全 文 ：氮素调控剂对不同类型土壤氮素转化的影响*
刘建涛1,2 摇 许摇 靖1 摇 孙志梅1**摇 崔少雄1,2 摇 王摇 雪1,2
( 1河北农业大学资源与环境科学学院, 河北保定 071001; 2河北省农田生态环境重点实验室, 河北保定 071001)
摘摇 要摇 采用室内培养试验方法,比较了硝化抑制剂双氰胺 (DCD)和 3,5鄄二甲基吡唑
(DMP)对华北平原两种主要土壤类型潮褐土和潮土中氮素转化的调控效果,并进一步研究了
DMP与脲酶抑制剂氢醌(HQ)的配合施用对潮土中氮素转化的影响.结果表明: 在两种供试
类型土壤上 DMP对尿素氮的硝化抑制作用均强于 DCD. 与单施尿素相比,在氮素转化高峰
时,DMP可使土壤中 NH4 + 鄄N 含量显著提高 149. 5% ~ 387. 2% ,NO3 - 鄄N 含量降低 22. 3% ~
55. 3% ;同一抑制剂对潮土中氮素转化的调控效应较潮褐土更为明显;与 DMP 单施相比,
DMP和 HQ配施表现出明显的对氮素转化的协同抑制效果.
关键词摇 双氰胺摇 3,5鄄二甲基吡唑摇 氢醌摇 氮素转化摇 表观硝化率摇 硝化抑制率
文章编号摇 1001-9332(2014)10-2901-06摇 中图分类号摇 S158. 5,X592摇 文献标识码摇 A
Effects of different nitrogen regulators on nitrogen transformation in different soil types. LIU
Jian鄄tao1,2, XU Jing1, SUN Zhi鄄mei1, CUI Shao鄄xiong1,2, WANG Xue1,2 ( 1College of Resource and
Environmental Science, Hebei Agricultural University, Baoding 071001, Hebei, China; 2Hebei Pro鄄
vince Key Laboratory for Farmland Eco鄄Environment, Baoding 071001, Hebei, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. , 2014, 25(10): 2901-2906.
Abstract: Laboratory incubation experiments were conducted to compare the inhibitory effects of di鄄
cyandiamide (DCD) and 3,5鄄dimethylpyrazole (DMP) on nitrification in meadow鄄cinnamon soil
and fluvo鄄aquic soil, the main soil types of North China Plain. The synergistic effect of DMP com鄄
bined with urease inhibitor hydroquinone (HQ) on nitrogen transformation in fluvo鄄aquic soil was
further studied. The results indicated that, in contrast to DCD, DMP had a stronger inhibitory effect
on the nitrification in the two tested soils. In comparison with the treatment without any inhibitor,
the soil NH4 + 鄄N content in the treatment with DMP increased significantly by 149. 5% -387. 2% at
the peak of nitrogen transformation stage, and the soil NO3 - 鄄N content reduced by 22. 3% -
55. 3% . The inhibitory effects of DCD and DMP in fluvo鄄aquic soil were both stronger than in
meadow鄄cinnamon soil. In addition, the application of DMP combined with HQ had a significantly
synergistic effect on soil nitrogen transformation.
Key words: dicyandiamide; 3,5鄄dimethylpyrazole; hydroquinone; nitrogen transformation; appar鄄
ent nitrification rate; nitrification inhibition rate.
*“十二五冶国家科技支撑计划项目 (2011BAD16B08,2012BAD鄄
04B06,2013BAD07B05)资助.
**通讯作者. E鄄mail: sunzhm2002@ 163. com
2013鄄12鄄27 收稿,2014鄄07鄄28 接受.
