于海洋，楊玉婷，馬靜，徐華，呂世華，袁江，董瑜皎

1. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所//土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響

于海洋1,3，楊玉婷1,3，馬靜1*，徐華1，呂世華2，袁江2，董瑜皎2

1. 中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所//土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所，四川 成都 610066；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

為明確硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響，采用靜態(tài)箱-氣相色譜法和熒光定量PCR技術(shù)研究了雙氰胺（Dicyandiamide，DCD）和2-氯-6-（三氯甲基）吡啶（Nitrapyrin，CP）兩種硝化抑制劑的配施（處理為：覆膜施用尿素，PM；覆膜施用尿素配施DCD，PM+DCD；覆膜施用尿素配施CP，PM+CP）對(duì)覆膜栽培下稻田CH4和N2O排放及其相關(guān)功能菌群落豐度的影響。結(jié)果表明：整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，配施DCD（PM+DCD）顯著降低N2O季節(jié)總排放（P＜0.05），降幅達(dá)24%，提高CH4季節(jié)總排放（P＞0.05）；配施CP（PM+CP）同時(shí)降低CH4和N2O的季節(jié)總排放，降幅均為11%。CH4排放主要集中在水稻分蘗盛期，此階段，配施DCD顯著提高產(chǎn)甲烷菌群落豐度，降低甲烷氧化菌群落豐度（P＜0.05），而配施CP則降低產(chǎn)甲烷菌群落豐度，顯著提高甲烷氧化菌群落豐度（P＜0.05），這可能是由于配施DCD提高了CH4排放總量而配施CP降低了CH4排放。在N2O排放集中時(shí)期（水稻生長(zhǎng)前期），配施DCD和CP均降低了氨氧化菌群落豐度，顯著提高了反硝化菌群落豐度的趨勢(shì)（P＜0.05）。配施DCD（PM+DCD）、配施CP（PM+CP）和覆膜栽培（PM）處理的碳交易成本GWP-cost分別為831、735和822 yuan·hm-2；溫室氣體排放強(qiáng)度GHGI分別為0.69、0.61和0.70 t·t-1；產(chǎn)量分別為9.20、9.24和9.00 t·hm-2。因此，綜合考慮溫室氣體效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，覆膜栽培稻田模式下，配施CP可以保證增產(chǎn)和減排，值得推廣。

硝化抑制劑；覆膜稻田；CH4和N2O排放；產(chǎn)甲烷菌；甲烷氧化菌；硝化和反硝化菌

CH4和N2O是兩種影響全球氣候變化的重要溫室氣體。以100年計(jì)，單位質(zhì)量CH4和N2O的全球增溫潛勢(shì)（Global Warming Potential，GWP）分別是CO2的28倍和265倍（IPCC，2013）。稻田是大氣CH4和N2O的重要來(lái)源（蔡祖聰?shù)龋?009）。傳統(tǒng)淹水栽培水稻耗水量大，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，水稻覆膜栽培節(jié)水節(jié)肥抗旱日益受到重視（瞿華香等，2008；路興花等，2009；孫小淋等，2010）。水稻覆膜節(jié)水綜合高產(chǎn)技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)：覆膜栽培技術(shù)）是傳統(tǒng)地膜覆蓋栽培與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)有機(jī)結(jié)合的新型水稻栽培方式，采用三角形稀疏栽培，進(jìn)行一次性精量施肥（肥料只施于廂面而不施于廂溝，其施肥量少于常規(guī)栽培同等大小田塊的施肥量），可節(jié)水節(jié)肥抗旱，保證水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)（呂世華等，2009）。目前，該技術(shù)已在四川、重慶、云南和廣西等地區(qū)成功應(yīng)用。

