷酸一銨、硫酸鉀)、農民習慣施肥(TN300，施尿素、磷酸一銨、硫酸鉀)、農民習慣施肥+硝化抑制劑(TN300+DCD，施尿素、磷酸一銨、硫酸鉀、DCD)、酸性液體肥+硝化抑制劑(LN300+DCD，酸性液體肥、DCD)和酸性液體肥減氮20%+硝化抑制劑(LN240+DCD，施酸性液體肥、DCD)共5個處理。各處理施肥量如表1，每處理重復3次，共15 個試驗小區，小區面積45.6 m2。尿素中N含量為46.4%、磷酸一銨中P2O5含量為61%、硫酸鉀中K2O含量為57%；硝化抑制劑用量按純氮用量的0.2%計算。所有肥料全作追肥在棉花生長期分6次隨水滴施，追肥時間分別為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 不同處理純養分施用量Table 1 Application amount of pure nutrients under different treatments kg/hm2

1.3 樣品采集與指標測定

土壤NH3揮發:采用密閉室法，以0.01 mol/L的H2SO4作吸收液收集。在棉花追肥期間進行土壤NH3揮發監測。每個試驗小區布置2個氨揮發監測裝置，分別在棉花寬行(66 cm)和窄行(10 cm)內各安裝1個。在每次追肥前1 d放入裝置，并于下一次追肥前1 d取回裝置，每1個施肥灌水周期為一個監測周期。采用靛酚藍比色法測定吸收液，計算NH3揮發損失量。

土壤N2O排放：N2O氣體樣品采用靜態箱-氣相色譜法。在土壤NH3揮發監測的同時，進行N2O排放的監測。采樣箱由底座(長×寬為 60 cm×60 cm)和頂箱(高90 cm)組成，每個小區放置2個采樣箱(膜間和膜內各1個)。采樣前往底座中注水，將頂箱扣至底座上，以防底座與頂箱結合處漏氣。箱體由不銹鋼鋼架構成，由硬質塑料膜密封，外層包裹薄海綿和錫紙用于防止溫度變化幅度過大影響氣體測定結果。箱體內置小風扇和溫度計，用于混勻箱體氣體和觀測箱內溫度變化。箱體中部安置抽氣孔，采樣時按照0、10、20、30 min時間間隔進行氣體收集。在每次追肥后的第3天進行N2O排放通量的測定，取樣時間為8:00—12:00。

棉花產量：棉花收獲期實測各小區產量，再換算為公頃產量。

1.4 數據處理

土壤N2O排放通量和累積排放量的計算公式[17]分別為公式(1)和(2)：

(1)

(2)

式中，F為N2O排放通量[μg/(m2·h)]；ρ為標準狀態下N2O密度(kg/m3)；h為采氣箱高度(m)；Δc/Δt為采氣箱內N2O氣體濃度的變化率；T為采氣箱內溫度(℃)；FN2O為N2O累積排放量(kg/hm2)；i為采樣次數；t為采樣時間(d)；24為一天的時間。

土壤 NH3揮發速率和累積排放量的計算公式[18]分別為公式(3)和(4)：

E=M×(A×D)-1×10-2

(3)

FNH3=E×D

(4)

式中，E為NH3揮發速率[kg/(hm2·d)]，FNH3為NH3揮發累積排放量(kg/hm2)，M為通氣法單個裝置平均每次測的氨量(mg)，A為捕獲裝置的橫截面積(m2)，D為每次連續測定的時間(d)。

計算N2O排放系數、NH3揮發損失率、氮肥氣態凈損失量、氮肥氣態凈損失率和氮肥利用率。

采用Microsoft Excel 2010進行數據處理和制圖。應用SPSS 22.0進行單因素方差分析，方差分析達到顯著性水平(P<0.05)后采用Duncan’s法進行處理間多重比較。

2 結果與分析

2.1 滴灌棉田土壤無機氮含量

圖1 滴灌棉田全生育期(A)與一個施肥灌水周期(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 滴灌棉田土壤氮素氣態損失

2.2.1 N2O排放通量的動態變化 棉花整個生育期內，N0處理N2O排放通量一直維持在較低水平，其他處理N2O排放通量的變化趨勢一致(圖3-A)。在一個施肥灌水周期內，施肥處理在施肥后第3天出現N2O排放峰值，且各處理峰值大小表現為：TN300>TN300+DCD>LN300+DCD> LN240+DCD>N0。表明常規施肥處理會促進土壤的硝化/反硝化作用，加速土壤N2O的產生和排放，但施用酸性液體肥并添加硝化抑制劑DCD可顯著降低N2O排放。TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD分別較TN300處理降低了11.70%、13.89%、22.86%(圖3-B)。