摇 摇 氮是限制植物生长和产量形成的首要因素,对
作物高产优质发挥着巨大作用[1] . 但是随着农田氮
肥施用量的迅速增加以及氮素在土壤中转化的特殊
性,导致很大一部分氮不能被植物完全吸收利用,而
以多种形式释放到环境中[2],引起了地下水硝酸盐
污染、水体富营养化、温室效应、臭氧层破坏以及酸
雨等一系列环境问题[3] .从氮素在土壤中的生物化
学转化过程入手,通过脲酶 /硝化抑制剂的施用来调
控氮素转化,已被认为是提高氮肥利用率、缓解氮肥
污染、实现氮素在生态系统中良性循环的有效措
施[4-6] .脲酶抑制剂是能够抑制土壤脲酶活性、延缓
尿素水解的一类物质的总称[7-10] .硝化抑制剂是一
种通过抑制亚硝化单胞菌属的活性抑制 NH4 + 鄄N 的
第一步氧化,从而减少 NO2 - 鄄N 的累积,进而控制
NO3 - 鄄N形成的一类化合物[11-14] .氢醌(HQ)对抑制
脲酶活性、减少氨挥发损失[15]方面的作用,以及双
氰胺(DCD)在抑制土壤铵氧化、减少硝酸盐淋失和
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 10 月摇 第 25 卷摇 第 10 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2014, 25(10): 2901-2906
N2O排放、提高氮肥利用效率等方面[16-20]已有较多
的研究报道.但由于作为抑制剂的化合物本身的物
理、化学特性以及在土壤中的降解特性等受土壤类
型、质地、pH以及气候条件、种植作物体系等各种环
境因素的影响较大,导致不同的抑制剂,或者同一抑
制剂在不同的施用环境下对氮素转化的调控效果变
异性较大. 3, 5鄄二甲基吡唑(DMP)作为一种新型硝
化抑制剂,目前的相关研究报道还较少.
潮褐土和潮土是华北平原粮食作物主产区两种
主要的土壤类型,硝化抑制剂 DCD 和 DMP 在这两
种典型土壤上对氮素转化的调控效果如何,以及与
脲酶抑制剂 HQ 的配合施用效果如何,目前相关研
究还较少.本文采用室内培养试验,以潮褐土和潮土
为供试土壤,对 DCD 和 DMP 2 种硝化抑制剂的抑
制效果进行比较,并进一步研究了 DMP 与 HQ 的配
合施用效应,旨在为华北平原粮食作物生产中养分
资源的高效管理与利用提供理论依据和技术指导.
1摇 材料与方法
1郾 1摇 供试材料
供试土壤为取自河北农业大学标本园的潮褐土
和辛集马兰农场的潮土,其基本理化性状见表 1.硝
化抑制剂双氰胺(DCD)、3,5鄄二甲基吡唑(DMP)、脲
酶抑制剂氢醌(HQ)以及尿素(U)均为分析纯试剂.
1郾 2摇 试验设计
试验 1:将采集的两类新鲜土壤剔除杂物及残
留根系,自然风干,过 2 mm 筛备用. 试验前先将土
壤含水量调整到田间最大持水量的 50%左右,然后
放到恒温培养箱中 25 益培养 1 周,以恢复土壤的生
物学活性.预培养结束后,以尿素为氮源,以潮褐土
和潮土为供试土壤,设置如下处理:1)施尿素(U);
2)尿素+双氰胺(U+DCD);3)尿素+3,5鄄二甲基吡
唑(U+DMP),每处理 3 次重复.施 N 0. 2 g·kg-1风
干土,硝化抑制剂用量为纯 N 量的 1. 0% . 将尿素、
硝化抑制剂与土壤充分混匀后,装入 8 号自封袋中,
随机放入培养箱 25 益恒温培养,培养期间封一半
口,以保持好气条件,同时每 1 ~ 2 d 通过称重法补
充损失的水分. 定期取土样,测定土壤中 NH4 + 鄄N、
NO3 - 鄄N含量,直到各处理间差异不显著为止.
试验 2:供试土壤为辛集市马兰农场的潮土,供
试硝化抑制剂为 DMP,脲酶抑制剂为 HQ.试验设置
4 个处理:1)施尿素(U);2)尿素+DMP(U+DMP);
3)尿素+HQ(U+HQ);4)尿素+HQ+DMP(U+HQ+
DMP),每处理 3 次重复. 以尿素为氮源,尿素和
DMP用量及操作方法参见试验 1,HQ 用量为纯 N
量的 0. 6% .定期取土壤样品,测定土壤中 NH4 + 鄄N、
NO3 - 鄄N含量以及土壤的脲酶活性,直到各处理间差
异不显著为止.
1郾 3摇 测定方法
土壤 NH4 + 鄄N、NO3 - 鄄N含量用 0. 01 mol·L-1的
CaCl2溶液浸提,AA3 连续流动分析仪测定. 土壤含
水量测定采用烘干法. 土壤脲酶活性测定[21]:利用
酶促作用产物氨与苯酚钠和次氯酸钠反应显色后,
用紫外分光光度计比色,以培养 24 h 后每克土释放
的 NH3 鄄N的毫克数表示其活性.
