以温室效应带来的全球变暖为主要特征的气候变化是人类社会面临的重要问题^[1-2]。温室效应气体中二氧化碳（CO₂）的影响最大，对与其密切相关的土壤碳转化过程及影响因素的研究已成为人们关注的热点。土壤释放CO₂（通常称为土壤呼吸）是陆地生态系统碳循环的重要环节，是土壤碳素向大气输出的主要途径^[3-4]，也是影响大气CO₂浓度的关键生态过程。土壤排放到大气的CO₂高达68~100 Pg C·a^-1[5]，约占大气CO₂总量的10%^[6]，土壤CO₂通量的微小变化即可对全球气候变化和碳循环产生重大影响^[7]。

土壤CO₂的释放同时受生物及土地利用、土壤湿度、pH值、施肥等非生物因素的影响^[8-9]，其中氮肥施用是影响土壤CO₂释放的重要因素^[10]。石灰性土壤同时含有机碳及无机碳，关于氮肥对土壤有机碳释放的影响已有不少研究^[11-12]，但施用氮肥对石灰性土壤无机碳释放的影响尚不清楚。氮肥施入土壤后，会导致土壤碳氮循环的改变，如铵态氮在微生物的作用下会发生硝化反应，每生成1 mol的硝酸根同时释放出2 mol的H^+[13-14]，从而降低土壤pH。我国是世界氮肥生产和消费的第一大国，约占全世界氮肥总用量的30%^[15]。长期或大量施用氮肥，导致我国农田土壤酸化问题突出，其中以南方地区土壤表现更为严重^[16]，北方石灰性土壤pH的降低也较为明显^[17]。王媛华等^[18]研究发现，碱性土壤在不同氮肥处理下土壤pH值均有不同程度的降低。Schroder等^[19]研究表明，从1971年至2002年，由于氮肥的大量施用，北美中西部平原表层土壤（0~15 cm）pH显著降低。无机碳是石灰性土壤重要的碳库^[20-21]。有研究表明，土壤酸化已经改变了全球无机碳储量及组分^[22]。Wu等^[23]大尺度分析了我国土壤无机碳含量的变化，发现土壤酸化使我国土壤无机碳自20世纪80年代至今损失约1.6 Pg C。硝化抑制剂是减少氮素损失、提高氮肥利用率的措施之一^[24-25]；硝化抑制剂可延缓硝化作用的发生，但其对石灰性土壤释放CO₂有何影响，鲜见报道。

为此，本文以陕西关中地区的典型塿土作为研究对象，在田间情况下研究了氮肥及其与硝化抑制剂（DCD）配合施用对土壤CO₂释放的影响，旨在评价施用氮肥对石灰性土壤碳释放的作用。

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验于2015年10月在陕西杨凌西北农林科技大学农作一站试验地进行。该地位于陕西关中地区的渭河三级阶地，平均海拔523 m，年均气温13 ℃，年均降水量600~650 mm，主要集中在7、8、9月，年均蒸发量1400 mm，属于半湿润易旱区。土壤类型为褐土类，塿土亚类，红油土属，系统分类为土垫旱耕人为土，耕层土壤质地为粉砂粘壤土^[26]。土壤基本性质：有机质16.77 g·kg^-1、全氮0.99 g·kg^-1、速效磷8.46 mg·kg^-1、速效钾91.75 mg·kg^-1、硝态氮4.56 mg·kg^-1、铵态氮2.12 mg·kg^-1、pH 8.24、碳酸钙66.01 g·kg^-1。

田间试验设氮肥不同用量及其与硝化抑制剂（DCD）配比5个处理，即氮肥用量为0、160、220 kg·hm^-2，及施用160、220 kg·hm^-2氮肥基础上再加入硝化抑制剂，处理代号分别为N0、N160、N220、N160+DCD和N220+DCD。所用氮肥种类为尿素，DCD用量为施N量的10%^[27]。每个处理4个重复，随机排列，小区面积4 m×4 m，不同小区间隔0.50 m，周围设置保护行。在施肥后的第1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21、23、25、27、29、31、33、35、37 d采用碱液吸收法分别测定土壤释放CO₂通量，并在施肥后的第1、6、9、12、16、20、25、30、37 d采集0~20 cm土样，测定土壤pH和矿质态氮含量。试验期间气温及降雨量见图 1。

1.2 分析项目及计算方法

CO₂释放量采用碱液吸收法测定^[28]：在试验小区内选定直径为25 cm的圆形测定点，将一小三角架固定在圆心，其上放置事先已注入20 mL 1 mol·L^-1 NaOH溶液的广口瓶，迅速用PVC管（直径25 cm、高30 cm，一端密闭）扣在选定的样圆上，为隔绝外界空气避免大气CO₂的干扰，圆桶下缘压入土中2 cm，确保桶与外界无气体交换。24 h后取出碱液瓶，迅速加盖后带回实验室内分析，释放量用BaCl₂沉淀-盐酸-氢氧化钠滴定法测定，可得到该时间内的土壤呼吸速率。

