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氧化亚氮（N2O）是主要的温室气体之一，会破坏臭氧层。RAVISHANGDARA A R等的研究结果[1]表明，N2O是破坏臭氧层的最重要因子，并且被认为是21世纪最大的影响因子。在100年尺度下氧化亚氮（N2O）的全球变暖潜势比CO2的全球变暖潜势高298倍；N2O被认为是一种关键的温室气体[2]。研究结果表明，每年有1.3×107 t氮以N2O的形式释放到大气当中，其中直接从农田生态系统中释放的N2O大约占了50%[3]。中国蔬菜生产中施用了大量的氮肥（388～3656 kg·hm−2）[4]，约占世界蔬菜总产量的51%。我国蔬菜种植产业迅速发展，种植面积由1980年的316万hm2（占农作物总播种面积的2.2%）发展到2019年的2086万hm2（占农作物总播种面积的12.5%）[5]。我国2019年的农田氮肥总用量（不包含复合肥）已达1930万 t[4]，而菜地的氮肥施用量和复种指数远高于一般农田。通常，一季蔬菜的氮肥施用量高达300～700 kg·hm−2[6]，远超过常规施肥量，造成氮肥利用率严重下降，引起N2O排放增加，甚至减产、土壤酸化等一系列负面影响[7-9]。氮肥合理优化施用，是实现集约化蔬菜生产可持续发展的重要措施。不同形态氮肥对N2O排放的影响不同，研究所得结果也并不完全一致。TIERLING等[10]研究结果表明，在沙壤土中施用铵态氮肥的N2O排放量显著高于施用硝态氮肥；PENG Q等[11]在半干旱温带草原上的研究结果发现，施用铵态氮肥产生的N2O高于硝态氮肥；还有研究结果表明，与硝态氮肥相比，铵态氮肥减少雷竹土中的N2O排放[12]。在菜地土壤中，施铵态氮的N2O排放通量与总量略低于施硝态氮处理的[13]。近年来，利用硝化抑制剂调控氮素循环的研究有很多。双氰胺（DCD）由于效果好、成本低、对环境的危害小等优点在农业中被 广泛应用，是目前研究施用最广泛的硝化抑制剂。它通过抑制硝化过程中的氨氧化微生物或者相关酶的活性，来有效延缓铵态氮（NH4+-N）转换成硝态氮（NO3−-N）的氧化过程，保持土壤长时间NH4+-N的高含量，有效缓解NO3−-N累积，进而减少土壤中N2O的排放。有研究表明，硝化抑制剂可显著降低菜田N2O气体排放[14]。前人研究[10-13]表明，在相同的施氮量下，硝态氮与铵态氮对土壤N2O排放量的研究结果存在分歧。在我国热带地区的菜地中，运用硝化抑制剂减少氮源气体排放，特别是不同形态氮肥对N2O排放影响的报道较少，因此，为了减少N2O排放对不同氮肥添加的反应的不确定性，有必要继续在不同的生态系统中进行实地试验，研究NH4+、NO3−的施用菜地后的N2O排放特征，更好地了解氮肥在特定条件下对N2O排放的影响。这将有助于制定适当的应对措施，以减少热带菜地系统中的N2O排放。本试验以热带地区种植辣椒为研究对象，整个生育期监测施用不同形态氮以及施用硝化抑制剂DCD对菜地N2O排放和辣椒产量的影响，以期为我国集约化菜地高产减排提供理论依据。
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本试验于2019年11月至2020年3月在海南省昌江黎族自治县军营新村试验基地（19°40′N，108°96′E）进行。该基地属典型的热带季风气候区，日照充足，土壤类型为粘土。试验地表层土壤（0 ～ 20 cm）基础理化性质如下：硝态氮1.16 g·kg−1，铵态氮5.36 g·kg−1，全氮1.08 g·kg−1，全磷0.33 g·kg−1，有机碳6.07 g·kg−1，pH 6.8（水土比为5∶1）。
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试验共设 4个处理，每个处理3个重复，随机排列，分别是 NH4（铵态氮肥）、NO3（硝态氮肥）、NH4+D（铵态氮肥+双氰胺）、NO3+D（硝态氮肥+双氰胺）。每个小区有3垄，面积：4.5 m×10 m，每个处理设置3次重复。各施N处理施N量一致，总施N量为300 kg·hm−2，同时各处理施入等量的磷肥（过磷酸钙，含P2O5 16%）和钾肥（氯化钾，含K2O 60%），氮肥30%作为基肥，追肥两次40%、30%，磷钾肥作基肥一次施入。供试植物为辣椒，品种为大家族新优，育苗30 d后移栽至大田。田间管理（包括蔬菜品种、施肥量及施用方法、耕作、灌溉、除虫和杂草控制） 与当地农民管理方式保持一致。供试氮肥分别为硫酸铵（N含量21%）、硝酸铵钙（N含量14.4%）；双氰胺（DCD）为分析纯化学试剂（麦克林试剂有限公司）。