1郾 4摇 数据处理
土壤表观硝化率=NO3 -鄄N含量 / (NH4 +鄄N含量+
NO3 -鄄N含量)伊100% [22]
土壤硝化抑制率=(A-B) / A伊100%
式中:A为不加硝化抑制剂处理的土壤 NO3 - 鄄N 含
量;B为加硝化抑制剂处理的土壤 NO3 - 鄄N含量[22] .
采用 Excel 2003 软件进行数据处理和绘图,两
个处理之间的统计分析采用 SPSS 17. 0 软件通过成
对 t检验进行,3 个及以上处理之间的统计分析采用
SAS 8. 1 软件通过最小显著差异法(LSD)进行.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 DMP和 DCD 对不同类型土壤氮素转化的调
控效应
2郾 1郾 1 对土壤 NH4 + 鄄N含量的影响摇 由图 1 可知,在
潮褐土上,培养至第 3 天时,U+DCD 和 U+DMP 处
理的 NH4 + 鄄N 含量分别比 U 处理提高了 16. 5%和
40. 7% (P<0. 05);培养至第 7 天时,与 U处理相比,
U +DCD和U+DMP处理的NH4 + 鄄N含量分别提高了
表 1摇 供试土壤基本理化性状
Table 1摇 Basic physical and chemical properties of tested soils
土壤类型
Soil type
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
全氮
Total N
(g·kg-1)
碱解氮
Alkaline hydrolysis N
(mg·kg-1)
速效磷
Available P
(mg·kg-1)
速效钾
Available K
(mg·kg-1)
pH
潮土 Fluvo鄄aquic soil 15. 77 0. 65 40. 37 41. 50 87. 57 8. 41
潮褐土 Meadow鄄cinnamon soil 33. 46 1. 20 72. 10 19. 16 246. 24 8. 33
2092 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
图 1摇 土壤 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N含量的动态变化
Fig. 1摇 Dynamics of soil NH4 + 鄄N and NO3 - 鄄N contents.
玉: 潮褐土 Meadow鄄cinnamon soil; 域: 潮土 Fluvo鄄aquic soil.下同 The same below.
23. 3%和 149. 5% (P <0. 05);至 14 d 时,各处理
NH4 + 鄄N含量基本持平. 而在潮土上,与 U 处理相
比,培养至第 3 天时,U +DCD 和 U +DMP 处理的
NH4 + 鄄N含量分别提高了 42. 8%和 103. 8% ;第 7 天
分别提高了 24. 3%和 387. 2% ;至 14 d 时,U+DMP
处理 NH4 + 鄄N含量仍高于 U处理 69. 7% (P<0. 05),
而 U+DCD 处理已接近于 U 水平;至 21 d 时,U+
DMP处理土壤 NH4 + 鄄N含量才与 U 处理基本相当.
通过以上分析可知,硝化抑制剂 DCD 和 DMP 对两
种类型土壤中铵态氮的硝化过程均表现出了显著的
抑制作用,但抑制效果存在明显差异.
2郾 1郾 2 对土壤 NO3 - 鄄N 含量的影响 摇 尿素施入土壤
后,土壤 NO3 - 鄄N 含量表现出随时间延长而逐渐增
加的趋势(图 1). DCD和 DMP的施用对潮褐土和潮
土中 NO3 - 鄄N的影响与其对土壤 NH4 + 鄄N 的影响趋
势恰好相反,在两种土壤上的抑制效应也表现出一
定的差异.培养后的前 7 d,各处理在两种土壤中的
NO3 - 鄄N含量均表现为 U+DMP土中 U+DCD和 U+DMP处理土壤 NO3 - 鄄N含量分别
降低了 4. 8% ~8. 1%和 22. 3% ~30. 3% ;在潮土上
降低幅度分别为 7. 5% ~ 11. 8% 和 54. 0% ~
55郾 3% ,且差异均达到了显著水平.培养至第 14 天,
潮褐土中 U+DCD和 U+DMP处理差异不显著,但其
NO3 - 鄄N 含量仍显著低于 U 处理;而潮土中的
NO3 - 鄄N含量依然表现为 U+DMP0郾 05).可见,与潮褐土相比,DMP 对潮土中的氮素
转化仍显示出较强的调控效果.
2郾 1郾 3 对土壤表观硝化率的影响摇 土壤表观硝化率
为土壤 NO3 - 鄄N 含量占土壤无机氮总量的百分率,
可以指示土壤中的硝化作用强度或硝化作用速率.
