硝化抑制剂对农田N2O排放的影响开题报告

研究意义：

气候变暖和臭氧层破坏是当今全球性的环境问题，N₂O作为一种大气中微量气体是大气氮循环的重要组成部分,其含量在温室气体中排在第三位，次于CO₂、CH₄^[1]（Masood,1997)。但是其增温效应是CO₂的296～310 倍^［2］,并且 N₂O 在大气中的留存可达120年左右^[3]。此外，N₂O参与大气中许多光化学反应，最终破坏大气臭氧层，大大增加了人类患皮肤癌和其他疾病的频率，并可引发其他的健康问题^[4]，同时也会引发地球生物圈的变化。

据统计，大气N₂O浓度的增加主要来源于农业^［5］，其贡献率占到人类活动产生的N₂O总量的2/3以上^［6］。农田排放的N₂O主要产生于微生物的硝化和反硝化作用。氮肥是我国生产量最大，施用量最多，在农业生产中作用最突出的化学肥料。然而，我国氮肥利用率仅为30%～40%，损失率平均达45%。硝化和反硝化过程的发生，不仅造成肥料浪费，增加农业生产成本，还对环境直接或间接地带来负面影响。因此，研究硝化抑制剂对温室气体N₂O产生过程的影响机理对于农业生产和环境保护都有着重要的意义。

国内外研究概况：

1.研究方法

对N₂O的较为成熟、常用的测量方法主要包括：箱法、微气象法。

箱法的工作原理是用具有一定大小的特制箱子(箱子的覆盖面积通常小于1m²)罩在

一定面积的土壤及其植物上方，并隔绝箱内外气体的自由交换，测定箱内空气中被测温室气体随时间的变化，并据此计算得到该气体的交换通量，箱法分静态箱法和动态箱法。

微气象学法利用在近地层中气体传输的基本过程----湍流扩散，测量近地层的湍流状况和被测气体的浓度获得该气体的通量值。

2.N₂O形成机理及影响因素

农田土壤N₂O的产生与氮素的微生物转化过程密切相关。农田土壤N₂O的生成主要是通过土壤中硝化细菌、亚硝化细菌、反硝化细菌等微生物参与来完成的，过程包括硝化作用和反硝化作用。硝化过程中的N₂O主要是由氨氧化细菌以NO₂^-作为电子受体将其还原产生。反硝化过程是以NO₃^-、NO₂^-作为电子受体将其逐步还原N₂O和N₂的过程。

凡能够影响硝化作用和反硝化作用过程中的因素，均能够影响N₂O的产生和排放。这些因素有土壤温度、含水量、pH、氧化还原电位（Eh）、质地等，这些是直接影响土壤微生物种类、数量和生理生化过程，进而影响N₂O排放^[7,8，9]。另外，水肥管理以及耕作管理措施等也通过改变土壤理化性质以及产生的反应底物，从而也影响土壤N₂O的产生与排放^[10]。

3.硝化抑制剂及其应用

硝化抑制剂技术被认为是最有效的N₂O 减排技术之一。已报道的硝化抑制剂有双氰胺( DCD)、2-氯-6-( 三氯甲基) 吡啶( nitrapyrin )、3，4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)、脲(ASU)-胺-4-氯-6 甲基嘧啶(AM)、2-巯基苯并噻唑( MBT) 和乙炔等。

DMPP是由德国BASF公司开发的一种新型硝化抑制剂。研究表明,其施用量为0.5～1.5 kg hm^{- 2}时,就可使田间条件下的硝化抑制时间持续4～10周,当在土壤中均匀分布时。0.39μg DMPPg^{- 1}土就可以起到显著的硝化抑制效果^[11]。与DCD相比, DMPP在土壤中的降解速度慢,在一个作物生长季结束时, DCD即可完全矿化,而DMPP的残留量仍可达到最初施用量的16%^[12]。但Irigoyen等^[13]的研究表明,在10℃和20℃条件下,与DCD 相比, DMPP的硝化抑制强度及有效抑制时间等均没有表现出任何优势;且与其他硝化抑制剂一样,其抑制效果和有效抑制时间受很多因素的影响。

很多植物在生长过程中也可分泌或合成一些具有硝化抑制特性的化合物,这种物质称为生物硝化抑制剂。有研究表明，在连续10年种植湿生臂形草(Brachiaria humid icola)的土壤上,由于根系分泌的具有硝化抑制作用的化合物的累积效应, 对土壤硝化作用的总抑制率可达90%以上^[14],且牧草对具有硝化抑制作用的化合物的分泌受土壤NH₄ -N 的诱导,与供应NO₃^--N的处理相比,供应NH₄ -N的植株BNI-化合物的分泌量可提

高近3倍[15] 。目前，在农作物中只发现高粱具有很显著的BNI活性。

参考文献：

[1] Masood E. Obstacles to an agreement. Nature, 1997, 390: 220

[2] IPCC． Climate change 2007: the physical science basis［R］．Cambridge: Cambridge University Press，2007.

