硝化抑制劑影響小麥產量、N2O與NH3排放的研究①

孫海軍，閔 炬，施衛明*，祝介貴

(1 佛山科學技術學院食品科學與工程學院，廣東佛山 528000；2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 3臨朐縣九山鎮人民政府，山東濰坊 262500)

硝化抑制劑影響小麥產量、N2O與NH3排放的研究①

孫海軍1,2，閔 炬2，施衛明2*，祝介貴3

(1 佛山科學技術學院食品科學與工程學院，廣東佛山 528000；2 土壤與農業可持續發展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所)，南京 210008； 3臨朐縣九山鎮人民政府，山東濰坊 262500)

通過田間小區試驗研究不同施氮水平下，施用硝化抑制劑CP對小麥產量、氮素利用率、氧化亞氮(N2O)排放與氨(NH3)揮發的綜合影響規律。結果表明：在施氮水平為140 kg/hm2與180 kg/hm2時，施用CP促使小麥產量分別顯著增加17.8% 和15.4%，在同一施氮水平下，施用CP促進小麥氮素利用率提高11.3% ～ 25.2%。施用硝化抑制劑CP可以降低麥季(特別是基肥與穗肥施用時期)土壤N2O的排放速率，并顯著減少39.3% ～ 53.7% 的累積N2O排放量。但是在兩個施氮水平下，施用CP導致麥季NH3揮發量增加1.46 ～ 1.75倍，而且此效應主要發生于基肥與穗肥觀測期。本研究說明：在麥季施用硝化抑制劑CP可以提高氮素利用率，從而提高小麥產量，并且能減少N2O排放，但同時會導致一定程度的NH3揮發增加，需加以控制。

氮素利用率；氨揮發；氧化亞氮；施氮量；硝化抑制劑

氮素是作物正常生長發育所必需的大量營養元素之一，施用氮肥是保證作物高產的重要措施。但是，氮肥施用過量或管理措施不當等都會導致氮素利用率降低和環境流失風險增加[1]。根據前人研究報道，施用硝化抑制劑是提高作物氮素吸收利用率、減少損失的有效技術措施之一[2-6]。前人研究中常用硝化抑制劑有：雙氰胺(DCD)、3, 4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)和2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)等[2-4]。其作用原理是通過抑制土壤中硝化微生物的銨氧化過程，減少土壤中銨態氮(NH4+-N)向硝態氮(NO-3-N)的生物轉化機率，使土壤中NH4+-N濃度能在較長時間內維持在較高水平，從而促進作物對氮的吸收和微生物固持，減少氮肥環境損失，提高氮素利用效率[2,5-6]。

但是，已有研究表明硝化抑制劑的施用效果與土壤類型、pH和溫濕度等諸多環境條件顯著相關[7-9]。前人針對硝化抑制劑的研究多是在同一施氮水平下研究其對氮素轉化過程的影響[7,10]或者比較不同硝化抑制劑的施用效果等[8,11-12]。而對硝化抑制劑的施用效果與施氮水平的關系研究不充分。孫海軍等[4,13]研究表明，硝化抑制劑CP應用于水稻的效果與施氮水平顯著相關：即在CP施用條件下，稻季施氮量由240 kg/hm2降至180 kg/hm2可以保證水稻高產。在以水稻-小麥為主要輪作制度的太湖地區，麥季的溫濕度條件等顯著不同于稻季，那么不同施氮量條件下CP施用對氮素利用率及小麥產量影響如何？需要進一步評價。已有研究充分表明：施用于麥季土壤的硝化抑制劑能夠通過減緩土壤中無機氮的硝化過程，從而有效減少N2O排放[10,14-15]。與此同時，硝化抑制劑的施用會導致較高的土壤pH和NH4+-N含量[5-6]，這兩個因素極有可能導致麥季NH3揮發損失增加。但是，目前尚缺乏田間試驗驗證，在推廣施用硝化抑制劑時，需要綜合考慮這一點。此外，已有研究表明，硝化抑制劑對土壤中NH4+-N的硝化抑制效果隨施用時間延長而逐漸降低[7,16]。那么，在氮肥多以基肥和追肥分次施用的小麥高產體系中，施用硝化抑制劑CP在小麥不同生育期(特別是關鍵施肥期)對N2O排放和NH3揮發的影響規律及發揮作用的關鍵時期如何，尚不清楚。

