全 文 ：氢醌和双氰胺对种稻土壤 N2O 和 CH4 排放的影响 3
周礼恺 3 3 　徐星凯　陈利军　李荣华　(中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110015)
O. Van Cleemput 　(比利时根特大学农学与应用生物学院 ,B29000 Gent)
【摘要】　通过盆栽试验 ,研究了脲酶抑制剂氢醌 ( HQ) 、硝化抑制剂双氰胺 (DCD) 及二者的组合 ( HQ + DCD) 对
种稻土壤 N2O 和 CH4 排放的影响. 结果表明 ,在未施麦秸粉时 ,所有施抑制剂的处理均较单施尿素的能显著减
少水稻生长期供试土壤 N2O 和 CH4 的排放. 特别是 HQ + DCD 处理 ,其 N2O 和 CH4 排放总量分别约为对照的
1/ 3 和 1/ 2. 而在施麦秸粉后 ,该处理的 N2O 排放总量为对照的 1/ 2 ,但 CH4 排放总量却较少差别. 不论是 N2O
还是 CH4 的排放总量 ,施麦秸粉的都比未施的高出 1 倍和更多. 因此 ,单从土壤源温室气体排放的角度看 ,将未
腐熟的有机物料与尿素共施 ,并不是一种适宜的施肥制度. 供试土壤的 N2O 排放通量 ,与水稻植株的 NO -3 2N
含量和土表水层中的矿质 N 量分别呈显著的指数正相关和线性正相关 ;CH4 的排放通量则与水稻植株的生长
量和土表水层中的矿质 N 量呈显著的线性负相关. 在 N2O 与 CH4 的排放间 ,未施麦秸粉时存在着定量的相互
消长关系 ;施麦秸粉后 ,虽同样存在所述关系 ,但难以定量化.
关键词 　氢醌 　双氰胺 　氧化亚氮 　甲烷 　稻田生态系统
Effect of hydroquinone and dicyandiamide on N2O and CH4 emissions from lowland rice soil. Zhou Likai , Xu
Xingkai , Chen Lijun and Li Ronghua ( Institute of A pplied Ecology , Academia S inica , S henyang 110015) , Oswald
Van Cleemput ( Faculty of A gricultural and A pplied Biological Science , U niversity of Ghent , B29000 Gent , Bel2
gium) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,1999 ,10 (2) :189～192.
Through pot experiments , this paper studied the effect of urease inhibitor hydroquinone ( HQ) , nitrification inhibitor
dicyandiamide (DCD) and their combination ( HQ + DCD) on the N2O and CH4 emissions from a lowland rice soil.
The results show that with no wheat straw powder amended , all treatments with inhibitors significantly reduced the
N2O and CH4 emissions during rice growth , as compared with the treatment only urea applied. Especially for treat2
ment HQ + DCD , its total amount of N2O and of CH4 emission was about 1/ 3 and 1/ 2 of the control , respectively ;
while with wheat straw powder amended , the total N2O emission of this treatment was 1/ 2 of the control , but that of
CH4 emission had less difference. Wheat straw powder amendment induced one times and more emissions of N2O and
CH4 than no its application , and hence , even only from the standpoint of diminishing soil source greenhouse gases e2
mission , applying unmatured composted organic materials with urea is an inappropriate fertilization system. The N2O
flux from this soil had a significant positive exponential relationship with the NO -3 2N content of rice plant and a signif2
icant positive linear relationship with the mineral N content in soil surface waterlayer , while CH4 flux had a significant
negative linear relationship both with the growth rate of rice plant and with the mineral N content in soil surface wa2
terlayer. There existed a quantitative trade2off between N2O and CH4 emission in case of no wheat straw powder incor2
porated , while with its amendment , the trade2off still existed , but hard to quantify.
Key words 　Hydroquinone , Dicyandiamide , N2O , CH4 , Lowland rice field ecosystem.
　　3 中2比国际合作研究项目.
　　3 3 通讯联系人.
　　1998 - 11 - 10 收稿 ,1999 - 01 - 18 接受.
1 　引 　　言
　　N2O 和 CH4 是两种重要的温室气体. 施肥不当是
导致这两种气体从土壤中排放增多的一个重要原因.
