硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)養(yǎng)殖肥液滴灌土壤氮淋失及油菜品質(zhì)的影響

賴睿特，楊涵博，張克強(qiáng)，沈豐菊，高文萱，趙 迪，梁軍鋒，王 風(fēng)

（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津300191）

傳統(tǒng)施肥模式下組合施用硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭可以起到減少土壤硝態(tài)氮淋失、提高氮素利用率的作用。硝化抑制劑其作用是抑制土壤銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，進(jìn)而減少氮淋溶和氣態(tài)損失[1]，對(duì)已有數(shù)百種硝化抑制劑研究發(fā)現(xiàn)[2-3]，只要抑制硝化過(guò)程中亞硝化反應(yīng)或硝化反應(yīng)，整個(gè)硝化過(guò)程就能被抑制[4]，如雙氰胺就是通過(guò)抑制亞硝化細(xì)菌的活性[5]而阻止第一步氧化[6]。脲酶抑制劑主要有無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類[7]，應(yīng)用較廣的氫醌通過(guò)抑制脲酶活性從而抑制尿素由氨基甲酸水解成。生物質(zhì)炭是生物殘?bào)w在缺氧情況下，經(jīng)高溫裂解產(chǎn)生的固體產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、多孔、比表面積大，表面負(fù)電荷數(shù)量大、密度高，吸附陽(yáng)離子能力強(qiáng)[9-10]。有機(jī)硅表面活性劑主要包括農(nóng)用配方助劑和噴霧助劑，其成分主要是乙氧基改性三硅氧烷化合物，可有效降低水的表面張力，具有極強(qiáng)的展布性[11]，擴(kuò)大水分下滲半徑且有機(jī)硅材料屬于生理惰性物質(zhì)毒性小、對(duì)環(huán)境安全、成本較低、減少用水量，符合長(zhǎng)期環(huán)保要求。張忠亮等研究了6 種有機(jī)硅表面活性劑對(duì)氟磺胺草醚的增效作用，測(cè)定了藥液與有機(jī)硅助劑混勻后的擴(kuò)展直徑，比清水的擴(kuò)展直徑增大了45%～74%[12]。硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭提高化肥氮利用率的研究較多，施用7～10 kg·hm-2雙氰胺土壤淋失降低10%～26%[13]，氮素利用率提高25%[14]，應(yīng)用脲酶抑制劑氮素利用率也能提高5.65%～19.4%[15-16]。而硝化/脲酶抑制劑組合施用亦能有效延緩尿素水解、抑制硝化作用、減少N 素徑流或滲漏損失[17]，硝化/脲酶抑制劑使化肥氮表觀損失降低27.65%[18]，氮素利用率提高14.94%[19]。生物質(zhì)炭的添加可以延緩淋溶速度[20]，從而提高氮肥利用率[21]。賴睿特等研究發(fā)現(xiàn)硝化/脲酶抑制劑及生物質(zhì)炭組合施用更有利于防控養(yǎng)殖肥液灌溉過(guò)程土壤氮素的損失[22]，硝化抑制劑組合生物質(zhì)炭小白菜鮮重和株高分別增加22.10%和84.00%[23]。

大量研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)化肥施用下組合施用硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭可以抑制銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化、減少土壤氮素淋失，從而提高氮素利用率和作物產(chǎn)量。目前，以養(yǎng)殖肥液為主體的新型肥料得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其在農(nóng)田灌溉過(guò)程中會(huì)因?yàn)楦邼舛鹊乃傩У囟D(zhuǎn)化為硝態(tài)氮通過(guò)淋溶損失。本研究擬通過(guò)油菜盆栽滴灌模擬試驗(yàn)，研究硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭的組合施加對(duì)養(yǎng)殖肥液應(yīng)用后土壤不同形態(tài)氮素淋失及油菜產(chǎn)量的影響，以揭示有效控制養(yǎng)殖肥液氮素?fù)p失的組合配施技術(shù)，為高效利用養(yǎng)殖肥液養(yǎng)分，減少氮素淋溶損失，提高作物利用效率提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試養(yǎng)殖肥液于2019年7月取自天津益利來(lái)養(yǎng)殖有限公司長(zhǎng)期運(yùn)行的塞流式厭氧反應(yīng)器，肥液總氮濃度495.24 mg·L-1，濃度384.37 mg·L-1，濃度2.11 mg·L-1，pH值為8.30。供試土壤采自天津市西青區(qū)設(shè)施蔬菜大棚0～20 cm表層土壤，土壤類型為壤土質(zhì)褐土，pH值8.61，含量8.61 mg·kg-1，含量3.85 mg·kg-1，總氮含量0.71 g·kg-1，土壤有機(jī)質(zhì)24.13 g·kg-1。土樣經(jīng)風(fēng)干、過(guò)2 mm篩、混勻后備用。