為此，本研究擬通過田間小區試驗研究在不同施氮量處理下，添加硝化抑制劑CP對太湖地區小麥產量及氮素利用率的影響，及其對麥季N2O排放和NH3揮發的影響效果及規律，為該地區小麥種植體系中氮素優化管理和減少氮素環境損失提供理論依據與技術指導。

1 材料與方法

1.1 材料

田間小區試驗于2013年11月—2014年6月在江蘇省宜興市丁蜀鎮渭瀆村開展。該地區為亞熱帶季風氣候，年降雨量為1 100 ～ 1 400 mm，年平均氣溫為16oC左右。根據國際糧農組織(FAO)土壤分類系統，供試土壤類型為發育于湖積物的滯水潛育人為土，是太湖區域代表性土壤類型。耕層(0 ～ 15 cm)土壤基礎性質為：全氮1.56 g/kg，速效氮120 mg/kg，有效磷14 mg/kg，速效鉀40 mg/kg，有機質22.7 g/kg，pH (H2O) 6.25。

本研究所用硝化抑制劑的有效成分為2-氯-6-三氯甲基吡啶(N-serve，CP)，在乳液成品中含量為24%，由浙江奧復托化工有限公司提供成品。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗共設置5個處理，分別為：①CK ，無氮肥對照；②N140，施氮140 kg/hm2；③N140+CP，施氮140 kg/hm2，配施CP；④N180，施氮180 kg/hm2；⑤N180+CP，施氮180 kg/hm2，配施CP。每處理3次重復，共計15個小區(5 m × 6 m)。本研究中氮肥分3次施用：30% 作為基肥，30% 作為分蘗肥，40% 作為孕穗肥，施用時間分別為2013年11月23日，2014年1月14日和3月14日。CP在3次施用氮肥時，按照有效成分為尿素質量0.25%的比例均勻噴于尿素顆粒表面施用。各處理施用等量磷、鉀肥，施用量分別為60 kg/hm2(以P2O5計)和90 kg/hm2(以K2O計)，磷、鉀肥均作為基肥一次施用。在上季作物水稻收獲后翻耕土壤，同時施用基肥，然后播種小麥，同步開始相關測試項目。小麥季試驗期間水、肥、藥等管理措施均同當地農戶，小麥于2014年6月5日收獲。

1.2.2 樣品采集及測定 1)小麥產量與氮素利用率的測定。小麥成熟后，去除距離小區田埂1 m范圍內植株以減少邊際效應干擾，采集每小區有效面積(4 m × 5 m)內所有小麥地上部分，曬干稱重，記錄小麥生物量。然后，剪取小麥穗部，脫粒，稱重，記錄小麥產量。小麥氮素利用率(NUE，%)=(施氮處理小麥總吸收氮量-不施氮處理小麥總吸收氮量)/麥季氮素投入量×100。小麥植株全氮量采用硫酸消解-凱氏定氮法測試。

2) 麥季N2O排放與NH3揮發量的測定。麥季N2O采集與檢測采用靜態箱-氣相色譜法[4]。靜態箱尺寸為內徑25 cm，高100 cm。取樣時將其置于水槽底座中形成一密閉空間，然后在密閉15、30 和45 min時分別采集箱內氣體樣品，用氣相色譜(Agilent 7890A)分析其中N2O濃度。通過以下公式計算N2O排放通量：

式中：F為 N2O 排放通量(μg/(m2·h))，ρ為標準狀況下N2O氣體密度(1.25 kg/m3)，h為靜態箱高度，Δc/Δt為靜態箱內氣體濃度隨時間的變化率(μg/(L·h))，T為采氣箱內絕對溫度。在每次施肥后的第 2、4、6、8 天加密采集氣體樣品，平時觀測周期內每10 ～ 12 d采集一次氣體樣品。采用積分法計算麥季累積 N2O排放量。

麥季NH3揮發量觀測采用連續動力抽氣-密閉室法[4]。本研究中用于測定NH3揮發的密閉室尺寸為內徑15 cm、高 20 cm的透明有機玻璃罩；所用吸收液為2% 濃度的硼酸溶液，每1 L吸收液加20 ml 甲基紅/溴甲酚綠混合指示劑，滴定用標準硫酸濃度為0.098 5 mol/L。NH3揮發測定于每次施氮肥后立即開始，于每日上午8：00—10：00與下午14：00—16：00進行。在觀測過程中發現，由于麥季溫度較低、降雨頻發，導致土壤水分含量高等原因，每日NH3揮發量不高。如果選擇每日滴定，會造成較大操作誤差，為避免此問題，本研究在施肥后連續10 d抽氣，在監測結束時集中滴定，計為當次施肥后NH3揮發損失總量。

