The influence of dicyandiamide on the fate of fertilizer nitrogen depends on soil types
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摘要:目的
不同类型土壤硝化作用存在差异，研究硝化抑制剂双氰胺(DCD)对不同类型土壤中肥料氮去向和作物氮肥利用率的影响，以期为DCD在玉米氮肥管理中的应用提供理论依据。
方法土柱淋溶试验选择了3种典型土壤：红壤、黑土、潮土，以15N标记尿素为供试肥料，设计施用DCD和不施用DCD (施用量为尿素氮用量的10%)两个处理。在玉米播种后的第10、17、22、26、31、36、46天进行淋溶试验，收集淋溶液，用重量法测量其体积，测定淋溶液中的铵态氮和硝态氮含量。玉米在播种后57天收获，分为地上部和根部，分别测定生物量和氮含量；将土柱中的土壤混匀后，测定铵态氮和硝态氮含量，以及15N同位素丰度。
结果不论是否添加DCD，3种土壤的氮素淋溶随时间的动态变化趋势基本一致，铵态氮、硝态氮和全氮的淋溶主要集中在前3次，且均在第一次淋溶最高，随后快速下降至较低水平，而尿素态氮主要集中在第一次淋溶。DCD降低了3种土壤硝态氮淋溶(N 0.74～5.76 mg/kg土)，对红壤的降低效果最小；增加了红壤和潮土的铵态氮淋溶，增量以潮土最多(N 2.99 mg/kg土)。DCD减少氮淋溶的效果与3种土壤的硝化作用强弱一致，即黑土>潮土>红壤。DCD降低了黑土和潮土中肥料氮的淋失率，提高了肥料氮的土壤残留率，但DCD增加了红壤的肥料氮淋失率。DCD抑制了红壤和黑土的气态氮损失，增加了潮土的气态氮损失，这可能是因为DCD导致铵态氮在潮土积累，潮土pH (8.18)较高，易产生氨挥发损失。DCD显著提高了3种土壤上玉米的氮肥利用率(增幅为3.90%～5.77%)，其中以黑土提升幅度最高，但仅提高了潮土上玉米生物量。与潮土和红壤相比，黑土具有较高的玉米氮肥利用率、较低的氮淋失率和气态氮损失率。
结论施用DCD对玉米生长、氮肥利用率和肥料氮去向的作用效果因土壤类型而异，主要与土壤性质有关。黑土和潮土硝化作用强，施用DCD降低肥料氮的淋失率，提高肥料氮土壤残留率的效果较好，而在红壤上效果较差。施用DCD显著抑制了红壤和黑土的气态氮损失，但是却增加了潮土的气态氮损失，这可能因为潮土pH较高，DCD导致铵态氮在潮土积累而引起更多的氨挥发。
Abstract:ObjectivesGiven that the efficacy of DCD varies in different soils, we studied the precise efficacy of nitrification inhibitor dicyandiamide (DCD) on maize growth, fertilizer nitrogen (N) recovery efficiency, and the N fate in different soil types, to establish a theoretical foundation for the scientific application of DCD in maize N management.
MethodsA soil column leaching experiment was carried out using 15N-labeled urea. The columns were filled with one of the three soil types (red soil, black soil, and fluvo-aquic soil), and DCD was applied at 10% of the urea N application rate or omitted as a control. Water (100 mL) was added to the soil at the 10, 17, 22, 26, 31, 36, and 46 days post-sowing of maize to collect leachate for the measurement of ammonium and nitrate N. After 57 days, the maize plants were harvested to determine their yield and N content in both the aboveground parts and roots. Additionally, the ammonium- and nitrate-N content in the residual soil was measured.
ResultsRegardless of DCD application, the N leaching patterns in all three soils exhibited similar temporal trends. The majority of ammonium N, nitrate N, and total N leaching occurred during the initial three leaching events, peaking during the first event and then declining rapidly thereafter. Urea N leaching was primarily concentrated in the first leaching event. DCD reduced nitrate leaching by N 0.74 to N 5.76 mg/kg soil across all three soils, with the smallest reduction observed in red soil. While DCD had no significant effect on urea leaching, it increased ammonium leaching in red and fluvo-aquic soils, with the highest increment in fluvo-aquic soil (N 2.99 mg/kg soil). The effectiveness of DCD in reducing N leaching was correlated with the soil’s nitrification capacity, following the order black soil>fluvo-aquic soil>red soil. DCD effectively minimized fertilizer N leaching and enhanced soil N retention in black and fluvo-aquic soils, but had no significant impact on red soil and even increased the fertilizer N leaching rate therein. DCD significantly inhibited gaseous N loss in red and black soils but increased it in fluvo-aquic soil. Across all three soils, DCD improved fertilizer N recovery efficiency for maize, with the greatest improvement observed in black soil. However, DCD only increased maize biomass in fluvo-aquic soil. Compared to fluvo-aquic and red soils, black soil exhibited higher maize fertilizer N recovery efficiency, lower N leaching, and lower gaseous N losses, attributed to its favorable soil conditions for optimal maize growth and minimal fertilizer N loss.