稻田CH4排放包括CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸3個(gè)過(guò)程，其中前兩個(gè)過(guò)程與產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的數(shù)量密切相關(guān)（蔡祖聰?shù)龋?009）。土壤N2O的排放主要是硝化和反硝化菌相互作用的結(jié)果（Ineson et al.，1998）。研究表明：與常規(guī)栽培相比，覆膜栽培可顯著降低稻田CH4排放（張怡等，2013a），卻顯著增加N2O排放（張怡等，2013b）。配施硝化抑制劑可抑制硝化作用，減緩?fù)寥乐袖@態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，對(duì)CH4和N2O排放、作物產(chǎn)量等具有一定影響（Weiske et al.，2001；Xu et al.，2004）。硝化抑制劑可有效減少稻田N2O排放，但對(duì)CH4排放的影響報(bào)道不一（Liu et al.，2016；Conrad et al.，2012；劉昭兵等，2010）。目前有關(guān)硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放影響的研究較少（Nishimura et al.，2012；張怡等，2013b），并且對(duì)其微生物學(xué)機(jī)理的研究迄今未見(jiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)田間原位試驗(yàn)，觀(guān)測(cè)了兩種硝化抑制劑雙氰胺（Dicyandiamide，DCD）和2-氯-6-（三氯甲基）吡啶（Nitrapyrin，CP）對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放通量的影響，并采集田間原位新鮮土樣，利用熒光定量PCR（Quantitative Real-time Polymerase Chain Reaction，qPCR）技術(shù)研究了硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O相關(guān)功能菌群豐度的影響。著重討論了覆膜栽培下硝化抑制劑配施對(duì)CH4和N2O的減排效果，旨在進(jìn)一步揭示硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響機(jī)理，尋求覆膜栽培方式下有效的減排模式。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014年4月—9月在四川省資陽(yáng)市雁江區(qū)響水村（104°34′E，30°05′N(xiāo)）進(jìn)行。該地區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫16.8 ℃，年平均降水量965.8 mm，是西南地區(qū)典型單季稻產(chǎn)區(qū)。土壤樣品為侏羅紀(jì)遂寧組母質(zhì)發(fā)育紅棕紫泥，其基本理化性質(zhì)為：全C 29.8 g·kg-1，全N 1.9 g·kg-1，土壤pH 8.2。

試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，每個(gè)處理4次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列：（1）覆膜栽培施用尿素（PM）：尿素施用量為150 kg·hm-2（以N計(jì)），4月23日作基肥一次性配施，肥料均勻施于廂面上；（2）覆膜栽培尿素配施DCD（PM+DCD）：尿素施用量同PM處理，DCD與尿素做為基肥混施，配施量為尿素用量的5%；（3）覆膜栽培尿素配施CP（PM+CP）：尿素施用量同PM處理，CP與尿素作為基肥混施，配施量為尿素用量的0.24%，采用CP氮肥（CP與尿素混合造粒，CP含量為尿素的0.24%）。所有處理均配施525 kg·hm-2的過(guò)磷酸鈣（P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%）、150 kg·hm-2的氯化鉀（K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%）、3 kg·hm-2的硼砂和2.3 kg·hm-2的一水合硫酸鋅，作為基肥一次性配施。

試驗(yàn)小區(qū)面積為33 m2（6.6 m×5 m），設(shè)5條廂溝，4條廂面。各廂溝長(zhǎng)5 m、寬16 cm、深15 cm，廂面寬1.45 m。供試水稻品種為內(nèi)香10號(hào)，于3月27日育苗，4月25日移栽，9月5日收獲。各處理水稻采用三角稀植，行窩距為40 cm×40 cm，每窩以三角形方式栽3穴，每穴1苗，苗間距12 cm，移栽密度為每平方米18穴。各處理田間管理相同，相關(guān)操作按呂世華等（2009）推薦的模式進(jìn)行。

1.2 田間樣品采集與保存

CH4和N2O氣體樣品采用靜態(tài)箱法（暗箱）采集，箱體均為不銹鋼。各處理放置2個(gè)靜態(tài)箱：箱A放置于廂面正上方，包括中段箱和頂箱2部分，高分別為60 cm和70 cm，底面積均為40 cm×40 cm，中段箱頂部設(shè)有密封用水槽，用于水稻生長(zhǎng)后期加層；箱B放置于廂溝，高為70 cm，底面積為40 cm×10 cm。水稻生長(zhǎng)期每隔4～7 d采樣1次，采樣時(shí)間為上午8:00—12:00。采樣時(shí)將靜態(tài)箱罩在事先埋入小區(qū)地下約15 cm深處的不銹鋼底座上。靜態(tài)箱密封后用兩通針將氣體導(dǎo)入20 mL真空玻璃瓶中，每隔15 min采樣1次，共采樣4次。采集氣樣的同時(shí)，測(cè)定水層厚度及箱內(nèi)氣溫，用于計(jì)算排放通量。