尿素是我国农民广泛使用的氮肥品种 ;作物秸秆也在
一定程度上用作有机肥料. 它们对土壤 N2O 和 CH4 的
排放都有一定的贡献. 我们曾对脲酶抑制剂氢醌与硝
化抑制剂双氰胺及其组合对土壤尿素 N 转化和 N2O
排放的影响进行过系统研究[1～3 ,5 ] ,鉴于 CH4 的生成
与排放亦不同程度地与土壤 N 素转化有关 ,本文在先
前工作的基础上以种稻土壤为供试对象 ,研究所述抑
制剂及其组合对施有尿素和麦秸粉时土壤 N2O 和
CH4 排放的影响 ,为土壤源 N2O 和 CH4 的减排提供一
条有效的土壤生物化学途径.
2 　材料与方法
　　供试土壤采自比利时根特大学农业试验站 ,粘粒 8. 9 % ,粉
粒 14. 9 % ,砂粒 76. 2 % ,总 N 0. 15 % ,有效 N 16. 7mg·kg - 1 ,有
机 C1. 75 % ,C/ N11. 7 ,p H ( H2O) 7. 56. 土样经风和过 2mm 筛
后 ,每盆装入 2. 0kg ,并施入 1. 0gK2 HPO4 和 2. 0g 尿素作基肥.
淹水 1d 后 ,选取 7 棵苗龄 20d 的健壮水稻幼苗植入盆内. 盆栽
试验分两组 ,一组不施麦秸粉 ,设 4 个处理 :尿素 (CK) ,尿素 +
应 用 生 态 学 报 　1999 年 4 月 　第 10 卷 　第 2 期 　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Apr. 1999 ,10 (2)∶189～192
氢醌 ( HQ) ,尿素 + 双氰胺 (DCD) 及尿素 + 氢醌 + 双氰胺 ( HQ
+ DCD) ;另一组施 10g/ 盆风干麦秸粉 (含 C 量为 40. 5 %) ,仅
设两个处理 :CK和 HQ + DCD. 氢醌和双氰胺是在尿素作基肥
时与之混施 ,其用量分别为尿素的 0. 3 %和 1 %(w/ w) . 所有处
理均为 15 次重复. 在整个试验期间 ,土表始终保持 2mm 水层.
　　不定期地将圆柱型 PVC 采气桶罩住试验盆钵 ,1h 后用
10ml 真空管采集种稻土壤排放的气体 ,用气相色谱法测定其中
的 N2O[6 ] 和 CH4 [8 ] 含量 ,同时测定土表水层中的 NH+4 2N 和
NO -3 2N 量[7 ] 、水稻地上部的生物量及其 NO -3 2N 含量[10 ] .
3 　结果与讨论
3 . 1 　土壤 N2O 和 CH4 排放的动态变化与总量
　　从图 1 可见 ,在未施麦秸粉时 ,种稻土壤的 N2O
排放随水稻生长呈减少的趋势 ,唯 HQ + DCD 处理基
本保持平稳. 所有施抑制剂的处理 ,其 N2O 的排放量
均比单施尿素的低 ,且以 HQ + DCD 最为明显. 这与先
前室内模拟与盆栽试验的结果相吻合[1 ,2 ,5 ] . 就水稻生
长期内 N2O 的排放总量而言 (表 1) ,施抑制剂的处理
均较低 ,HQ + DCD 处理不及对照的 1/ 3.
表 1 　水稻生长期土壤 N2O 和 CH4 的排放总量
Table 1 Total amount of soil N2O and CH4 emissions during rice growth
处　理
Treatment
N2O 排放总量
Total amount of
N2O emission
(mg·pot - 1)
未施麦秸粉
No wheat
straw powder
incorporated
施麦秸粉
Wheat straw
powder
incorporated
CH4 排放总量
Total amount of
CH4 emission
(mg·pot - 1)
未施麦秸粉
No wheat
straw powder
incorporated
施麦秸粉
Wheat straw
powder
incorporated
CK 17. 25 (2. 07) a 35. 26 (4. 13) a 190. 26 (15. 9) a 900 (120) a
HQ 13. 20 (1. 13) b - 132. 97 (10. 7) b -
DCD 9. 14 (0. 76) c - 89. 22 (7. 9) c -
HQ + DCD 6. 51 (0. 63) d 17. 61 (1. 63) b 79. 50 (10. 1) c 830 (150) a
括号内数字为标准差 ;同样字母为差异未达显著水平. Values between
brackets represent standard error of the mean ;Values followed by the same
letter in each column are not significantly different (p < 0. 05) .