由图 2 可知,培养至第 3 天时,与 U 处理相比,U+
DCD和 U+DMP处理土壤表观硝化率在潮褐土上分
别降低了 8. 8% 和 26. 8% ;在潮土上分别降低了
15. 9%和 52. 1% ,差异显著(P<0. 05);培养至第 7
天时,各抑制剂处理土壤表观硝化率均显著低于单
施尿素的 U处理;培养 14 d时,与 U处理相比,各抑
制剂处理仍显著抑制了潮褐土中的硝化作用,但是
2 种抑制剂处理间差异已不显著. 而在潮土上,U+
DMP处理仍保持较低的土壤表观硝化率;至培养
21 d时,各处理土壤表观硝化率才基本接近.
2郾 1郾 4 对土壤硝化抑制率的影响 摇 从表 2 可以看
出,随着培养时间的延长,2 种硝化抑制剂对潮褐土
和潮土硝化作用的抑制率均呈下降趋势. 这可能是
由于在培养初期,土壤中铵氧化细菌数量较少,细菌
群落较小,硝化抑制剂往往能够表现出较好的抑制
效果[23];而在培养的中后期,铵氧化菌数量因繁殖
增加,细菌群落较大,铵氧化细菌对硝化抑制剂产生
了适应性反应以及添加的硝化抑制剂因降解而减
少[24],因此导致硝化抑制作用逐渐减弱. 在潮褐土
上培养至第3天和第7天,处理U+DMP与U+DCD
309210 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 刘建涛等: 氮素调控剂对不同类型土壤氮素转化的影响摇 摇 摇 摇 摇 摇
表 2摇 土壤硝化抑制率的动态变化
Table 2摇 Dynamics of soil nitrification inhibition rate (mean依SD, %)
土壤类型
Soil type
处理
Treatment
培养时间 Incubation time (d)
3 7 14 21
潮褐土 U+DCD 8. 1依1. 1b 4. 8依0. 0b 6. 8依1. 2a 1. 0依0. 5a
Meadow鄄cinnamon soil U+DMP 30. 3依1. 3a 22. 3依2. 7a 7. 5依0. 6a 1. 3依0. 3a
潮土 U+DCD 11. 8依0. 9b 7. 5依0. 5b 1. 7依0. 4b 3. 4依0. 7a
Fluvo鄄aquic soil U+DMP 55. 3依2. 7a 54. 0依2. 2a 10. 9依1. 8a 3. 2依0. 9a
同列中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0. 05) (成对 t检验) Different small letters in the same column indicated significant difference among
treatments at 0. 05 level (paired t test) .
相比,硝化抑制率分别提高了 276. 3%和 361. 6% ,
差异极显著.在潮土上,培养至第 3 天和第 7 天时,
与 U+DCD处理相比,U+DMP 处理的硝化抑制率分
别提高了 370. 7%和 621. 7% ,差异亦达到极显著水
平;培养至第 14 天时,仍高于 U+DCD 处理 5 倍以
上;培养至第 21 天时,两处理才基本持平.
此结果再一次证明,在供试的两种土壤上,DCD
和 DMP 对土壤氮的硝化过程均表现出显著的抑制
作用,但对潮土的抑制作用更强.两种硝化抑制剂相
比,DMP的硝化抑制作用明显优于 DCD.
2郾 2摇 DMP与 HQ的配合施用效应
2郾 2郾 1 对土壤 NH4 + 鄄N含量的影响摇 由图 3 可知,在
培养后的第 1 天,各处理土壤中的 NH4 + 鄄N 含量即
达到了 55 mg·kg-1以上,说明在本试验条件下,尿
素的水解速率很高,但U+HQ和U+HQ+DMP处理
图 2摇 土壤表观硝化率的动态变化
Fig. 2摇 Dynamics of soil apparent nitrification rate.
不同小写字母表示同一时间不同处理间差异显著(P<0. 05) Differ鄄
ent small letters indicated significant difference among treatments in the
same sampling time at 0. 05 level.下同 The same below.
的土壤 NH4 + 鄄N含量此时均显著低于 U处理,而 U+
DMP处理与 U处理差异不显著,说明 HQ 施入土壤
后,很快发挥了对尿素水解的抑制作用. 与 U 处理
相比,U+HQ 处理的土壤 NH4 + 鄄N 含量在培养后的
第 1 和第 2 天分别下降了 17. 2%和 10. 0% ,差异显
著. 2 d 以后,两处理则表现出明显相似的变化趋
势,且土壤 NH4 + 鄄N含量差异不大,说明 HQ 对尿素
水解的抑制作用时间较短.而 HQ 与 DMP 配合施用
时,在培养后的前 5 d内,可能由于 HQ 对尿素水解
的抑制以及 DMP 对土壤铵氧化抑制的协同效应,U
+HQ+DMP 处理的土壤 NH4 + 鄄N 含量除第 3 天外均
显著低于 U+DMP处理.