分別于5月6日分蘗初期、6月11日分蘗盛期、8月24日成熟期采集土壤樣品。各小區(qū)采用五點(diǎn)法采集表層（0～10 cm）土壤，去除其中的植物殘?bào)w、根系和石頭后充分混勻，裝入無(wú)菌塑料袋中，于4 ℃條件下運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室；用于分子分析的土樣保存于-20 ℃冰箱中。

1.3 樣品分析

1.3.1 氣體樣品分析

CH4濃度用帶FID檢測(cè)器的氣相色譜（島津GC-12A）測(cè)定，N2O由帶有63Ni電子捕獲檢測(cè)器的氣相色譜（島津GC-14A）測(cè)定。CH4和N2O標(biāo)準(zhǔn)氣體均由中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供。

1.3.2 土壤樣品分析

DNA提取前，使用凍干機(jī)（LABCONCO，2.5 L）將用于分子分析的新鮮土樣于-50 ℃凍干。土壤DNA的提取利用FastDNA?SPIN Kit for Soil（MP Biomedical LLC，Ohio，USA）試劑盒，依照說(shuō)明書(shū)上的方法，每個(gè)樣品取0.5 g土壤提取DNA。所提DNA質(zhì)量與長(zhǎng)度通過(guò)1%凝膠電泳檢測(cè)。

相關(guān)基因（碳循環(huán)相關(guān)基因：mcrA、pmoA基因；氮循環(huán)相關(guān)基因：細(xì)菌amoA基因、nisS、nisK、nosZ基因）的定量PCR分析均采用SYBR Green染色法。各基因定量PCR所用引物和參考文獻(xiàn)如表1所示。

表1 相關(guān)基因定量PCR所用引物及參考文獻(xiàn)Table 1 Primers and references used in qPCR

1.4 數(shù)據(jù)處理

CH4和N2O排放通量計(jì)算參考蔡祖聰?shù)龋?009）的方法：

排放通量計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)為CH4或N2O排放通量（CH4排放通量單位為mg·m-2·h-1；N2O排放通量單位為μg·m-2·h-1，以N計(jì)；下同）；ρ為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下CH4和N2O密度（其值分別為0.714 kg·m-3和1.25 kg·m-3）；h為采樣箱頂部至水面實(shí)際高度（m）；r為單位時(shí)間內(nèi)采樣箱內(nèi)CH4和N2O濃度變化(μL·L-1·h-1或nL·L-1·h-1)；T為采樣箱內(nèi)平均溫度（℃）。

通過(guò)箱B測(cè)得的氣體排放通量（FB）為廂溝氣體排放通量，通過(guò)箱A測(cè)得的氣體排放通量（FA）為廂面氣體排放通量，各處理的氣體排放通量FT為廂面及廂溝的氣體排放通量與對(duì)應(yīng)區(qū)域面積的加權(quán)平均（張怡等，2016a），即：

式中，SA、SB和S分別為試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)廂面區(qū)域、廂溝區(qū)域和小區(qū)面積。

全球增溫潛勢(shì)（Global Warming Potential，GWP，以100年尺度計(jì)）計(jì)算公式（Qin et al.，2010）如下：

式中，單分子CH4和N2O引起的全球增溫潛勢(shì)（GWP，t·CO2-eq·hm-2）分別是CO2的28倍和265倍。

溫室氣體排放強(qiáng)度（Greenhouse Gas Intensity，GHGI）計(jì)算公式（Shang et al.，2011）如下：

式中，GWP為CH4和N2O的綜合溫室效應(yīng)（折合成CO2溫室效應(yīng)，t·hm-2），Y為作物產(chǎn)量（t·hm-2）。

根據(jù)產(chǎn)量、成本以及CH4和N2O的碳交易成本（GWP-cost）（其單價(jià)為134 yuan·t-1CO2）可計(jì)算凈收入（Philip et al.，2015），公式（Liu et al.，2016）如下：

