王國強， 薛書浩， 孫煥明

(1.西藏職業(yè)技術學院農(nóng)業(yè)科學技術學院，西藏拉薩 850030； 2.福建農(nóng)林大學資源與環(huán)境學院，福建福州 350002)

政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC)第5次評估報告(2013年)明確指出，人類活動引起的溫室氣體濃度增加極可能是導致氣候變暖的主要原因[1]。農(nóng)業(yè)每年溫室氣體排放量為5.1～6.1 Pg CO2-eq(二氧化碳當量)，占全球溫室氣體排放總量的 10%～12%，其中農(nóng)業(yè)活動排放的CH4和N2O約占全球人為排放量的52%和84%[2]。自從發(fā)明并應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以來，化肥為農(nóng)業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻。但隨著化肥特別是氮素化肥施用量的逐年增加，在提高農(nóng)作物產(chǎn)量和經(jīng)濟效益的同時，由于揮發(fā)、徑流、淋溶以及硝化反硝化等途徑損失造成了氮肥利用率過低、地下水硝酸鹽濃度和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)大氣CH4和N2O濃度不斷增加等一系列嚴重的環(huán)境問題[3-4]。我國是世界上氮肥施用最多的國家之一，2014年氮肥施用量已達到 2.39×107t[5]。通過施用氮肥從農(nóng)田釋放出來的N2O排放量占農(nóng)業(yè)源N2O排放量的80%[6-7]。稻田是農(nóng)業(yè)土壤CH4的最主要排放源，每年排放33～40 Tg的CH4，占人為CH4排放總量的11.7%～26.2%，占農(nóng)業(yè)活動CH4排放總量的22.5%～50.4%[8-9]?；瘜W氮肥施用量的增加不僅對土壤N2O排放有促進作用，同時也對稻田CH4排放有重要影響[10]。

硝化抑制劑是通過抑制土壤中的亞硝化細菌等微生物活性起到延緩細菌氧化NH4+作用，從而提高氮肥利用率的有機或無機化合物的總稱。硝化抑制劑可抑制硝化作用延長土壤中的銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化的時間，減少氮素淋溶損失、提高氮素利用率、提高作物產(chǎn)量并降低溫室氣體CH4和N2O排放[11-14]。國際上對硝化抑制劑的研究起步較早，迄今為止，已知的硝化抑制劑有數(shù)百種，但只有少數(shù)具有商業(yè)用途，如雙氰胺(dicyandiamide，簡稱DCD)、2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(nitrapyrin)、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽(3，4-dimethylpyrazole phosphate，簡稱DMPP)、乙炔(acetylene，C2H2)等，其中在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上較有應用前景的是雙氰胺。本文回顧了硝化抑制劑DCD的研究歷史，并全面評述了DCD的特性、作用機理、施用效果，以期為農(nóng)業(yè)中合理施用DCD、降低農(nóng)田CH4和N2O排放、提高作物產(chǎn)量和進一步研究提供理論基礎和科學依據(jù)。

1 硝化抑制劑DCD的特性

1918年科學家首次報道了DCD具有硝化抑制特性。20世紀50年代Nommik、Brioux等發(fā)現(xiàn)雙氰胺能抑制土壤中銨肥的硝化。但是直到20世紀60年代美國、日本和前聯(lián)邦德國等國家才在合成硝化抑制劑的生產(chǎn)上獲得了重大突破，最廣為人知的是雙氰胺(DCD)和2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(nitrapyrin)[15]。20世紀70、80年代美國把DCD作為一種商品應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)并進行推廣。前聯(lián)邦德國特羅斯特貝格市的SKW公司利用雙氰胺具有硝化抑制特性注冊了商品名為Didin的硝化抑制劑產(chǎn)品[16]。日本的住友化學工業(yè)公司利用雙氰胺具有硝化抑制作用并作為提高水溶性氮含量的手段，生產(chǎn)出商標為AUF含10%雙氰胺的脲醛[17]。1971年中國通過循環(huán)連續(xù)法生產(chǎn)雙氰胺試驗獲得成功[18]。1972年中國首次報道了國外硝酸化抑制劑DCD的生產(chǎn)和施用情況[19]。1975年中國首次報道了DCD在農(nóng)業(yè)上的應用，DCD在水稻旱直播幼苗旱長田施用，對抑制土壤硝化菌活動，減緩銨態(tài)氮的硝化作用及延長肥效期等方面具有顯著的作用，增產(chǎn)效果甚為明顯[20]。

