全 文 ：双氰胺在农业生态系统中的应用效果及其影响因素*
戴摇 宇1,2 摇 贺纪正1 摇 沈菊培1**
( 1中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室, 北京 100085; 2中国科学院大学, 北京 100049)
摘摇 要摇 农业生态系统中较低的氮肥利用率造成了一定的经济损失和环境污染. 双氰胺
(DCD)是一种高效并且专性抑制土壤硝化活性的化合物,可以通过抑制土壤氨氧化微生物的
丰度和活性来显著减少土壤中硝态氮的淋失及温室气体 N2O的排放,而对其他土壤微生物没
有显著影响.影响 DCD应用效果的主要因素包括土壤温度、pH 值、质地、有机质含量及水分
含量等.近些年随着分子生物学技术在农业生态系统中的应用,微生物介导的 DCD 硝化抑制
机理取得了一系列重要研究成果.本文主要对 DCD 的酶学作用机理、应用效果及其影响因素
等方面进行综述,并对今后的研究方向作一展望.
关键词摇 硝化抑制剂摇 双氰胺摇 作用机理摇 抑制效果摇 氮肥利用率
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0279-08摇 中图分类号摇 Q142, Q398摇 文献标识码摇 A
Effects and influence factors of dicyandiamide (DCD) application in agricultural ecosystem.
DAI Yu1, 2, HE Ji鄄zheng1, SHEN Ju鄄pei1 ( 1State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology,
Research Center for Eco鄄Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085,
China; 2University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. , 2014, 25(1): 279-286.
Abstract: The low utilization efficiency of nitrogen fertilizer in agricultural ecosystem has caused se鄄
rious economic and environmental issues. Dicyandiamide (DCD) is a widely used nitrification in鄄
hibitor, which can inhibit nitrification via affecting ammonia oxidizing microorganisms with minimal
influence on other soil microorganisms, thereby reducing the leaching of nitrate and emission of
greenhouse gases. The factors influencing the efficiency of DCD in soil include soil temperature,
pH, texture, organic matter, moisture, etc. Recently, the application of molecular methods in agri鄄
cultural systems has shed new light on the microbial mechanism underlying nitrification inhibition by
DCD. In this review, the enzymatic inhibition mechanism, the application effects and their influ鄄
ence factors of DCD were summarized, and the prospects of its application were discussed as well.
Key words: nitrification inhibitor; dicyandiamide ( DCD); inhibition mechanism; inhibition
effect; nitrogen fertilizer efficiency.
*国家自然科学基金项目(41020114001,41371265)和国家重点实验
室重要方向项目(SKLURE2008鄄1鄄03)资助.
**通讯作者. E鄄mail: jpshen@ rcees. ac. cn
2013鄄05鄄02 收稿,2013鄄11鄄03 接受.
摇 摇 20 世纪初,自哈勃鄄波希(Haber鄄Bosch)制氨法
建立以来,这一工业固氮的新工艺在过去 100 多年
里得到了大力发展,为农业生产提供了大量氮肥并
大幅度地提高了农产品产量[1] . 尽管人造氮(N)肥
使农业发展受益颇丰,但其带来的环境问题却在近
几十年里越来越严重[2] .过量氮肥在农田土壤中经
过土壤微生物的硝化作用转化为硝态氮(NO3 -),容
易随着灌溉或雨水淋失,对地下水或湖泊海洋造成
污染;进一步由反硝化微生物转化为一系列氮氧化
气体(如 N2O)排放到大气中,对全球气候变化带来
不利影响. 在世界范围内 NO3 -的淋溶和温室气体
N2O的排放对水体、大气和土壤等环境造成了严重
污染[3] .例如,在欧洲,农业地区收集到的地下水样
中硝态氮浓度有 22%超过了世界卫生组织饮用水
标准(11. 3 mg N·L-1) [4];而在中国,从华北平原收
集到的 600 份水井地下水样的硝态氮浓度有 45%
超过了世界卫生组织饮用水标准,且最高浓度达到
113 mg N·L-1[5] .此外,全球每年约有 17. 7 Tg N2O
排放到大气中[6],农业生态系统中 N 肥的大量施入
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 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, Jan. 2014, 25(1): 279-286
使该过程大大加快,联合国政府间气候变化专门委
员会第 4 次评估报告表明,全球范围内农业排放的
N2O总量占人为排放量的 60% [7],而在德国农业生
态环境中 N2O 的排放总量占人为排放量的比例已
高达 67. 4% [8] .可见,提高农业生产中氮肥的利用
效率是目前亟待解决的问题.