式中，各個(gè)變量單位均為yuan·hm-2。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆膜稻田CH4和N2O排放通量的季節(jié)變化

由圖1(a)可知，水稻生長(zhǎng)期內(nèi)各處理CH4排放通量變化基本一致，均表現(xiàn)為生長(zhǎng)前期逐漸上升，中期排放較高，后期逐漸降低，并維持在較低水平。各處理CH4排放高峰主要集中在分蘗盛期前后，排放峰值在移栽后第70天出現(xiàn)，PM+DCD、PM+CP和PM處理排放峰值分別為29.3、22.2和22.0 mg·m-2·h-1。水稻生長(zhǎng)的前期和中期，PM+DCD處理CH4排放高于PM處理，PM+CP處理排放低于PM處理。生長(zhǎng)后期，各處理CH4排放維持在低水平（0.0～8.7 mg·m-2·h-1），但排放通量表現(xiàn)出一定的差異，PM+DCD和PM+CP處理CH4排放低于PM處理。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，PM+DCD處理CH4排放總量略高于PM處理，PM+CP處理排放低于PM處理（表2）。

圖1 各處理水稻生長(zhǎng)期CH4（a）和N2O（b）排放通量的季節(jié)變化Fig. 1 Seasonal variations of CH4(a) and N2O (b) fluxes of different treatments during the rice growth period

由圖1(b)可知，各處理N2O排放主要集中在水稻生長(zhǎng)前期。移栽后第13～17天，各處理迅速出現(xiàn)排放峰值，分別為127.3、137.3 和60.8 μg·m-2·h-1。配施DCD推遲了排放峰值出現(xiàn)的時(shí)間，并顯著降低N2O排放通量。隨著水稻生長(zhǎng)，N2O排放逐漸降低，在水稻生長(zhǎng)中后期，各處理N2O排放趨勢(shì)基本相同，均維持在較低水平（0.0～8.5 μg·m-2·h-1）。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，PM+DCD處理N2O排放通量明顯低于PM處理，PM+CP與PM處理呈現(xiàn)相同的N2O排放季節(jié)變化規(guī)律。PM+DCD處理N2O排放總量顯著低于PM處理（P＜0.05），PM+CP處理排放低于PM處理（表2）。

2.2 土壤微生物群落豐度的動(dòng)態(tài)變化

圖2所示為不同水稻生長(zhǎng)階段相關(guān)土壤微生物群落豐度變化。各處理產(chǎn)甲烷菌（mcrA）群落豐度在分蘗盛期最低，且各處理對(duì)產(chǎn)甲烷菌群落豐度的影響隨水稻生長(zhǎng)階段不同而變化。分蘗初期，配施DCD提高了產(chǎn)甲烷菌群落豐度，配施CP顯著降低了產(chǎn)甲烷菌豐度（P＜0.05）。分蘗盛期，各處理產(chǎn)甲烷菌群落豐度均小于分蘗初期，對(duì)比PM處理，配施DCD顯著提高了產(chǎn)甲烷菌群落豐度（P＜0.05），配施CP降低了產(chǎn)甲烷菌群落豐度。成熟期，各處理產(chǎn)甲烷菌群落豐度差異顯著，配施DCD和CP降低了甲烷氧化菌群落豐度，尤其是配施CP。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，對(duì)比PM處理，配施DCD對(duì)產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)產(chǎn)生先促進(jìn)后抑制作用，配施CP則表現(xiàn)為持續(xù)抑制作用。各處理對(duì)甲烷氧化菌（proA）豐度的影響隨時(shí)間變化的規(guī)律不明顯。分蘗初期和分蘗盛期，配施DCD顯著降低了甲烷氧化菌群落豐度（P＜0.05），配施CP則顯著提高了甲烷氧化菌群落豐度（P＜0.05）。成熟期，相對(duì)PM處理，配施DCD顯著提高了甲烷氧化菌群落豐度（P＜0.05），配施CP卻降低了甲烷氧化菌群落豐度。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，對(duì)于甲烷氧化菌，配施DCD表現(xiàn)為先抑制后促進(jìn)，配施CP則表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制。

表2 不同處理的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益Table 2 Environmental and economic benefit of different treatments

圖2 不同水稻生長(zhǎng)階段土壤微生物群落豐度Fig. 2 Abundances of different soil microbial communities at different rice growing stages

