不同水氮条件下双氰胺(DCD)对温室黄瓜土壤氮素损失的影响

张 琳， 孙卓玲， 马 理， 吉艳芝， 巨晓棠， 张丽娟*

(1 河北农业大学资源与环境学院， 河北省农田生态环境重点实验室， 河北保定 071000；2 河北省永清县蔬菜管理局， 河北廊坊 065600； 3 中国农业大学资源与环境学院/教育部植物-土壤相互作用重点实验室， 北京 100193)

不同水氮条件下双氰胺(DCD)对温室黄瓜土壤氮素损失的影响

张 琳1， 孙卓玲1， 马 理2， 吉艳芝1， 巨晓棠3， 张丽娟1*

(1 河北农业大学资源与环境学院， 河北省农田生态环境重点实验室， 河北保定 071000；2 河北省永清县蔬菜管理局， 河北廊坊 065600； 3 中国农业大学资源与环境学院/教育部植物-土壤相互作用重点实验室， 北京 100193)

减氮控水； N2O排放； 氨挥发； 无机氮； 产量； 经济效益

我国是世界设施蔬菜生产第一大国，截至到2010年底，设施蔬菜年种植面积约达466.7×104hm2，分别占我国设施栽培面积的95%和世界设施园艺的80%[1]。与水田和旱作农业相比，设施菜田施肥量大，加之频繁的灌水，施入的氮肥只有小部分被作物吸收，氮肥利用率仅在14.5%_22.5%[2]。损失的氮素主要以硝酸盐的形式流失或淋溶到土壤深层，或经氨挥发、硝化—反硝化作用，以氨(NH3)、氮氧化物(NOx)等气体形式进入大气中[3]，从而造成了地下水的污染、水体富营养化及土壤中温室效应气体N2O的排放等[4-5]一系列环境问题。研究表明，适当的减氮控水措施能有效地控制氮素转化，减少氮素损失[6-7]。为了进一步提高氮肥利用率，许多国家已经将硝化抑制剂应用到生产实际中。在众多硝化抑制剂中，双氰胺(Dicyandiamide，简称DCD，化学式为C2H4N4，一般为白色结晶粉末)因具有价格低廉、易溶于水、含氮量高、降解产物无污染等优点而备受人们青睐[8]。N2O是一种重要的痕量气体，对全球气候变暖和臭氧层破坏具有十分重要的意义[9]。农田生态系统因施氮引起的N2O排放占大气N2O总排放的13%[10]。设施蔬菜种植体系中，通常施入大量的肥料，不仅造成了肥料浪费，而且会导致温室气体排放量增加[11]。国内外研究表明，施用DCD对减少土壤中N2O的排放有显著效果。Ding 等[12]研究表明，DCD能减少小麦生长期39.0%的土壤N2O排放；季加敏等[13]在室内培养的试验结果表明，与单施尿素相比，添加DCD能降低N2O排放总量的97.1%。尽管DCD对减少N2O排放和硝态氮的淋溶效果较为明显，但对氨挥发的影响还存在争议[14-15]。虽然双氰胺能有效减少氮素损失，但大多数研究集中在农田三大主要粮食作物，设施蔬菜生产中的相关研究较少。本研究小组针对设施蔬菜种植体系中DCD的施用效果进行了深入研究。聂文静等[16]研究表明，采取减氮控水同时配施DCD(氮素用量的10%)的方法能减少氮素损失；杨威等[17]在此基础上对DCD的配比浓度做了进一步研究，结果表明，DCD用量为氮素投入量的15%时效果最显著。因此，本研究将DCD浓度设定为氮素用量的15%，采用田间原位跟踪的方法，在大幅度减氮和合理灌溉的基础上配施DCD，通过监测追肥期间N2O排放通量、氨挥发速率及土壤中无机氮的动态变化，明确氮肥与DCD配施对设施菜田土壤氮素损失的影响，进而筛选最佳的田间管理措施，为我国北方设施蔬菜的氮肥高效管理提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2012年9月至2013年1月在河北农业大学永清县现代蔬菜产业科技创新示范基地(E116°5′，N39°32′)进行。该试验地0—30 cm土壤有机质含量12.5 g/kg、硝态氮145.7 mg/kg、铵态氮4.3 mg/kg、速效磷 70.2 mg/kg、速效钾272.2 mg/kg、pH 8.1、土壤容重1.3 g/cm3。