ConclusionThe effects of applying DCD on maize growth, N fertilizer use efficiency, and the fate of fertilizer N vary among soil types, primarily due to soil properties. Black soil and fluvo-aquic soil exhibit strong nitrification, so the application of DCD is more effective in reducing the leaching loss rate of fertilizer N and increasing the soil residual rate of fertilizer N, whereas its effectiveness is poorer in red soil. The application of DCD significantly inhibits gaseous N losses in red soil and black soil but increases gaseous N losses in fluvo-aquic soil. This may be attributed to the higher pH of fluvo-aquic soil, where DCD leads to the accumulation of ammonium-N, potentially causing increased ammonia volatilization.
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作物的高产与氮肥的施用密不可分。玉米是我国的三大粮食作物之一，种植范围广、产量高、氮肥用量大，但氮肥利用率低。通常，施入氮肥的1/3左右被作物吸收利用，剩余的2/3残留在土壤或通过挥发、淋溶、径流等途径进入大气和水体环境，导致大气PM2.5含量增加、温室气体排放增多和水体污染加重等环境问题[1−3]。淋溶是肥料氮在土壤中损失的主要途径之一，约占施氮量的8%～19%[4−5]，也是地下水污染的主要原因之一[6]。因此，探究有效阻控氮淋溶措施，对于降低玉米种植中氮肥损失非常关键。
尿素是农业生产中常见的化学氮肥，约占氮肥消耗总量的55%[7]。施入土壤的尿素首先水解为铵态氮，继而在硝化作用下转化为硝态氮。NH4+带正电荷，易被土壤颗粒吸附固定，不易淋失，而NO3−带负电荷，在土壤中移动性较强，在灌溉或降水作用下易向土壤深层迁移，造成氮淋溶损失 [8]。硝化抑制剂可有效抑制铵态氮向硝态氮转化，使铵态氮在土壤中以较高水平保持较长时间[9]，可减少土壤硝态氮的淋溶[10]，还可降低硝化/反硝化导致的气态氮损失[11−12]。氮肥中添加硝化抑制剂是提高作物氮肥利用率、减少氮损失的有效手段之一[13]。
双氰胺(dicyandiamide，DCD)具有价格低廉、挥发性小、易溶于水等特点，是当前农业生产中广泛使用的硝化抑制剂[14]。已有研究表明，DCD能有效抑制土壤的硝化作用[15−16]，降低氮的淋溶损失[17]，延长氮肥有效期，从而提高作物氮肥利用率[10]。然而，由于土壤环境的差异，同一种硝化抑制剂在不同土壤中的作用效果存在显著差别[17−19]。例如，在培养试验中，DCD在黑土和潮土中的硝化作用抑制效果要强于在红壤[15, 17]，主要归因于不同土壤pH和硝化速率的差异。此外，硝化抑制剂的作用效果需要综合考虑不同土壤−作物系统中氮的各个去向。例如，DCD在碱性土壤中能够有效提高作物产量和氮肥利用率，而在酸性土壤的作用效果不明显[17]。但也有研究表明，在石灰性土壤上施用DCD容易增加氨挥发[20]，从而导致石灰性土壤上DCD的施用效果较差[21]，甚至产生负效应[22]。可见，DCD对不同类型土壤中氮不同去向的影响存在较大差异，需进一步明确DCD在不同类型土壤中对肥料氮去向的综合效应。以往研究主要关注DCD对同一类型土壤中氮不同去向的影响[10, 12−13, 23]，或DCD对不同类型土壤中氮单一去向的影响[9, 10, 15]，但缺乏DCD对不同类型土壤中氮不同去向影响的比较研究。本研究以玉米为研究对象，对我国3种典型土壤(红壤、黑土和潮土)进行土柱淋溶试验，利用肥料15N标记方法，探讨了DCD对不同类型土壤上玉米生长和肥料氮去向的影响，以期为DCD在玉米氮肥管理中的应用提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 供试土壤与淋溶装置
