全 文 ：园 艺 学 报 2011，38（5）：833–839 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期：2011–01–30；修回日期：2011–04–11
基金项目：现代农业产业技术体系建设专项（CARS-28）；公益性行业（农业）科研专项（201103003）；山东省农业重大应用创新课题
（201009）
* 通信作者 Author for correspondence（E-mail：ymjiang@sdau.edu.cn）
应用 BaPS 技术研究双氰胺及硫对苹果园土壤
尿素的硝化抑制效应
葛顺峰，姜远茂*，魏绍冲，王海宁，房祥吉，陈 汝
（山东农业大学园艺科学与工程学院，作物生物学国家重点实验室，山东泰安 271018）
摘 要：在大田条件下应用气压过程分离法（BaPS）研究了双氰胺（DCD）和双氰胺与硫配合施用
（DCD + S）对苹果园土壤氮素的硝化抑制效应。结果表明：施肥后 40 d 内，N + DCD 和 N + DCD + S
处理的土壤 NH4+-N 含量均高于 N 处理（对照）。N + DCD 处理在 6 ~ 20 d 显著高于 N 处理；N + DCD + S
处理直到 30 d 时仍显著高于 N 处理，比只施 DCD 的处理硝化抑制作用延长了 10 d。两个添加硝化抑制
剂处理土壤 NO3−-N 含量显著低于 N 处理，降幅达 18.72% ~ 58.91%。与 N 处理（对照）相比，N + DCD
和 N + DCD + S 处理明显降低了土壤总硝化速率和反硝化速率，试验前期差异最大，进一步证实了硝化
抑制剂可以有效地抑制 NH4+-N 向 NO3−-N 的转化。
关键词：苹果；果园；土壤；硝化抑制剂；铵态氮；硝态氮；总硝化速率；反硝化速率
中图分类号：S 661.1；S 143.6 文献标识码：A 文章编号：0513-353X（2011）05-0833-07

Nitrification-inhibiting Effect of Dicyandiamide and Sulfur on Apple
Orchard Soil Using Barometric Process Separation
GE Shun-feng，JIANG Yuan-mao*，WEI Shao-chong，WANG Hai-ning，FANG Xiang-ji，and CHEN Ru
（College of Horticulture Science and Engineering，Shandong Agricultural University，State Key Laboratory of Crop
Biology，Tai’an，Shandong 271018，China）
Abstract：A natural field experiment was conducted to investigate the effect of dicyandiamide（DCD）
and DCD + S on nitrification-inhibiting on apple orchard soil. The results were as follows：soil NH4+-N
contents in N + DCD and N + DCD + S treatments were higher than that of N treatment within 40 days
after fertilization，while the NH4+-N content in soil with N + DCD treatment was significantly higher than
that of N treatment within 6–20 days after fertilization，yet the NH4+-N content in soil with N + DCD + S
treatment was still significantly higher until 30 days after fertilization，prolonging 10 days than DCD for
nitrification inhibition；Soil NO3−-N content was obviously lower in the two nitrification inhibitor
treatments than that of N treatment, decreasing by 18.72%–58.91%. Compared with N treatment，gross
nitrification and denitrification rates in soil were low in N + DCD and N + DCD + S treatments，and the
biggest difference appeared at early times，this confirmed that nitrification inhibitor could inhibit the
transformation of soil NH4+-N to NO3−-N effectively.

