養殖肥液施用方式配合NBPT-DCD對土壤N2O的減排效應

顏 青，賴睿特，張克強，梁軍鋒，楊涵博，王 風

（農業農村部環境保護科研監測所，天津300191）

0 引 言

作為三大溫室氣體之一，N2O 大量排放是導致全球氣候變暖的重要原因，其中農業土壤是N2O排放的主要來源，農用地占地球陸地面積的37%， 其N2O 排放量可占全球總排放量的84%[1]。N2O 排放與農用氮源種類密切相關，隨著水肥一體化的推廣，液體肥料由于具有溶解速率快且擴散均勻的優點，在灌溉技術和自動化施肥技術普及度較高的國家已經得到廣泛應用[2-4]。其中養殖肥液作為畜禽糞便經厭氧處理后的二次產物，富含氮磷元素和微生物菌群，是一種良好的液態氮肥，施用后不僅為土壤微生物提供大量碳氮養分，也有利于土壤碳氮循環和肥力保持，因此養殖肥液施用是實現農業水肥一體化和資源再利用的重要途徑。

養殖肥液施用多以漫灌為主，但漫灌極易造成土壤N2O大量排放，因此選擇施肥方式尤為重要。雖然針對施肥方式對土壤N2O排放影響的研究早已開展，但是大多數研究集中在尿素上，養殖肥液由于其理化性質區別于尿素，原有結論在實際應用中參考性不足。除施肥方式外，氮肥增效劑的使用被認為是能普遍減少氣態氮損失、提高氮素利用效率的可靠技術，可以從根源上抑制土壤N2O的產生，但是施氮方式與氮肥增效劑二者配合施用的抑制效果及協同效應還有待研究。氮肥增效劑主要包括脲酶抑制劑和硝化抑制劑[5-7]，而且研究發現脲酶-硝化抑制劑配合施用與單獨施用相比對N2O 排放的抑制效果更佳。陶瑞等[8]發現氮肥+硝化抑制劑（CP）或氮肥+脲酶-硝化抑制劑（NBPT+CP）顯著降低土壤N2O 累計排放量的66.2%和76.8% (35 ℃)。徐玉秀等[9]的meta 分析數據顯示，幾種抑制劑對N2O 減排的效果依次為NBPT+DCD (52.9%)＞DMPP(51.1%)＞NBPT (44.1%)＞吡啶(39.5%)＞DCD (38.9%)。另外硝化抑制劑單獨施用可能會促進NH3揮發，因為抑制硝化反應會導致土壤銨態氮積累從而更易NH3揮發[10-12]。除了在減少氣態氮損失方面，賴睿特等[13]發現脲酶-硝化抑制劑配合施用在減少土壤硝態氮淋溶，提高作物品質方面也有顯著效果。綜上，脲酶-硝化抑制劑配合施用對氮素損失的整體抑制優勢更明顯，更具有實際應用價值。N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前最有效的土壤脲酶抑制劑之一[14-16]，研究發現NBPT 對土壤表觀硝化抑制率為30.94%～31.42%[17]。雙氰胺（DCD）作用于氨氧化過程中的氨單加氧酶（AMO），通過抑制亞硝化細菌減少硝態氮的產生，從而減少反硝化產物，對N2O減排有較好的作用效果[18,19]。

考慮到抑制效果、環境影響以及成本問題，NBPT-DCD配合施用是減少養殖肥液施用過程中氮素氣態損失的較為理想的技術選擇。本文擬通過室內培養實驗，揭示養殖肥液漫灌與覆土兩種施用方式下添加NBPT+DCD 組合對土壤N2O 排放影響，為實現養殖肥液農田高效循環利用和土壤N2O減排提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤類型為壤土，采自天津市寧河區設施農業大棚0～20 cm 表層土壤，新鮮土樣經風干后過2 mm 篩、混勻后備用，土壤理化性質如表1所示。養殖肥液取自天津市益利來養殖有限公司常年運轉的塞流式厭氧反應器，原料為豬場糞污，養殖肥液pH 值為8.51，總氮（TN）為679.68 mg/L，銨態氮（NH4+-N）為518.58 mg/L，硝態氮（NO3--N）為63.84 mg/L，有機氮為97.26 mg/L。雙氰胺簡稱DCD，生產廠家為上海麥克林生化科技有限公司，分析純，純度99%。N-丁基硫代磷酰三胺簡稱NBPT，生產廠家為北京華威銳科化工有限公司，分析純，純度97%。