1.2.3 數據分析 采用Excel 2007辦公軟件對數據進行基礎統計與分析。各處理之間差異性比較采用SPSS 16.0軟件進行方差分析和Duncan多重比較方法(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 小麥產量與氮素利用率

表1數據表明，本研究中小麥產量為2.51 ～ 6.28 t/hm2，施用氮肥顯著增加小麥產量，4個施氮處理的小麥產量為對照處理的1.77 ～ 2.50倍，且小麥產量隨施氮水平的提高顯著增加(P＜0.05)。其中，N180處理比N140處理產量高22.2%，N180+CP處理比N140+CP處理產量高19.8%。試驗結果同時表明：在不同施氮水平下，施用硝化抑制劑CP均可以顯著提高小麥產量(P＜0.05)，其中N140+CP處理比N140處理小麥產量高17.8%，而且能夠達到180 kg/hm2施氮處理的產量水平；在180 kg/hm2施氮水平下，CP施用可顯著提高小麥產量15.4% (P＜0.05)。

從表1結果還可知，不同施氮處理下小麥氮素吸收利用率為22.6% ～ 33.5%，在本研究中，隨著施氮水平的提高，小麥氮素利用率顯著升高。其中，N180處理和N180+CP處理的氮素利用率分別比N140和N140+CP處理高22.2% 和19.8%。這可能與高施氮水平下小麥生物量大，因此能夠吸收更高量的氮有直接關系。結果同時表明，在同一施氮水平下，添加硝化抑制劑CP的處理中小麥的氮素利用率均有所提高。其中，當施氮水平為140 kg/hm2時，CP施用下小麥氮素利用率顯著提高25.2%(P＜0.05)，當施氮量增加至180 kg/hm2時，CP施用仍可使氮素利用率提高11.3%，但未達到統計學的顯著水平(P＜0.05)。

表1 不同施氮水平下施用CP對小麥產量和氮素利用率的影響Table 1 Effects of CP application on wheat grain yields and N usage efficiency under two N application rates

2.2 麥季N2O排放動態變化和累計排放量

在小麥生長周期內，均可以監測到一定量的N2O排放(圖1)。由圖1可知，麥季各處理N2O的排放峰值主要出現在基肥和穗肥施用后的1 ～ 15 d。另外，在穗肥施用前，由于氣候溫度的升高和降雨導致的水分劇烈變化等原因，也監測到N2O排放峰值。在N2O排放高峰時期，施用硝化抑制劑CP能夠顯著降低N2O排放速率(P＜0.05)。比如：基肥和穗肥施用后，N140處理的4次連續觀測的N2O平均排放速率分別為204.7 μg/(m2·h)和154.4 μg/(m2·h)，N140+CP處理分別降至126.6 μg/(m2·h)和79.2 μg/(m2·h)；而在180 kg/hm2施氮水平下，兩個施肥階段的N2O平均排放速率分別由N180處理的283.9 μg/(m2·h) 和226.7μg/(m2·h) 降至N180+CP處理的142.2 μg/(m2·h)和83.4 μg/(m2·h)。

從圖2結果可知，施氮處理下麥季N2O排放總量為2.26 ～ 5.77 kg/hm2，占麥季氮素投入量的1.01% ～2.73%。在不施用硝化抑制劑CP的情況下，當施氮量由140 kg/hm2增加至180 kg/hm2時，N2O排放總量顯著增加 54.8%(P＜0.05)。施用硝化抑制劑CP后，此增加效應減弱：N180+CP處理僅比N140+CP處理的N2O排放總量高18.1%，且差異未達顯著水平(P＜0.05)。更有意義的是：在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮水平下，施用CP均能夠顯著降低兩個施氮水平處理下的麥季N2O排放總量，降低比例分別為39.3%和53.7%(P＜0.05)。

圖1 不同處理下麥季N2O排放速率的動態變化Fig. 1 Changes of N2O emission rates during wheat growth season under different treatments

圖2 不同施氮水平下施用CP對麥季累計N2O排放的影響(CK處理麥季累計N2O排放量為0.85±0.26 kg/hm2)Fig. 2 Effects of CP application on seasonal cumulative N2O emissions under two N application rates