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采用静态箱-气相色谱法测定菜地土壤N2O的排放通量。采样箱（50 cm×50 cm×50 cm）由透明亚克力材料制成，采样底座由聚氯乙烯材料制成，内置小风扇用于混匀气体。在试验开始前，将方形的采样箱底座安装在各个小区中，采样时将采样箱扣在采样箱底座上，用水密封。采样时间为上午8∶00−10∶00，扣上采样箱之后，于0、10、20、30 min分别用50 mL针筒收集50 mL气体样品，然后将样品带回实验室，用气相色谱仪（GC-2030）分析N2O浓度。采样频率一般为每 7 d 1次，施肥之后每隔1 d 收集1次样品，持续7 d。根据4个样品的N2O浓度值和采样时间的直线回归方程的斜率求得N2O的排放通量。气体排放通量及总量的计算方法等参照胡玉麟[15]。
辣椒最后一次收获后，同时采集耕层土壤（0～20 cm）样品，储存于−4 ℃冰箱，用来测定土壤铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3−-N）含量、微生物量碳氮、有机碳、全氮、pH。全氮、NH4+-N和NO3−-N含量分别采用全自动间断化学分析仪测定；微生物量碳氮利用氯仿熏蒸法测定；有机质采用重铬酸钾容量法测定；辣椒收获之后，直接称量鲜重，获得产量。
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采用SPSS 20.0（IBM Co., Armonk, NY, USA）和SigmaPlot 14.0软件进行数据分析和图表制作，数据结果以Mean±SE表示，n=3。采用单因素方差分析对不同处理间N2O累积排放量、辣椒产量和各项土壤理化指标进行方差分析。采用Pearson’s相关分析判断N2O排放与土壤理化指标之间的关系。
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由图1可知，在整个辣椒生长季，各处理的N2O排放通量变化趋势基本一致，所有处理都在追肥后出现N2O排放通量最大峰值,然后快速下降,之后各处理N2O排放通量均保持在较低水平，菜地N2O排放通量变化范围为1.51～80.53 μg·m−2·h−1，NH4处理土壤 N2O 排放通量始终高于NO3处理，NH4处理 N2O 排放最大峰值达80.53 μg·m−2·h−1，NO3处理 N2O最大峰值同比NH4处理降低了21.2%。
在添加DCD后, NH4与 NO3 处理于1月22日出现 1个 N2O 排放峰，NH4++D处理排放峰值为 34.06 μg·m−2·h−1，较NH4处理排放峰值降低57.71%，NO3+D较NO3处理降低54.34%；NH4与NO3处理在配施 DCD 的前提下土壤 N2O 排放通量均显著降低。DCD的添加可有效降低NH4（铵态氮） 、NO3 （硝态氮） 2种施肥模式下土壤 N2O 排放通量。
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由表1可知，与只添加氮肥的处理相比，NH4处理和NO3处理配施DCD均显著降低了N2O累计排放量（P<0.05），降幅分别为59 %和49 %，而NH4+D处理和NO3+D处理对N2O累计排放量的影响差异不显著。NH4处理和NO3处理施用DCD后则N2O累计排放量显著减少2.44、1.46 kg·hm−2（P<0.05）相当于减少了59.37%、48.99%的土壤N2O排放量。NH4处理和NO3处理的辣椒产量分别为18.06、11.41 t·hm−2，较NO3处理差异显著，提高了58.28%。由图2可知，施用DCD后，NH4+D处理和NO3+D处理产量差异均不显著。此外，NH4+D处理的N2O排放量显著低于NH4处理，NO3+D处理显著低于NO3处理（P<0.05）。单位产量N2O排放量为0.11~0.23 kg·t−1。与NH4和NO3处理相比，NH4+D和NO3+D处理单位产量N2O排放量均显著降低（P<0.05）。NH4与NO3处理之间无显著差异（P<0.05）。
处理 N2O累积排放量