为提高氮肥利用率,国内外一直在改进施肥方
法、优化配方施肥和加强田间管理等方面进行着大
量研究,其中研发缓控释肥料和含氮肥增效剂的稳
定肥料日益成为研究热点[9-10] .氮肥增效剂是一类
进入土壤后能影响土壤生化环境、调节土壤酶活性、
影响土壤微生物对氮肥作用、降低氮素损失的化学
物质[10] .硝化抑制剂(nitrification inhibitor,NI)是氮
肥增效剂的一种,它可以在一段时期有效抑制土壤
氨氧化微生物活性从而推迟氨的氧化. 硝化抑制剂
可抑制硝态氮的产生使得土壤中氮主要以铵态氮形
式存在,以延长或者调整氮供应时间,防止硝态氮通
过反硝化作用损失,从而增加土壤的氮肥利用
率[9] .常见的几种硝化抑制剂包括:双氰胺(dicyan鄄
diamide,DCD)、 2鄄氯鄄6鄄(三氯甲基 ) 吡啶 ( nitra鄄
pyrin)、1鄄甲基吡唑鄄1 羧酰胺 ( CMP)、3鄄甲基吡唑
(MP)、4鄄氨基三唑 ( AM / AT / ATC)、硫脲 ( TU)和
3,4鄄二甲基吡唑磷酸盐(DMPP) [11] . 有关硝化抑制
剂的应用研究越来越多,对硝化抑制剂的研究进展
也有一些报道,但多偏重于介绍早期硝化抑制剂的
应用效果[11-12],从微生物学机制分析双氰胺应用效
果和影响因素的研究进展还较少.近些年,国内外有
较多使用硝化抑制剂双氰胺来控制土壤氮素损失的
相关研究[13-20] .本文系统综述硝化抑制剂双氰胺的
最新研究成果,为更好地了解和使用双氰胺提供科
学依据.
1摇 硝化抑制剂双氰胺的酶学作用机理
双氰胺(DCD)又称二氰二氨或二聚氰胺,是氰
胺的二聚体,也是胍的氨基衍生物,于 1881 年首先
通过蒸发氰胺水溶液,由氰胺二聚而成,现以石灰氮
为原料生产[21] . DCD 是重要的有机精细化工原料,
广泛用于制作医药、塑料、化工助剂、染料和化肥增
效剂等[22] .尽管 DCD有很广的用途,但作为氮肥的
硝化抑制剂则是近几十年才日益受到国内外研究者
的关注.与其他硝化抑制剂相比,DCD 具有较好的
硝化抑制作用,其理化性质稳定,并具有水溶性、弱
挥发性、降解完全性、经济高效性等优点[23] .
铵态氮肥施入土壤后,在氨氧化微生物的作用
下将 NH3氧化为 NO2 -,继而生成 NO3 - .氨氧化过程
是硝化作用的关键步骤,也是限速步骤.这一过程早
期认为主要由氨氧化细菌(ammonia oxidizing bacte鄄
ria,AOB)介导[24] . 随着分子生物学技术的发展,
Venter等[25]于 2004 年发现 Sargasso 海的宏基因组
文库中存在新的泉古菌氨单加氧酶基因(amoA)序
列,这一现象随后在土壤中也被发现[26] .此后,第一
株泉古菌 Nitrosopumilus maritimus 被成功从海水中
分离出来,该菌具有氨单加氧酶基因的所有成员,且
以氨为唯一能源进行自养生长;这一发现引起了广
泛关注,在随后的几年里越来越多的研究表明,这种
具有氨氧化功能的古菌广泛地存在于各种生境中,
并将这类微生物称为氨氧化古菌(ammonia oxidizing
archaea,AOA) [24],而且在 2008 年将这类古菌专门
归入奇古菌门,属于古菌中的第 3 个主要类群[27] .