分蘗初期，對(duì)比PM處理，配施DCD和CP均降低了氨氧化菌（amoA）群落豐度，提高了反硝化菌（nirS、nirK和nosZ）群落豐度，尤其是配施CP能夠顯著提高nirK型和nosZ型反硝化菌群落豐度。分蘗盛期，配施DCD和CP均提高氨氧化菌群落豐度（DCD效果更明顯），顯著提高nirK和nosZ型反硝化菌群落豐度，而對(duì)于nirS型反硝化菌群落豐度影響不明顯。成熟期，配施DCD和CP均提高了氨氧化菌和反硝化群落豐度（除nosZ型反硝化細(xì)菌外）。整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，覆膜稻田反硝化菌群落豐度比土壤中氨氧化菌群落豐度高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明覆膜稻田以反硝化作用為主；對(duì)比PM處理，配施DCD和CP后氨氧化菌群落豐度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，而反硝化菌群豐度則呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢(shì)（nosZ型反硝化細(xì)菌除外）。

2.3 環(huán)境及經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

各處理水稻生長(zhǎng)期CH4和N2O的綜合溫室效應(yīng)無(wú)顯著性差異（P＞0.05，表2）。對(duì)比PM處理，配施DCD提高了CH4排放總量，降低了N2O排放總量，對(duì)綜合溫室效應(yīng)的影響無(wú)明顯差異，但有增高的趨勢(shì)，而配施CP同時(shí)降低了CH4和N2O排放總量，綜合溫室效應(yīng)下降了11%。PM處理GHGI最大，達(dá)到0.70 t·t-1。對(duì)比PM處理，PM+DCD處理GHGI降幅不明顯，PM+CP處理明顯減少，降幅為13%；PM+DCD和PM+CP處理產(chǎn)量略有提高，幅度為4%～7%，按照氮肥與抑制劑配施水平，其收益分別增加318 yuan·hm-2和550 yuan·hm-2（其中投入成本見(jiàn)表3）。對(duì)于覆膜稻田，配施DCD可提高水稻產(chǎn)量，但可能會(huì)增強(qiáng)溫室效應(yīng)，而配施CP可達(dá)到增產(chǎn)減排的效果。

表3 成本評(píng)估Table 3 Economic viability analysis of different treatments yuan·hm-2

3 討論

3.1 硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響

在水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，DCD的配施對(duì)覆膜稻田的N2O減排更為有效，同時(shí)可增加CH4排放。配施CP同時(shí)降低覆膜稻田CH4和N2O排放。目前關(guān)于DCD配施對(duì)CH4排放的影響研究并不一致（李曼麗等，2003a；李曼麗等，2003b；Xu et al.，2004；彭世彰等，2007）。由于DCD和CP均與基肥同時(shí)配施，配施時(shí)間較早，發(fā)揮作用的有效時(shí)間較短，一般為4～6周（劉倩等，2011；Majumdar et al.，2000；顧艷等，2013），結(jié)合DCD和CP有效時(shí)間（移栽后第1天至移栽后第30天，1～30 d），可能更能說(shuō)明配施硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響。然而本研究發(fā)現(xiàn)，配施DCD可能通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間提高產(chǎn)甲烷菌群落豐度，抑制甲烷氧化菌群落數(shù)量，為覆膜稻田提供了較好的產(chǎn)CH4條件，從而提高了CH4排放量（圖2）。CH4排放主要發(fā)生在植株通氣組織發(fā)達(dá)的分蘗盛期（圖1），此時(shí)植株傳輸CH4能力強(qiáng)，有利于土壤中CH4的傳輸。整個(gè)水稻生長(zhǎng)前期，配施CP可長(zhǎng)時(shí)間抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)，促進(jìn)甲烷氧化菌的生長(zhǎng)（圖2），進(jìn)而減少CH4排放。