1.2 试验设计

供试蔬菜为黄瓜(CucumissativusL.)，试验共设6个处理，每处理3次重复，具体处理及施氮情况见表1。试验小区面积26.4 m2，田间随机区组排列。磷、钾肥均作为基肥在黄瓜种植前一次施入，所有处理磷、钾肥施用量相同，磷肥用量为386.2 kg/hm2，钾肥用量为289.5 kg/hm2。氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥用过磷酸钙(含P2O512%)，钾肥用硫酸钾(含K2O 50%)。灌溉情况： 对照和传统处理按传统灌溉量，为758.8 t/hm2，其他处理进行控水灌溉，灌水量为传统灌溉量的70%，为531.2 t/hm2，整个生育期共进行7次灌溉，追肥期间肥料随水灌溉。本试验于2012年9月19日定植，定植前撒施基肥并翻耕，收获时间为2013年1月27日。试验地总面积587.7 m2，黄瓜栽培模式为传统的畦栽，畦宽1.2 m，畦间0.4 m，株距0.3 m，行距0.8 m，种植密度为4.9 ×104plant/hm2。在黄瓜整个生长期，按照当地传统习惯进行田间管理。

1.3 测定项目与分析

1.3.1 N2O气体的采集与测定 采用密闭式静态箱法测定。每次灌水施肥后第1天开始连续一周采样(若水肥管理间隔时间较长，酌情加密采样)，采样时间为每天上午9: 00_11: 00，每隔20 min采样1次，在0、20、40 min 时采集气样并同步测定箱内温度。N2O气体样品用Agilent GC6820气相色谱仪进行分析。

N2O的排放通量的计算公式[18]为:

F =ρ×V/A×dc/dt×273/(273 + T)×60

式中： F为N2O排放通量[μ g/(m2·h)]；ρ为标准状态下N2O的密度，其值为1.25 kg/m3；V表示密闭箱内温室气体所能容纳的有效体积(m3)；A为箱内土面面积(m2)；dc/dt表示单位时间内密闭箱内N2O浓度的变化量[/(109·min)]；T为测定时密闭箱内平均温度(℃)。

1.3.2 NH3挥发的采集与测定 采用密闭室法测定，与N2O气体同步监测。试验时将20 mL 2%的硼酸溶液加入到50 mL的蒸发皿中，吸收24 h后用标准硫酸滴定硼酸中所吸收的氨。

氨挥发速率计算公式为[19]： υ=M/A/D×10-2

式中： υ为氨挥发速率[kg/(hm2·d)]；M为密闭法单个装置每次测得的氨量(NH3-N，mg)；A为捕获装置的横截面积(m2)；D为每次连续捕获的时间(d)。

1.3.3 土壤样品的采集与测定 每次追肥后第1、3、5、7、9 d采集0—10 cm表层鲜土，用于测定土壤中无机氮的变化情况；在前两次追肥后半个月左右分别采集0—90 cm土层(间隔30 cm)样品，定植前和第3次追肥后半个月左右(即收获后)分别采集0—180 cm土层土样，用于测定土壤剖面中的硝态氮含量，研究其分布和淋移状况。采集的新鲜土样用1.0 mol/L KCl浸提，过滤后滤液放入-20℃冰柜中保存，用连续流动分析仪(TRACCS 2000)测定滤液中的无机氮含量。

1.3.4 产量的测定 第一次采收前在各小区中间两畦标记10株黄瓜进行计产。每次采收时，对各试验小区标记的黄瓜植株进行采收，用电子台秤称重后，以小区为单位记录黄瓜产量。

1.3.5 土壤基本理化性质的测定 土壤容重采用环刀法； pH用电位计(土水比为1 ∶2.5)测定；有机质用重铬酸钾容量法；无机氮用1.0 mol/L KCl浸提，流动分析仪测定；速效磷用0.5 mol/L NaHCO3浸提，钼锑抗比色法测定；速效钾用1.0 mol/L NH4OAC浸提，火焰光度法测定[20]。