虽然 AOB 和 AOA 均含有氨单加氧酶 ( ammonia
mono鄄oxygenase,AMO),但 AOA 中不具有羟胺氧化
还原酶(hydroxylamine oxidoreductase,HAO),其可能
通过氧化硝酰氢化物(nitroxyl hydride,HNO)将底物
氨完全氧化成亚硝酸盐[28] .
分子生物学技术的快速发展使得一些研究开始
从基因水平关注 DCD对微生物数量的影响.在新西
兰高氮土壤中,研究发现 AOB为土壤硝化过程的主
要贡献者,其数量因 DCD 施用而明显减低,而对
AOA amoA基因和甲烷氧化菌的丰度均无明显作
用[18,29-32] . Zhang 等[33]发现,中国酸性土壤中的氨
氧化过程主要由 AOA 介导,并首次指出 DCD 可有
效降低 AOA的数量,而且完全抑制其氧化 NH3和固
定 CO2的活性,对 AOB 则没有显著影响.杨扬等[34]
指出,DCD 处理可显著减少两种菜地土壤中 AOB
的丰度,而对细菌 16S rRNA 和反硝化基因 nirk 的
丰度没有显著影响.施用 DCD 7 年的土壤中细菌和
古菌 16S rRNA基因丰度也与未施用土壤无显著差
异[35] .可见,DCD在研究氮循环过程,特别是氨氧化
过程的微生物机制方面提供了重要的信息和研究思
路. DCD的靶向性很强,对其他微生物并无显著抑
制或者毒害作用.
DCD可高效专性抑制氨氧化细菌 Nitrosomonas
europaea,它只是抑制该菌的活性并不将其杀死[36] .
其抑制机理可能为 DCD 结构中的氨基(鄄NH2)和亚
氨基( =NH)具有与 NH3相似的结构,其很可能竞争
性地结合氨单加氧酶 AMO上氧化 NH3的活性位点,
使其失去吸收和利用 NH3的能力[33,36-37];也有报道
指出其功能团 C以N可与菌体呼吸酶中的巯基或重
082 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
金属基团发生反应从而抑制其活性[36],更深入的作
用机理还有待进一步研究.
大部分研究表明,DCD 在田间建议浓度范围内
仅对参与氨氧化过程的微生物具有明显抑制作用,
对其他微生物的活性均无显著影响. 1980 年,陈松
生等[38]通过纯菌培养发现,双氰胺 1 mg·kg-1可抑
制亚硝酸菌达 40% 以上,5 mg· kg-1 抑制率达
91郾 4% ,10 mg·kg-1抑制率为 96郾 7% ,50 mg·kg-1
完全抑制. Tindaon等[39]发现,DCD对土壤脱氢酶和
二甲基亚砜还原酶的平均半数致失活浓度分别高达
5649 和 4032 mg DCD·kg-1干土,分别为田间推荐
使用浓度的 500 多倍和 400 多倍. Guo 等[35]研究表
明,虽然经过 7 年 DCD处理的 3 种土壤微生物生物
量碳、微生物生物量氮、蛋白酶活性和脱氨基酶活性
在不同土壤间差异显著,但 DCD在施用的 7 年间对
这些微生物相关指标没有显著影响.