對(duì)于覆膜稻田而言，N2O排放主要集中在水稻生長(zhǎng)前期，這可能是由于此時(shí)土壤中底物豐富，覆膜水稻植株對(duì)土壤中N的吸收能力處于較低水平，導(dǎo)致大量積累的N發(fā)生轉(zhuǎn)化，產(chǎn)生大量N2O。本研究表明，配施DCD顯著減少了N2O排放，其可能原因是覆膜稻田大量N2O排放出現(xiàn)在DCD有效作用時(shí)期（圖1），DCD促進(jìn)反硝化菌的生長(zhǎng)，降低了氨氧化菌群落豐度，延緩銨態(tài)氮氧化生成硝態(tài)氮的過(guò)程，從而影響N2O的排放（圖2）。這與Ball et al.（2012）和Menéndez et al.（2012）研究一致。

3.2 硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田相關(guān)微生物群落豐度的影響

覆膜稻田水稻生長(zhǎng)期內(nèi)，配施DCD對(duì)產(chǎn)甲烷菌群落產(chǎn)生先促進(jìn)后抑制作用，對(duì)甲烷氧化菌群落的作用則恰好相反。配施CP對(duì)產(chǎn)甲烷菌群落生長(zhǎng)呈現(xiàn)持續(xù)抑制作用，對(duì)甲烷氧化菌群落生長(zhǎng)則表現(xiàn)為先持續(xù)促進(jìn)后有所抑制的作用。研究（Bodelier et al.，2000）表明，高CH4和低NO3--N濃度均極大促進(jìn)了甲烷氧化菌生長(zhǎng)并提高了其種群數(shù)量，進(jìn)而氧化更多CH4，減少排放。這可能是配施CP能夠降低CH4排放的微生物機(jī)理。結(jié)合圖1（a）和表2，配施DCD略微提高了CH4排放總量；配施CP降低了CH4排放，這可能是由于配施DCD提高了產(chǎn)甲烷菌群落豐度，顯著減少甲烷氧化菌群落豐度，而配施CP則降低了產(chǎn)甲烷菌群落豐度，顯著提高了甲烷氧化菌群落豐度（圖2）。

覆膜旱作稻田N2O排放是土壤硝化菌與反硝化菌共同作用所致（李曼麗等，2003a），硝化抑制劑主要通過(guò)抑制氨氧化細(xì)菌起作用（武志杰等，2008）。無(wú)機(jī)氮通常是植物和微生物的限制因子，即使在相對(duì)肥沃的土壤（Kaye et al.，1997；Schimel et al.，2003）。配施DCD和CP可能增強(qiáng)了水稻對(duì)無(wú)機(jī)氮的競(jìng)爭(zhēng)能力，從而加重微生物對(duì)無(wú)機(jī)氮急迫的需求負(fù)擔(dān)，抑制了微生物群落活性。本研究中，在DCD和CP有效作用時(shí)段，配施DCD和CP使氨氧化菌群落豐度呈下降趨勢(shì)。水稻生長(zhǎng)后期，土壤通氣性較好，硝化作用和反硝化作用同時(shí)加強(qiáng)（圖2）。

3.3 配施硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益的影響

抑制劑的配施可抑制尿素水解后的硝化過(guò)程，使配施土壤中的氮源長(zhǎng)時(shí)間以NH4+-N形態(tài)存在，從而提高作物對(duì)氮肥的利用率，促進(jìn)作物增產(chǎn)（李香蘭等，2009）。應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的DCD低于施氮量的10%，無(wú)毒性殘留，但其過(guò)高的成本使得其推廣受到限制（楊春霞等，2006）。本研究中，配施DCD和CP均有增產(chǎn)和減排效果，幅度分別為2%～3%和2%～13%，其環(huán)境經(jīng)濟(jì)收益增加318～550 yuan·hm-2，但CP的使用量?jī)H為DCD的5%，環(huán)境經(jīng)濟(jì)效益卻優(yōu)于DCD。對(duì)比可知，配施CP既能提高經(jīng)濟(jì)效益又能減少綜合溫室效應(yīng)，具有一定的推廣潛力。因此，覆膜栽培模式下，配施CP氮肥是一種值得推薦的栽培方式。鑒于CP在中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣應(yīng)用較少，今后應(yīng)結(jié)合中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，加強(qiáng)室內(nèi)和大田試驗(yàn)與示范研究，以加快硝化抑制劑CP的推廣應(yīng)用進(jìn)程。