2.2.2 N2O累積排放量 棉花全生育期各處理土壤N2O累積排放量為0.16～0.33 kg/hm2，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD的土壤 N2O 累積排放量分別較N0處理增加106.79%、80.37%、67.08%、41.54% (圖4-A)。一個施肥灌水周期內的土壤N2O累積排放量為TN300>TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD>N0(圖4-B)。由此表明，添加硝化抑制劑DCD的各處理(TN300+DCD 、LN300+DCD、 LN240+DCD)均可有效減少土壤N2O排放，以酸性液體肥減氮20%和硝化抑制劑DCD配施(LN240+DCD)效果最好。

圖2 滴灌棉田全生育期(A)與一個施肥灌水周期(B)的土壤含量 content of soil in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

圖3 滴灌棉田全生育期(A)與一個施肥灌水周期(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

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同

2.2.3 NH3揮發速率動態變化 棉花全生育期NH3揮發速率變化如圖5-A所示，各處理NH3揮發速率變化趨勢相似，在0.67～1.77 kg/(hm2·d)變化。施肥處理NH3揮發速率均明顯大于N0處理。在一個施肥灌水周期內TN300、TN300+DCD 、LN300+DCD、 LN240+DCD、N0處理的NH3揮發速率均在施肥后的第1天達到最大(圖5-B)，然后迅速降低，在第3天～第7天基本維持穩定(圖5-B)。說明向棉田中滴施肥料會在較短時間內迅速增大NH3揮發速率。

2.2.4 NH3累積揮發量 由圖6可知，肥料施用導致NH3累積揮發量較N0處理顯著增加。與傳統施肥(TN300)相比，TN300+DCD、 LN300+DCD處理NH3累積揮發量顯著增加24.79%、15.97%。 LN240+DCD 與TN300處理無顯著變化。說明添加硝化抑制劑DCD會導致土壤NH3揮發積累量增加，但酸性液體肥減氮20%與硝化抑制劑DCD配施(LN240+DCD)的NH3揮發積累量可較LN300+DCD處理減少13.06%。因此，滴灌棉田施用硝化抑制劑DCD時可減少氮肥施用量以避免NH3揮發的損失 增加。

2.2.5 土壤氮素氣態損失 由表2可知，棉花全生育期N2O排放系數為0.027%～0.056%，NH3揮發損失率為0.825%～1.376%，氮肥氣態凈損失量為2.580～4.256 kg/hm2，氮肥氣態凈損失率為0.881%～1.419%。各處理NH3揮發損失率明顯大于N2O排放損失率，且各處理N2O排放損失率的大小表現為TN300>TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD；而NH3揮發損失率和氮肥氣態凈損失率的大小表現為TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD>TN300。說明添加硝化抑制劑DCD會顯著增加滴灌棉田土壤的NH3揮發損失，從而加大氮肥的氣態凈損失，但施用酸性液體肥的處理受到硝化抑制劑DCD的影響明顯小于施用常規肥料的處理，且酸性液體肥減氮20%有利于降低氮肥的氣態損失。

圖5 滴灌棉田全生育期(A)與一個施肥灌水周期(B)的土壤NH3揮發速率Fig.5 Soil NH3 volatilization rate in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

圖6 滴灌棉田全生育期(A)與一個施肥灌水周期(B)的土壤NH3累積揮發量Fig.6 Soil NH3 volatilization accumulation in whole growth period(A) and a fertigation cycle(B) of drip-irrigated cotton field

表2 不同處理棉田土壤氮素氣態損失Table 2 Gas loss of nitrogen of cotton soil under different treatments

2.3 棉花產量

由圖7可知，各處理棉花產量為4 587～ 6 844 kg/hm2。施用氮肥顯著增加了棉花產量，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD處理的棉花產量分別較N0處理增加 37.12%、35.36%、49.20%、37.39%。在相同施氮水平下，LN300+DCD處理棉花產量顯著高于其他處理，且TN300、TN300+DCD、LN240+DCD處理的棉花產量無明顯差異。說明施用酸性液體肥并添加硝化抑制劑DCD可顯著增加棉花產量，且酸性液體肥減氮20%也可使棉花產量達到較高水平。

2.4 棉花氮素吸收量及氮肥利用率

不同處理棉花氮素吸收量存在顯著差異(圖8)。與N0處理相比，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD處理的氮素吸收量分別增加31.79%、36.68%、51.40%、 42.55%。