2摇 硝化抑制剂双氰胺的应用效果
2郾 1摇 对土壤硝酸盐淋溶和氧化亚氮排放的影响
农田生态系统中氮肥的过量施用带来了一系列
严重的环境问题,其中土壤硝酸盐的淋溶损失和氧
化亚氮的过量排放对环境造成的危害尤为突
出[3,12] .通过使用 DCD作为硝化抑制剂来控制硝酸
盐的淋溶和氧化亚氮的排放,取得了良好的效果.新
西兰林肯大学 Di 等[13-17,20,29]通过十多年的系统研
究发现,向添加高浓度氮肥的新西兰放牧草地土壤
中喷施水溶态的 DCD 可减少 42% ~ 83%的硝酸盐
淋失,而且可降低 40% ~ 82%的 N2O 总排放量(表
1),DCD对硝酸盐淋失和 N2O总排放量的平均抑制
率分别达 61%和 67% ,抑制效果显著. DCD 对硝酸
盐淋失和 N2O 总排放量的抑制能力受氮肥和 DCD
的用量[16-17] 、使用季节[13,40] 、土壤种类[20,29]和降水
表 1摇 DCD不同用量对新西兰放牧草地土壤 NO3 - 鄄N淋溶和 N2O总排放的影响
Table 1摇 Impact of different DCD application rates on NO3 - 鄄N leaching and N2O emission from grazed pasture soils in New
Zealand
施氮量
N application
rate
(kg·hm-2)
DCD用量
DCD
application
rate
(kg·hm-2)
季节
Season
土壤类型
Soil type
硝态氮 NO3 - 鄄N
淋溶量
Leaching amount
(kg N·hm-2
·a-1)
DCD的抑制率
Reduction
of NO3 - 鄄N
leaching by
DCD (% )
氧化亚氮 N2O
总排放量
Total
emission
(kg N·hm-2)
DCD的抑制率
Reduction
of N2O鄄N
emission by
DCD (% )
文献
Reference
1200 75 秋季
Autumn
石粉质壤土 502 76 a) - [13]
45 春季
Spring
Stony silt loam soil 397 42 46. 0(4) b) 82
20 秋季
Autumn
- - 26. 7(6) 76 [14]
47. 5 春季
Spring
- - 18. 0(3) 78
20 秋季
Autumn
细砂壤土
Fine sandy loam soil
134 68 - - [15]
15、20、30 秋季
Autumn
石粉质壤土
Stony silt loam soil
- - 23. 1(3) 65、70、73 [16]
20 春季
Spring
- - 31. 0(6) 73
20 秋季
Autumn
细砂壤土
Fine sandy loam soil
- - 37. 4(3) 61
20 秋季
Autumn
新砂质壤土
Recent sandy loam soil
122. 9、
67. 7c)
71、56 - - [29]
300、700、1000 20 秋季
Autumn
石粉质壤土
Stony silt loam soil
59. 7、188郾 1、
254. 9
83、60、
45
- - [17]
1000 20 秋季
Autumn
石粉质壤土
Stony silt loam soil
- - 8. 7(5) 67 [20]
10 春季
Spring
浮石砂土
Pumice sand soil
- - 1. 0(2) 69
0、1000 10 夏季
Summer
细砂壤土 - - 0. 2、7. 8(4) 70、40 [40]
10 冬季
Winter
Fine sandy loam soil - - 0. 5、
12. 7(5)
61、67
a)没有相关数据 No data;b)括号里为 N2 O 总排放量的统计时长(月) The time period (month) in the brackets is used for calculating the total
N2O鄄N emission;c)两个不同的降水量处理(1260、2145 mm)对应的淋溶量 The leaching amount corresponding to two different rainfall treatments
(1260 and 2145 mm).