4 結(jié)論

整個(gè)水稻生長(zhǎng)期，配施DCD顯著降低了覆膜稻田N2O排放，略微提高了CH4排放總量；配施CP可同時(shí)減少CH4和N2O排放。CH4排放高峰主要集中在水稻分蘗盛期，配施DCD提高了產(chǎn)甲烷菌群落豐度，顯著降低了甲烷氧化菌群落豐度；配施CP則降低了產(chǎn)甲烷菌群落豐度，顯著提高了甲烷氧化菌群落豐度。N2O排放主要集中在水稻生長(zhǎng)前期，配施DCD和CP均降低了氨氧化菌群落豐度，提高了反硝化菌群落豐度。配施DCD和CP均可實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)減排， CP效果更明顯。覆膜稻田配施CP碳交易成本顯著降低，配施DCD無(wú)顯著變化，這與產(chǎn)量、溫室氣體排放總量和成本投入相關(guān)。對(duì)比可知，覆膜稻田配施CP既有經(jīng)濟(jì)效益又有環(huán)境效應(yīng)，具有一定推廣應(yīng)用前景。

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Effect of Nitrification Inhibitor Application on CH4and N2O Emissions from Plastic Mulching Rice Fields

YU Haiyang1,3, YANG Yuting1,3, MA Jing1*, XU Hua1, LV Shihua2, YUAN Jiang2, DONG Yujiao2
1. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Science, Nanjing 210008, China; 2. Institute of Soil Fertilizer, Sichuan Agriculture Sciences Academy, Chengdu 610066, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The research determined the effects of two nitrification inhibitors—Dicyandiamide (DCD) and Nitrapyrin (CP)—on the CH4and N2O emissions, and on the abundance of related functional bacteria in plastic mulching paddy fields using the method Static chamber-gas chromatogram and Real-time PCR. Three were three treatments: only urea (PM), urea and DCD (PM+DCD), urea and CP (PM+CP). The results indicated that the application of DCD (PM+DCD) significantly decreased the total N2O emissions (24%) during the whole rice growing season, while slightly increased total CH4emissions. The application of CP (PM+CP) decreased the total emissions of CH4(11%) and N2O (11%). CH4emissions were mainly in the stage of fully tilling, in which the application of DCD significantly increased the abundance of methanogens and decreased the abundance of methanotrophs, while the application of CP decreased the abundance of methanogens and significantly increased the abundance of methanotrophs. This is may be the reason why the application of DCD, slightly increased CH4emissions and the application of CP reduced CH4emissions. The application of DCD and CP tended to decrease the abundance of ammonia-oxidizing bacteria and significantly increased the abundance of denitrifiers during the main period of the emission of N2O (pre-season). The average values of GWP-cost in PM+DCD, PM+CP and PM treatments were 831, 735 and 822 yuan·hm-2, respectively. GHGI of these three treatments were 0.69, 0.60 and 0.70 t·t-1grain, respectively, and their yield were 9.20, 9.24 and 9.00 t·hm-2, respectively. Therefore, considering lower greenhouse gas emissions and economic benefits, the application of CP could be the better way to be popularizing widely in plastic mulching rice fields.

nitrification inhibitor; plastic mulching paddy fields; CH4and N2O emissions; methanogens; methanotrophs; nitrifier and denitrifiers

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.014

X144

A

1674-5906（2017）03-0461-07

于海洋, 楊玉婷, 馬靜, 徐華, 呂世華, 袁江, 董瑜皎. 2017. 硝化抑制劑對(duì)覆膜稻田CH4和N2O排放的影響[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào), 26(3): 461-467.

YU Haiyang, YANG Yuting, MA Jing, XU Hua, LV Shihua, YUAN Jiang, DONG Yujiao. 2017. Effect of nitrification inhibitor application on CH4and N2O emissions from plastic mulching rice fields [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 461-467.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41271259；41571232）；中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所領(lǐng)域前沿項(xiàng)目（ISSASIP1652）；土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金課題（Y20160039）

于海洋（1990年生），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)田溫室氣體排放規(guī)律及其機(jī)理研究。E-mail: yuhy@issas.ac.cn *通信作者：馬靜（1974年生），女，副研究員，博士。E-mail: jma@issas.ac.cn

2016-12-24