本研究采集我国3种典型土壤(红壤、黑土和潮土)耕作层(0—20 cm)，红壤采自湖南祁阳(26°45′N，111°52′E)，黑土采自黑龙江海伦(47°43′N，126°79′E)，潮土采自河南封丘(35°00′N，114°24′E)。3个采集地点的土壤多年种植玉米，供试土壤基础理化性质见表1。土柱淋溶试验装置见图1，由有机玻璃柱体、底座、量杯、微型抽水蠕动泵和淋溶液收集瓶组成。柱体和底座分别高26和15 cm，内径均为10 cm。淋溶液收集器为150 mL带刻度的三角瓶。试验用水为去离子水。每个土柱的底部铺设2 cm厚的石英砂(粒径2 mm)，并在石英砂层表面用双层无纺纱布隔离土壤层，以保证水分的均匀渗透。微型抽水蠕动泵通过硅胶软管将去离子水缓慢输送到土柱表层，去离子水自然下渗淋溶。
表 1 供试土壤基本性质Table 1. Basic properties of experimental soils土壤指标 Soil properties 红壤 Red soil 黑土 Black soil 潮土 Fluvo-aquic soil 砂粒 Sand (%) 10.30 15.90 42.20 粉粒 Silt (%) 30.20 48.20 38.50 黏粒 Clay (%) 59.50 35.90 19.30 pH 5.29 6.00 8.18 有机质 Organic matter (g/kg) 14.07 44.28 20.77 全氮 Total nitrogen (g/kg) 1.13 2.24 1.36 铵态氮 Ammonium-nitrogen (mg/kg) 22.34 15.61 19.46 硝态氮 Nitrate-nitrogen (mg/kg) 7.71 32.64 8.20 有效磷 Available phosphorus (mg/kg) 7.51 20.01 14.72 速效钾 Available potassium (mg/kg) 165.64 182.54 286.23 表观硝化速率 Apparent nitrification rate (%) 13.42 51.08 40.80 反硝化潜势 Denitrification potential (mg/d) 1.141 3.127 13.976 1.2 淋溶试验
淋溶试验在中国科学院南京土壤研究所日光温室(32°03′N，118°47′E)进行。试验设置3个因素：土壤类型为黑土、潮土和红壤；氮肥为不施氮肥(−N)和施氮肥(+N)；硝化抑制剂为不施用DCD (−DCD)和施用DCD (+DCD)。氮肥使用15N标记的尿素，15N丰度为20.12%，由上海化工研究院提供。氮肥施用量为N 150 mg/kg (相当于田间施N量195 kg/hm2)。每个处理均施入P2O5 60 mg/kg (过磷酸钙，相当于田间施P2O5量 78 kg/hm2)和K2O 180 mg/kg (氯化钾，相当于田间施K2O量234 kg/hm2)。DCD由上海麦克林生化科技有限公司提供，用量为施氮量的 10% (以 N 计)。每个处理设置3个重复，共计36个土柱(3种土×2种氮肥用量×2种DCD用量×3个重复)。
称取2 kg过2 mm筛的风干土壤，加入肥料或DCD，充分混合均匀，小心倒入土柱。土柱中的土壤在重力作用下自然落实，并将土柱边缘土壤小心压实，以防在淋溶过程中发生管壁效应。因为不同土壤容重存在差异，所以不同类型土壤土柱高度存在轻微差异，高度介于19.5～21.0 cm。所有土柱填充完成后，立即用蠕动泵通过硅胶软管，以恒定速率20 mL/min从土柱上方添加50 mL去离子水，以待玉米播种。
玉米品种选取中国玉米种植区常用品种‘裕丰303’。播种前将玉米种子在10%的过氧化氢溶液中浸泡消毒30 min，用去离子水冲洗3次后，置于湿润滤纸上，放入30℃恒温箱内进行催芽。玉米种子发芽后，每个土柱播种5粒玉米种子，5天后间苗，只留1株玉米进行淋溶试验。在玉米播种后的第10、17、22、26、31、36、46天进行淋溶试验，共计淋溶7次。每次淋溶前，先逐次加入50 mL去离子水至土柱，每次加水间隔30 min，观察土柱水分下渗情况，直至将土柱中土壤完全润湿，但不产生淋溶液。随后继续用蠕动泵逐次向土柱中加入50、30、20 mL水，收集淋溶液。淋溶试验期间，根据淋溶间隔时间，定量浇水以维持玉米正常生长需求。在第7次(46天)淋溶结束后，不再进行淋溶。每次淋溶前后记录三角瓶(收集淋溶液)的重量，根据称重法计算淋溶液体积。氮淋溶量为淋溶液氮浓度与体积的乘积，氮累计淋溶量为7次氮淋溶量之和。