1821 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 戴摇 宇等: 双氰胺在农业生态系统中的应用效果及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇 摇
量[29]等因素影响(表 1). 一般而言,在放牧草地系
统中,DCD与牛尿同时施用,与施用牛尿后 5 d再喷
施 DCD[41]相比,同时施用对 NH3挥发、N2O 排放和
NO3 -淋失的抑制效果更好;也有研究发现,施用牛
尿 10 d后再喷施 DCD,其抑制效果与两者同时施用
相比无显著差异[16] . De Klein 等[42]发现,DCD 在同
一地区连续施用 4 或 5 年后,其对牛尿排泄区土壤
N2O排放的抑制效果仍然很好,而 DCD对土壤 N2O
排放因子 EF3(N2O排放量占所施尿素的百分比)的
抑制率在首次施用 DCD 的区域和连续 4 年施用
DCD的区域分别为 70%和 61% .此外,DCD 还能有
效减少小麦、水稻、玉米和蔬菜等作物生产过程中土
壤硝酸盐的淋溶损失和氧化亚氮的排放. Boeckx
等[43]通过室内盆栽小麦和水稻后发现,相对于仅施
尿素的处理,添加 DCD 可减少小麦旱作土壤 22%
的 N2O 总排放量,还可减少水稻土壤 47%的 N2O
总排放量. Ding 等[44]通过玉米田间试验发现,DCD
的添加能够减少土壤 39%的 N2O总排放量.另有研
究表明,辣椒、苋菜和小萝卜轮作的两种土壤中添加
DCD后,其硝酸盐淋溶量分别降低 59% 和 36% ,
N2O总排放量分别降低 68%和 62% [45] .
2郾 2摇 对作物产量和品质的影响
过量施用氮肥会造成作物产量和品质下降,其
中作物对硝酸盐的过量吸收最引人关注. 作物硝酸
盐超标不仅对其本身造成危害或品质下降,还会通
过食物链被人畜吸收,带来直接或者潜在的健康风
险[46] .大量研究证实,硝化抑制剂 DCD 的施用可显
著提高作物产量,并能一定程度改善作物品质,提高
其食用的安全性(表 2). 有研究发现,将 DCD 与高
浓度牛尿共施可显著提高牧草产量,增幅高达
42% ,而且 DCD能显著提高牧草的氮吸收量,最多
可达 46% [47] .这说明 DCD 可将大部分氮肥保持在
土壤中供牧草生长和吸收,显著提高了氮肥的利用
率[15,17,47] .虽然 DCD 可提高牧草对土壤氮素的吸
收,但其并不能影响牧草中硝酸盐的含量,相反
DCD可显著抑制牧草对硝态氮的吸收,抑制率高达
87% [47-48] .这主要是因为 DCD 可抑制土壤中铵态
氮氧化成硝态氮[36],大幅度降低了土壤中硝态氮浓
度;另一方面,牧草在低温时更偏向于吸收铵态氮,
属于喜铵作物[49-50],这也使其总氮吸收量因为铵态
氮的增加而增加,而硝态氮含量下降.此外,DCD 对
牧草氮素和其他养分含量无显著影响的情况下,牧
草干质量的增加是其对这些营养元素总吸收量增加
的主要原因[48] . DCD对水稻、玉米和小白菜的生长
表 2摇 DCD不同用量对作物产量和品质的影响
Table 2摇 Impact of different DCD application rates on the yield and quality of crops
施氮量
N application
rate
(kg·hm-2)
DCD施用量
DCD
application
rate
(kg·hm-2)
土壤类型
Soil
type
作物
Crop
作物产量
(干质量)
Crop yield
(DM)
增产率
Increase
rate
(% )
对作物营养元素吸收和
品质的影响
Effects of crop nutrient
uptake and quality
参考文献
Reference
1200 平均 60 石粉质壤土
Stony silt loam soil
牧草
Pastures
平 均 11. 0 t
hm-2·a-1
平均 36 平均提高 15%的氮吸收量 [13]
20 细砂壤土
Fine sandy loam soil
牧草
Pastures
15. 3 t hm-2 ·
a-1
33 提高 39%的氮吸收量 [15]
20a) 粉砂壤土