雙氰胺為氰胺(cyanamide)的二聚物，也是胍的氰基衍生物。分子式為H2NC(NH)2CN，白色結晶粉末，分子量為 84.08，密度為1.400 g/cm3，熔點為209.5 ℃，不吸濕，不揮發(fā)，無毒，能溶于水(41.3 g/L)和其他溶劑，干燥時物理和化學性質(zhì)穩(wěn)定。與目前市場上常用的合成硝化抑制劑相比，DCD具有顯著的硝化抑制效果；在土壤中通過鳥苷脲、胍和脲生成CO2、NH4+和H2O，易于生物降解，對環(huán)境不產(chǎn)生污染，更環(huán)保[21-22]；含氮量高(66.7%)，可以起到緩釋氮肥的作用；揮發(fā)性小，適宜與固態(tài)氮肥配合施用；易溶于水，可以和液態(tài)的有機肥如牛糞或畜禽糞便結合施用來延緩硝化作用；減少土壤硝化反硝化過程中產(chǎn)生的N2O，降低稻田溫室氣體(主要是CH4和N2O)排放量[23]；生產(chǎn)成本低，價格低廉，用量少，應用簡單，使其具有更大的農(nóng)業(yè)推廣現(xiàn)實意義。

2 DCD影響溫室氣體排放的作用機理

2.1 DCD影響CH4排放的作用機理

水稻田是大氣CH4濃度升高的主要人為源，也是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中CH4的最主要排放源。土壤中CH4的生成和消耗是土壤物質(zhì)和土壤微生物共同作用的結果。在厭氧條件下，厭氧細菌首先將土壤有機物質(zhì)、植物根系分泌物、死亡的植物根系或殘茬、死亡的土壤動物和微生物及殘體、有機肥等有機物質(zhì)逐步降解為有機酸、醇、CO2等小分子化合物，然后在產(chǎn)CH4菌作用下將小分子化合物轉化為CH4；生成的CH4有70%～90%在土壤或水層中通過甲烷氧化菌的作用被氧化，剩余的較少部分CH4排放到大氣中[24]。因此稻田CH4排放主要由甲烷產(chǎn)生、甲烷氧化和甲烷從土壤傳送到大氣3個過程決定的，每個過程受到影響都會影響到CH4排放。

施用DCD對CH4排放的影響目前的報道還不一致。施入DCD影響稻田CH4排放作用機理有：(1)DCD能夠抑制產(chǎn)甲烷菌生長和活性有效控制稻田CH4排放[23，25]；(2)淹水稻田施入DCD硝化作用是不太可能發(fā)生的，土壤中的氮素以NH4+-N為主，NH4+促進甲烷氧化菌的生長和甲烷氧化，導致CH4排放減少[26]；(3)施用DCD能增加地上部分水稻植株生物量，水稻根際呈現(xiàn)較強的氧化狀態(tài)，提高水稻根際氧化CH4能力，從而降低CH4排放[27]。Xu等研究發(fā)現(xiàn)施入DCD能提高水稻根際的土壤Eh，特別是水稻生長旺盛的分蘗期，土壤Eh越高，CH4排放越少[28]；(4)DCD通過抑制甲烷氧化菌的活性提高CH4排放。土壤中氨氧化菌和甲烷氧化菌均可以氧化甲烷。DCD能夠抑制氨氧化菌的生長和活性，從而抑制甲烷被甲烷氧化菌所氧化，使CH4排放量增加。水稻在淹水厭氧情況下土壤中的礦質(zhì)氮以NH4+形式存在，NH4+和CH4分子大小相近、分子結構相似，NH4+競爭CH4氧化菌酶系統(tǒng)[主要是甲烷單加氧酶(MMO)]相同的位點，降低了CH4氧化酶的活性，從而抑制CH4氧化的作用，促進CH4的排放[29-30]。