/(kg·hm−2)产量/(t·hm−2) 单位产量N2O排放量/( kg· t−1) DCD减排量/% NH4 4.11±0.20 a 18.06±2.03 a 0.23±0.03 a NH4+D 1.67±0.27 c 16.35±1.71 ab 0.11±0.03 b 59.37 NO3 2.98±0.17 b 11.41±1.00 c 0.26±0.02 a NO3+D 1.52±0.01 c 11.98±2.14 bc 0.13±0.01 b 48.99 注：同列不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著（P<0. 05）。 -
从表2可知，在施氮时添加硝化抑制剂可以提高土壤微生物生物量碳、氮含量。与不添加DCD的处理相比，NH4 与NO3处理土壤微生物生物量碳含量分别提高了32.65%、27.98%，土壤微生物生物量氮含量分别提高了18.64%、15.52%；不同形态氮肥对土壤有机碳含量有显著影响，NO3、NO3+D处理的有机碳含量均显著高于NH4、NH4+D，增幅为16.39%、9.97%，硝化抑制剂DCD对NH4处理的土壤有机碳含量有显著影响，提高9.1%；配施DCD后土壤pH值有升高的趋势，NH4处理间差异显著，但NO3处理间的差异不显著；两种施肥模式下，添加DCD处理均增加了土壤NH4+-N含量以及全氮含量，NH4处理差异显著，分别增加34.5%、20.0%。由图3可知，N2O累积排放量与土壤微生物量碳、氮呈正相关，且微生物量碳达到极显著水平，与土壤pH值和土壤有机碳呈负相关，达到显著水平。
处理 微生物量碳 /（mg·kg−1） 微生物量氮 /（mg·kg−1） 有机碳 /（g·kg−1） 全氮 /（g·kg−1） pH 铵态氮 /（mg·kg−1） NH4 229.6±15.2 bc 11.91±0.80 ab 7.26±0.04 c 0.85±0.03 b 6.66±0.04 b 9.93±0.4 b NH4+D 313.9±17.6 a 14.13±0.93 a 7.92±0.08 b 1.02±0.03 a 6.88±0.06 a 13.36±0.67 a NO3 220.6±10.2 c 10.76±0.23 b 8.45±0.13 a 0.81±0.05 b 6.69±0.03 b 4.29±0.31 c NO3+D 282.3±20.1 ab 12.43±0.81 ab 8.71±0.24 a 0.9±0.08 ab 6.84±0.08 ab 5.27±0.11 c 注：同列不同小写字母表示不同施肥处理间差异显著（P<0.05）。 
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菜地作为一种典型的土地利用方式，是重要的N2O排放源之一[16]。菜地 N2O 排放受多种因素的影响，包括肥料类型、养分形态及土壤性质等，这些因素对土壤 N2O 排放的影响不一致[17-18]。在本研究中，氮肥形态对菜地N2O的排放具有显著影响，NH4肥料处理的土壤N2O排放量都比NO3肥料处理的土壤高，这与LEBENDER等[19]的研究结果一致。铵态氮肥的N2O排放量高于硝态氮肥，说明硝化作用是本研究影响N2O产生的主要机制。硝化作用是N2O排放的主要过程，这可能与旱地土壤的低含水量有关。在土壤充水孔隙度60%以下时，硝化过程成为N2O的主要来源；当含水率达到70%～80%时，N2O排放量最大，此时硝化与反硝化作用均为N2O产生的重要途径[20]。本试验选用不同形态氮肥品种的目的在于定性分析2个过程产生N2O的相对大小，测定结果表明，与NH4处理相比，NO3处理显著降低了土壤N2O排放峰与N2O总排放量。这说明产生N2O的主要过程为硝化反应。该结果与姜宁宁等[21]的研究结果一致。可见，在该试验土壤中施用铵态氮肥，更容易造成N2O气体排放，降低肥料利用率，同时也会对环境造成污染。
大量研究[22-24]发现，DCD对旱地N2O有较好的减排效果，DCD对不同类型（包括蔬菜、玉米、草地等）的土壤的N2O的减排效率达到38%～65%。本研究中添加DCD后，N2O排放量的降幅约为60%，与上述结果基本一致。DCD处理N2O累积排放量大小依次为：NH4>NO3>NH4+D>NO3+D。与不施DCD相比，NH4+D、NO3+D 处理均出现显著降低的N2O排放峰，HUANG等[25]研究表明，当铵肥配施DCD或3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）时，N2O的排放分别显著减少70%和55%（P<0.05），硝态氮和两者的联合施用有效地减少了N2O的排放，分别为13%和21%。这与本试验的研究结果一致。故菜地N2O累积排放总量显著降低。铵态氮处理结果与DCD 处理较单施化学氮肥处理有效提高了土壤铵态氮含量，减少铵态氮向硝态氮转化。ASING等[26]表明，无论在哪种施肥模式下DCD始终能有效抑制土壤铵态氮向硝态氮的转化过程，进而控制土壤硝态氮水平，同时减少硝酸盐的淋失。JU等[27]的研究提出，改变供氮形态结合硝化抑制剂作为缓解土壤N2O排放的有效措施，其抑制N2O排放的机制与本研究基本一致。