Silt loam soil
牧草
Pastures
11. 6、 10. 0、
13郾 3、14. 9 t ·
hm-2·a-1
30、24、36、
24
平均提高 N、 Ca、 Mg 和 K
27%、23%、24%和29%的吸
收量;对干物质量、蛋白质含
量、碳水化合物含量以及兆
焦耳值无显著影响,显著降
低其 NO3 - 鄄N含量
[48]
300、700、1000 20 石粉质壤土
Stony silt loam soil
牧草
Pastures
10. 8、 13. 9、
19郾 7 t·hm-2
19、35、18 分别 提 高 33% 、 43% 和
33%的氮吸收量
[17]
1050 20b) 砂质壤土
Sandy loam soil
牧草
Pastures
18. 1、19. 1 t·
hm-2
39、42 分别提高 60%和 46%的氮
总吸收量;分别降低牧草
NO3 - 鄄N含量 54%和 87%
[47]
825 8、 16、 24、
32
水田
Paddy soil
水稻
Rice
8. 1 t·hm-2 12、14、13、
13
平均提高水稻每穴穗数和
每穗粒数 7%和 2%
450 16郾 5、
33郾 0、49. 5
旱田
Dryland soil
玉米
Maize
9. 2 t·hm-2 3、7、5 平均提高玉米穗重和穗粒
重 5%和 11%
[51]
2. 24c) 0. 314c) 灰黄泥菜园土
Gray yellow clayed
garden soil
小白菜
Cabbage
44. 1 g·pot-1 29 提高 38%的氮吸收量;降低
植株硝酸盐含量
[52]
a)2002—2003、2003—2004、2004—2005、2005—2006 连续 4 年的试验数据 Data from four consecutive years ( from 2002-2003 to 2005-2006); b)5
月和 8 月两次施肥的试验数据 Data from two different application months of May and August; c)单位为 g·pot-1 The units were g·pot-1 .
282 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
也有促进作用[51-52],不仅能够提高产量,而且可以
通过增加穗数、穗质量或氮吸收量等方式来提高品
质.此外,Cui等[45]报道,DCD 可显著增加黄棕壤土
中辣椒和小萝卜的产量,并且可以显著增加黄棕壤
土中辣椒果实、苋菜、小萝卜及小萝卜叶片的总氮含
量,还可以显著增加潮土中辣椒植株、苋菜、小萝卜
叶片的总氮含量. 以上研究表明,DCD 作为硝化抑
制剂在不同农业生态系统中已得到一定程度的应
用,同时可提高作物产量并改善作物品质. 另外,也
有少量报道指出 DCD 对作物产量或品质没有显著
影响[40,53-54],这可能与氮肥和 DCD 施用量、土壤类
型、气候条件以及作物种类等因素有关,其原因还有
待深入研究,以探明不同土壤和气候条件下 DCD的
作用效果,从而优化 DCD的施用条件.
3摇 双氰胺应用效果的影响因素
3郾 1摇 土壤温度
土壤温度通过影响 DCD 的降解速率来影响其
硝化抑制效果及有效抑制时间.大量研究表明,随着
温度升高 DCD的降解常数增大,分解也随之加快,
挥发损失增多. Guiraud 和 Marol[55]发现,15 益以下
DCD的硝化抑制率高达 80% ,其抑制效果可持续 6
个月,而随着温度的升高其抑制效果显著降低.有研
究表明,8 益下,DCD 的半衰期为 111 ~ 116 d,而温
度增加到 20 益时,其半衰期则降为 18 ~ 25 d[56] .史
云峰等[57]研究 DCD在砖红壤中硝化抑制效果时发
现,培养温度由 10 益升高到 30 益,硝化抑制作用持
续时间由 90 d 下降为 30 d. 还有一些研究发现,
DCD在秋季和冬季施用时其抑制效果比在春季和
夏季好[13,20,40],这主要是由不同季节温度不同引起
的,春夏平均气温高于秋冬,而且秋冬两季的气候条
件更有利于土壤硝态氮淋失和 N2O 排放,为 DCD
更好地发挥作用提供了机会.