2.2 DCD抑制N2O排放的作用機理

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)是大氣中N2O的重要來源之一，農(nóng)田中過量施入氮肥，促進土壤微生物活動，氮素在硝化、反硝化微生物參與下，通過硝化和反硝化作用轉化為N2O。硝化作用分2個階段[31]：氨氧化階段和硝化階段。這2個階段步只要其中1個反應階段受到抑制，整個硝化作用過程就會被抑制。氨氧化階段由氨氧化細菌(ammonia-oxidizing bacteria，簡稱AOB)或氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea，簡稱AOA)2類化能自養(yǎng)型微生物在氨單加氧酶(ammonia monooxygenase，簡稱AMO)催化下完成[32]；AOB中的AMO是由amoA和amoB、amoC等3個亞基組成的三聚體膜結合蛋白[33]，其中amoA亞基含有氨單加氧酶的活性位點，可催化氨(NH3)氧化成羥胺(NH2OH)，羥胺再經(jīng)由羥胺氧化還原酶(hydroxylamine oxidoreductase，簡稱HAO)作用生成NO2-；而AOA中的AMO基因中一定含有編碼amoA亞基的基因，但不一定同時含有編碼amoA、amoB和amoC等3個亞基的基因[34]，此外，在AOA中檢測不到HAO基因，同時AOA也缺少編碼細胞色素c的基因[35-36]。硝化階段由硝化細菌(nitrite-oxidizing bacteria，簡稱NOB)在亞硝酸鹽氧化還原酶(nitrite oxidoreductase，簡稱NOR)催化下完成[37-38]。在氨氧化過程中，中間產(chǎn)物會發(fā)生化學分解而生成N2O[39]。反硝化作用通常在兼氣或低氧土壤系統(tǒng)中在硝酸鹽還原酶(nitrate reductase，簡稱Nar)、亞硝酸鹽還原酶(nitrite reductase，簡稱Nir)、一氧化氮還原酶(nitric oxide reductase，簡稱Nor)和氧化亞氮還原酶(nitrous oxide reductase，簡稱Nos)作用下完成，在中間過程中釋放N2O[40]。

3 農(nóng)田施用DCD的溫室氣體減排效果

CH4和N2O是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中十分重要的2種溫室效應氣體。溫室氣體減排效果可用溫室氣體排放量、綜合溫室效應(global warming potential，簡稱GWP)、溫室氣體排放強度(GHGI)和凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟預算(NEEB)4種指標來表征。溫室氣體排放總量表征的是在一定時期內(nèi)不同溫室氣體排放的總量，GWP表征的是在一定時間尺度上CH4和N2O的綜合溫室氣體效應，GHGI表征的是單位產(chǎn)量的綜合溫室效應，NEEB表征的是溫室氣體減排帶來的經(jīng)濟和環(huán)境效益。DCD是一種緩釋氮肥和抑菌劑，可抑制氨氧化菌、產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活性，并且促進作物生長，因此施用DCD可影響農(nóng)田溫室氣體排放。目前，有關施用DCD對農(nóng)田溫室排放影響方面的研究仍較少。

3.1 施用DCD對農(nóng)田溫室氣體排放的影響

在不同的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中DCD抑制硝化作用和N2O排放是有效的[48-51]。吳得峰等在田間條件下研究添加DCD對玉米田N2O排放及硝態(tài)氮殘留的影響，結果顯示，減量施氮下添加DCD可使N2O排放量降低28.1%，并且降低了土壤剖面硝態(tài)氮的殘留量[52]。Cui等研究集約化蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)下施用DCD對硝酸鹽淋溶和N2O排放的影響，結果顯示，與單獨施用氮肥相比，黃棕壤和潮土DCD與氮肥混施，硝酸鹽淋溶量分別減少58.5%和36.2%，N2O排放量分別減少83.8%和72.7%；結果表明，DCD可減少NO3-淋溶和N2O排放，使蔬菜生產(chǎn)更環(huán)保[51]。DCD對CH4排放的影響目前報道不一，Boeckx等利用盆栽試驗評估麥稻輪作下尿素與DCD對減少CH4和N2O排放的有效性，結果顯示，麥季尿素與DCD混施可使農(nóng)田土壤N2O排放量減少22.3%，稻季尿素與DCD混施N2O排放量減少47%，CH4排放量減少53.1%[53]。Cahalan等研究愛爾蘭草原施用牛糞尿后DCD對CH4和N2O排放的影響，結果顯示DCD顯著減少N2O累積排放量，而對CH4排放量沒有影響[50]。

3.2 施用DCD對農(nóng)田綜合溫室效應的影響

由于CO2、CH4和N2O具有不同的增溫效應，它們對全球變暖影響的貢獻也各不相同。據(jù)IPCC統(tǒng)計，在100年時間尺度上，CH4和N2O的全球增溫潛勢分別為CO2的25倍和298倍[54]。通常用GWP來估算農(nóng)田CH4和N2O對氣候變化的綜合效應[55]，其計算公式為：