　　施麦秸粉后 (图 1) ,在水稻移植后的前 30d 内 ,
N2O 的排放随时间而减少 ,但至第 50 天时却显著增
多. 这种有别于未施麦秸粉时的情况 ,看来与麦秸粉在
土壤中的腐殖化2矿化过程及与其有关的土壤 N 素周
转有一定关系. 在这里 ,HQ + DCD 处理同样表现出良
好作用 ,该处理的 N2O 排放总量为对照的一半 (表 1) .
　　需要指出的是 ,与相应对照和 HQ + DCD 处理相
比 ,施麦秸粉时 N2O 的排放总量均比未施的高出 1 倍
以上. 看来 ,仅就减少 N2O 排放而言 ,将未腐熟的有机
物料与尿素共施 ,并不是一种很好的施肥制度.
　　从图 2 可见 ,未施麦秸粉时 ,水稻生长期土壤 CH4
排放与N2 O不同 ,在这里 ,CH4的排放是随水稻生长
而增多 ,并在移植后第 50 天达最大值. 施抑制剂的处
理 ,特别是 DCD 和 HQ + DCD ,与对照相比显著减少
了 CH4 的排放总量 (表 1) .
图 1 　水稻生长期 N2O 排放的动态变化
Fig. 1 Dynamics of soil N2O emission during rice growth.
a) 未施麦秸粉 No wheat straw powder incorporated ,b) 施麦秸粉 Wheat
straw powder incorporated. 下同 The same below.
图 2 　水稻生长期土壤 CH4 排放的动态变化
Fig. 2 Dynamics of soil CH4 emission during rice growth.
　　施麦秸粉后 ,CH4 排放的动态变化基本上与未施
麦秸粉的相似 ,并于水稻移植后的第 30 天达最大值.
显然与麦秸粉的厌氧分解进入高峰期有关. 与对照相
比 ,HQ + DCD 处理并未减少 CH4 的排放总量 (表 1) .
　　施用未腐熟的麦秸粉后 ,土壤 CH4 排放量是未施
麦秸粉的 4 倍多 (CK) 和 10 倍 ( HQ + DCD) . 因此 ,从
减少农田生态系统 CH4 排放的角度来看 ,有机物料未
经腐熟便施入田间 ,同样是不合适的.
3 . 2 　水稻植株生长量和 NO -3 2N 含量与土壤 N2O 和
CH4 排放的关系
　　从图 3 可见 ,DCD 和 HQ + DCD 处理的水稻植株
生长量 ,在整个试验期间均显著大于 CK和 HQ 处理 ;
091 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　10 卷
而 NO -3 2N 含量则相反 (图 4) . 回归分析表明 ,土壤
N2O 排放量与水稻植株的 NO -3 2N 含量呈显著指数相
关 (图 5) ; CH4 排放量与生长量呈线性负相关 ( Y =
395. 97 - 3. 87 X , R2 = 0. 95 , p < 0. 05) . 看来 ,植株排
放 N2O 是其 N 代谢不正常的结果. 我们先前的研究表
明 ,配施抑制剂能调节土壤中的 N H +4 2N 和 NO -3 2N 的
比例[5 ] ;本研究发现 ,配施抑制剂时 ,植株生长得到了
改善 ,体内 NO -3 2N 含量显著减少 ,土壤 N2O 排放量也
随之降低. 至于 CH4 排放量与生长量间的负相关 ,一
个重要的原因 ,应是随着水稻的生长 ,根际微域的甲烷
图 3 　水稻地上部分鲜重动态变化
Fig. 3 Dynamics of aboveground fresh weight of rice with time.
图 4 　水稻植株的 NO -3 2N 含量
Fig. 4 NO -3 2N content in rice plant .
图 5 　稻田 N2O 排放量与水稻植株的 NO -3 2N 含量
Fig. 5 N2O emission from lowland rice soil vs. NO -3 2N content in rice
plant .
氧化潜势不断地得到了增强.