碱液吸收法测定数据计算公式：

式中：V₁为土壤CO₂释放速率，g·m^-2·d^-1；V₀为滴定对照瓶中碱液至终点所需酸的体积，mL；V为滴定暴露于土壤空气的瓶中碱液至终点所需酸的体积，mL；C为盐酸标准溶液浓度，mol·L^-1；S为PVC管底面积，m²。

CO₂累积释放量计算公式^[29]：

式中：M为CO₂累积释放量，g·m^-2；F为释放通量（即释放速率），g·m^-2·d^-1；i为采样次数；t为播种后天数，d。

土壤矿质态氮的测定：称取新鲜土样5.00 g，用1 mol·L^-1 KCl浸提，振荡机180 r·min^-1振荡1 h后连续流动分析仪（AA3）测定。

土壤pH值测定：称取土样10.00 g，水土比2.5: 1，PHS-3C精密pH计测定。

1.3 数据处理方法

数据分析采用Microsoft Excel 2007，绘图采用Sigmaplot 12.0，方差分析采用SAS 8.0。

2 结果分析 2.1 土壤pH值

由图 2可知，试验期间各处理的土壤pH都比较高（pH＞8.0），与供试石灰性土壤本身的pH值较高有关。试验期间N0处理土壤pH无显著变化（P＞0.05）。与N0相比，N160和N220处理土壤pH平均降低了0.1个单位；到试验结束时，不施氮和只施氮肥处理土壤pH差异达显著水平（P＜0.05），但不同施肥量之间差异不显著（P＞0.05）。与只施氮肥处理相比，加入DCD后土壤pH降低的幅度较小，可能与DCD抑制了硝化作用进行而减少了质子释放有关。

2.2 土壤矿质态氮含量 2.2.1 土壤NH₄⁺-N

试验期间除N0处理土壤的NH₄⁺-N含量保持稳定外，其他各处理土壤NH₄⁺-N含量呈现先增加后降低的趋势（图 3）。在试验前16 d，N160和N220处理与N0处理NH₄⁺-N含量差异均达显著水平（P＜.05）；随着时间的推移，土壤NH₄⁺-N含量逐渐降低，培养结束时各处理间无显著差异（P＞0.05）。加入DCD处理的土壤NH₄⁺-N始终高于未加DCD处理。N160和N220处理的土壤NH₄⁺-N含量在试验第16 d与N0相比无差异，N160+DCD和N220+DCD处理的土壤NH₄⁺-N含量在试验第30 d与N0相比无显著性差异，说明加入DCD使得硝化过程推迟了20 d左右。

2.2.2 土壤NO₃^--N

N0处理土壤NO₃^--N含量在整个试验期间无明显变化，变化幅度为4.74~9.60 mg·kg^-1（图 4）。未加入DCD条件下土壤NO₃^--N含量随施氮量的增加而增加，试验第9 d与N0相比达显著差异水平，之后直至试验结束N160和N220处理土壤NO₃^--N含量均显著高于N0；加入DCD处理，土壤NO₃^--N在整个试验期间增加幅度不大，含量始终低于仅施氮肥处理。这与DCD与氮肥配合延迟了NH₄⁺-N的硝化作用有关。试验后期各处理NO₃^--N含量均有所降低，可能与试验期间降雨较多，表层土壤NO₃^--N发生淋溶有关。

2.3 土壤CO₂释放速率

从图 5可以看出，与N0相比，各施氮处理土壤CO₂释放速率均较高，且随着施氮量的增加而增加。各施肥处理CO₂释放速率在试验前5 d无显著差异，之后加入DCD处理的CO₂释放速率有所降低，与未加入DCD的对应相同施氮处理差异达显著水平（P＜.05）。

不同处理土壤CO₂释放速率表现出两个峰：前期先升高，到第5 d达到第一个峰值，CO₂释放速率最大值为5.81 mg·m^-2·d^-1，可能与尿素水解释放CO₂有关；到试验第15 d达到第二个峰值，CO₂释放速率最大值为5.33 mg·m^-2·d^-1；之后CO₂释放速率开始降低，至第19 d后趋于平稳。

2.4 土壤CO₂累积释放量

从图 6可以看出，与N0相比，单施氮肥处理不同程度地增加了试验期间土壤CO₂累积释放量，试验结束时土壤CO₂累积释放量最大值为167.1 g·m^-2，试验结束时N160和N220处理土壤CO₂累积释放量显著高于对照（P＜.05），分别比对照增加了20.9%和25.7%。与仅施氮肥处理相比，加入DCD显著降低了土壤CO₂累积释放量，N160+DCD和N220+DCD处理分别降低了13.5%和11.0%。