GWP=GWPCH4+GWPN2O=25×RCH4+298×RN2O。

式中：RCH4為研究階段內(nèi)CH4的累積排放量；RN2O為研究階段內(nèi)N2O的累積排放量。

從已報道的施用DCD試驗結果來看，多數(shù)情況下施用DCD具有明顯降低農(nóng)田GWP的作用。旱田GWP主要來源于N2O排放，CH4對旱田GWP的貢獻僅占很小比例。旱田施用DCD可降低GWP，主要是因為DCD降低了土壤中N2O排放。郝小雨等研究發(fā)現(xiàn)，黑土玉米田等量施氮時，添加DCD會使GWP降低44.6%[56]。而水稻田中施用DCD可降低GWP主要因為DCD降低了土壤中CH4排放。Glosh等對印度北部灌溉稻田排放進行研究發(fā)現(xiàn)，與不施DCD相比，DCD與尿素或硫酸銨混施會使GWP分別減少23.9%和 24.7%[57]。DCD施用時間影響稻田CH4和N2O排放，因而也對GWP產(chǎn)生影響。Li等在相同施肥條件下通過盆栽試驗和田間試驗研究DCD不同施用時間對稻田土壤CH4和N2O排放的影響，結果顯示，DCD與基肥混施、分蘗肥后施入、穗肥后施入與單獨施用尿素相比，N2O排放量分別減少8%、30%和2%，CH4排放量分別減少21%、8%和1%，GWP分別減少11.2%、24.9%和1.4%[58]。

3.3 施用DCD對農(nóng)田溫室氣體排放強度的影響

GHGI是指單位作物產(chǎn)量的綜合溫室效應[59]，其計算公式為：

GHGI=GWP/產(chǎn)量。

它是評價不同試驗處理溫室效應的綜合指標，與GWP評價指標相比，其優(yōu)點在于將綜合溫室效應與作物產(chǎn)量相結合，綜合評價農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境效應與作物產(chǎn)量帶來的經(jīng)濟效益，因而有利于決策者制定相關的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)政策[60]。

施用DCD不僅影響CH4和N2O排放、GWP，還會對作物產(chǎn)量產(chǎn)生影響。DCD對作物產(chǎn)量的影響報道不一：可提高作物產(chǎn)量和對作物產(chǎn)量沒有影響[61]。Yang等發(fā)現(xiàn)減少氮肥施用量和DCD混施，春玉米的產(chǎn)量與CK相比增加了17.8%，與傳統(tǒng)施用氮肥量相比產(chǎn)量保持不變。紀洋等研究相同施肥條件下DCD不同施用時間對小麥生長期N2O排放的影響，結果顯示，與尿素處理相比，基肥配施DCD、追肥配施DCD和基追肥按比例配施DCD使N2O排放量分別減少21%、26%和35%；與尿素處理相比，基肥配施DCD和基追肥按比例配施DCD，小麥產(chǎn)量分別增加8%和7%，而追肥配施DCD處理小麥產(chǎn)量無顯著性差異[62]。在印度北部灌溉稻田施入DCD可提高水稻產(chǎn)量，DCD與硫酸銨混施能顯著提高水稻的生物量，但對水稻分蘗數(shù)幾乎不產(chǎn)生影響[57]。而Mall等在該地研究發(fā)現(xiàn)，施用DCD會略微降低水稻產(chǎn)量，因此施用DCD可以影響GHGI，如DCD施入黑土玉米田，玉米產(chǎn)量并沒有明顯變化，但因GWP顯著降低，故玉米田中施入DCD會使GHGI顯著降低；在水稻田中，施用DCD可使GHGI顯著降低[63]。Liu等研究發(fā)現(xiàn)，水稻種植系統(tǒng)下施用DCD可顯著減少CH4和N2O排放；與濕潤灌溉相比，濕潤灌溉結合施用DCD處理可使CH4、N2O排放量、GWP和GHGI分別減少25%～38%、7%～8%、18%～30%和22%～34%，同時水稻產(chǎn)量增加 6%～7%[64]。

3.4 施用DCD對農(nóng)田凈生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)濟預算的影響

NEEB是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)活動的主要考慮因素，它直接影響政府決策和農(nóng)民參與的熱情程度[65]，可用來表示不同農(nóng)藝措施下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和環(huán)境可持續(xù)性之間的關系(例如溫室氣體排放量)，對實施不同措施的農(nóng)田進行經(jīng)濟可行性評價[66]，為決策部門指導農(nóng)民制定相關政策提供科學依據(jù)。其計算公式如下：