1.2 試驗(yàn)裝置

淋溶模擬裝置為PVC材質(zhì)，內(nèi)徑19 cm，高30 cm。柱體內(nèi)部下端鋪有100 目的尼龍網(wǎng)，起到初步過(guò)濾作用，柱體底部的出水管內(nèi)裝滿脫水棉花，深度過(guò)濾水樣。將土柱固定在穩(wěn)定的鋼架上，所有土柱保持與地面垂直，柱體出水口處接有容器收集土壤淋溶液，收集容器與淋溶柱口緊密相連以隔絕空氣。土壤填裝高度設(shè)計(jì)為20 cm，柱體上部空間用于滴灌。滴灌帶平鋪在柱口，滴孔間距25 cm，使用功率為2 W 的潛水泵將養(yǎng)殖肥液均勻地輸入到滴灌帶中，保證滴孔滴灌高度、滴灌速率、水滴落點(diǎn)和滴灌量均勻一致。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6 組處理：?jiǎn)问B(yǎng)殖肥液（CK），養(yǎng)殖肥液+表面活性劑+2%生物質(zhì)炭（YB），養(yǎng)殖肥液+10%雙氰胺+1%氫醌（DH），養(yǎng)殖肥液+10%雙氰胺+1%氫醌+表面活性劑（DHY），養(yǎng)殖肥液+10%雙氰胺+1%氫醌+2%生物質(zhì)炭（DHB），養(yǎng)殖肥液+10%雙氰胺+1%氫醌+2%生物質(zhì)炭+表面活性劑（DHBY）。其中，雙氰胺和氫醌以養(yǎng)殖肥液施入銨態(tài)氮量作為基數(shù)。生物質(zhì)炭是由玉米秸稈制備并研磨過(guò)2 mm 篩后備用，生物質(zhì)炭施加量以土壤干質(zhì)量為基數(shù)。表面活性劑1∶750優(yōu)化稀釋倍數(shù)應(yīng)用。每個(gè)處理重復(fù)3次。

施氮總量設(shè)置為300 kg·hm-2，全部以養(yǎng)殖肥液滴灌追肥的方式投入，折算成等施氮量的養(yǎng)殖肥液共2800 mL，分7 次滴灌，每次滴灌400 mL，滴速為每秒2 滴，滴灌時(shí)長(zhǎng)約為67 min。選用當(dāng)?shù)刂髟缘陌撞诵陀筒似贩N傲綠101（Brassia CampestrisL.），于2019年6月27日播種，每盆10粒，定苗一周后開(kāi)始滴灌養(yǎng)殖肥液，滴灌間隔為2 d，滴灌試驗(yàn)周期21 d，栽培周期為47 d，8月12日收獲，收獲后每個(gè)處理采集3株油菜進(jìn)行品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。土壤淋溶液樣品在滴灌當(dāng)日采集，土壤樣品在培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行采集。

1.4 測(cè)定方法

1.5 數(shù)據(jù)分析

式中：V1為滴定樣品所用染料毫升數(shù)；V2為滴定空白所用染料毫升數(shù)；C為樣品提取液的總毫升數(shù)；D為樣品測(cè)定時(shí)所用濾液毫升數(shù)；T為1 mL染料所能氧化抗壞血酸的毫克數(shù)；W為樣品質(zhì)量。

式中：x為從回歸方程求得糖的量；V1為吸取樣品液的體積；V2為提取液量；t為稀釋倍數(shù)；W為樣品質(zhì)量。

式中：x為由回歸方程計(jì)算出的硝態(tài)氮濃度，μg·mL-1；V1為樣品定容體積；W為樣品質(zhì)量；V2為測(cè)定取用的樣品提取液體積。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 硝化/脲酶抑制劑、生物質(zhì)炭和表面活性劑聯(lián)合施用土壤淋溶液濃度Figure 1 The concentration of in soil leaching solution applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤淋溶液濃度

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用土壤淋溶液濃度如圖1所示。7次滴灌過(guò)程中CK處理淋溶液濃度均最低，而聯(lián)用硝化/脲酶抑制劑處理（DH、DHY、DHB、DHBY）淋溶液濃度比CK 增加31.27%～42.53%，與CK 相比均達(dá)到顯著水平；淋溶液濃度呈現(xiàn)DHBY＞DHB＞DHY＞DH的趨勢(shì)，但處理間差異不顯著；YB 處理淋溶液濃度平均比CK增加19.37%，處理間差異不顯著。