2.3 麥季NH3揮發量

本研究中，施氮處理麥季累計NH3揮發量為2.01 ～7.31 kg/hm2，占氮素投入量的0.64% ～ 3.56%，且不同處理之間NH3揮發排放量差異顯著(P＜0.05)。表2數據說明，施氮量增加會導致NH3揮發損失顯著增加(P＜0.05)，該效應存在于3次施肥觀測期，且在硝化抑制劑施用條件下亦如此(表2)。試驗結果同時說明，施用硝化抑制劑CP導致麥季累計NH3揮發量顯著增加。在140 kg/hm2與180 kg/hm2施氮水平下，施用CP導致麥季不同施肥階段NH3揮發量分別增加39.1% ～ 78.8% 和10.8% ～ 64.7%；同時導致施用CP處理下NH3揮發累計排放量是等氮量投入下未施用CP處理的1.75倍和1.46倍，此效應主要發生于基肥和穗肥施用時期(表2)，差異均達到顯著水平(P＜0.05)。

表2 施用CP 硝化抑制劑對小麥不同施肥觀測期NH3揮發量的影響Table 2 Effects of CP application on NH3 volatilization under different fertilization stages in wheat season

3 討論

本研究中氮肥施用量增加促進小麥產量提升，而且施用硝化抑制劑CP具有顯著的增產效果，當施氮量為140 kg/hm2和180 kg/hm2時，CP施用可分別促進小麥增產17.8% 和15.4%。同時，本研究結果表明小麥氮素利用率在施用CP條件下提高11.3% ～25.2%(表1)。因此，施用硝化抑制劑促進小麥產量提升的主要原因之一是CP增加小麥對氮的吸收，提高氮素利用效率。與本研究結果一致，劉歡等[17]發現在195 kg/hm2施氮水平上，配施抑制劑處理可使小麥增產9.0% ～ 24.6%。另有學者報道，幾種常見硝化抑制劑(如DCD、DMPP等)用于小麥生產均具有增產效果[11-12,18]。而華建峰等[8]研究表明，硝化抑制劑處理的春小麥產量沒有明顯提升，主要原因是其研究中抑制劑處理小麥的倒伏問題影響了產量，這與其設定施氮量偏高(底肥施氮量即高達105 kg/hm2)有關系。本課題前期研究工作發現，在施用硝化抑制劑條件下可將施氮量由240 kg/hm2降至180 kg/hm2，能夠保證水稻高產[4]。在本研究中，兩個施氮水平下施用CP均增加小麥產量，那么在該區域小麥種植體系下繼續增加施氮量，CP施用是否仍有增產效果？仍需要進一步研究。由此可見，今后需要尋找一個相對適宜施氮量：在該施氮量下，既能保證小麥高產，而且氮素利用率高，環境損失少。

施用氮肥是土壤產生N2O的主要因素。本研究中氮肥施用量增加導致土壤N2O排放通量顯著提高。根據前人報道，旱作系統中硝化抑制劑處理能減少氨氧化細菌的群落數量，降低硝化速率，使土壤中NH4+-N在較長時間內維持在一個較高水平，而使NO-3-N處于較低水平，發揮抑制硝化過程的作用[7]。而且，施用硝化抑制劑會增加土壤微生物對氮的固持，從而減少N2O排放[9]。本研究結果亦表明，施用硝化抑制劑CP可以顯著降低不同施氮水平處理下麥季N2O累積排放量。在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮水平下，施用CP分別降低N2O排放39.3% 和53.7%。特別是在基肥與穗肥施用后觀測周期內，CP施用能夠顯著降低N2O排放速率(圖1)，從而減少整個小麥生長季的累積N2O排放量。與本研究結論相一致，Bhatia等[10]報道，施用硝化抑制劑可減少麥季由于N2O排放導致的溫室效應13.5% ～ 19.5%。本研究中，硝化抑制劑分次與氮肥同時施用，減排N2O效果更明顯。同時有研究表明，施用DCD能顯著降低菜地土壤N2O排放速率和排放總量[19-20]。這說明，相較于常規尿素處理，硝化抑制劑CP施用確實能夠抑制氮素從NH4+-N向NO-3-N的轉化，從而減少N2O排放，在不同種植體系中溫室氣體減排方面均表現出良好效果。

