不同水氮條件下雙氰胺(DCD)對溫室黃瓜土壤氮素損失的影響

張 琳， 孫卓玲， 馬 理， 吉艷芝， 巨曉棠， 張麗娟*

(1 河北農業大學資源與環境學院， 河北省農田生態環境重點實驗室， 河北保定 071000；2 河北省永清縣蔬菜管理局， 河北廊坊 065600； 3 中國農業大學資源與環境學院/教育部植物-土壤相互作用重點實驗室， 北京 100193)

不同水氮條件下雙氰胺(DCD)對溫室黃瓜土壤氮素損失的影響

張 琳1， 孫卓玲1， 馬 理2， 吉艷芝1， 巨曉棠3， 張麗娟1*

(1 河北農業大學資源與環境學院， 河北省農田生態環境重點實驗室， 河北保定 071000；2 河北省永清縣蔬菜管理局， 河北廊坊 065600； 3 中國農業大學資源與環境學院/教育部植物-土壤相互作用重點實驗室， 北京 100193)

減氮控水； N2O排放； 氨揮發； 無機氮； 產量； 經濟效益

我國是世界設施蔬菜生產第一大國，截至到2010年底，設施蔬菜年種植面積約達466.7×104hm2，分別占我國設施栽培面積的95%和世界設施園藝的80%[1]。與水田和旱作農業相比，設施菜田施肥量大，加之頻繁的灌水，施入的氮肥只有小部分被作物吸收，氮肥利用率僅在14.5%_22.5%[2]。損失的氮素主要以硝酸鹽的形式流失或淋溶到土壤深層，或經氨揮發、硝化—反硝化作用，以氨(NH3)、氮氧化物(NOx)等氣體形式進入大氣中[3]，從而造成了地下水的污染、水體富營養化及土壤中溫室效應氣體N2O的排放等[4-5]一系列環境問題。研究表明，適當的減氮控水措施能有效地控制氮素轉化，減少氮素損失[6-7]。為了進一步提高氮肥利用率，許多國家已經將硝化抑制劑應用到生產實際中。在眾多硝化抑制劑中，雙氰胺(Dicyandiamide，簡稱DCD，化學式為C2H4N4，一般為白色結晶粉末)因具有價格低廉、易溶于水、含氮量高、降解產物無污染等優點而備受人們青睞[8]。N2O是一種重要的痕量氣體，對全球氣候變暖和臭氧層破壞具有十分重要的意義[9]。農田生態系統因施氮引起的N2O排放占大氣N2O總排放的13%[10]。設施蔬菜種植體系中，通常施入大量的肥料，不僅造成了肥料浪費，而且會導致溫室氣體排放量增加[11]。國內外研究表明，施用DCD對減少土壤中N2O的排放有顯著效果。Ding 等[12]研究表明，DCD能減少小麥生長期39.0%的土壤N2O排放；季加敏等[13]在室內培養的試驗結果表明，與單施尿素相比，添加DCD能降低N2O排放總量的97.1%。盡管DCD對減少N2O排放和硝態氮的淋溶效果較為明顯，但對氨揮發的影響還存在爭議[14-15]。雖然雙氰胺能有效減少氮素損失，但大多數研究集中在農田三大主要糧食作物，設施蔬菜生產中的相關研究較少。本研究小組針對設施蔬菜種植體系中DCD的施用效果進行了深入研究。聶文靜等[16]研究表明，采取減氮控水同時配施DCD(氮素用量的10%)的方法能減少氮素損失；楊威等[17]在此基礎上對DCD的配比濃度做了進一步研究，結果表明，DCD用量為氮素投入量的15%時效果最顯著。因此，本研究將DCD濃度設定為氮素用量的15%，采用田間原位跟蹤的方法，在大幅度減氮和合理灌溉的基礎上配施DCD，通過監測追肥期間N2O排放通量、氨揮發速率及土壤中無機氮的動態變化，明確氮肥與DCD配施對設施菜田土壤氮素損失的影響，進而篩選最佳的田間管理措施，為我國北方設施蔬菜的氮肥高效管理提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2012年9月至2013年1月在河北農業大學永清縣現代蔬菜產業科技創新示范基地(E116°5′，N39°32′)進行。該試驗地0—30 cm土壤有機質含量12.5 g/kg、硝態氮145.7 mg/kg、銨態氮4.3 mg/kg、速效磷 70.2 mg/kg、速效鉀272.2 mg/kg、pH 8.1、土壤容重1.3 g/cm3。