前人研究[28-29]发现，施用硝化抑制剂对作物产量影响结果不同，尽管有研究表明对作物产量有提高，表明这些影响可能取决于硝化抑制剂特性、水肥管理、土壤性质等。本研究结果与郭娇等[30]的研究结果一致，添加硝化抑制剂对蔬菜产量没有明显影响（表1）。MIN等[31]研究结果表明，施用硝化抑制剂（CP）在低氮的情况下，对蔬菜产量有显著影响，在高氮的情况下没有显著影响。这是由于在密集型蔬菜种植系统中，土壤中过多的氮素盈余，硝化抑制剂对产量的正效应可能会被掩盖。此外，通过硝化抑制剂减少气态氮排放而节省的氮量远远小于施用的氮量，因此很难观测到产量的提高。
施用硝化抑制剂后，抑制土壤硝化作用，减缓铵态氮向硝态氮转化，为微生物提供更多的氮源，提高土壤中微生物含量，提高土壤的pH，为微生物提供更好的生长环境，处理NH4和NO3添加DCD后，微生物量碳存在显著差异。刘生辉等[32]研究结果表明，在施氮时添加硝化抑制剂可以提高土壤微生物生物量碳含量；与不添加硝化抑制剂（DMPP）处理相比, 培养期内处理土壤微生物生物量碳含量分别提高了1.78%～4.35%。本试验结果与文献[32]一致。由相关性分析可知，微生物量碳与N2O累积排放量呈显著负相关，这可能是土壤N2O的产生过程受硝化作用与反硝化作用的影响，其作用过程又受土壤微生物活性的影响，因而导致两者呈负相关。本试验结果与谢义琴等[33]研究结果一致。
添加DCD抑制硝化作用，延长NH4+-N在土壤中存留的时间，进而提高土壤中NH4+-N含量，因此NH4+D和NO3+D处理均比单施氮肥处理能促进微生物对肥料N的固持, 土壤微生物量氮有增加趋势，但无显著性差异。本试验结果与张学文[34]的研究结果相一致。硝化抑制剂DCD的加入可通过抑制NH4+-N向NO3−-N转化，而抑制硝化作用过程中H+的产生，进而有效缓解氮肥施用引起的土壤pH值降低。NH4处理添加DCD后，生育期结束后土壤pH值显著升高，而硝态氮处理有升高趋势，但没有显著差异。张昊青等[35]研究结果表明，在添加DCD的条件下，在整个培养期间土壤pH一直保持稳定且始终高于不加DCD处理。研究发现在红壤土培养过程中，添加DCD使土壤pH显著提高[36]。本研究的相关性分析可知，土壤pH值与N2O累积排放量呈负相关（P<0.05），这与在温带草地土壤的研究结果[37]一致。
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在本研究中，氮肥形态和硝化抑制剂显著影响菜地N2O排放。N2O排放发生在热带地区辣椒地，而且N2O排放的峰值随处理的不同而有很大差异。本研究中各处理的N2O排放总量在1.52～4.11 kg· hm−2之间。结果表明，菜地N2O排放是重要的潜在N2O排放源。与相同数量的氮肥处理相比，NH4+D和NO3+D处理的累积N2O排放量分别显著减少59.37%和48.99%。这些结果表明，DCD更能减少N2O的排放，特别是在追肥后能显著降低N2O的排放。氮肥配施硝化抑制剂，土壤pH值升高，产量无显著差异。综上所述，施用铵态氮肥配施DCD，在保证蔬菜产量的前提下，可显著降低菜地N2O排放，缓解土壤酸化问题。本研究将为热带地区菜地N2O排放提供理论依据。
Effects of nitrogen fertilizer combined with nitrification inhibitor on nitrous oxide emissions from tropical vegetable Fields
doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2022.06.006
- Received Date: 2022-02-10
- Accepted Date: 2022-04-21
- Rev Recd Date: 2022-03-31
- Available Online: 2022-05-05
- Publish Date: 2022-11-25