3郾 2摇 土壤 pH值
土壤 pH值与 DCD关系密切,相互影响,pH 值
对 DCD抑制效果的影响较复杂.一般来说,pH值高
的地方 AOB活性强[18],土壤硝化活性高,更有利于
DCD发挥作用. 同时,DCD 的添加能够使土壤中氮
素以 NH4 + 鄄N 形式保留很长一段时间,从而使土壤
pH值升高[58] . 然而铵态氮形式的氮在土壤中大量
存在易导致氮素以氨气形式挥发损失,且氨挥发在
碱性土壤中更易发生[59],从而降低了 DCD 的应用
效果. Kim等[60]对 1970—2010 年间 21 篇文献中的
46 组数据进行统计分析,发现添加 DCD 后土壤氮
素以 NH3形式挥发损失主要与土壤 pH 值和阳离子
交换量(CEC)相关,pH 值越高或 CEC 越低,NH3挥
发量越大;他们收集的部分数据还表明,DCD 对土
壤 NH3挥发无显著影响甚至可以减少土壤 NH3挥
发.史云峰等[57]发现,土壤 pH 值越低,DCD 的硝化
抑制效果越好且其抑制时间也越长. Zhang 等[61]研
究表明,在 pH<2 或 pH>5 的情况下 DCD 容易被吸
附,从而有利于其在土壤中存留,起到延长抑制时间
的作用.他们指出,DCD 分子在土壤溶液中大部分
以中性形式存在,在酸性条件下可被 H+质子转化成
DCD+,从而易被土壤中的有机质或硅质粘粒吸附;
在碱性条件下可在 OH-存在的情况下发生酸中和
反应转化为 DCD-,从而易被土壤中的金属氧化物
吸附.
3郾 3摇 土壤质地和有机质含量
不同土壤质地对 DCD 应用效果的影响也需要
综合考虑.一般而言,在细质地土壤上,由于氮损失
相对较小,且微生物含量丰富有利于 DCD 降解,因
而 DCD的作用不明显;而粗质地土壤利于氧气和雨
水交换,从而易导致氮素以 N2O 或硝态氮形式损
失,这时施用 DCD则可有效保持氮肥[20] .一些研究
表明,土壤中添加秸秆等有机质能显著降低 DCD的
硝化抑制效果[57],甚至导致氮素大量挥发损失[59] .
另一方面,土壤有机质和粘粒含量高有利于
DCD 的吸附和固定,从而延长其使用时间. Zhang
等[61]研究表明,森林草原土的有机质、阳离子交换
量(CEC)及金属氧化物含量均高于另一种棕壤土,
前者在不同 pH 梯度下对 DCD 的吸附能力明显高
于后者. Singh 等[62]报道,3 种不同类型的土壤中
DCD降解速率随土壤粉粒含量的降低而升高,且
DCD对 N2O的抑制率在粉粒含量最高的粉砂壤土
中最强,其他两种土壤为砂粒含量较高的砂质壤土.
因此需要综合考虑土壤质地对 DCD的影响,来优化
其应用效果.
3郾 4摇 土壤水分和氧气含量
土壤水分和氧气含量不仅可通过影响土壤中氮
循环相关微生物的活性间接影响 DCD的应用效果,
还能通过影响 DCD 在土壤中的存留时间及降解速
率直接影响其应用效果.高降水量会降低 DCD对土
壤硝态氮淋溶的抑制率,这可能是由于水分含量高
导致土壤中氧气含量少,从而抑制氨氧化过程,促进
反硝化过程,使氮素更多以 N2O 的形式损失[29] . 此
外,在 1140 和 2280 mm·a-1两种降水量处理下 3 种
土壤淋溶液年排放量为 422 ~ 1292 mm,DCD 的淋
3821 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 戴摇 宇等: 双氰胺在农业生态系统中的应用效果及其影响因素摇 摇 摇 摇 摇 摇
失量占施用量的比例为 12% ~46% [63] .可见高降水
量会使 DCD从土壤中淋失,从而减少其抑制效果并
可能对地下水造成污染. 史云峰等[57]发现,高含水
量会降低 DCD 的抑制效果,并指出土壤含水量为
12%时,硝化抑制作用可持续 90 d,而当含水量增至
24%时,其抑制效果只能持续 60 d.