玉米生长53天后，将玉米分为地上部和根部进行收获。用去离子水将玉米地上部和根部洗净，置于105°C烘箱杀青30 min，70°C烘干至恒重。同时，将每个土柱中的土壤混合均匀：一份保存于4℃冰箱，用于土壤铵态氮和硝态氮的测定；另一份自然风干后分别过2和0.149 mm筛，用于土壤理化性质和15N同位素的测定。
1.3 淋溶液、植物和土壤样品分析
根据《土壤农化分析》[24]描述的方法测定淋溶液、植物、土壤样品营养元素浓度。收集的淋溶液采用双层滤纸过滤，分别采用靛酚蓝比色法和分光光度法测定淋溶液中铵态氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3−-N)浓度。采用流动分析仪(San++ System，SAKLAR，荷兰)测定淋溶液中的全氮浓度。参照二乙酰一肟比色法测定淋溶液中的尿素态氮浓度。
将烘干的植物样品称重后，用粉碎机将其磨碎过0.149 mm 孔径筛，用于植物全氮和15N丰度测定。植株全氮和15N丰度采用元素分析−质谱联用仪(IsoPrime 100，Elementar, 德国)测定。
采用新鲜土壤样品测定土壤铵态氮和硝态氮含量。风干过2 mm孔径筛的土壤用于测定土壤pH、有效磷、速效钾。过0.149 mm孔径筛的土壤用于测定土壤全氮和有机质含量。采用靛酚蓝比色法测定土壤铵态氮含量；参照国标GB/T 32737—2016，采用紫外分光光度法测定硝态氮含量。土壤pH (土水比1∶2.5)采用pH计(PB-21，Sartorius，德国)测定。土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定。土壤速效钾采用火焰光度计测定(FP640，上海傲谱，中国)。土壤有机质含量采用低温外加热重铬酸钾氧化法测定。土壤全氮和15N丰度测定方法与植物样品分析方法一致。土壤质地采用激光粒度分析仪测定(LS13320，Beckman Coulter，美国)。
土壤表观硝化速率和反硝化潜势分别参照Gu等[25]和Dai等[26]描述的方法测定。准确称取50 g风干土壤，置入100 mL黑色塑料培养瓶，加入一定量的去离子水湿润土壤，将培养瓶放置室温条件下预培养1周，以活化土壤微生物。土壤预培养完成后，向每个培养瓶中分别添加N 150 mg/kg的尿素和硝酸钾(KNO3)，将土壤的质量含水量调至40%。随后，分别使用透气膜和不透气膜封培养瓶口，将其置于25℃的恒温人工生长室中进行黑暗培养。每个处理设置3次重复，以确保试验数据的可靠性。在培养期间，采用称重法将土壤质量含水量保持在40%。在培养的第0天和第7天测定土壤NH4+-N和NO3−-N含量，计算土壤表观硝化率和反硝化潜势。土壤表观硝化率以NO3−-N含量占土壤NH4+-N含量与NO3−-N含量之和的百分数表征，即NO3−-N/(NO3−-N+NH4+-N)×100%。土壤反硝化潜势以单位时间内NO3−-N的净消耗量表征(mg/d)，即(NO3−-Nt0−NO3−-Nt7)/t，t为培养时间，NO3−-Nt0为0天时土壤中NO3−-N的量，NO3−-Nt7为培养7天时土壤中NO3−-N的量。
1.4 植物和土壤中15N回收率计算
参照Zhang等[27]和Wang等[28]的公式，计算了植物和土壤中15N的回收率，具体公式如下：
玉米地上部 (玉米根部、土壤)来自肥料的15N丰度(%) = 玉米地上部 (玉米根部、土壤)样品的15N丰度(%)−15N自然丰度(0.376%)
玉米地上部 (玉米根部、土壤)中的氮来自15N标记肥料的百分比(Nf，%) = 玉米地上部 (玉米根部、土壤)样品来自肥料的15N丰度(%)/肥料中的15N丰度(%)×100
玉米总吸氮量(mg/column) = 地上部生物量×地上部含氮量+根部生物量×根部含氮量
玉米吸收来自肥料的氮(mg/column) = (地上部吸氮量×Nf地上部+根部吸氮量×Nf根部)/100
氮肥利用率(%) = 玉米吸收的肥料氮/施用的肥料氮×100
氮肥残留率(%) = Nf土壤×土壤重量×土壤全氮含量/施用的肥料氮×100
氮肥损失率(%) = 100−氮肥残留率−氮肥利用率
氮肥淋失率(%) = (施氮处理全氮累积淋溶量−不施氮处理全氮累积淋溶量)/施用的肥料氮×100
气态氮损失率(%) = 氮肥损失率−氮肥淋失率
1.5 数据处理和统计分析
采用Microsoft Excel 2019处理数据，应用IBM SPSS 22.0软件对数据进行正态性检验和方差齐性检验，再通过独立样本t-检验，分析同一土壤类型下，施用DCD和不施用DCD处理之间氮素累积淋溶量、玉米氮含量和吸氮量、氮去向的差异显著性(P<0.05)。采用Origin 2021软件作图。
2. 结果与分析
2.1 土壤氮淋溶特征