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Key words：apple；orchard；soil；nitrification inhibitor； ammoniacal nitrogen；nitrate；gross
nitrification rate；denitrification rate

氮肥利用率低造成的资源浪费，硝酸盐淋溶造成的地下水污染和温室气体氮氧化物排放导致的
气候变暖等问题，已成为全球关注的热点（Di & Cameron，2005；Molina-Roco & Ortega-Blu，2006；
Moir et al.，2007）。环渤海湾是我国重要的苹果产区，每年投入大量氮肥以确保苹果高产稳产。目
前该产区苹果生产体系中，纯氮每年施用量已高达 400 ~ 600 kg · hm-2，是大田作物施肥量的 2 ~ 3
倍，发达国家推荐用量的 2 ~ 4 倍，且呈逐年增加趋势（彭福田和姜远茂，2006）。然而果树对氮肥
的利用率较低，施入土壤的氮素，在果园中被果实吸收的不足 20%（Miller & Smith，1976），其余
随降水和灌溉淋入土壤深层，或经氨挥发、硝化和反硝化作用，以氨、氮氧化物的形式进入大气（朱
兆良，1992；吕殿青 等，1998）。
为提高氮肥利用率，近年来向尿素中添加硝化抑制剂的方法引起了广泛关注。一些研究表明，
施用硝化抑制剂能够有效抑制铵态氮向硝态氮的转变，可减少氮的淋溶损失，防止氮肥面源污染（杨
春霞和李勇梅，2005），调节硝酸盐在植物体内的累积，调整氮肥的供应量和供应形式，从而提高氮
肥利用率（伍少福 等，2006）。
双氰胺（DCD）是生产上应用比较广泛的一种硝化抑制剂，其挥发性弱，在适宜剂量下（小于
施氮量的 10%）在土壤中没有毒性残留，但温度较高时易分解，田间使用效果不稳定。硫在土壤微
生物作用下被氧化，其中间体 S2O32- 能有效地抑制铵态氮向硝态氮的转化（Sullivan & Havlin，
1992）。
由于研究方法的限制，以往对于硝化抑制剂的研究仅仅局限于通过检测硝态氮和铵态氮浓度的
变化，来确定硝化抑制剂是否发生了作用，而对添加硝化抑制剂后土壤总硝化作用和反硝化作用变
化的直接定量研究尚未见报道。
气压过程分离（Barometric Process Separation，简称 BaPS）法是最近发展起来的测定土壤碳氮
循环的一种新方法，适用于测定旱地土壤总硝化、反硝化和呼吸速率。与传统的同位素示踪法、
乙炔抑制法和培养法相比，其采集的是田间原状土柱，对土壤原有结构破坏较小，不额外添加抑
制剂或氮源，测定的土壤碳氮转化速率与实际情况最为接近，同时也有效避免了由同位素示踪法
带来的土壤污染和由乙炔抑制法带来的土壤原有气体组成改变等问题。在不同生境条件下的测定
结果与上述两种方法有很好的一致性（Ingwersen et al.，1999；Breuer et al.，2002；Kiese et al.，
2002）。
作者在大田条件下，利用气压过程分离技术（BaPS）来直接定量研究单施尿素和添加双氰胺以
及双氰胺 + 硫（DCD + S）对苹果园土壤氮素转化的影响，以期为果园硝化抑制剂的应用提供理论
依据。
1 材料与方法
1.1 材料与试验设计
试验于 2010 年在山东农业大学园艺试验站进行。试材为 3 年生苹果树。土壤类型为壤土，有
机质 9.5 g · kg-1，铵态氮 42.08 mg · kg-1，硝态氮 20.12 mg · kg-1，速效磷 16.57 mg · kg-1，速效钾 85.37
mg · kg-1，pH 6.7（水土法测定）。
试验采取完全随机设计，小区面积 4 m2，设 3 个处理，分别为：N（尿素，对照）、N + DCD（双
5 期 葛顺峰等：应用 BaPS 技术研究双氰胺及硫对苹果园土壤尿素的硝化抑制效应 835

氰胺）、N + DCD + S（元素硫为崩解形态 Sulfer 95），3 次重复。尿素（N）用量为 250 kg · hm-2；
DCD（含氮 66.7%）用量为施氮量的 3%；鉴于崩解形态 S 的氧化产物 S2O32-易分解，本试验只是定
性研究 S 的作用，所以施用量较大，为 20 kg · hm-2（Hu et al.，2002）。各处理磷、钾肥用量相同，
用量均为 120 kg · hm-2，所有肥料于 5 月 5 日条施于苹果树两侧，施肥带宽 20 cm，距树干 15 cm，
施肥后覆少量土并立即浇少量水。
于施肥后 2、4、6、8、10、15、20、25、30、35 和 40 d 采集 0 ~ 5 cm 表层土壤，测定 NH4+-N、
NO3−-N 和 pH。土壤 NH4+-N 用 2 mol · L-1 KCl 浸提，靛酚蓝比色法测定；NO3−-N 用 2 mol · L-1 KCl
浸提，紫外分光光度法测定；pH 值（水土比为 2.5 : 1）用 pH 计测定。
1.2 总硝化作用和反硝化作用的测定
气压过程分离法（BaPS）是一种新型的研究旱地土壤碳氮转化规律的方法，仪器由德国 UMS
GmbH 公司生产，Fraunhofer Institute for Atmospherically Environment Research 研发。BaPS 土壤氮