3 . 3 　稻田水层中矿质 N 量与土壤 N2O 与 CH4 排放
的关系
　　稻田水层中的矿质 N 量 ,可在一定程度上表征土
中 N 素的氨化作用和硝化2反硝化作用的强度 ;与稻
田 N2O 和 CH4 排放也存在一定的联系 ,逐步回归分析
显示 :
　　Y N2O = 2. 50 + 0. 39 X1 (NH +4 2N) + 0. 82 X2 (NO -3 2N)
　　　R2 = 0 . 52 , p < 0 . 01 ,
　　Y CH4 = 47. 78 - 13. 68 X1 (NH +4 2N) - 5. 55 X2 (NO -3 2N)
　　　R2 = 0 . 63 , p < 0 . 01 ,
　　这表明 ,在 N2O 的排放中 ,水层中的 NO -3 2N 含量
较之 N H +4 2N 量有更大的贡献 ;而在 CH4 的排放中则
相反. 为此 ,很好调节土壤中的 N H +4 2N 与 NO -3 2N 的
比例 ,致使硝化2反硝化作用潜势削弱 ,甲烷氧化作用
潜势增强 ,能同时减少稻田 N2O 和 CH4 的排放.
图 6 　稻田 N2O 和 CH4 排放间的消长关系
Fig. 6 Trade2off between N2O and CH4 emission from lowland rice soil.
3 . 4 　土壤 N2O 和 CH4 排放的消长关系
　　已有研究指出 ,稻田土壤 N2O 和 CH4 排放间存在
着消长关系[4 ] . 这是因为自养硝化菌和甲烷氧化菌处
于相似的生境 ,并竞争 O2 、CH4 和 N H3 ;且前者的氨一
氧化酶和后者的甲烷一氧化酶对底物的专性都较弱 ,
1912 期 　　　　　　　　　　　　周礼恺等 :氢醌和双氰胺对种稻土壤 N2O 和 CH4 排放的影响 　　　　　　　　　
从而能竞争在形状和大小上相似的底物氨和 CH4 (它
们都是四面体 , Van der Waals 半径分别为 29. 7 和
31. 3nm) [9 ] . 然而 ,这种消长关系至今很少定量描述.
　　本项研究表明 ,土壤 N2O 和 CH4 排放间 ,在未施
麦秸粉时呈现出显著对数负相关 ;而在施有麦秸粉时 ,
二者间虽也存在消长关系 ,但难以定量描述 (图 6) ,这
或许与麦秸粉厌氧分解时产生了大量的 CH4 ,而土壤
中矿质 N 被生物固持有关.
4 　结 　　论
4 . 1 　在未施麦秸粉时 ,所有施抑制剂处理的 N2O 排
放量均比单施尿素的低 ,且尤以 HQ + DCD 处理最为
明显 ,施麦秸粉后 ,该处理的 N2O 排放总量为对照的
一半. 与相应对照和 HQ + DCD 处理相比 ,施麦秸粉时
的 N2O 排放总量均比未施的高出 1 倍以上.
4 .2 　所有施抑制剂的处理 ,特别是 DCD 和 HQ +
DCD 两处理 ,在未施麦秸粉时的 CH4 排放总量比单施
尿素的少一半 ;在施有麦秸粉时则很少差别. 施麦秸粉
后的土壤 CH4 排放总量 ,是未施麦秸粉的 4 倍多
(CK)和 10 倍 ( HQ + DCD) .
4 . 3 　稻田 N2O 排放量与水稻植株 NO -3 2N 量呈显著
指数正相关 ;CH4 排放量与生长量呈线性负相关. DCD
和 HQ + DCD 处理能显著减少水稻植株的 NO -3 2N 含
量和提高其生长量.
4 . 4 　稻田 N2O 和 CH4 排放与稻田水层中矿质 N 量
呈显著相关. 在 N2O 的排放中 ,水层中 NO -3 2N 量较之
N H +4 2N 量有更大的贡献 ;而在 CH4 的排放中则相反.
4 . 5 　在未施麦秸粉时 ,稻田 N2O 和 CH4 排放间呈现
出显著对数负相关 ;而在施麦秸粉时 ,这种消长关系虽
仍存在 ,但较难定量描述.
参考文献
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and plant extracts. Plant and Soil , 110 : 137～139.
作者简介 　周礼恺 ,男 ,65 岁 ,研究员 ,博士导师 ,主要从事土壤
肥力学、土壤生物化学与土壤酶学研究 ,在国内外学术刊物上
发表论文 60 余篇 ,出版专著 5 部 (合著 4 部) ,译著 7 部.
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