3种土壤氮素淋溶随时间的动态变化趋势基本一致，铵态氮、硝态氮和全氮的淋溶主要集中在前3次，且均在第1次淋溶最高，随后快速下降至较低水平(图2)。由图2可知，全氮的淋溶量峰值潮土(43.31 mg/kg)高于红壤(28.87 mg/kg)和黑土(26.08 mg/kg)。潮土和黑土主要以硝态氮淋溶为主，硝态氮动态淋溶量远高于铵态氮，而红壤铵态氮和硝态氮淋溶量差异较小，且均处于较低水平。尿素态氮主要集中在第1次(10天)淋溶，红壤(13.04 mg/kg)高于潮土(8.49 mg/kg)和黑土(5.47 mg/kg)。后续淋溶液尿素态氮含量低于检测限，无尿素态氮淋溶。
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图 2 施用DCD对不同类型土壤全氮、铵态氮、硝态氮淋溶动态特征的影响Figure 2. Effects of DCD on leaching dynamics of total N, NH4+-N, and NO3−-N in different soil types除红壤硝态氮淋溶外，不同类型土壤的全氮、铵态氮、硝态氮前3次(10、17、22天)淋溶量均是+N处理高于−N处理，第4次(26天)之后各种形态氮淋溶量急剧降低且不同处理之间无显著差异(图2)。红壤硝态氮淋溶量低且整个淋溶期间不同处理之间差异很小。施用DCD增加了红壤的全氮淋溶量峰值，而降低了潮土和黑土的全氮淋溶量峰值。施用DCD增加了潮土和红壤铵态氮的动态淋溶量，但对黑土无显著影响。施用DCD降低了黑土和潮土的硝态氮淋溶量，但对红壤影响较小。施用DCD对3种土壤的尿素态氮淋溶无显著影响(图3)。
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图 3 施用DCD对不同类型土壤氮累积淋溶量的影响注：*表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。Figure 3. Effects of DCD on cumulative nitrogen leaching in different soil typesNote: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.不同类型土壤氮淋溶的主要形态不同。红壤主要以尿素态氮淋溶为主，占全氮累积淋溶量(7次淋溶量的加和)的33.69%，铵态氮和硝态氮淋溶相对较少。黑土和潮土主要以硝态氮淋溶为主，分别占全氮累积淋溶量的82.27%和57.74%，而尿素态氮和铵态氮淋溶占比很低。在不施用DCD的条件下，红壤的铵态氮和尿素态氮累积淋溶量高于黑土和潮土，而硝态氮累积淋溶量则相反(潮土>黑土>红壤)。
相对于−N处理，+N处理提高了3种类型土壤全氮、铵态氮、硝态氮和尿素态氮的累积淋溶量(图3)。施用DCD在不同类型土壤中对氮淋溶的作用效果存在较大的变异性。施用DCD显著增加了红壤的全氮累积淋溶量，而降低了潮土的全氮累积淋溶量，但对黑土无显著影响。施用DCD显著降低了3种类型土壤的硝态氮累积淋溶量，潮土的降幅(5.76 mg/kg)大于黑土(3.18 mg/kg)、红壤(0.74 mg/kg)。同时，施用DCD显著增加了红壤和潮土的铵态氮累积淋溶量，以潮土增量最多(2.99 mg/kg)，而对黑土无显著影响。
2.2 玉米生物量和氮吸收
施用DCD对玉米生物量和氮吸收的影响因土壤类型而异。施用DCD显著增加了潮土上玉米地上部和根部生物量，但对红壤和黑土上玉米地上部和根部生物量无显著影响(图4)。从玉米氮吸收看，施用DCD显著提高施氮条件下红壤和黑土上玉米地上部氮含量，但对潮土上玉米地上部氮含量无显著影响(图5)。此外，施用DCD能够显著增加3种土壤上玉米地上部吸氮量以及黑土和潮土上根部吸氮量，而对红壤上玉米根部吸氮量无显著影响。
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图 4 施用DCD对不同类型土壤上玉米生物量的影响注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。Figure 4. Effects of DCD on maize biomass in different soil typesNote: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.![]()
图 5 施用DCD对不同类型土壤上玉米氮含量和吸氮量的影响注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。Figure 5. Effects of DCD on maize N concentration and N uptake in different soil typesNote: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.2.3 肥料氮去向