1.2 試驗設計

供試蔬菜為黃瓜(CucumissativusL.)，試驗共設6個處理，每處理3次重復，具體處理及施氮情況見表1。試驗小區面積26.4 m2，田間隨機區組排列。磷、鉀肥均作為基肥在黃瓜種植前一次施入，所有處理磷、鉀肥施用量相同，磷肥用量為386.2 kg/hm2，鉀肥用量為289.5 kg/hm2。氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥用過磷酸鈣(含P2O512%)，鉀肥用硫酸鉀(含K2O 50%)。灌溉情況： 對照和傳統處理按傳統灌溉量，為758.8 t/hm2，其他處理進行控水灌溉，灌水量為傳統灌溉量的70%，為531.2 t/hm2，整個生育期共進行7次灌溉，追肥期間肥料隨水灌溉。本試驗于2012年9月19日定植，定植前撒施基肥并翻耕，收獲時間為2013年1月27日。試驗地總面積587.7 m2，黃瓜栽培模式為傳統的畦栽，畦寬1.2 m，畦間0.4 m，株距0.3 m，行距0.8 m，種植密度為4.9 ×104plant/hm2。在黃瓜整個生長期，按照當地傳統習慣進行田間管理。

1.3 測定項目與分析

1.3.1 N2O氣體的采集與測定 采用密閉式靜態箱法測定。每次灌水施肥后第1天開始連續一周采樣(若水肥管理間隔時間較長，酌情加密采樣)，采樣時間為每天上午9: 00_11: 00，每隔20 min采樣1次，在0、20、40 min 時采集氣樣并同步測定箱內溫度。N2O氣體樣品用Agilent GC6820氣相色譜儀進行分析。

N2O的排放通量的計算公式[18]為:

F =ρ×V/A×dc/dt×273/(273 + T)×60

式中： F為N2O排放通量[μ g/(m2·h)]；ρ為標準狀態下N2O的密度，其值為1.25 kg/m3；V表示密閉箱內溫室氣體所能容納的有效體積(m3)；A為箱內土面面積(m2)；dc/dt表示單位時間內密閉箱內N2O濃度的變化量[/(109·min)]；T為測定時密閉箱內平均溫度(℃)。

1.3.2 NH3揮發的采集與測定 采用密閉室法測定，與N2O氣體同步監測。試驗時將20 mL 2%的硼酸溶液加入到50 mL的蒸發皿中，吸收24 h后用標準硫酸滴定硼酸中所吸收的氨。

氨揮發速率計算公式為[19]： υ=M/A/D×10-2

式中： υ為氨揮發速率[kg/(hm2·d)]；M為密閉法單個裝置每次測得的氨量(NH3-N，mg)；A為捕獲裝置的橫截面積(m2)；D為每次連續捕獲的時間(d)。

1.3.3 土壤樣品的采集與測定 每次追肥后第1、3、5、7、9 d采集0—10 cm表層鮮土，用于測定土壤中無機氮的變化情況；在前兩次追肥后半個月左右分別采集0—90 cm土層(間隔30 cm)樣品，定植前和第3次追肥后半個月左右(即收獲后)分別采集0—180 cm土層土樣，用于測定土壤剖面中的硝態氮含量，研究其分布和淋移狀況。采集的新鮮土樣用1.0 mol/L KCl浸提，過濾后濾液放入-20℃冰柜中保存，用連續流動分析儀(TRACCS 2000)測定濾液中的無機氮含量。

1.3.4 產量的測定 第一次采收前在各小區中間兩畦標記10株黃瓜進行計產。每次采收時，對各試驗小區標記的黃瓜植株進行采收，用電子臺秤稱重后，以小區為單位記錄黃瓜產量。

1.3.5 土壤基本理化性質的測定 土壤容重采用環刀法； pH用電位計(土水比為1 ∶2.5)測定；有機質用重鉻酸鉀容量法；無機氮用1.0 mol/L KCl浸提，流動分析儀測定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定；速效鉀用1.0 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法測定[20]。

1.4 數據處理與統計分析

N2O排放系數=以N2O形式損失的氮量/所施用的氮量[21]。

氮素平衡計算公式：

氮素表觀損失=氮素輸入量-氮素輸出量

氮素盈余量=氮素輸入量-作物吸收的氮素

氮素損失率=1-氮素輸出量/氮素輸入量×100%

其中： 氮素輸入量包括種植前土壤中的氮素、有機氮素表觀礦化量、肥料中的氮素和隨灌溉水帶入的氮素；氮素輸出量包括作物吸收的氮素和土壤殘留的氮素。

試驗數據采用Microsoft Excel進行處理，用SAS 8.0統計軟件進行單因素方差分析，顯著性水平設定為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 土壤N2O排放通量