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Key words:
- nitrous oxide /
- nitrification inhibitor /
- vegetable field /
- nitrogen fertilizer form
Abstract: Chili peppers were applied with nitrogen fertilizer combined with nitrification inhibitors to analyze nitrous oxide (N2O) emissions from chili pepper fields in Hainan, the tropical area in China, by static box-gas chromatography method. The results showed that the variation of N2O emission flux from the chili pepper fields ranged from 1.51 to 80.53 μg·m−2·h−1. The soil N2O emission flux was higher in the NH4 treatment than in the NO3 treatment. The maximum peak value of N2O emission in the NH4 treatment was 80.53 μg·m−1 m−2·h−1, and the Compared with the single treatment with nitrogen fertilizer, both the NH4 and the NO3 combined with dicyandiamide (DCD) treatment significantly reduced the cumulative N2O emissions by 59% and 49%, respectively, and their effects on the cumulative N2O emissions were not significantly different. The chili pepper in the NH4 treatment and the NO3 treatment yielded 18.06 and 11.41 tons/ha, respectively, with the yield in the former treatment increasing by 58.28%, indicating a significant difference in yield between the two treatments. After applying with DCD, there was no significant difference of peper yield between the NH4+DCD and the NO3+DCD treatments. Together, these results indicated that the application of ammonium nitrogen fertilizer combined with DCD can significantly reduce N2O emissions from the vegetable fields while maintaining high peper yield.
| Citation: | ZENG Zixin, WU Xiaojun, LI Jingchen, WANG Shuguang, GUO Peipei, ZHANG Li. Effects of nitrogen fertilizer combined with nitrification inhibitor on nitrous oxide emissions from tropical vegetable Fields[J]. Journal of Tropical Biology, 2022, 13(6): 575-581. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.2022.06.006
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