不同硝化抑制剂对稻季N_%282%29O排放、NH_%283%29挥发和水稻产量的影响.pdf
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1、土 壤(Soils),2023,55(3):503511 基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFD0200104,2016YFC0207906)资助。*通讯作者()作者简介:曾科(1991),男,湖北京山人,博士研究生,主要从事农田氮素循环研究。E-mail: http:/ DOI:10.13758/ki.tr.2023.03.006 曾科,王书伟,朱文彬,等.不同硝化抑制剂对稻季 N2O 排放、NH3挥发和水稻产量的影响.土壤,2023,55(3):503511.不同硝化抑制剂对稻季 N2O 排放、NH3挥发和水稻产量的影响 曾 科1,2,王书伟1,3,朱文彬1,2,田玉华1,尹 斌1
2、*(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所),南京 210008;2 中国科学院大学,北京 100049;3 江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站(中国科学院南京土壤研究所),南京 210008)摘 要:为了筛选出水稻生产中应用效果更佳的硝化抑制剂,在太湖地区开展水稻季田间小区试验,尿素中分别添加化学合成硝化抑制剂 2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)和 3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)以及生物硝化抑制剂对羟基苯丙酸甲酯(MHPP),探讨 3 种不同硝化抑制剂对水稻季 N2O 排放、NH3挥发、水稻产量和氮肥利用率的影响。结果表明,与单施尿素处理相比,尿素添加
3、3 种硝化抑制剂能显著减少 N2O 排放总量,抑制效果表现为 DMPP(31.71%)MHPP(30.40%)CP(27.83%),不同硝化抑制剂间减排效果无显著差异;添加硝化抑制剂均显著增加了 NH3挥发总量,促进作用表现为 CP(58.7%)DMPP(40.3%)MHPP(25.3%),不同硝化抑制剂间差异显著;添加硝化抑制剂的增产幅度为 MHPP(4.9%)CP(3.3%)DMPP(1.1%),不同硝化抑制剂间无显著差异;氮肥表观利用率显著增加,表现为 MHPP(15.7%)CP(13.8%)DMPP(10.9%),但不同硝化抑制剂间无显著差异;综合考虑活性气态氮损失量和水稻产量,3 种
4、硝化抑制剂相比单施尿素均显著增加了单位产量活性气态氮排放强度,增加幅度表现为 CP(50.3%)DMPP(35.0%)MHPP(17.8%),CP 显著高于 DMPP 和 MHPP。综合比较,生物硝化抑制剂 MHPP 在水稻生产中增效减排的作用优于化学合成硝化抑制剂 CP 和 DMPP,但在生产应用中要与其他 NH3挥发减排措施相结合,更好地发挥其增效减排潜力,推动农业绿色可持续发展。关键词:稻季;硝化抑制剂;N2O 排放;NH3挥发;水稻产量 中图分类号:S143.1;S511 文献标志码:A Effects of Different Nitrification Inhibitors on
5、N2O Emission,NH3 Volatilization and Yield in Rice Season ZENG Ke1,2,WANG Shuwei1,3,ZHU Wenbin1,2,TIAN Yuhua1,YIN Bin1*(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China;2 University of Chinese Academy of Sciences,Bei
6、jing 100049,China;3 Jiangsu Changshu National Agro-Ecosystem Observation and Research Station,Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China)Abstract:In order to screen out nitrification inhibitor with better application effect in rice production,a paddy field plot experi
7、ment was conducted in Taihu Lake region.Synthetic nitrification inhibitor 2-chloro-6-(trichloro-methyl)pyridine(CP),3,4-dimethylpyrazole phosphate(DMPP),and biological nitrification inhibitor methyl 3-(4-hydroxyphenyl)propionate(MHPP)were added into urea,then the effects of different nitrification i
8、nhibitors(NIs)on N2O emission,NH3 volatilization,rice yield and nitrogen utilization efficiency in rice season was investigated.The results show that compared with urea alone application,the addition of NIs decrease total N2O emission but increase total NH3 volatilization.The inhibitory effects of d