2.1.1 N2O排放通量的變化 在黃瓜生長期追施氮肥能顯著提高N2O排放(圖1)，每次施用氮肥后，無論添加DCD與否，所有施氮處理的N2O排放通量均呈先升高后降低的趨勢。在整個監測期間，施氮處理土壤的N2O排放高峰均出現在施肥灌水后的第3d；與傳統水氮處理相比，R1、R2、R1+DCD和R2+DCD處理的 N2O排放通量的峰值范圍分別降低了65.3%_80.9%、48.7%_84.4%、74.3%_93.2%和91.4%_97.5%，說明在減氮基礎上添加DCD能顯著降低土壤N2O的排放。

2.1.2 N2O累積排放量 由圖2可知，在整個監測期間，對照處理(CK)土壤的N2O排放總量較低，N2O累計排放量(以N計)只有0.12 kg/hm2。在各施氮處理中，傳統水氮管理(T)顯著高于其他減氮控水處理，N2O累積排放量達到2.39 kg/hm2。 R1和R2處理的土壤N2O排放總量分別為0.39 kg/hm2和0.50 kg/hm2，施用DCD后(R1+DCD和R2+DCD)減少至0.23 kg/hm2和0.18 kg/hm2，分別減少了42.1%和64.1%的N2O排放。進一步分析表明，T處理的土壤N2O排放系數比減氮控水處理高，排放系數(EF)為0.56%。R1和R2土壤N2O的排放系數分別為0.21%和0.24%，加施DCD后，R1+DCD和R2+DCD的土壤N2O排放系數減少至0.08%和0.04%。

2.2 土壤氨揮發損失

2.2.1 氨揮發速率的變化 氨揮發是氮肥損失的重要途徑，氮肥施入土壤后會迅速溶解轉化成銨態氮，有一部分以氨的形式揮發損失到大氣中。本試驗對黃瓜追肥期間氨揮發速率的動態變化進行了監測，由圖3可以看出，每次追肥灌水后，各施氮處理的氨揮發速率均表現出相似的變化趨勢，即在施肥灌水后第1_2 d達到最高峰，之后呈現逐漸降低的趨勢。在整個監測期間，傳統水氮處理(T)由于較高的氮輸入量，因而氨揮發速率相對較高，變化范圍為0.01_0.32 kg/(hm2·d)；R1和R2的氨揮發峰值均為0.19 kg/(hm2·d)，施加DCD后，R1+DCD和R2+DCD的氨揮發峰值顯著增加至0.25 kg/(hm2·d)和0.35 kg/(hm2·d)，這表明DCD在一定程度上增加了氨揮發損失的風險。

2.2.2 氨揮發損失量 分析黃瓜追肥期間土壤氨揮發累積排放量(圖4)，結果表明， CK的氨揮發累積量為1.13 kg/hm2，顯著低于各施氮處理。T處理的氨揮發累積量為3.09 kg/hm2，顯著高于R1、R2和R1+DCD處理，但與R2+DCD無顯著差異。 R1和R2的氨揮發累積量分別為1.70 kg/hm2和1.71 kg/hm2，施用DCD后，R1+DCD和R2+DCD處理的氨揮發累積量顯著增加至2.59 kg/hm2和2.86 kg/hm2，分別增加了34.3%和40.4%的氨揮發損失。進一步分析表明，R1和R2中施入的氮素以NH3揮發形式損失的量分別占氮素總投入量的0.46%和0.35%，施用DCD后這一比值增加至1.17%和1.06%。

2.3 土壤剖面硝態氮的分布及淋移潛勢

土壤硝態氮的剖面分布情況如圖5所示。在整個監測期間，CK處理的土壤剖面中硝態氮含量一直處于較低水平。T處理在0—60 cm土壤剖面均檢測到大量的硝態氮，與其他處理差異顯著，在前兩次追肥后尤為明顯，表明傳統施肥灌溉會導致表層土壤硝態氮的大量累積，存在較強的向下層淋溶趨勢。各減氮處理均在不同土層出現硝態氮的累積峰，3次追肥后累積峰分別出現在30—60 cm、60—90 cm和90—120 cm土層，表明在黃瓜生長期間，土壤硝態氮已經有向下層淋洗的趨勢。在前兩次追肥后，R1處理0—30 cm和30—60 cm土層的硝態氮含量均顯著高于R1+DCD處理；R2處理0—30 cm土層的硝態氮含量均顯著高于R2+DCD處理；在第3次追肥后，R1處理在0—30 cm 土層的硝態氮含量顯著高于R1+DCD處理，R2處理也高于R2+DCD處理。由此可見，DCD有助于減少硝態氮的累積，對0—30 cm根區硝酸鹽淋洗的抑制作用較為明顯。