3郾 5摇 其他因素
影响 DCD 应用效果的因素还包括 DCD 施用
量、氮肥种类、作物种类以及栽培管理措施等. 一般
来说,DCD的硝化抑制效果随其施用量和施用次数
的增加而增加[13-14,16] .此外,一定范围内,DCD 的抑
制效果随氮肥施用浓度的增加而增加[32] . 为了使
DCD的硝化抑制效果更佳,其施用量一般为 10 ~ 30
kg·hm-2[15,23] .在新西兰草地生态系统中 DCD的施
用量推荐为 10 kg·hm-2,于春季和秋季各施 1
次[15,17,29] . DCD 在铵肥中的应用效果高于其在硝基
肥中的应用效果[64],一般建议选用尿素作为氮肥与
DCD配施.氮源对 DCD 抑制效果的影响,可能与不
同形态的氮肥施入土壤后引起的土壤 pH 值及土壤
氮素硝化速率变化有关. 不同作物对氮形态的喜好
不同,由于 DCD抑制铵态氮转化为硝态氮,因而相
对于喜硝作物而言,DCD 对喜铵作物的应用效果会
更好[65] . DCD和氮肥的施肥方式及施肥时间[41]等
栽培管理措施对 DCD的应用效果影响显著.与常规
固体播撒方法相比,喷施水溶态的尿素[59] 和
DCD[48]可以提高氮肥的利用率,减少环境污染.
综上所述,DCD 在硝态氮易淋失、反硝化强烈
而质地粗的土壤中的施用效果显著;而在强碱性土
壤、温度高、蒸发量大的环境中,其应用效果较差,甚
至造成不好的影响.因此,要根据气候、土壤、植物种
类等实际情况合理和科学地使用 DCD,这样才能使
DCD发挥最好的功效.
4摇 展摇 摇 望
世界各国对硝化抑制剂双氰胺已进行了一些研
究,但其在农业生产上的应用还远远不够,主要在新
西兰得到了集约化的推广和使用. 为了更好地利用
DCD提高氮肥利用率并减少氮肥对环境的污染,需
要从以下几方面加强研究:1)虽然双氰胺被认为是
低毒或无毒的物质,但其在食品(如牛奶)中缺乏国
际公认的最低浓度标准. 需要加快其国际标准的制
定和公示,以便在全球范围内推广使用;2)DCD 对
土壤硝化作用的抑制机理并没有一个明确的解释,
应使用基因组学和蛋白质组学的新理论和新方法进
一步研究 DCD的硝化抑制机理,为其应用提供更详
尽准确的理论支持;3)DCD的施用可能会引起部分
土壤氮素以氨气的形式挥发损失,对于 DCD施用时
土壤氨挥发过程的影响因素尚不明确,应该加强这
方面的研究,为更好地控制土壤氨挥发提供技术支
持;4)DCD的价格较高,应该优化其生产工艺,降低
其生产成本,让其更容易在发展中国家推广应用并
创造更大的经济和环境效益. 总之,对 DCD 开展更
全面、更深入的调查和研究,通过了解其应用效果和
抑制机理,并挖掘其应用潜能和应用范围,可以为其
在农业生态系统中的推广和使用提供理论依据和技
术支持.
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作者简介摇 戴摇 宇,男,1984 年生,博士研究生. 主要从事土
壤碳氮转化相关微生物研究. E鄄mail: setwei07162002 @
aliyun. com
责任编辑摇 张凤丽
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