1.4 数据处理与统计分析

N2O排放系数=以N2O形式损失的氮量/所施用的氮量[21]。

氮素平衡计算公式：

氮素表观损失=氮素输入量-氮素输出量

氮素盈余量=氮素输入量-作物吸收的氮素

氮素损失率=1-氮素输出量/氮素输入量×100%

其中： 氮素输入量包括种植前土壤中的氮素、有机氮素表观矿化量、肥料中的氮素和随灌溉水带入的氮素；氮素输出量包括作物吸收的氮素和土壤残留的氮素。

试验数据采用Microsoft Excel进行处理，用SAS 8.0统计软件进行单因素方差分析，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤N2O排放通量

2.1.1 N2O排放通量的变化 在黄瓜生长期追施氮肥能显著提高N2O排放(图1)，每次施用氮肥后，无论添加DCD与否，所有施氮处理的N2O排放通量均呈先升高后降低的趋势。在整个监测期间，施氮处理土壤的N2O排放高峰均出现在施肥灌水后的第3d；与传统水氮处理相比，R1、R2、R1+DCD和R2+DCD处理的 N2O排放通量的峰值范围分别降低了65.3%_80.9%、48.7%_84.4%、74.3%_93.2%和91.4%_97.5%，说明在减氮基础上添加DCD能显著降低土壤N2O的排放。

2.1.2 N2O累积排放量 由图2可知，在整个监测期间，对照处理(CK)土壤的N2O排放总量较低，N2O累计排放量(以N计)只有0.12 kg/hm2。在各施氮处理中，传统水氮管理(T)显著高于其他减氮控水处理，N2O累积排放量达到2.39 kg/hm2。 R1和R2处理的土壤N2O排放总量分别为0.39 kg/hm2和0.50 kg/hm2，施用DCD后(R1+DCD和R2+DCD)减少至0.23 kg/hm2和0.18 kg/hm2，分别减少了42.1%和64.1%的N2O排放。进一步分析表明，T处理的土壤N2O排放系数比减氮控水处理高，排放系数(EF)为0.56%。R1和R2土壤N2O的排放系数分别为0.21%和0.24%，加施DCD后，R1+DCD和R2+DCD的土壤N2O排放系数减少至0.08%和0.04%。

2.2 土壤氨挥发损失

2.2.1 氨挥发速率的变化 氨挥发是氮肥损失的重要途径，氮肥施入土壤后会迅速溶解转化成铵态氮，有一部分以氨的形式挥发损失到大气中。本试验对黄瓜追肥期间氨挥发速率的动态变化进行了监测，由图3可以看出，每次追肥灌水后，各施氮处理的氨挥发速率均表现出相似的变化趋势，即在施肥灌水后第1_2 d达到最高峰，之后呈现逐渐降低的趋势。在整个监测期间，传统水氮处理(T)由于较高的氮输入量，因而氨挥发速率相对较高，变化范围为0.01_0.32 kg/(hm2·d)；R1和R2的氨挥发峰值均为0.19 kg/(hm2·d)，施加DCD后，R1+DCD和R2+DCD的氨挥发峰值显著增加至0.25 kg/(hm2·d)和0.35 kg/(hm2·d)，这表明DCD在一定程度上增加了氨挥发损失的风险。

2.2.2 氨挥发损失量 分析黄瓜追肥期间土壤氨挥发累积排放量(图4)，结果表明， CK的氨挥发累积量为1.13 kg/hm2，显著低于各施氮处理。T处理的氨挥发累积量为3.09 kg/hm2，显著高于R1、R2和R1+DCD处理，但与R2+DCD无显著差异。 R1和R2的氨挥发累积量分别为1.70 kg/hm2和1.71 kg/hm2，施用DCD后，R1+DCD和R2+DCD处理的氨挥发累积量显著增加至2.59 kg/hm2和2.86 kg/hm2，分别增加了34.3%和40.4%的氨挥发损失。进一步分析表明，R1和R2中施入的氮素以NH3挥发形式损失的量分别占氮素总投入量的0.46%和0.35%，施用DCD后这一比值增加至1.17%和1.06%。