且施用硝化抑制劑DCD的處理棉花氮素吸收量和氮肥利用率均較TN300處理有一定程度的增加。說明添加硝化抑制劑DCD有利于棉花對氮素的吸收。除此之外，在相同施氮水平下， LN300+DCD處理的棉花氮素吸收量和氮肥利用率分別比TN300+DCD處理高10.77%、28.47%。說明施用酸性液體肥較施用常規化肥更有利于棉花對氮素的吸收，提高氮肥利用率，并且當酸性液體肥減氮20%仍可使棉花氮肥利用率顯著增加。

圖7 棉花產量Fig.7 Cotton yield

圖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 討 論

N2O是僅次于CO2和CH4的重要溫室氣體，可在氣中穩定存留的時間長達150 a[19]目前大氣中N2O的體積分數已達到3.24×10-7，并以每年0.2%～0.3% 的速率增長[20]。因此如何減少農田N2O排放是全球生態環境科學研究的熱點之一。本試驗對滴灌棉田土壤N2O排放進行測定，結果顯示，施用化肥(TN300)會顯著促進土壤的硝化/反硝化作用，使土壤 N2O 累積排放量較N0處理顯著增加了1.07倍，但添加硝化抑制劑DCD或施用酸性液體肥配合硝化抑制劑DCD可顯著降低N2O排放。這與高珊等[21]發現施用DCD或DMPP(3，4-二甲基吡唑磷酸鹽)可使菜地土壤N2O累積排放量降低10.8%～ 55.9%的研究結果相一致。馬志雯等[22]對添加硝化抑制劑影響新疆膜下滴灌棉田土壤N2O的研究也表明，添加硝化抑制劑處理比單施尿素處理減少9.9%的N2O排放量。這說明適量添加硝化抑制劑可有效降低農田N2O排放，利于緩解全球溫室效應。此外，本試驗中棉花全生育期內的土壤N2O累積排放量為TN300>TN300+DCD>LN300+DCD>LN240+DCD>N0。這與吳得峰等[23]對春玉米的研究結果相同，減氮處理可以使N2O排放顯著降低29.4%，且在減氮基礎上添加DCD可使N2O排放再降低28.1%。除此之外，在本試驗中LN300+DCD、 LN240+DCD兩個處理還表現出更有利于降低N2O的排放。說明在相同施氮水平下，施用酸性液體肥會較常規化肥產生和排放更少N2O，且酸性液體肥減氮20%并配合硝化抑制劑DCD是降低N2O排放最有效的施肥方式。

多年研究結果表明，硝化抑制劑也具有減少肥料氮素損失，提高氮肥利用率的作用。但其對作物產量影響的研究結果并不完全一致。本研究結果表明，TN300、TN300+DCD、LN300+DCD、LN240+DCD處理的棉花產量分別較N0處理增加37.12%、35.36%、49.20%、37.39%。說明添加硝化抑制劑DCD可顯著增加棉花產量，且酸性液體肥較常規化肥具有更顯著的增產作用。王靜等[33]也指出尿素配施硝化抑制劑3,4-二甲基吡唑磷酸鹽可以有效地增加水稻產量，促進氮素吸收，提高氮肥利用率。這與大多數研究[34-37]硝化抑制劑對作物氮素吸收和產量影響的結果相一致。但也有人認為硝化抑制劑對水稻、小麥、甜玉米等多種作物產量無較大影響[38-39]。如王雅楣[40]的研究結果表明，施用硝化抑制劑硫脲甲醛樹脂可使小麥的株高、干質量、籽粒產量有不同程度的增加，但對產量無顯著影響。這可能是由于氮肥施用量或硝化抑制劑施用量不合理造成的。本試驗中，各處理氮肥利用率為LN300+DCD>LN240+DCD>TN300+DCD>TN300。說明硝化抑制劑DCD可作為氮肥增效劑提高滴灌棉田的氮肥利用率，且酸性液體肥配合硝化抑制劑DCD的效果最好。這可能是由于硝化抑制劑可以通過抑制氨氧化菌的amoA基因豐度來延緩硝化反應，以促進植株對氮素的吸收利用，從而提高作物產量和氮肥利用率[41]。

4 結 論

滴灌棉田單施氮肥會顯著增加土壤N2O 排放。氮肥配合硝化抑制劑DCD施用會使N2O 排放顯著降低，使NH3揮發速率、累積量及氮肥的氣態凈損失有一定程度增加，但酸性液體肥減氮20%和硝化抑制劑DCD配施(LN240+DCD)可以有效避免NH3揮發損失的增加，有利于降低氮肥的氣態損失。同時添加硝化抑制劑DCD可顯著增加棉花產量，提高氮肥利用率，且施用酸性液體肥較施用常規化肥具有更顯著的增產作用。