摇 摇 进一步比较发现,不同处理尿素水解达到峰值
的时间不同,U 和 U+HQ 处理的土壤 NH4 + 鄄N 含量
峰值出现在第 2 天,而 U+DMP和 U+HQ+DMP处理
的NH4 + 鄄N含量峰值则出现在第3天,且峰值显著
图 3摇 土壤 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N含量动态变化
Fig. 3摇 Dynamics of soil NH4 + 鄄N and NO3 - 鄄N contents.
4092 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
高于 U和 U+HQ处理.显然,这是由于 DMP 施用对
铵氧化的显著抑制作用所致.
2郾 2郾 2 对土壤 NO3 - 鄄N含量的影响摇 土壤 NO3 - 鄄N含
量变化趋势与 NH4 + 鄄N正好相反(图 3). U+HQ处理
的土壤 NO3 - 鄄N 含量只在培养后的第 3 ~ 5 天显著
低于 U处理,其他时间两处理差异均不显著,说明
HQ对尿素水解成铵的氧化过程影响不大;U+DMP
和 U+HQ+DMP 处理在培养 1 ~ 17 d 期间,土壤
NO3 - 鄄N含量显著低于 U 和 U+HQ 处理,且与单独
施用 DMP相比,HQ 与 DMP 配合施用时,在培养后
的第 3 ~ 11 天内表现出更强的对 NH4 + 鄄N 氧化的抑
制效果,反映出 HQ与 DMP对土壤铵氧化的协同抑
制效应.
2郾 2郾 3 对土壤表观硝化率的影响 摇 从图 4 可以看
出,由于 DMP及其与 HQ配施对土壤硝化作用的显
著抑制效应,培养前 11 d,U+DMP 和 U+HQ+DMP
处理的土壤表观硝化率均显著低于 U 和 U+HQ 处
理,而 HQ对土壤硝化作用无明显影响. 同时,在培
养的 3 ~ 11 d期间,U+HQ+DMP处理的土壤表观硝
化率显著低于U+DMP处理,进一步说明DMP与
图 4摇 土壤表观硝化率的动态变化
Fig. 4摇 Dynamics of soil apparent nitrification rate.
图 5摇 土壤中脲酶活性的变化
Fig. 5摇 Dynamics of soil urease activity.
HQ配合施用对土壤氮素转化的协同抑制效果.
2郾 2郾 4 对土壤脲酶活性的影响摇 进一步对影响尿素
水解的土壤脲酶活性进行测定,结果表明,与单施尿
素的 U处理相比,U+HQ 和 U+HQ+DMP 处理的脲
酶活性分别在培养后的前 8 d 和前 3 d 内显著低于
U处理,而 U+DMP处理的脲酶活性只在培养的第 2
天显著降低,2 d 后迅速升高(图 5). 说明 HQ 的施
用对土壤脲酶活性起到了显著的抑制作用,并进而
间接抑制了尿素的水解进程. 此变化趋势正好与土
壤 NH4 + 鄄N和 NO3 - 鄄N含量的变化趋势相吻合.
3摇 结摇 摇 论
本研究结果表明,硝化抑制剂 DCD 和 DMP 对
潮褐土和潮土中尿素氮的转化均表现出显著的硝化
抑制作用.抑制剂间比较,在两种类型土壤上均以
DMP对尿素氮的硝化抑制作用更强,与单施尿素相
比,在氮素转化高峰时,DMP 可显著提高土壤中
NH4 + 鄄N含量,降低 NO3 - 鄄N 含量. 而同一抑制剂对
潮土中氮转化的调控效果较潮褐土更为明显. 脲酶
抑制剂 HQ通过抑制脲酶的活性间接减缓尿素的水
解,但作用时间较为短暂.由于硝化抑制剂 DMP 的
显著抑制作用,DMP 单独施用或与 HQ 配施均可延
缓 NH4 + 鄄N向 NO3 - 鄄N的转化,可使尿素施入土壤后
20 d内保持较高的 NH4 + 鄄N 含量和较低的 NO3 - 鄄N
含量,且 DMP与 HQ配施表现出更强的对土壤氮转
化的协同抑制效果.
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作者简介摇 刘建涛,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事植
物营养与施肥研究. E鄄mail: liujiantao2013@ sina. com
责任编辑摇 张凤丽
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