9、ifferent NIs on total N2O emission are DMPP(31.71%)MHPP(30.40%)CP(27.83%),but no significant difference is found among different NIs.The promotion effects on total NH3 volatilization are CP(58.7%)DMPP(40.3%)MHPP(25.3%),no significant difference is found among different NIs.The rice yield and apparen
10、t N recovery efficiency are increased with NIs,effects of grain yield increase are MHPP(4.9%)CP(3.3%)DMPP(1.1%),and enhancement effects of nitrogen are MHPP(15.7%)CP(13.8%)DMPP(10.9%),no significant difference is found among different NIs.Comprehensively consider the rice yield and reactive gaseous
11、nitrogen emission which induced by N2O and NH3,NIs increase yield-scaled reactive gaseous nitrogen emission,504 土 壤 第 55 卷 http:/ and CP(50.3%)is higher than DMPP(35.0%)and MHPP(17.8%).Overall,our study suggests that MHPP may be a better choice than CP and DMPP which decrease nitrogen loss and incre
12、ase yield.Furthermore,NH3 volatilization reduction measures should be combined with NIs to achieve better nitrogen use efficiency and promote the green sustainable development of agriculture.Key words:Rice season;Nitrification inhibitor;N2O emission;NH3 volatilization;Rice yield 太湖地区是我国水稻主产区之一,同时也是氮
13、肥施用量较高的区域,高投入、高污染、低利用是该地区水稻生产中存在的问题。施用氮肥是水稻产量和品质的保证,氮肥的过量投入和不合理的施用方式会导致大量的氮素损失且氮肥利用率较低。反硝化损失和 NH3 挥发是稻田主要的氮素损失途径,硝化和反硝化过程的中间产物 N2O 对全球气候变暖和臭氧层破坏都有重大影响1,NH3 挥发会带来雾霾污染、土壤酸化、水体富营养化和生物多样性降低等问题2。在水稻生产中兼顾农学和环境效益,稳产增产的前提下提高氮肥利用率减少氮素环境损失的氮肥管理措施值得进行探讨。氮肥高效利用是解决粮食安全、环境和气候变化问题的重要途径之一。优化氮肥类型、施用方式和有机肥替代等是实现氮肥高效利
14、用的有效途径3,其中高效氮肥的应用可以协调作物氮素需求和土壤氮素供应的关系,进而影响作物对氮素的吸收和氮素的损失4。硝化抑制剂是能抑制氨氧化微生物活性,延缓 NH4+氧化为 NO2 进一步硝化为 NO3 的有机或无机化合物1,作为氮肥增效剂广泛应用于农业生产中。从来源上硝化抑制剂可分为化学合成硝化抑制剂(SNIs)和生物硝化抑制剂(BNIs)。目前农业上广泛应用的 SNIs 主要有双氰胺(DCD)、2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)和 3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)这 3 种5。大量田间试验结果显示SNIs有增产增效,减少 N2O 排放和 NO3 淋溶损失的作用6-7。BNIs 指植物根系
15、产生和分泌的能抑制土壤硝化作用的物质7-8,目前高粱(Sorghum bicolor)、臂形草(Brachiaria humidicola)、印度苦楝树(Azadiracta indica)、水稻(Oryza sativa)以及卡贾兰树(Pongamia glabra)等植物被发现能释放抑制硝化作用的物质5,8-9。轮作或间作高 BNIs 活性的植物有温室气体减排、提高作物产量和氮肥利用率的潜力10-12。BNIs 相比 SNIs 具有对农作物无毒害、易分解和易从自然界获取等优点9。对羟基苯丙酸甲酯(MHPP)是从高粱根系分泌物中直接提取出来的新型生物硝化抑制剂13,作为氮肥增效剂其田间使用效
16、果还未得到充分研究5。硝化抑制剂的应用能减少 N2O 排放,但同时也有增加 NH3 挥发的风险,而挥发到大气中的 NH3 沉降造成的间接 N2O 排放会减弱硝化抑制剂的减排作用14-15,需要综合考虑其应用效果。因此,本研究在太湖地区开展水稻田间小区试验,研究化学合成硝化抑制剂 CP 和 DMPP 以及生物硝化抑制 MHPP 添加到尿素中,对水稻季 N2O 排放、NH3 挥发和水稻产量的影响,评估这 3种硝化抑制剂增产增效减排的效果,为基于 BNIs 的新型增效氮肥的推广应用提供依据。1 材料与方法 1.1 试验地点 田间试验于 2018 年水稻季在江苏常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站(