循环监测系统主要由控温设备、培养室和传感器界面单元三部分组成。该技术建立在一恒温、气密
性良好的密闭系统中，气压的变化主要取决于：（1）硝化反应（氨化细菌消耗 O2）；（2）反硝化反
应（产生 CO2 和 NO、N2O、N2 等含氮气体）；（3）土壤呼吸（消耗 O2 并产生等体积 CO2）以及一
个化学过程（CO2 在土壤水中的溶解变化）。通过监测该系统中压力、CO2 和 O2 浓度的变化，并考
虑 CO2 在土壤溶液中的溶解和温度补偿效应，就可以准确地给出总硝化速率、反硝化速率和 N2O 释
放速率的瞬时值和一段时间内的平均值。推导过程和计算公式以及当土壤 pH 较高时对计算过程的
校正参考 Ingwersen 等（1999，2008）的方法。
分别于施肥后 6、15、25 和 35 d，每一处理取 7 个重复的原位环刀土样（环刀高 40.5 mm，直
径 60 mm，容积 100 mL）（葛顺峰 等，2010），采样结束后立即用塑料盖密封环刀，防止水分散失，
送到实验室，放入 BaPS 系统培养室中，盖上带有传感器的盖子，将控温设备设定到田间取样时
的土壤温度，系统平衡至少 0.5 h 后，输入样品的预水分含量及其它参数，抽气检查培养室的密封
性，系统软件自动收集数据 12 ~ 24 h，由 Delta 分析或线性回归分析得到总硝化和反硝化速率的
值。
2 结果与分析
2.1 不同处理土壤 pH 值变化
各处理土壤 pH 值均呈先上升后降低的趋势，且下降趋势先快后慢（图 1）。3 个处理出现峰值
的时间和大小不一致，N 和 N + DCD + S 处理的 pH 值在 6 d 时达最大值，分别为 6.83 和 6.84，而
N + DCD 处理出现峰值的时间推迟 2 d 且峰值最大，为 6.94，分别比 N、N + DCD + S 处理高 0.11
和 0.10 个 pH 单位。施肥后 6 ~ 10 d，3 个处理的 pH 值均呈下降趋势，但 N + DCD 处理的下降幅度
比 N、N + DCD + S 处理小，随时间的推移各处理的下降速率基本一致。
整个测定期，N + DCD 处理的 pH 值高于 N 和 N + DCD + S 处理，其中在 6 ~ 20 d 时达极显著
水平（P ≤ 0.01），说明 DCD 有效地抑制了 NH4+-N 的硝化，使氮更多并更长时间地以 NH4+-N 的
形式存在，减弱了硝化过程中产生的 H+引起的酸化作用，从而比单施尿素处理的土壤 pH 值高。N
和 N + DCD + S 处理土壤 pH 值相差不大，N + DCD + S 处理有时还略低于对照处理，这主要是由
于本试验硫施用量较大，在土壤微生物作用下被氧化成 SO42-，同时会产生较多的 H+，造成土壤 pH
的下降。
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图 1 硝化抑制剂对表层土壤 pH 值的影响
N. 尿素；DCD. 双氰胺；S. 硫。下同。
Fig. 1 Effect of nitrification inhibitor on soil pH
N. Urea；DCD. Dicyandiamide；S. Sulfur. The same below.
2.2 不同处理对表层土壤铵态氮和硝态氮含量的影响
由图 2，A 可见，各处理土壤 NH4+-N 含量均在 4 d 时达到最大值，然后随时间延长不断下降，
说明各处理在施肥后 4 d 内尿素的水解就已经完成。4 ~ 10 d，土壤 NH4+-N 含量急剧下降，这与
NH4+-N 浓度过高造成的氨挥发、硝化作用以及苹果吸收有关。