[3] Zhu Z l. Research progresses on the fate of soil N supply and applied fertilizer N in China[J]. Soils, 1985, 17(1): 2- 9.

[4] 黄国宏，陈冠雄，吴 杰，等 .东北典型旱作农田 N2O 和CH4排放通量研究[J] . 应用生态学报，1995，6(4)：383- 386 .

[5]IPCC． Climate change 2007: synthesis report［R］． Cambridge: ambridge University Press，2007.

[6] Pattey E，Edwards G C，Desjardins R L et al． Tools for quantifying N₂O emissions from agro-ecosystems［J］． Agric． for．Meteorol．，2007，142: 103－119.

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[8]于萍萍，张进忠，林存刚。农田土壤N₂O排放过程影响因素研究进展[J],环境与可持续发展，2006,5:20-22.

[9]徐华.土壤水分状况和质地对稻田N₂O排放的影响[J].土壤学报，2000,37（4）：499-505.

[10]孙谷畴，林永标，饶兴权，等.华南丘陵区冬闲稻田二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的排放特征[J].应用生态学报，2007,18（1）：57-62.

[11]Azam F, Benckiser G, Muller C, et al. Release, movement and recovery of 3, 4-dimethylpyrazole phosphate(DMPP) , ammonium, and nitrate from stabilized nitrogen fertilizer granules in a silty clay soil under laboratory conditions. Biology and Fertility of Soils, 2001, 34:118- 125

[12] Weiske A, Benckiser G, Ottow JCG. Effect of the new nitrification inhibitor DMPP in comparison to DCD on nitrous oxide (N₂O) emissions and methane (CH₄) oxidation during 3 years of repeated applications in field experiments. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2001,60: 57- 64

[13] Irigoyen I, Muro J, Azpilikueta M, et al. Ammonium oxidation kinetics in the presence of nitrification inhibitors DCD and DMPP at various temperature. Australian Journal of Soil Research, 2003, 41: 1177- 1183

[14]Subbarao GV, RondonM, Ito O, et al. Biological nitrification inhibition (BNI) - Is it a widespread phenomenon? Plant and Soil, 2007, 294: 5-18

[15]Subbarao GV, Wang HY, Ito O, et al. NH₄ triggers the synthesis and release of biological nitrification inhibition compounds in Brachiaria humidicola roots. Plant and Soil, 2007, 290: 245- 257

研究目标：

明确目前国际上主要的一种硝化抑制剂Nintrapyrin，在中国商品名为伴能，对控制硝化作用、减少温室气体N₂O排放的效果及作用机制，以及对土壤中铵氧化细菌和古菌数量和种群的影响。

研究内容：

以人工合成硝化抑制剂DCD为对照，通过分析N₂O排放量及土壤中铵态氮与硝态氮含量变化，以及分析土壤铵氧化细菌数量与对照土壤中细菌数量的差异，来验证硝化抑制剂的作用效果。

拟解决的关键问题就是进一步明确NP在江苏地区农田中施用的实际效果

研究方法：

1. 进行玉米盆栽试验，添加人工合成硝化抑制剂nitrapyrin（NP），DCD。

2. 进行室内土壤培养试验，加入人工合成硝化抑制剂DCD、nitrapyrin（NP）。

3. 利用静态箱气相色谱法分析所有处理的N₂O排放量。

4. 提取土壤的DNA，并利用real-time PCR分析氨氧化细菌数量。

技术路线：

见附件

硝化抑制剂技术被认为是最有效的N₂O减排措施之一。尽管有大量的化合物被认为是硝化抑制剂，但是这些化学合成抑制剂并没有在农业生产中被广泛采用，目前美国陶氏公司的Nitrapyrin已经引进中国生产，商品名为伴能。相关的应用效果需要进行验证。

利用硝化抑制剂来控制农田中的氧化亚氮排放，不仅可以减轻对环境的负面影响，而且能够提高氮素利用率，对于我国这个农业大国来说，大大节约了成本，减轻了农民负担，具有很大的实用价值和创新性。

查阅文献，了解相关知识，做理论上的准备。

2016.3-2016.4

进行室内土壤培养试验，以人工合成硝化抑制剂DCD、nitrapyrin（NP）施用到土壤中，在恒温培养下对土壤中铵硝含量、土壤pH的影响，同时利用静态箱气相色谱法测量不同处理之间N₂O排放量、另提取土壤的DNA，利用real-time PCR分析氨氧化细菌数量。

2016.4-2016.5

整理分析实验数据，撰写论文。