表1 土壤理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of the soil

1.2 試驗裝置與設計

培養裝置為1.2 L 黑色圓柱形PVC 密封罐，罐高13 cm，直徑10.9 cm，罐蓋中心粘有T 形墊用于取氣。每個培養裝置中350 g 供試土壤，施入相應處理后，于培養箱25 ℃恒溫培養。試驗共設5 個處理：不施氮（CK）、漫灌施用（S）、覆土施用（D）、漫灌施用+NBPT-DCD 組合（S+UI+NI）、覆土施用+NBPT-DCD 組合（D+UI+NI）。每個處理設置2 組平行，分別用于土壤N2O 采集和土壤樣品采集，每個平行設置3 個重復。施氮量設為100 kg/hm2，NBPT、DCD 施用量分別是施氮量的1%和5%。NBPT 和DCD 分別與土壤樣品均勻混合后，將養殖肥液按照施氮量一次性施入，肥液分別采用漫灌、覆土形式施入，漫灌處理為直接施入土壤表面，覆土處理在土壤層1/2 深度處施入等量肥液后重新覆蓋土層。各個處理按照試驗設置分別施加養殖肥液、NBPT、DCD 后，加水將各處理的土壤含水量統一調節為60%田間持水量（36%），試驗期間采用稱重法補充水分，使土壤含水量始終保持60%田間持水量穩定水平。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集與測定

采用靜態箱-氣相色譜法測定土壤N2O 排放通量[20]，分別于第1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、13、15 d 10：00采集氣體樣品，將培養裝置密封后開始計時，使用2 mL 注射器分別在0、10、20、30 min 取氣并保存到頂空采氣瓶，使用氣相色譜儀測定N2O濃度并計算排放通量及累積排放量；土壤理化性質采用常規方法測定[21]。土壤樣品于第1、3、15 d對土壤進行破壞性取樣，使用土壤取樣器于0～1 和1～2 cm 土層取樣，測定土壤-N與NO3--N含量的樣品使用2 mol/L KCl溶液浸提，全自動流動注射分析儀（FIA-6000+）測定NH4+-N 與-N濃度。

1.3.2 相關指標計算方法

土壤N2O排放通量[22]：

式中：F為N2O 排放通量，μg/(m2·h)；ρ為標準狀態下N2O 密度，μg/m3；V為采樣箱內有效體積，m3；A為采樣箱所覆蓋的土壤面積，m2；dc/dt為單位時間內采樣箱內N2O 濃度變化，10-9min-1；T為采樣箱內溫度，K。

1.3.3 數據分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 數據分析軟件進行統計分析，處理間差異顯著性采用單因素方差分析法（One-way ANOVA），顯著性水平為0.05。施肥方式與添加抑制劑組合采用雙因素方差分析法（Two-way ANOVA），顯著性水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤N2O排放的變化特征

土壤N2O 排放通量變化如圖1 所示。在培養期前9 天，施加養殖肥液處理的土壤N2O 排放通量總體呈現逐漸降低趨勢，多個處理后期由于基肥的消耗開始出現N2O 負排放。CK 處理在培養期內N2O排放通量保持最低，施加養殖肥液的各處理土壤N2O 排放通量均高于CK 處理，尤其是漫灌處理（S、S+UI+NI）。與S處理相比，D處理土壤N2O排放通量峰值降低并且出峰時間延遲，D 處理N2O 排放通量第6 天達到峰值，比S 處理延遲5 天；D、S 處理N2O 排放通量的最大值分別為13.32、33.06 μg/(m2·h)。NBPT 與DCD 配合施用降低土壤N2O 排放通量，S+UI+NI 處理在第1 天N2O 排放通量較S 處理降低，總體變化趨勢與S 處理相似，D+UI+NI 處理在試驗前期的N2O 排放通量沒有峰值出現且處于較低水平，基肥消耗較慢，氮素在土壤中停留時間較長，因此在第13 天抑制劑作用減弱后N2O排放增加。

2.2 土壤N2O累積排放量

雙因素方差分析結果表明（見表2），養殖肥液施用方式極顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.01）；添加NBPT+DCD 組合顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.05）；但是施肥方式與添加NBPT+DCD組合的交互作用對土壤N2O排放影響不顯著（P＞0.05）。

表2 雙因素方差分析結果Tab.2 Results of two-way ANOVA test(F)

各處理土壤N2O 累積排放量如圖2 所示。CK 處理的土壤N2O累積排放量始終處于較低水平。施加養殖肥液的各個處理（S、D、S+UI+NI、D+UI+NI）土壤N2O 累積排放量在前11 天均逐漸增加，第11天各處理間N2O累積排放量規律呈S＞S+UI+NI＞D＞D+UI+NI＞CK。第11 天之后除D+UI+NI 處理，其他施肥處理的N2O累積排放量開始降低，添加抑制劑處理D+UI+NI的土壤N2O 累積排放量從第13 天開始超過D 處理，抑制劑逐漸失效。養殖肥液覆土施用能夠極顯著（P＜0.01）降低土壤N2O累積排放量，如D 處理的土壤N2O 累積排放量比S 處理減少21.94%～72.90%；添加NBPT+DCD 組合后，養殖肥液覆土施用也顯著（P＜0.05）降低土壤N2O累積排放量，如D+UI+NI處理的土壤N2O累積排放量比D處理減少5.96%～33.80%。