2.4 黃瓜生長期的氮素損失

從表2可以看出，在黃瓜生育期內，0—30 cm土壤-蔬菜體系中，傳統水氮處理(T)的氮素表觀損失顯著高于其他施氮處理。從氮素盈余量來看，T處理的氮素盈余顯著高于其他施氮處理，R1和R2處理的氮素盈余量無顯著差異；施用DCD后氮素盈余顯著降低，表明加施DCD能夠有效提高氮素的利用率，減少土壤氮素盈余。從氮素損失率來看，T處理的氮素損失率為53.3%，高于其他處理；其中R1+DCD和R2+DCD 處理的氮素損失率比相應的R1和R2處理有所降低，表明加施DCD對減少土壤氮素損失有一定的作用。

注(Note): PP—Pre-planting; NM—Net mineralization; CA—Crop absorption；SR—Soil residual; NAL—N apparent loss; NS—Nitrogen surplus; NLR—Nitrogen loss rate.

2.5 土壤無機氮與氣態損失的相關性分析

通過對本試驗表層土壤無機氮含量與氣態損失的相關分析(圖6)可以看出，在黃瓜追肥期間，表層土壤硝態氮含量與N2O排放通量呈極顯著的正相關(r=0.7654**)；銨態氮與氨揮發損失呈極顯著的正相關(r=0.6576**)。

2.6 產量及經濟效益分析

R2+DCD處理的小區黃瓜產量為178.3 kg/plot，與T處理相比，增產率為23.3%，顯著高于其他處理；T處理的小區黃瓜產量為144.6 kg/plot，與R1、R2和R1+DCD處理間差異不顯著。以上數據表明，各減氮處理基本達到穩產，其中R2+DCD處理的增產效果明顯。

從經濟效益的角度分析，適當減氮控水能降低投入成本。表3顯示，R2和R2+DCD處理的經濟效益分別為111700和131100 yuan/hm2，均高于其他處理；其中R2+DCD處理的效果更明顯，與T處理相比，經濟效益增加25560 yuan/hm2。以上分析表明，在控水灌溉條件下，采用推薦施氮Ⅱ+DCD(施氮量的15%)的施肥管理措施能有效提高經濟效益和生態效益。

3 討論

目前硝化抑制劑在提高氮素利用率、減少N2O排放等[22]方面起到了很好的效果。本試驗研究表明，采取減量施氮和控水灌溉的措施是切實可行的，并在此基礎上施用硝化抑制劑DCD，不僅保證蔬菜獲得一定的產量，而且減少了氮素損失對生態環境的威脅。在整個監測期間，施氮處理土壤N2O排放高峰均出現在施肥灌水后的第3 d。與郝小雨等人[23]的研究結果有所差異，其原因可能是種植季節不同，秋冬季由于棚內溫度處于較低狀態，土壤N2O排放量降低且高峰期推遲[24]。在不考慮施肥種類的情況下，低水平施肥能有效地減少N2O-N的損失，通常情況下，N2O排放量占肥料使用量的0.01%_2.00%[25]。邱煒紅等[21]研究表明，施用DCD顯著減少了菜地(小白菜和辣椒)農田土壤N2O的排放。本研究中R1和R2施加DCD的處理顯著減少了42.1%和64.1%的N2O排放；N2O排放系數分別從0.21%和0.24%減少至0.08%和0.04%。大量施用氮肥可顯著促進土壤N2O排放，并隨著施氮量的增加而增加[24]。研究表明，超過正常施肥量，土壤中硝態氮濃度隨施氮量的增加呈線性增長趨勢[26]。本試驗在不考慮各處理之間差異的條件下，表層土壤硝態氮含量與N2O排放通量呈極顯著正相關。

注(Note): 經濟效益=總產出-總投入(包括施肥成本、DCD成本和灌溉成本) The economic benefit is equal to the total output minus total investment (including fertilization, DCD and irrigation costs).