NEEB=產(chǎn)量收益-農(nóng)業(yè)活動成本-GWP成本[65]。

式中：產(chǎn)量收益用當前農(nóng)產(chǎn)品價格和產(chǎn)量來計算；農(nóng)業(yè)活動成本包括機械耕作和收獲、種子、化肥、DCD、農(nóng)藥和除草劑等費用；GWP成本根據(jù)碳交易價格和GWP來計算。

雖然在旱地和稻田中施用DCD對CH4和N2O排放、作物產(chǎn)量和GWP的影響已被較為廣泛研究，但是施用DCD對NEEB影響幾乎沒人關注。許多研究把重點放在了施用DCD對農(nóng)田經(jīng)濟效益的影響[23，67]。郝小雨等通過綜合評價肥料成本和碳信用收益，發(fā)現(xiàn)黑土玉米田減量施氮配施DCD較習慣施肥處理可增收139.23元/hm2[56]。Glosh等通過對施用DCD的成本、溫室氣體減排成本(即GWP成本)和施用DCD增產(chǎn)所帶來的收益進行評價，發(fā)現(xiàn)印度北部灌溉稻田DCD與尿素或硫酸銨混施與不施DCD相比，分別可增收171、4美元/hm2。然而這些研究在計算時不是沒有包括GWP，就是沒有計算出凈經(jīng)濟收入(即NEEB)。施用DCD的綜合經(jīng)濟評價系統(tǒng)不僅要考慮水稻產(chǎn)量收益和農(nóng)業(yè)活動成本，也要把GWP成本考慮進去[57]。同時，在一些農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中由于施用DCD增加了農(nóng)業(yè)活動成本，再加上市場上碳交易價格較低，因此施用DCD的經(jīng)濟可行性可能會受到限制。

4 總結與展望

綜上所述，施用DCD可影響農(nóng)田溫室氣體排放。施用DCD可能通過影響NH4+濃度、產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的群落組成、豐度及活性、地上部分植株生物量來影響農(nóng)田土壤CH4的排放。施用DCD可抑制參與硝化和反硝化作用的底物及功能微生物中的氨單加氧酶活性，從而抑制N2O的排放?？傊┯肈CD對旱地和稻田CH4和N2O排放的影響因土壤類型、施肥種類及施用量、DCD施用量、土壤溫度、土壤水分、土壤酸堿狀況的不同而呈現(xiàn)出不同的效果。

施用DCD不僅可以影響溫室氣體排放和作物產(chǎn)量，還可以對GWP、GHGI和NEEB產(chǎn)生影響。多數(shù)情況下施用DCD具有明顯降低農(nóng)田GWP的作用。鑒于DCD可降低GWP和GWP成本，而會使作物產(chǎn)量增加或不受影響，同時增加了施用DCD的成本，因此施用DCD可進一步降低農(nóng)田的GHGI，而施用DCD對NEEB的影響取決于施用DCD增產(chǎn)所帶來的收益與施用DCD的成本和GWP成本差值的大小。

針對施用DCD對溫室氣體凈排放的影響，今后需要進一步加強的研究方向有以下幾個方面：(1)在我國典型農(nóng)區(qū)開展施用DCD對農(nóng)田溫室氣體凈排放的影響試驗。目前，關于施用DCD對農(nóng)田溫室氣體凈排放的影響在美國、歐洲、印度，特別是新西蘭草原應用和研究較多，而我國僅在東北部的玉米種植區(qū)、中部的水稻及蔬菜種植地開展研究，為探明施用DCD對我國其他典型農(nóng)區(qū)農(nóng)田固碳減排的效果，有必要在這些農(nóng)區(qū)開展施用DCD的農(nóng)田溫室氣體排放研究。(2)針對我國主要土壤類型、施肥種類及施用量、DCD施用量、土壤溫度、土壤水分開展施用DCD對溫室氣體排放影響的機理研究。由于施用DCD后，往往因上述因素的不同而對土壤物理、化學和微生物產(chǎn)生特定的影響，從而對溫室氣體排放也可能產(chǎn)生不同的影響。目前，在我國開展的施用DCD對農(nóng)田土壤溫室氣體排放影響的機理研究還很少，有必要從土壤物理、化學以及影響溫室氣體排放的微生物及其酶類來開展這方面的機理研究，為科學合理利用和減緩農(nóng)田溫室氣體排放提供理論和決策依據(jù)。

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