2.3 土壤無機氮含量

各處理土壤NH4+-N 與NO3--N 含量如圖3 所示。在試驗周期內CK 處理的無機氮含量變化不明顯且處于較低水平。施肥處理（S、D、S+UI+NI、D+UI+NI）的土壤NH4+-N 含量在試驗期間為9.74～90.98 mg/kg，整體呈降低趨勢；NO3--N 含量為12.03～54.42 mg/kg，總體呈上升趨勢。在前3 天，由于漫灌處理（S、S+UI+NI）在施肥時上層土壤直接接觸肥液，因此上層土壤的NH4+-N 和NO3--N 含量都明顯高于其他處理。之后隨著肥液下滲和硝化作用，上層和下層土壤的NH4+-N 含量降低，NO3--N 由于土壤顆粒電性相斥極易下移，因此下層土壤NO3--N 含量始終增加，而上層土壤NO3--N 含量先升高后降低。覆土處理（D、D+UI+NI）由于上層土壤在施肥時沒有直接接觸肥液，因此前3 天上層土壤的NH4+-N 和NO3--N 含量變化不明顯。隨后上層和下層土壤的NH4+-N 含量降低，NO3--N含量升高。在試驗第15 d，D+UI+NI處理在上、下層土壤中的NO3--N含量均低于D處理。

2.4 不同處理的表觀硝化率

表觀硝化率反映了土壤硝化作用的強度，各處理的表觀硝化率如表3所示，培養期間各處理表觀硝化率整體隨時間延長呈增長趨勢，施肥處理的表觀硝化率較CK 處理顯著增加，在試驗前期，覆土施肥和添加抑制劑都在一定程度上降低土壤硝化強度。在第3 天，S、S+UI+NI 處理的表觀硝化率顯著高于D、D+UI+NI處理，且上、下層土壤表觀硝化率大小均呈S＞S+UI+NI＞D＞D+UI+NI＞CK 規律。S、S+UI+NI 處理的上層土壤表觀硝化率高于下層土壤，D、D+UI+NI 處理則相反。添加抑制劑表觀硝化率降低但不顯著。第15 天，各施肥處理表觀硝化率差異不顯著，但仍顯著高于CK處理。

表3 不同處理表觀硝化率%Tab.3 Apparent nitrification rate of each treatment

3 討 論

3.1 養殖肥液施用方式對土壤N2O排放的影響

除土壤類型、施肥種類、施氮量外，施肥方式也是影響土壤N2O 排放的重要因素之一[24-26]。Wulf 等[27]研究發現肥料通常被不均勻地分布在土壤基質中，這可能會影響碳氮轉化以及溫室氣體的排放。本試驗中，養殖肥液施用方式極顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.01），且養殖肥液漫灌處理的土壤N2O累積排放量顯著高于覆土處理（P＜0.05）。張岳芳等[26]發現養殖肥液漫灌顯著提高N2O排放通量和累積排放量，這與我們的研究結果一致。養殖肥液漫灌與覆土施入對N2O排放影響的區別主要體現在N2O 排放途徑、排放阻力、有機物分解三個方面。在排放途徑上，由于養殖肥液中NH4+-N 含量占總氮的76.30%，漫灌為表層土壤提供豐富的NH4+-N，水分隨土層下滲至平衡，空氣中的氧氣為硝化反應提供良好的條件，此時N2O 主要通過硝化反應產生，王洪媛等[28]的研究結果也表明漫灌更利于硝化反應，促進N2O排放；覆土處理中表層與下層土壤N2O產生途徑很可能不同：表層土壤由于未直接施肥，底物NH4+-N含量少，硝化反應強度較弱；下層土壤可能出現硝化、反硝化、硝酸鹽異化還原成銨（DNRA）耦合的狀態，這些過程在時間和空間上可能是分開的，但都會造成土壤N2O 的排放，不同反應的相對重要性主要取決于土壤O2濃度以及濕度水平[29-30]。覆土施肥為下層土壤提供NH4+-N 和水分，極易造成下層土壤暫時缺氧，研究發現在LAYER 處理中，缺氧情況從添加糞便的中心線幾乎對稱地擴散[29]，而硝化作用是一個嚴格的耗氧過程[31]，因此不利于硝化反應。由于養殖肥液中NO3--N 含量很低僅占9.40%，同樣也不利于反硝化或DNRA反應，因此試驗前期不利于N2O產生。隨著下層土壤通氣情況改善硝化反應加強，但同時硝化反應和有機物分解耗氧，氧氣含量不穩定，硝化、反硝化、DNRA反應耦合發生，直至外源施入NH4+-N 消耗完成，硝化反應減弱。在排放阻力上，漫灌處理在表層土壤產生N2O 并排放，但覆土處理的N2O 與漫灌處理相比排放阻力較大，而且研究發現產生的N2O在排放前需要向土壤表面擴散[32]，這種擴散在高含水量的土壤中相當緩慢[29]。在試驗前期下層N2O 通過土層向空氣排放的過程中易被還原為N2從而被消耗，之后隨著土壤中NO3--N 含量升高開始不利于N2O 還原[33,34]。在有機物分解上，由于養殖肥液不僅是氮源也是碳源，有機物分解是耗氧過程，據研究發現有機物分解在2h 內即可將土壤環境變為缺氧[29]。漫灌處理的氧氣條件優于覆土，更利于有機物分解和微生物作用，因此更有利于N2O排放。

