雙季稻田添加脲酶抑制劑NBPT氮肥的最高減量潛力研究

張文學(xué)， 孫 剛， 何 萍， 梁國(guó)慶， 余喜初， 劉光榮， 周 衛(wèi)*

(1 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2 江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西南昌 330200； 3 江西省紅壤研究所， 江西南昌 331717)

經(jīng)過(guò)大量的田間試驗(yàn)驗(yàn)證[4]，包括在熱帶的淹水稻田[6,11]，NBPT可以有效地提高作物產(chǎn)量[12-14]以及氮肥利用率[13,15]，但關(guān)于脲酶抑制劑對(duì)我國(guó)稻田氮素轉(zhuǎn)化影響的研究較少，本文研究尿素添加脲酶抑制劑(NBPT)對(duì)我國(guó)雙季稻田的無(wú)機(jī)氮含量、 酶活性、 微生物量碳、 氮含量以及氮素回收率等的影響，確定早稻與晚稻添加脲酶抑制劑時(shí)的適宜施氮量，為稻田減少氮素?fù)p失、 提高氮肥利用率提供科學(xué)依據(jù)，為稻田施肥提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻供試品種: 早稻為德農(nóng)88，晚稻為汕優(yōu)456； 脲酶抑制劑為NBPT； 供試肥料品種: 氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為鈣鎂磷肥(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。

在水稻分蘗期、 孕穗期分別采集各小區(qū)耕層土壤樣品，測(cè)定脲酶與硝酸還原酶活性、 銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量、 微生物量碳、 氮含量； 用于測(cè)定酶活性、 無(wú)機(jī)氮的土樣若不能立即測(cè)定需保存于-20℃，用于測(cè)定微生物量碳、 氮含量的土樣則保存于4℃； 成熟期測(cè)定各小區(qū)產(chǎn)量以及植株氮含量。

1.3 測(cè)定方法與計(jì)算

1.3.2 土壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的測(cè)定 土壤中的銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量用1 mol/L的KCl溶液浸提，采用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer (West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 儀器測(cè)定。

1.3.3 微生物量碳、 氮含量測(cè)定與計(jì)算 土壤微生物量碳、 氮含量的測(cè)定采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[18-21], 其含量計(jì)算如下:

BC=EC/KC

BN=EN/KN

其中，BC、 BN分別為土壤微生物量碳、 氮含量； EC、 EN分別為熏蒸和未熏蒸樣品中有機(jī)碳、 全氮含量之差； KC、 KN為回收系數(shù)，KC=0.45[19-20]， KN=0.54[21]。

1.3.4 植株氮素含量的測(cè)定 取植株粉碎樣，用濃H2SO4-H2O2消化，用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer (West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 儀器測(cè)定。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007、 SAS 9.1軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響

由圖1可知，各處理對(duì)水稻產(chǎn)量的影響顯著(P<0.05)。對(duì)于早、 晚稻，處理U3+UI的產(chǎn)量最高，且與處理U5的差異顯著，說(shuō)明與傳統(tǒng)施氮(單施尿素N 180 kg/hm2)相比，施用尿素添加脲酶抑制劑NBPT時(shí)，施氮量為N 135 kg/hm2可顯著提高水稻產(chǎn)量，早、 晚稻分別提高8.54%和12.87%； 此處理不僅增產(chǎn)顯著，而且減少氮肥(N)用量45 kg/hm2，即節(jié)約氮肥25%。在晚稻產(chǎn)量中，處理U3+UI、 U4+UI顯著高于處理U5+UI的，在田間觀察到U5+UI處理的植株貪青晚熟，可能是其產(chǎn)量下降的主要原因。

圖1 不同處理水稻產(chǎn)量 Fig.1 Yield of rice under different treatments

2.2 不同處理對(duì)水稻氮素回收率的影響

圖2 水稻地上部的氮素回收率 Fig.2 Recovery of applied N in above-ground parts of rice

2.3 不同處理對(duì)土壤脲酶與硝酸還原酶活性的影響

在孕穗期，添加NBPT的處理與傳統(tǒng)施氮處理間無(wú)顯著差異，可能由于時(shí)間的推移，NBPT逐漸降解，失去了對(duì)脲酶的抑制作用，尿素也被完全分解，脲酶活性基本恢復(fù)等原因?qū)е隆?/p>

圖3 水稻分蘗期和孕穗期土壤脲酶與硝酸還原酶活性 Fig.3 Activities of urease and nitrate reductase in soil at tillering and booting stages of rice