2.3 土壤剖面硝态氮的分布及淋移潜势

土壤硝态氮的剖面分布情况如图5所示。在整个监测期间，CK处理的土壤剖面中硝态氮含量一直处于较低水平。T处理在0—60 cm土壤剖面均检测到大量的硝态氮，与其他处理差异显著，在前两次追肥后尤为明显，表明传统施肥灌溉会导致表层土壤硝态氮的大量累积，存在较强的向下层淋溶趋势。各减氮处理均在不同土层出现硝态氮的累积峰，3次追肥后累积峰分别出现在30—60 cm、60—90 cm和90—120 cm土层，表明在黄瓜生长期间，土壤硝态氮已经有向下层淋洗的趋势。在前两次追肥后，R1处理0—30 cm和30—60 cm土层的硝态氮含量均显著高于R1+DCD处理；R2处理0—30 cm土层的硝态氮含量均显著高于R2+DCD处理；在第3次追肥后，R1处理在0—30 cm 土层的硝态氮含量显著高于R1+DCD处理，R2处理也高于R2+DCD处理。由此可见，DCD有助于减少硝态氮的累积，对0—30 cm根区硝酸盐淋洗的抑制作用较为明显。

2.4 黄瓜生长期的氮素损失

从表2可以看出，在黄瓜生育期内，0—30 cm土壤-蔬菜体系中，传统水氮处理(T)的氮素表观损失显著高于其他施氮处理。从氮素盈余量来看，T处理的氮素盈余显著高于其他施氮处理，R1和R2处理的氮素盈余量无显著差异；施用DCD后氮素盈余显著降低，表明加施DCD能够有效提高氮素的利用率，减少土壤氮素盈余。从氮素损失率来看，T处理的氮素损失率为53.3%，高于其他处理；其中R1+DCD和R2+DCD 处理的氮素损失率比相应的R1和R2处理有所降低，表明加施DCD对减少土壤氮素损失有一定的作用。

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 土壤无机氮与气态损失的相关性分析

通过对本试验表层土壤无机氮含量与气态损失的相关分析(图6)可以看出，在黄瓜追肥期间，表层土壤硝态氮含量与N2O排放通量呈极显著的正相关(r=0.7654**)；铵态氮与氨挥发损失呈极显著的正相关(r=0.6576**)。

2.6 产量及经济效益分析

R2+DCD处理的小区黄瓜产量为178.3 kg/plot，与T处理相比，增产率为23.3%，显著高于其他处理；T处理的小区黄瓜产量为144.6 kg/plot，与R1、R2和R1+DCD处理间差异不显著。以上数据表明，各减氮处理基本达到稳产，其中R2+DCD处理的增产效果明显。

从经济效益的角度分析，适当减氮控水能降低投入成本。表3显示，R2和R2+DCD处理的经济效益分别为111700和131100 yuan/hm2，均高于其他处理；其中R2+DCD处理的效果更明显，与T处理相比，经济效益增加25560 yuan/hm2。以上分析表明，在控水灌溉条件下，采用推荐施氮Ⅱ+DCD(施氮量的15%)的施肥管理措施能有效提高经济效益和生态效益。

3 讨论

目前硝化抑制剂在提高氮素利用率、减少N2O排放等[22]方面起到了很好的效果。本试验研究表明，采取减量施氮和控水灌溉的措施是切实可行的，并在此基础上施用硝化抑制剂DCD，不仅保证蔬菜获得一定的产量，而且减少了氮素损失对生态环境的威胁。在整个监测期间，施氮处理土壤N2O排放高峰均出现在施肥灌水后的第3 d。与郝小雨等人[23]的研究结果有所差异，其原因可能是种植季节不同，秋冬季由于棚内温度处于较低状态，土壤N2O排放量降低且高峰期推迟[24]。在不考虑施肥种类的情况下，低水平施肥能有效地减少N2O-N的损失，通常情况下，N2O排放量占肥料使用量的0.01%_2.00%[25]。邱炜红等[21]研究表明，施用DCD显著减少了菜地(小白菜和辣椒)农田土壤N2O的排放。本研究中R1和R2施加DCD的处理显著减少了42.1%和64.1%的N2O排放；N2O排放系数分别从0.21%和0.24%减少至0.08%和0.04%。大量施用氮肥可显著促进土壤N2O排放，并随着施氮量的增加而增加[24]。研究表明，超过正常施肥量，土壤中硝态氮浓度随施氮量的增加呈线性增长趋势[26]。本试验在不考虑各处理之间差异的条件下，表层土壤硝态氮含量与N2O排放通量呈极显著正相关。

注(Note): 经济效益=总产出-总投入(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).