各处理变化趋势一致，但下降速度明显不同（图 2，A），只施尿素 N 处理 NH4+-N 含量下降速
度最快，10 d 时基本处于较低水平，说明氮的硝化作用在 10 d 内已接近完成；N + DCD 处理 NH4+-N
含量在施肥后 6 ~ 20 d 显著高于 N 处理（P ≤ 0.01），这表明硝化抑制剂 DCD 的施用有效地抑制了
铵态氮的硝化，提高了表层土壤的 NH4+-N 含量；N + DCD + S 处理 NH4+-N 含量的变化与 N + DCD
处理类似，不同的是施肥后 30 d 土壤 NH4+-N 含量仍显著高于对照（P ≤ 0.01），比单施 DCD 处理
作用时间延长 10 d，表明 S 与 DCD 配合使用能够增强 DCD 的硝化抑制效果，这是由于 S 的氧化中
间产物 S2O32-和 S4O62-不仅能够延缓 DCD 的降解，而且还能与其发生协同作用增强硝化抑制效果
（Klasse & Solansky，1990；Goos & Johnson，1992）。

图 2 硝化抑制剂对表层土壤铵态氮和硝态氮含量的影响
Fig. 2 Effect of nitrification inhibitor on soil NH4+-N and NO3
--N content

如图 2，B 所示，土壤 NO3−-N 含量在施肥后逐渐增加，N 处理在 8 d 时达到峰值，而 N + DCD
和 N + DCD + S 两个处理 10 d 时才达到峰值，然后经苹果吸收、淋溶和反硝化损失，逐渐降低。整
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个测定期，N + DCD 和 N + DCD + S 处理土壤 NO3−-N 含量低于 N 处理，降低幅度达 18.72% ~
58.91%，差异显著或极显著。N + DCD 处理除在 20 ~ 35 d 土壤 NO3−-N 含量稍高于 N + DCD + S 处
理外，其它时间两者无显著差异。表明 DCD 的施用可以有效减少 NH4+-N 向 NO3−-N 的转化。
2.3 不同处理下土壤总硝化作用和反硝化作用的变化
总硝化作用是指在微生物的作用下将土壤中的氨（或铵）转化成硝酸盐的过程，此过程受到生
物和非生物因素的调节和控制。结果表明，N 处理的总硝化速率在整个测定期均高于添加硝化抑制
剂的处理，6 d 时速率最高，达 506.74 μg · kg-1 · h-1，分别是 N + DCD 和 N + DCD + S 处理的 1.65
和 1.80 倍，极显著（P ≤ 0.01）地高于 N + DCD 和 N + DCD + S 处理。N + DCD 和 N + DCD + S
处理的总硝化速率变化比较平稳，随施肥天数的增加而缓慢下降，N + DCD + S 处理稍低于 N + DCD
处理，但两者之间无显著差异（图 3）。
反硝化作用是指微生物在无氧或微量氧供应的条件下，把硝酸盐等较复杂的含氮化合物转化为
N2、NO 和 NO2 等氮氧化物的过程。NO3−-N 是反硝化作用的底物，其含量高低显著地影响反硝化速
率（Chan & Knowles，1979）。由图 3 可见，整个测定期 N 处理的反硝化速率均高于添加硝化抑制
剂处理，前期差异最明显，随着施肥时间的延长反硝化速率逐渐降低，且处理间差异越来越小，表
明硝化抑制剂的施用有效地降低了反硝化作用的进行，降幅达 15.78% ~ 53.13%，这与土壤 NO3−-N
含量的变化（图 2，B）相一致。施肥后 15 d 测定结果偏高，这与采样时较高的土壤含水量有关（Elmi
et al.，2003）。
图 3 硝化抑制剂对土壤总硝化和反硝化速率的影响