玉米收获后土壤铵态氮含量以红壤最高，黑土和潮土中剩余的铵态氮较低，施用DCD显著增加了红壤铵态氮含量，而对黑土和潮土无显著影响(图6)。3种土壤剩余的硝态氮含量均处于较低水平(<2.5 mg/kg)，施用DCD对土壤剩余的硝态氮含量无显著影响。
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图 6 施用DCD对不同类型土壤铵态氮和硝态氮含量的影响注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。Figure 6. Effects of DCD on soil NH4+-N and NO3−-N contents in different soil typesNote: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.由图7可知，不同类型土壤在不施用DCD的条件下玉米氮肥利用率黑土(38.3%)显著高于红壤(29.4%)和潮土(8.1%)。不同类型土壤肥料氮残留率差异较小，黑土(20.40%)和红壤(20.32%)肥料氮残留率略高于潮土(16.86%)。从氮损失来看，玉米氮肥利用率越高，氮损失越少。氮肥淋失率潮土(29.66%)高于红壤(22.56%)和黑土(16.97%)。同样，气态氮损失率也是潮土(45.40%)高于红壤(27.73%)和黑土(24.33%)。
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图 7 施用DCD对不同类型土壤肥料氮去向的影响注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。Figure 7. Effects of DCD on fertilizer N fate in different soil typesNote: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.施用DCD均显著增加了3种土壤的玉米氮肥利用率，其中以黑土增幅最多(5.77%)，红壤和潮土增幅相当，分别为3.93%和3.90% (图7)。施用DCD显著提升了黑土和潮土的肥料氮残留率(P<0.05)，而对红壤无显著影响。从氮损失来看，施用DCD显著降低了潮土和黑土的肥料氮淋失率，降幅分别为11.26%和4.12%，但增加了红壤的氮肥淋失率。施用DCD能够显著降低红壤和黑土的气态氮损失率，但增加了潮土的气态氮损失率。综合来看，施用DCD对氮肥去向的作用效果因土壤类型而异，其中在黑土上施用效果综合最好，既提升了玉米氮肥利用率和氮肥残留率，也降低了氮肥淋失率和气态氮损失率。DCD减少氮淋溶的效果与3种土壤的硝化作用强弱一致，即黑土>潮土>红壤。
3. 讨论
3.1 不同类型土壤氮素淋溶特征、玉米生长和肥料氮去向的差异比较
本研究中红壤氮素淋溶主要以尿素态氮为主，铵态氮和硝态氮的淋溶量相对较低；而潮土和黑土则以硝态氮淋溶为主，尿素态氮和铵态氮的淋溶量较低。这表明不同类型土壤氮素淋溶特征存在显著差异，这种差异主要与土壤的尿素水解和硝化能力有关。由于酸性红壤的脲酶活性通常较低[29]，尿素在红壤中的分解速率较慢，玉米生长初期未分解的尿素易被雨水冲刷下渗至深层土壤，导致红壤大量尿素态氮淋失。同时，低pH红壤硝化速率较低(表1)，使得尿素水解产生的铵态氮难以迅速转化为硝态氮，土壤中硝态氮累积较少，而铵态氮在土壤中易被胶体和矿物晶格吸附，不易随水分淋溶下渗[8]。因此，红壤氮素淋溶形态以尿素态氮为主，铵态氮和硝态氮的淋溶量均处于较低水平。本研究也表明，玉米收获后，红壤中的铵态氮含量显著高于黑土和潮土，表明在酸性红壤中，由于硝化能力较弱，大部分氮肥以铵态氮形式存在，硝酸盐短期内淋失风险较低。Dai等[26]通过比较土壤中不同氮形态下的氮素淋溶也发现，在酸性红壤中施用铵态氮肥(氯化铵)，铵态氮和硝态氮的淋溶均可保持较低水平，说明在红壤中施用铵态氮肥能够减少氮淋溶。黑土和潮土的脲酶活性一般相对较高[29]，且硝化能力较强(表1)，尿素水解的铵态氮能够快速转化为移动性较强的硝态氮，故黑土和潮土淋溶液氮形态主要以硝态氮为主。Zhou等[30]发现北方半湿润地区经过长期集约化种植的玉米旱作潮土，0—4 m土层土壤硝酸盐累积量高达N 749 kg/hm2，硝态氮的淋失风险不容忽视。