17、313293N,1204188E)进行。试验区位于太湖地区,属湿润的亚热带季风气候区。供试土壤类型为湖积物发育的潜育型水稻土(乌栅土),表层土壤基本理化性质:pH(H2O)7.36,阳离子交换量(CEC)20.2 cmol/kg,有机质 42.42 g/kg,全氮 2.59 g/kg,全磷 0.93 g/kg,全钾 17.11 g/kg。1.2 试验材料 供试水稻品种为常优 6 号,由常熟市农科院提供。供试氮肥为尿素(含 N 46%),磷肥为过磷酸钙(含P2O5 12%),钾肥为氯化钾(含 K2O 60%)。供试硝化抑制剂分别为 2-氯-6-三氯甲基吡啶(2-chloro-6-(trichlo
18、romethyl)pyridine,CP)、3,4-二甲基吡唑磷酸盐(3,4-dimethylpyrazole phosphate,DMPP)和对羟基苯丙酸甲酯(methyl 3-(4-hydroxyphenyl)propionate,MHPP)。CP 由浙江奥复托化工有限公司生产,DMPP和 MHPP均由上海浩鸿生物医药科技有限公司生产。1.3 试验设计 田间试验共设置 6 个处理,各 3 次重复,分别为:CK(不施氮肥);N270(施氮量 270 kg/hm2);N210(施氮量 210 kg/hm2);N210+CP;N210+DMPP;N210+MHPP。硝化抑制剂用量为对应施氮量的
19、1%,施用前与尿素混匀。每个小区面积为42 m2(6 m 7 m),由覆有塑料薄膜的田埂(高 30 cm、宽 40 cm)隔开,单排单灌。所有处理的磷肥和钾肥用量分别为 P2O5 90 kg/hm2和 K2O 120 kg/hm2,作为基肥施用。氮肥分 3 次施用,基肥分蘖肥穗肥为 433。水稻于 2018 年 7 月 7 日移栽,间距为 20 cm 20 cm,11 月 5 日收获。中期烤田和收获前两周排水,其他时期田面水深度维持在 3 5 cm,其他田间管理措施与当地一致。第 3 期 曾科等:不同硝化抑制剂对稻季 N2O 排放、NH3挥发和水稻产量的影响 505 http:/ 1.4 采样
20、测定与数据计算分析 水稻生育期内 N2O 的采集用静态箱法,采集的气体样品用气相色谱仪(安捷伦 7890A)分析测定16。施肥后稻田 NH3 挥发的采集用密闭式抽气法,每次施肥后采样持续 10 14 d,每次采样时间为 8:009:00 和 16:0017:00,稀硫酸吸收液中的 NH4+-N 浓度用靛酚蓝比色法测定17。水稻成熟后避开小区边缘随机选取 3 处 1 m 1 m 的区域将水稻收割,籽粒和秸秆在脱粒后分别计产,另选取部分籽粒和秸秆样品杀青烘干粉碎后过 100 目筛,用浓硫酸混合催化剂消煮,凯氏定氮法测定总氮含量。N2O 排放通量计算如下:2N Od273=d273cVFtAT(1)
21、221N O1124 102niiiiiFFEtt-(2)式中:2N OF为 N2O 排放通量(N g/(m2h);为标准大气状态下 N2O-N 的密度(1.25 kg/m3);dc/dt 为单位时间采样箱内 N2O 随时间的浓度变化量,是 4次采样气体的浓度与时间进行回归分析的斜率;V 为采样箱的体积(m3);A 为采样箱底座的面积(m2);T为采样时箱内温度();2N OE为 N2O 总排放量(N kg/hm2);Fi为第 i 天采样日 N2O 排放通量(N g/(m2h);ti+1ti为两次采样间隔天数(d)。NH3 挥发通量计算公式如下:36NH2424 1010C VFrt (3)式
22、中:3NHF为 NH3 挥发通量(N kg/(hm2d);C 为靛酚蓝比色法测得吸收液中 NH4+-N 的浓度(N mg/L);V 为稀硫酸吸收液的体积(L);106为 mg 转换到 kg;t 为每日 NH3 挥发采集时间(h);r 为抽气室的半径(m);104为 m2转换到 hm2;NH3 挥发总量为采样期内每日通量的累加值;N2O 和 NH3 排放系数计算公式如下:23N0N O/NHNEF=100EER(4)式中:23N O/NHEF为 N2O 或 NH3 排放系数(%);EN为施氮处理 N2O 或 NH3 排放总量(N kg/hm2);E0为不施氮处理 N2O 或 NH3 排放总量(N
23、 kg/hm2);RN为氮肥施用量(N kg/hm2)。单位产量活性气态氮排放强度计算公式如下18:23N O+NHrgYield-scaled EN=YieldE(5)式中:Yield-scaled ENrg为单位产量活性气态氮排放强度(N kg/t);23N O+NHE为 N2O 和 NH3 排放总量之和(N kg/hm2);Yield 为水稻籽粒产量(t/hm2)。氮肥表观利用率计算公式如下:N0NANRE100UUR(6)式中:ANRE 为氮肥表观利用率(%),UN为施氮区植株总吸氮量(N kg/hm2),U0为不施氮区植株总吸氮量(N kg/hm2),RN为氮肥施用量(N kg/hm
24、2)。试验数据采用 Excel 2019 计算平均值和标准偏差;采用 SPSS 19.0 进行单因素方差分析,显著性检验水平为 P0.05;作图采用 Origin 2022 软件。2 结果与分析 2.1 不同硝化抑制剂添加下 N2O 排放通量和总量 由图 1 可知,各施氮处理 N2O 排放通量规律相似,排放峰出现在分蘖肥和穗肥施用后以及中期烤田 图 1 水稻生育期内不同施肥处理下 N2O 排放通量变化 Fig.1 Dynamics of N2O emission flux under different fertilization treatments in rice growth perio
25、d 506 土 壤 第 55 卷 http:/ 期。在持续淹水的条件下非施肥期 N2O 排放量极低,烤田后急剧上升,排放峰值出现在中期烤田期间,达到 N 221.1 295.9 g/(m2h)。施氮后 N2O 排放通量增加,且穗肥施用后的排放量更高。水稻生育后期 N2O 排放通量均维持在较低水平,CK、N270、N210、N210+CP、N210+DMPP 和 N210+MHPP 处理的 N2O 平均排放通量分别为 N 13.4、35.7、33.1、24.1、22.6和 23.0 g/(m2h)。添加硝化抑制剂处理的排放峰值和平均排放通量均显著低于 N270 和 N210 处理(P0.05)。
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