3 讨论 3.1 施用氮肥和DCD对土壤pH和矿质氮变化的影响

本研究发现，N160和N220处理土壤pH显著低于N0处理，施用氮肥基础上加入DCD后，土壤pH降低幅度小于未加入DCD的土壤（图 1），与他人的研究结果一致。如孙志梅等^[30]发现，施用氮肥土壤酸化作用明显，而将尿素与DCD配合施用明显减轻了土壤的酸化程度。石美等^[27]培养试验发现，在单独施用尿素21 d内，石灰性土壤pH由于硝化作用的进行而显著降低，pH降低幅度约0.6个单位；而尿素和DCD配合施用在25 d内土壤pH显著高于只施尿素处理，在培养的60 d内土壤pH降低的幅度始终低于单独施用尿素处理。可见施入DCD缓解了氮肥施用带来的土壤酸化现象。

本研究还发现，无论是否加入DCD，土壤NH₄⁺-N含量均在第6 d达到最大值，说明施入土壤的尿素在此时完全水解。未加入DCD处理的土壤，其NH₄⁺-N含量在第16 d达到痕量，而加入DCD处理的土壤，其NH₄⁺-N含量在第37 d达到痕量，说明加入DCD使氮素硝化过程延迟了20 d左右。刘瑜等^[31]研究表明，褐土施用DCD使尿素加入后的硝化过程时间延长30 d。石美等^[27]研究指出，DCD使供试的石灰性土壤硝化过程延滞了35~39 d。与这些研究结果相比，本研究加入DCD使硝化过程的延迟时间相对较短，可能与试验期间降雨较多有关，因为DCD不易被土壤吸附，随水流失，所以减弱了DCD发挥的抑制效果^[32]。

3.2 施用氮肥及DCD对石灰性土壤CO₂的影响及机理

本研究发现，随着施氮量的增加土壤碳释放量相应增加，试验结束时，N160和N220处理土壤CO₂释放量分别比N0处理高20.9%和25.7%。相关性分析表明，试验结束时土壤CO₂累积释放量与施肥量之间呈显著正相关（r=0.996），表明氮肥用量与土壤碳释放之间具有密切的关系。氮肥配施DCD后，土壤CO₂累积释放量显著降低（P＜.05），试验结束时N160+DCD和N220+DCD处理比对应相同施氮处理土壤的CO₂释放量分别降低了13.5%和11.0%，差异达显著水平（图 6）。

石灰性土壤同时存在有机碳及无机碳，土壤释放的碳除来自有机碳的分解外，也可能来自土壤无机碳的释放^[33-34]。前者是生物因素主导的过程，氮肥施入土壤后，为土壤微生物提供了必需的氮素，提高了微生物对土壤有机碳的分解^[35]；后者是非生物因素主导的过程，主要受土壤条件特别是土壤pH的影响，土壤pH降低，会促进石灰性土壤无机碳的释放。孟延等^[36]培养试验研究发现，施用氮肥显著降低土壤pH，增加了石灰性土壤CO₂的释放量，估算可知来源于无机碳的比例约54%。关于田间条件下施用氮肥对石灰性土壤无机碳可能释放的影响研究较少。如Heimann等^[37]新近研究表明，从1981年到2009年不到30年期间，由于大量施用化肥，北京地区一些土壤酸化现象明显，无机碳含量由3.6 g·kg^-1下降到0.96 g·kg^-1。因此，氮肥配施DCD后，土壤CO₂累积释放量显著降低可能与DCD对硝化过程抑制后降低了H⁺的释放，进而减少土壤无机碳的溶解与释放有关。这说明施用氮肥不仅影响土壤碳释放生物过程，同时影响土壤碳释放的非生物过程。

本研究同时发现，氮肥施用一周内，不论是否加入DCD，相同施氮处理土壤CO₂释放速率差异不大。这可能与此时土壤CO₂释放的来源主要为尿素水解有关。随着试验时间的延长，不同处理的土壤CO₂累积释放量的差异逐渐变大。这可能由于加入与未加入DCD处理土壤pH降低的幅度不同，所以造成土壤无机碳的释放不同。若要进一步准确区分土壤碳释放来源，需采用δ¹³C等更为准确的方法进行研究。

4 结论

（1）与未施氮肥对照（N0）相比，N160和N220处理显著降低了土壤pH；施用氮肥基础上加入DCD后土壤pH降低幅度小于未加入DCD土壤。加入DCD使氮肥硝化过程推迟了20 d左右。

（2）施用氮肥显著提高了石灰性土壤CO₂释放量，与不施肥相比增加了20.9%~25.7%；而氮肥与硝化抑制剂DCD配施，土壤CO₂释放量降低了11.0%~13.9%。这与DCD延缓了NH₄⁺-N的硝化作用，土壤pH降低的幅度较小有关，说明施用氮肥会同时影响石灰性土壤有机碳及无机碳的释放。