2.4 不同處理對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

圖4結(jié)果表明，稻田土壤中的銨態(tài)氮含量明顯高于硝態(tài)氮含量。在水稻分蘗期，處理U5的銨態(tài)氮含量顯著高于其余處理的，早、 晚稻分別高達(dá)79.65 mg/kg和99.55 mg/kg； 與U5處理相比，施氮量相同的U5+UI處理在早、 晚稻分別降低銨態(tài)氮含量12.04%和10.41%。在孕穗期，土壤銨態(tài)氮含量急劇下降，且處理間差異顯著(P<0.05)，可能由于此時(shí)水稻對(duì)氮肥的大量吸收所致[22]； 添加NBPT處理的銨態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而呈遞增趨勢(shì)，處理U5+UI的最高； 與處理U5相比，處理U5+UI的銨態(tài)氮含量在早、 晚稻分別高出21.11%和32.25%。以上結(jié)果說(shuō)明，添加NBPT顯著減少了分蘗期土壤的銨態(tài)氮含量，而顯著增加了孕穗期的銨態(tài)氮含量。

與土壤的銨態(tài)氮含量相比，硝態(tài)氮含量極低，不足銨態(tài)氮含量的2%，且處理間的差異始終不顯著(P>0.05)，反映了稻田長(zhǎng)期淹水，土壤持續(xù)厭氧環(huán)境下硝化作用極其微弱，而且不同的施氮量以及添加NBPT對(duì)硝態(tài)氮含量均無(wú)明顯影響。

2.5 不同處理對(duì)微生物量碳、 氮含量的影響

圖5顯示，水稻分蘗期與孕穗期的土壤微生物量碳含量、 微生物量氮含量、 微生物量碳/氮比值在各時(shí)期內(nèi)處理間的差異不顯著(P>0.05)，說(shuō)明不同施肥處理對(duì)微生物量碳、 氮含量沒(méi)有顯著影響，添加脲酶抑制劑對(duì)土壤生物特性沒(méi)有明顯影響。對(duì)同一時(shí)期的微生物量碳、 氮含量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，二者存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)。分別對(duì)以上三項(xiàng)指標(biāo)在早、 晚稻兩個(gè)時(shí)期的變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明，微生物量碳、 氮含量在晚稻兩個(gè)時(shí)期之間的差異顯著(P<0.05)，而在早稻的差異不顯著(P>0.05)，這說(shuō)明晚稻的季節(jié)變化對(duì)微生物量碳、 氮含量的影響較施肥處理的影響更大。

圖4 水稻分蘗期與孕穗期土壤銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量 Fig.4 Contents of and in soil at tillering and booting stages of rice

2.6 土壤生物特性與水稻產(chǎn)量的相關(guān)性

將水稻兩個(gè)生育期的土壤脲酶活性、 硝酸還原酶活性、 銨態(tài)氮含量、 硝態(tài)氮含量、 微生物量碳含量、 微生物量氮含量、 微生物量碳/氮比值7項(xiàng)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量的影響進(jìn)行逐步回歸分析(n=21)。結(jié)果表明，只有銨態(tài)氮含量進(jìn)入回歸方程，說(shuō)明土壤銨態(tài)氮含量對(duì)產(chǎn)量的影響顯著，而其余6項(xiàng)指標(biāo)對(duì)產(chǎn)量的影響不顯著。 回歸方程的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。由表1可知，對(duì)于早、 晚稻，兩個(gè)時(shí)期的銨態(tài)氮含量對(duì)產(chǎn)量的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.01)，而且，孕穗期的影響大于分蘗期的，說(shuō)明氮肥對(duì)于水稻產(chǎn)量的提高作用顯著，尤其是孕穗期的氮肥更為重要。