在本试验中，温室黄瓜土壤氨挥发损失的峰值出现在追肥后的第1_2 d，之后呈现逐渐降低的趋势。原因可能是菜田土壤含水量长期保持在较高水平，含水量较高会加快氮肥的水解和硝化作用的进行[27]。在整个追肥期间，R1和R2施用DCD的处理氨挥发累积量分别增加了34.3%和40.4%，以NH3形式损失的量占氮素总投入量的比值分别增加至1.17%和1.06%。以上数据表明，DCD的施用使土壤较长时间保持较高的铵态氮浓度，虽然有助于减少N2O的排放量和硝酸盐的淋失，但却提高了氨挥发的威胁。Tao等[28]认为添加DCD会降低土壤氨挥发损失量，与本试验结果有差异，原因在于作物生长体系和DCD设定浓度不同。习斌等[29]研究表明，在没有任何限制因素存在的条件下，表层土壤铵态氮含量与氨挥发速率之间呈显著正相关。本试验中氨挥发损失量随表层土壤铵态氮含量的增加而增大，两者呈极显著正相关。

从硝态氮剖面分布情况来看，各减氮控水处理土壤硝态氮累积峰逐渐下移，表明土壤硝态氮已经有向下层淋洗的趋势。施加DCD有助于减少硝态氮的累积，对根区硝酸盐淋洗抑制作用较为明显，可能由于施加DCD后，土壤对有效态氮的固持以及增加的氨挥发潜势占相对优势，最终使土壤中的硝态氮累积量降低[30]。寇长林等[31]研究结果表明，中国北方集约化大棚蔬菜种植体系氮素年盈余量介于620_8084 kg/hm2之间，本试验中氮素年盈余量2509_5132 kg/hm2，与其平均值基本相当。传统水氮处理由于施氮量和灌溉量较大，因而在0—30 cm土层的氮素盈余量显著高于其他施氮处理。施用DCD后能有效地提高氮素的利用率，对减少土壤氮素损失有一定的作用。

适当减氮控水不仅能够满足作物生长所需要的氮素，而且有利于提高氮素利用率，减少资金的投入。研究表明，传统水氮并不能显著提高蔬菜的氮素吸收量，对增产无显著效果[32]。在本试验中，推荐水氮Ⅱ+DCD(R2+DCD)处理的小区黄瓜产量为178.3 kg/plot，增产高达23.3%。与传统处理相比，推荐水氮Ⅱ+DCD的处理节本增收效果最为明显，经济效益增加25560 yuan/hm2。有研究表明，DCD浓度设定为氮素用量的10%时能显著抑制硝化作用进程[33]，以往在农民的意识中，增施DCD等硝化抑制剂会大大增加成本，但实际生产中，适量施氮同时添加DCD(氮素用量的15%)不仅使产量和经济效益增加，而且对保护环境具有重大意义。

4 结论

1)在本试验条件下，适度减氮控水措施是切实可行的。既满足了作物生长所需要的氮素，又减少了氮素的盈余，提高了氮素的利用率，且不影响作物的产量。

2)减氮控水同时配施DCD的氮素管理措施，虽然增加了氨的挥发损失，但对减少土壤N2O排放量和氮素盈余的效果更为明显。

3)在控水灌溉条件下，推荐施氮Ⅱ+DCD(氮素用量的15%)处理效果最佳，黄瓜产量及经济和环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

农业部“948”项目(2012-Z36)；河北省教育厅项目(Q2012130)资助。

张琳(1989—)，女，汉族，河北廊坊人，硕士研究生，主要从事环境质量评价与监控的研究。 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