本研究中，黑土上玉米生物量、吸氮量以及氮肥利用率高于红壤和潮土，而肥料氮淋失率和气态氮损失率低于红壤和潮土。这主要归因于黑土的弱酸性，既避免了因pH过低造成的有毒金属活化(Al、Mn)和作物生长受抑，也满足了适当的土壤硝化速率与玉米铵硝偏好之间的匹配[31−34]，还避免了pH过高造成土壤氨挥发和反硝化损失增加[35−37]，最终有利于玉米生长和氮吸收。另外，黑土有机质含量丰富、肥力高，为玉米快速生长创造了优良土壤条件，快速的玉米生长反过来可促进玉米吸收更多的养分包括氮，这是黑土上玉米氮肥利用率高的另外一个原因。
3.2 DCD对不同类型土壤氮素淋溶特征、玉米生长和肥料氮去向的影响
本研究中，施用DCD能够显著降低3种土壤的硝态氮累积淋溶量，但降低效果以潮土和黑土较为显著，红壤降低效果较差，说明DCD的作用效果因土壤类型而异。这主要归因于不同土壤硝化能力的差异，红壤本身硝化作用较弱，施用DCD对土壤硝化作用的抑制空间不大，所以DCD对红壤硝态氮淋溶影响较小。先前的研究也发现，由于红壤硝化作用较弱，DCD在黑土和潮土中的抑制效果要比在红壤更显著[15, 18−19]。潮土和黑土硝化作用较强，施用DCD能够有效降低硝态氮的累积，从而降低硝态氮的淋溶。值得注意的是，施用DCD增加了红壤和潮土的铵态氮累积淋溶量。这可能是由于土壤胶体吸附阳离子的能力有限，当土壤铵态氮含量超过吸附容量时，铵态氮也存在明显的淋溶损失[38]。此外，潮土属于砂质土壤，土壤吸附能力较差，氮在砂质土壤更容易淋失[8, 17]，施用DCD对潮土铵态氮淋溶的促进作用要强于红壤。因此，施用DCD导致大量铵态氮在土壤中积累，可能会增加铵态氮淋溶的风险，尤其是砂质土壤。本研究中黑土有机质含量较高，相较于红壤和潮土，黑土对铵态氮肥具有较强的吸附能力，施用DCD对黑土铵态氮累积淋溶量无显著影响。
本研究表明，DCD显著提升了潮土上玉米生物量，而对潮土上玉米地上部氮含量无显著影响，这可能是由于氮的稀释作用所致。虽然DCD对红壤和黑土上玉米生物量没有显著影响，但是DCD显著提升了红壤和黑土上玉米地上部氮含量。综合生物量和氮含量的结果，施用DCD显著提升了3种土壤上玉米地上部吸氮量。先前的研究也发现，与质地较粗的土壤相比，硝化抑制剂在质地较细的土壤中对作物增产的效果不明显，但均能显著提升作物吸氮量[17]。这主要归因于DCD在粗质土壤(潮土)中对硝态氮淋溶的抑制效果更强，而在细质土壤(红壤和黑土)中的抑制效果相对较弱。结合15N回收结果，进一步比较了施用DCD对3种土壤中肥料氮去向的影响，发现施用DCD均能提升3种土壤上玉米氮肥利用率，这与以前的研究[10, 12, 14]结果一致。但施用DCD对3种土壤氮损失的作用存在较大的变异性。施用DCD能够有效降低潮土和黑土的肥料氮淋失率，但增加了红壤中的肥料氮淋失率。黑土和潮土的硝化作用较强，主要以硝态氮淋溶为主，施用DCD大幅降低了土壤硝态氮的积累，从而降低黑土和潮土氮肥淋失率，但红壤硝化作用弱，硝态氮本身淋溶量低，施用DCD在一定程度上还增加了铵态氮的淋溶，导致DCD对氮素淋失率的作用效果在不同类型土壤上表现不同。施用DCD能够有效降低红壤和黑土的气态氮损失率，却增加了潮土的气态氮损失率。潮土pH为8.18，施用DCD虽然能够有效减少土壤硝态氮的含量，但也促进了大量铵态氮在土壤中积累，氨挥发损失风险较高，且潮土砂粒含量较高(42.20%)，更有利于氨的挥发损失。而红壤和黑土pH分别为5.29和6.00，氨挥发强度较弱，施用DCD不会明显促进红壤和黑土氨挥发损失，故而DCD降低红壤和黑土气态氮损失的效果优于潮土。由此可见，施用DCD对肥料氮去向的影响因土壤类型而异，受到土壤pH、硝化速率、质地、有机质含量等多方面因素的影响。在实际生产过程中，硝化抑制剂的施用应遵循“因土制宜”的原则，根据土壤自身性质，决定施用硝化抑制剂的合理性与科学性。
4. 结论
施用DCD对玉米生长、氮肥利用率和肥料氮去向的作用效果因土壤类型而异，主要与土壤性质有关。黑土和潮土硝化作用强，施用DCD降低肥料氮的淋失率及提高肥料氮土壤残留率的效果较好，而在红壤上效果较差。施用DCD显著抑制了红壤和黑土的气态氮损失，但是却增加了潮土的气态氮损失，这可能因为潮土pH较高，DCD导致铵态氮在潮土积累，进而引发更多氨挥发。
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图 2 施用DCD对不同类型土壤全氮、铵态氮、硝态氮淋溶动态特征的影响
Figure 2. Effects of DCD on leaching dynamics of total N, NH4+-N, and NO3−-N in different soil types