3 討論與結(jié)論

土壤酶活性受到諸多因素的影響[23-24]，如脲酶活性與基質(zhì)濃度、 溫度、 pH、 有機(jī)質(zhì)含量、 微生物生物量、 總氮量等因素呈正相關(guān)關(guān)系[25-31]，短期內(nèi)可被脲酶抑制劑抑制(脲酶抑制劑有一定的時(shí)效性，如NBPT施入土壤后2周左右可降解為N、 P、 S等元素[9])。本研究發(fā)現(xiàn)，在早稻與晚稻的分蘗期，施用氮肥顯著提高了土壤脲酶活性，而添加NBPT后脲酶活性并沒(méi)有隨著施氮量的增加而增加，且添加NBPT下各處理的脲酶活性均顯著低于傳統(tǒng)施氮處理的，說(shuō)明基質(zhì)的增加會(huì)提高脲酶活性，而NBPT則對(duì)脲酶活性有較強(qiáng)的抑制作用； 到孕穗期，可能由于脲酶抑制劑NBPT逐漸降解失去抑制效應(yīng)，尿素完全水解，脲酶活性趨于平穩(wěn)，施用氮肥的各處理間無(wú)顯著差異。對(duì)于硝酸還原酶活性，在早稻與晚稻的兩個(gè)時(shí)期，活性始終維持在極低水平，可能由于稻田長(zhǎng)期淹水的特殊環(huán)境導(dǎo)致； 不同處理間沒(méi)有顯著差異，表明氮肥以及脲酶抑制劑對(duì)硝酸還原酶活性沒(méi)有明顯的影響，這與李東坡等人的報(bào)道[9,32]一致。

表1 水稻產(chǎn)量與兩個(gè)生育期影響因子的逐步回歸分析(n=21)

相同施氮量下，添加NBPT的處理(U5+UI)在分蘗期土壤銨態(tài)氮含量顯著低于傳統(tǒng)施氮處理(U5)的，而孕穗期截然相反，進(jìn)一步說(shuō)明添加脲酶抑制劑可有效減緩生育前期尿素的水解，減少土壤中的銨態(tài)氮含量，在后期隨著脲酶抑制劑的降解，尿素完全水解，因而可為需肥高峰期的水稻提供更加充分的銨態(tài)氮。水稻孕穗期耕層土壤中的銨態(tài)氮含量顯著低于分蘗期，也是因?yàn)樵谠兴肫谒靖谍嫶?，?duì)養(yǎng)分的吸收強(qiáng)度和數(shù)量急劇增加[22]，導(dǎo)致土壤中的銨態(tài)氮含量驟降。土壤中硝態(tài)氮含量始終較低，不足銨態(tài)氮含量的2%，且不受施氮量的影響，這與Wang[33]等人報(bào)道一致； 另外，硝態(tài)氮含量沒(méi)有明顯的變化，可能與稻田長(zhǎng)期淹水以及水稻為喜銨作物有關(guān)。

本研究結(jié)果中，在水稻分蘗期和孕穗期的處理間微生物量碳、 氮含量均無(wú)顯著差異，證明了添加NBPT對(duì)微生物無(wú)明顯副作用[9,34]。同一時(shí)期內(nèi)微生物量碳、 氮含量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，這與Mandal等[35]的報(bào)道一致。土壤微生物量碳、 氮含量以及土壤酶活性受到多種因素的影響[29]，在作物生長(zhǎng)期，微生物生物量會(huì)因?yàn)樽魑锏纳L(zhǎng)、 氣候變化而發(fā)生短暫的季節(jié)性波動(dòng)[36]，本研究中，晚稻的兩個(gè)生育期之間微生物量碳、 氮含量存在顯著差異，孕穗期土壤微生物量碳、 氮含量顯著高于分蘗期，顯示了季節(jié)變化的影響[24,37]，早稻則無(wú)此差異，這可能由于晚稻生長(zhǎng)期間，溫度較高，水稻生長(zhǎng)旺盛，根系分泌物較多，土壤微生物活性較高等諸多因素導(dǎo)致。

通過(guò)對(duì)稻田土壤的七項(xiàng)指標(biāo)在分蘗期和孕穗期與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行逐步回歸分析發(fā)現(xiàn)，只有土壤銨態(tài)氮含量對(duì)產(chǎn)量的影響顯著，且孕穗期的影響大于分蘗期的，因此，通過(guò)添加脲酶抑制劑，有效地實(shí)現(xiàn)了尿素水解后移，增加了孕穗期土壤銨態(tài)氮的供應(yīng)，可能是其節(jié)約氮肥與增產(chǎn)顯著的主要原因。本研究中，對(duì)不同處理的水稻產(chǎn)量和氮素回收率分析結(jié)果也證明了添加脲酶抑制劑的有效性。在同樣產(chǎn)量目標(biāo)下，添加1%的脲酶抑制劑可以節(jié)省25%的尿素，今后可繼續(xù)深入研究添加脲酶抑制劑的節(jié)肥潛力。

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