容易理解，當施氮水平由140 kg/hm2增加至180 kg/hm2時，麥季NH3揮發量顯著增加，占氮素投入量的比例也隨之增加。根據前人報道，硝化抑制劑在與銨態氨肥或者尿素配合施用時，受土壤環境和自身特性等綜合因素的影響，在抑制土壤中氮素硝化-反硝化過程的同時有加劇NH3揮發的潛在幾率[7,21-22]。本研究表明，在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮水平下，施用硝化抑制劑CP導致NH3揮發量分別增加74.6%和45.6%。與本研究結果一致，前人在菜園土研究結果表明，硝化抑制劑DCD施用顯著增加NH3揮發損失[23]。而且，Zaman等[24]報道，硝化抑制劑DCD的施用在春、秋季分別增加15.6% 和39.0% 的牧地土壤NH3揮發。在本研究中發現，施用CP減少N2O排放效果顯著的基肥和穗肥觀測周期內，也是其增加NH3排放的兩個關鍵時期。可見，硝化抑制劑在成功抑制麥季土壤NH4+-N硝化作用的同時，也加劇了其通過NH3揮發損失的風險。而且，根據前人研究報道，添加硝化抑制劑DCD處理的土壤pH一直處于較高水平，NH3揮發強度與土壤pH同步，導致DCD處理土壤NH3揮發量高達對照處理的523.0% ～575.8%[23]。尿素氮施入土壤后，其水解過程可使土壤pH暫時升高，隨著硝化作用的進行，土壤pH又呈下降趨勢[23]。而硝化抑制劑恰好可以抑制硝化作用，使土壤在更長的時間內保持較高的NH4+-N含量和pH，這兩個因素導致NH3揮發在一定程度上增加。不過，本研究中NH3揮發損失絕對量為2.01 ～ 7.31 kg/hm2，僅占當季尿素氮投入量的0.64% ～ 3.56% (表2)，處于一個較低水平，而且在應用硝化抑制劑時，聯合其他措施(如添加脲酶抑制劑、浮萍接種等)可以控制NH3揮發[8,26-27]。因此，施用硝化抑制劑CP對太湖地區小麥種植仍然是一較有利選擇。

4 結論

1) 在140 kg/hm2和180 kg/hm2施氮量處理下，施用硝化抑制劑CP可以提高小麥氮素利用率11.3% ～25.2%，并增加小麥產量15.4% ～ 17.8%。同時，施用硝化抑制劑CP能有效減少39.3% ～ 53.7% 的麥季土壤N2O排放。

2) 施用CP導致麥季氮素NH3揮發量增加1.46 ～1.75倍，但NH3損失絕對量較低，僅為2.01 ～ 7.31 kg/hm2(占當季投入氮的0.64% ～ 3.56%)，在生產實踐中可以有效控制。

3) 綜合考慮對氮素利用率與小麥產量，N2O排放及NH3揮發的影響，施用CP是一種較有利選擇。

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Effects of Nitrification Inhibitor Application on Wheat Grain Yield,N2O Emission and NH3Volatilization

SUN Haijun1,2, MIN Ju2, SHI Weiming2*, ZHU Jiegui3
(1 School of Food Science and Engineering, Foshan University, Foshan, Guangdong 528000, China; 2 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 3 People’s Government of Jiushan Town, Weifang, Shandong 262500, China)

A field pilot-scale experiment was conducted to evaluate the comprehensive effects of nitrification inhibitor CP application on wheat grain yield, nitrogen usage efficiency (NUE), nitrous oxide (N2O) emission and ammonia (NH3)volatilization from soil under different N applied rates. Results showed that CP application significantly increased wheat grain yield by 17.8% and 15.4% when N applied rates were 140 kg/hm2and 180 kg/hm2, respectively. Furthermore, the NUE of wheat was increased by 11.3%—25.2% under CP added treatments. The application of CP decreased N2O emission rates (especially during the observed periods after basal and earing fertilizers applied) and thereby reduced wheat seasonal cumulative N2O emissions by 39.3%—53.7%. However, the total NH3volatilization of wheat season observed under CP added treatments were 1.46—1.75 folds of that observed under their counter treatments without CP, which were mainly observed during the monitoring periods of basal and earing fertilization. We conclude that the CP application can promote the NUE of wheat, thereby enhance wheat grain yield, and reduce N2O emission, whereas lead to higher NH3losses at a certain degree, thus should be controlled.

Nitrogen usage efficiency; Ammonia volatilization; Nitrous oxide; Nitrogen application rates; Nitrification inhibitor

S143.1+6；S19

A

10.13758/j.cnki.tr.2017.05.003

國家青年科學基金項目(31601832)，江蘇省青年科學基金項目(BK20160931)和土壤與農業可持續發展國家重點實驗室開放基金項目 (Y412201425)資助。

* 通訊作者(wmshi@issas.ac.cn)

孫海軍 (1987—)，男，山東濰坊人，博士，高級實驗師，主要從事農田氮素循環及其環境效應與面源污染控制研究。

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