3.2 不同養殖肥液施用方式下NBPT-DCD 組合對土壤N2O排放的影響

本試驗中，添加NBPT-DCD 組合顯著影響土壤N2O 排放（P＜0.05），養殖肥液覆土施入時添加NBPT-DCD 顯著降低土壤N2O 累積排放量。目前針對NBPT-DCD 作用機理的研究已經日益成熟，NBPT、DCD 分別是脲酶、氨單加氧酶活性的抑制劑[35,36]，NBPT-DCD 聯用時可以同時抑制有機氮水解和硝化過程，利于土壤NH4+-N 保持[12,37]。雖然在漫灌和覆土施肥下添加NBPT-DCD，N2O 排放都出現抑制，但抑制情況仍有差異，除排放阻力不同外，這主要是因為土壤不同區域氧氣水分條件差異導致抑制途徑的空間分布不同。養殖肥液漫灌時，此時NBPT-DCD 抑制表層土壤硝化作用和有機氮分解從而減少N2O 排放，抑制劑作用減緩氮素轉化過程，但由于氧氣充足，兩個反應雖然受抑制但仍在進行；養殖肥液覆土時NBPT-DCD 抑制下層、表層土壤的硝化反應以及有機氮分解為NH4+，與SI 不同的是，DI 處理中除抑制劑作用外，氧氣條件也不利于反應發生，有機氮分解和硝化反應受到更強抑制，因此抑制劑在養殖肥液覆土時N2O減排效果更顯著。直到后期NBPT-DCD 抑制作用減弱和氧氣條件改善，有機氮分解和硝化反應增強，可能會使N2O排放在后期增強，但隨著氮素轉化消耗很快降低。另外抑制劑作用可能持續時間有限，有研究[35]證實在施用處理12 d 后沒有抑制的跡象，即這些化合物在土壤中的停留時間很短，試驗第11 d 后抑制作用逐漸失效，這也基本支持了先前的結論。而且抑制劑的作用是在一定作用時間內抑制且延緩N2O 排放，而不是阻止排放。D 處理在試驗前期雖然土壤N2O排放通量小但仍然有峰值出現，但D+UI+NI處理的土壤N2O 累積排放量始終處于較低水平，試驗前期D+UI+NI 處理在前11 d 的土壤N2O 排放通量沒有出現峰值（圖1），但輸入氮在土壤中的轉化是不可避免的，因此土壤N2O在第13 d 會出現集中排放。我們猜測抑制劑作用體現在降低土壤N2O排放最大值和增加低排放峰次數上，從而調整集中排放的時間和排放量，這在漫灌處理中也有體現。如果延長培養時間，D+UI+NI處理的抑制劑效果逐漸減弱直至最后失去抑制作用，從N2O累積排放量來看，試驗前11 d的D+UI+NI抑制效果較好，之后D+UI+NI處理的N2O累積排放量逐漸增加并超過D處理。

4 結 語

（1）養殖肥液施用方式極顯著影響土壤N2O排放，與養殖肥液漫灌相比，覆土施入顯著降低土壤N2O排放，累積排放量降幅達21.94%～72.90%。

（2）當土壤含水量為60%田間持水量，在試驗前11 d，添加1%NBPT+5%DCD 組合對養殖肥液施用后的土壤N2O 排放起到抑制作用，尤其在養殖肥液覆土施入條件下D+UI+NI處理的土壤N2O 累積排放量與D 處理相比可減少5.96%～33.80%，抑制效果最佳。添加抑制劑對于減少土壤中NO3--N含量也有一定效果，在試驗第15 d，D+UI+NI處理在上、下層土壤中的NO3--N 含量仍低于D 處理，從而有利于減少硝態氮淋溶污染。（3）在實際應用中，建議采用覆土施肥和添加1%NBPT+5%DCD 抑制劑組合的配合施用方式，不僅減少氮損失，同時可以達到水肥一體化和土壤N2O減排的雙贏效果，但是覆土施肥深度需要根據種植作物種類、生長特性和土壤環境因地制宜。