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图 3 施用DCD对不同类型土壤氮累积淋溶量的影响
注：*表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。
Figure 3. Effects of DCD on cumulative nitrogen leaching in different soil types
Note: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.
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图 4 施用DCD对不同类型土壤上玉米生物量的影响
注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。
Figure 4. Effects of DCD on maize biomass in different soil types
Note: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.
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图 5 施用DCD对不同类型土壤上玉米氮含量和吸氮量的影响
注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。
Figure 5. Effects of DCD on maize N concentration and N uptake in different soil types
Note: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.
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图 6 施用DCD对不同类型土壤铵态氮和硝态氮含量的影响
注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。
Figure 6. Effects of DCD on soil NH4+-N and NO3−-N contents in different soil types
Note: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.
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图 7 施用DCD对不同类型土壤肥料氮去向的影响
注： *表示+DCD与−DCD处理间在0.05水平差异显著。
Figure 7. Effects of DCD on fertilizer N fate in different soil types
Note: * indicates significant difference between +DCD and −DCD at the 0.05 level.
表 1 供试土壤基本性质
Table 1 Basic properties of experimental soils
土壤指标 Soil properties 红壤 Red soil 黑土 Black soil 潮土 Fluvo-aquic soil 砂粒 Sand (%) 10.30 15.90 42.20 粉粒 Silt (%) 30.20 48.20 38.50 黏粒 Clay (%) 59.50 35.90 19.30 pH 5.29 6.00 8.18 有机质 Organic matter (g/kg) 14.07 44.28 20.77 全氮 Total nitrogen (g/kg) 1.13 2.24 1.36 铵态氮 Ammonium-nitrogen (mg/kg) 22.34 15.61 19.46 硝态氮 Nitrate-nitrogen (mg/kg) 7.71 32.64 8.20 有效磷 Available phosphorus (mg/kg) 7.51 20.01 14.72 速效钾 Available potassium (mg/kg) 165.64 182.54 286.23 表观硝化速率 Apparent nitrification rate (%) 13.42 51.08 40.80 反硝化潜势 Denitrification potential (mg/d) 1.141 3.127 13.976 
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