在本試驗中，溫室黃瓜土壤氨揮發損失的峰值出現在追肥后的第1_2 d，之后呈現逐漸降低的趨勢。原因可能是菜田土壤含水量長期保持在較高水平，含水量較高會加快氮肥的水解和硝化作用的進行[27]。在整個追肥期間，R1和R2施用DCD的處理氨揮發累積量分別增加了34.3%和40.4%，以NH3形式損失的量占氮素總投入量的比值分別增加至1.17%和1.06%。以上數據表明，DCD的施用使土壤較長時間保持較高的銨態氮濃度，雖然有助于減少N2O的排放量和硝酸鹽的淋失，但卻提高了氨揮發的威脅。Tao等[28]認為添加DCD會降低土壤氨揮發損失量，與本試驗結果有差異，原因在于作物生長體系和DCD設定濃度不同。習斌等[29]研究表明，在沒有任何限制因素存在的條件下，表層土壤銨態氮含量與氨揮發速率之間呈顯著正相關。本試驗中氨揮發損失量隨表層土壤銨態氮含量的增加而增大，兩者呈極顯著正相關。

從硝態氮剖面分布情況來看，各減氮控水處理土壤硝態氮累積峰逐漸下移，表明土壤硝態氮已經有向下層淋洗的趨勢。施加DCD有助于減少硝態氮的累積，對根區硝酸鹽淋洗抑制作用較為明顯，可能由于施加DCD后，土壤對有效態氮的固持以及增加的氨揮發潛勢占相對優勢，最終使土壤中的硝態氮累積量降低[30]。寇長林等[31]研究結果表明，中國北方集約化大棚蔬菜種植體系氮素年盈余量介于620_8084 kg/hm2之間，本試驗中氮素年盈余量2509_5132 kg/hm2，與其平均值基本相當。傳統水氮處理由于施氮量和灌溉量較大，因而在0—30 cm土層的氮素盈余量顯著高于其他施氮處理。施用DCD后能有效地提高氮素的利用率，對減少土壤氮素損失有一定的作用。

適當減氮控水不僅能夠滿足作物生長所需要的氮素，而且有利于提高氮素利用率，減少資金的投入。研究表明，傳統水氮并不能顯著提高蔬菜的氮素吸收量，對增產無顯著效果[32]。在本試驗中，推薦水氮Ⅱ+DCD(R2+DCD)處理的小區黃瓜產量為178.3 kg/plot，增產高達23.3%。與傳統處理相比，推薦水氮Ⅱ+DCD的處理節本增收效果最為明顯，經濟效益增加25560 yuan/hm2。有研究表明，DCD濃度設定為氮素用量的10%時能顯著抑制硝化作用進程[33]，以往在農民的意識中，增施DCD等硝化抑制劑會大大增加成本，但實際生產中，適量施氮同時添加DCD(氮素用量的15%)不僅使產量和經濟效益增加，而且對保護環境具有重大意義。

4 結論

1)在本試驗條件下，適度減氮控水措施是切實可行的。既滿足了作物生長所需要的氮素，又減少了氮素的盈余，提高了氮素的利用率，且不影響作物的產量。

2)減氮控水同時配施DCD的氮素管理措施，雖然增加了氨的揮發損失，但對減少土壤N2O排放量和氮素盈余的效果更為明顯。

3)在控水灌溉條件下，推薦施氮Ⅱ+DCD(氮素用量的15%)處理效果最佳，黃瓜產量及經濟和環境效益均高于其他水氮管理措施。

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Effects of dicyandiamide on nitrogen loss from cucumber planting soil in intensive greenhouse under different irrigation and nitrogen conditions

ZHANG Lin1, SUN Zhuo-ling1, MA Li2， JI Yan-zhi1， JU Xiao-tang3, ZHANG Li-juan1*

(1CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences，AgriculturalUniversityofHebei/KeyLaboratoryforFarmlandEco-environmentofHebeiProvince，Baoding,Hebei071001，China； 2VegetableManagementBureauofYongqingCounty，Langfang,Hebei065600，China； 3CollegeofResourcesandEnvironmentalSciences，ChinaAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofPlant-SoilInteractionsofMinistryofEducation，Beijing100193，China)

reduction of nitrogen and water control; N2O emission; ammonia volatilization; inorganic nitrogen; yield; economic profit

2013-11-17 接受日期： 2014-08-25

農業部“948”項目(2012-Z36)；河北省教育廳項目(Q2012130)資助。

張琳(1989—)，女，漢族，河北廊坊人，碩士研究生，主要從事環境質量評價與監控的研究。 Tel: 0312-7528210, E-mail： linzhang_2013@163.com。 * 通信作者 Tel: 0312-7528210， E-mail: lj_zh2001@163.com

S153.6+1

A

1008-505X(2015)01-0128-10