Fig. 3 Effect of nitrification inhibitor on soil gross nitrification rate and denitrification rate
3 讨论
尿素施入土壤后先经水解作用生成 NH4+-N，此过程需消耗 H+，因此土壤 pH 值升高，水解完
成后由硝化作用再将 NH4+-N 转变为 NO3−-N，此过程会产生 H+，故土壤 pH 值又随 H+的增加而开
始下降。许多研究表明施用硝化抑制剂后表层土壤 pH 值明显高于只施尿素处理（Thomson et al.，
1993；Cookson & Cornforth，2002）。本试验中各处理土壤 pH 值均先上升到一个峰值，然后逐渐下
降，且速率先快后慢。施肥后 40 d 内，N + DCD 处理土壤 pH 值明显高于 N 处理，这与皮荷杰等（2009）
在菜园土上的研究结果一致。可见向土壤中添加硝化抑制剂，可以显著地减缓土壤的酸化速率，这
对于降低目前苹果园化肥大量使用而造成的土壤酸化程度具有重要意义。
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研究表明硝化抑制剂的施用并未延缓尿素的水解过程，但可较长时间明显地抑制土壤铵态氮的
硝化过程，降低土壤硝态氮浓度，使氮肥长时间地以 NH4+形式保持在土壤中，有效降低了 NO3−淋
溶对地下水造成污染的风险（杨春霞和李勇梅；2005；伍少福 等，2006；Moir et al.，2007），本试
验研究结果与之一致。DCD 和 S 一起施用的抑制效果要好于只施 DCD 处理，这是因为 S 的氧化产
物 S2O32- 和 S4O62- 能和 DCD 对铵态氮的硝化抑制产生协同作用，延长作用时间，增强抑制强度
（Sullivan & Havlin，1992）。
硝化抑制剂使土壤中可提取的铵态氮较长时间保持在较高水平，相应地促进作物对铵态氮的吸
收以及微生物和土壤胶粒对铵态氮的固持，因此明显抑制了硝化作用的进行（孙志梅 等，2007）。
以往对硝化抑制作用的研究多采用净硝化速率来表示铵态氮向硝态氮的转化过程，仅仅是通过测定
培养前后土壤中的 NO3−库容量计算净硝化速率，忽略了微生物对 NO3−的吸收，仅是土壤中 N 素转
化的粗略反映（Stark & Hart，1997）。本研究采用的总硝化速率指标避免了土壤生物同化作用对实
验结果的影响，更有利于揭示硝化抑制剂的实际效应。本试验中总硝化速率的测定结果表明，N +
DCD 和 N + DCD + S 处理的总硝化速率均明显低于 N 处理，前期差异达显著水平，表明硝化抑制
剂可以有效地抑制 NH4+-N 向 NO3−-N 的转化，这与土壤中 NH4+-N 和 NO3−-N 含量变化相一致。更
重要的是，一些研究表明硝化抑制剂的施用可以有效地降低硝化和反硝化过程中氮氧化物的排放，
降低幅度达 40% ~ 60%，减轻环境污染（Xu et al.，2002；Macadam et al.，2003）。
硝化抑制剂的作用效果取决于土壤条件和抑制剂自身特性, 它在降低硝化作用、反硝化作用的
同时提高了土壤铵态氮浓度，增加了氨挥发的潜在几率，这在土壤 pH 值偏高的碱性土壤上尤为突
出（Banerjee et al.，2002）。对于山东酸性果园土壤施用硝化抑制剂后氨挥发变化状况仍需进一步研
究。另外，在施肥量较高、保水能力较差的山地果园土壤上，硝化抑制剂提高肥料利用率、减少硝
态氮淋溶损失的效果可能更加显著。

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