2.2 土壤淋溶液濃度

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用土壤淋溶液濃度如圖2 所示。7 次滴灌過(guò)程中CK 處理土壤淋溶液濃度均最高，其他處理濃度呈現(xiàn)YB＞DH＞DHY＞DHBY＞DHB 趨勢(shì)，與CK 相比分別降低8.33%、16.58%、16.88%、27.07%和27.62%。CK 和YB 處理隨滴灌次數(shù)增加土壤淋溶液濃度逐漸增加。聯(lián)用硝化/脲酶抑制劑處理（DHBY、DHB、DH 和DHY）在灌溉第4 次后有濃度開(kāi)始增加。

2.3 土壤淋溶液TN濃度

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用土壤淋溶液TN 濃度如圖3 所示。土壤淋溶液TN濃度的變化趨勢(shì)與土壤淋溶液趨勢(shì)基本一致。7 次滴灌過(guò)程中CK 處理土壤淋溶液TN 濃度均最高，其他處理TN 濃度呈現(xiàn)YB＞DH＞DHY＞DHBY＞DHB 的趨勢(shì)，與CK 相比分別降低6.41%、15.51%、15.81%、25.91%和26.42%。CK 和YB 處理隨滴灌次數(shù)增加土壤淋溶液TN 濃度逐漸增加。聯(lián)用硝化/脲酶抑制劑處理（DHBY、DHB、DH 和DHY）在灌溉第四次后有濃度開(kāi)始增加。

2.4 淋溶液累計(jì)量與收獲后土壤含量

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用土壤淋溶液累計(jì)量如圖4 所示。土壤淋溶液累計(jì)量總體呈現(xiàn)CK＞YB、DH＞DHY、DHB、DHBY 的趨勢(shì)，聯(lián)用硝化/脲酶抑制劑處理（DH、DHB、DHY 和DHBY）與CK相比差異顯著。油菜收獲后土壤含量如圖5 所示。土壤含量呈現(xiàn)DHBY＞DH＞DHY＞DHB＞CK＞YB 的趨勢(shì)，且硝化/脲酶抑制劑處理（DH、DHB、DHY和DHBY）間差異不顯著。

2.5 土壤氮素淋失量

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)土壤氮素淋失量見(jiàn)表1。土壤和TN 淋失量總體呈現(xiàn)CK＞YB＞DH、DHY＞DHBY、DHB 的趨勢(shì)，處理間差異達(dá)到顯著水平。各處理中占TN 淋失量的76.78%～82.33%。土壤淋失量總體呈現(xiàn)DHBY、DHY、DH、DHB＞YB、CK 的趨勢(shì)，各處理間差異不顯著，淋溶液中銨態(tài)氮占總氮比率極低。

2.6 油菜生長(zhǎng)和品質(zhì)指標(biāo)

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響見(jiàn)表2。油菜的鮮質(zhì)量、葉寬均在DHB 處理達(dá)到最大，分別比CK 增加142.67%和98.65%，均達(dá)到顯著水平；油菜的株高、葉片數(shù)均在DHBY 處理達(dá)到最大，分別比CK 增加131.69%和48.45%。其他處理鮮質(zhì)量比CK 處理增加13.34%～56.01%，株 高 增 加27.28%～113.33%，葉 寬 增 加9.12%～79.39%。

硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)油菜品質(zhì)的影響見(jiàn)表3，不同處理間油菜維生素C和可溶性糖含量差異不顯著；油菜硝酸鹽含量呈現(xiàn)CK＞YB、DHY＞DH、DHBY、DHB 的趨勢(shì)，CK 與聯(lián)用硝化/脲酶抑制劑處理間差異顯著。

圖2 硝化/脲酶抑制劑、生物質(zhì)炭和表面活性劑聯(lián)合施用土壤淋溶液濃度Figure 2 The concentration of n soil leaching solution applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant

圖3 硝化/脲酶抑制劑、生物質(zhì)炭和表面活性劑聯(lián)合施用土壤淋溶液TN含量Figure 3 The concentration of TN in soil leaching solution applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant

3 討論

3.1 硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)土壤氮素淋失的影響

與CK 處理相比，硝化/脲酶抑制劑、表面活性劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)養(yǎng)殖肥液滴灌后土壤轉(zhuǎn)化均起到了抑制作用，施加硝化/脲酶抑制劑的處理（DH、DHB、DHY 和DHBY）間差異均不顯著，但YB的抑制效果較差，原因是表面活性劑和生物質(zhì)炭都無(wú)法將養(yǎng)殖肥液中的氮素以的形式長(zhǎng)時(shí)間存在于土壤中。生物質(zhì)炭是通過(guò)物理吸附養(yǎng)殖肥液中的，減少參與硝化反應(yīng)的底物來(lái)間接減緩硝化反應(yīng)的速率，張斌等證實(shí)生物質(zhì)炭的添加使土壤溶液中無(wú)機(jī)氮減少抑制了硝化過(guò)程進(jìn)行[25]。表面活性劑可以擴(kuò)大養(yǎng)殖肥液滴灌后的滲透半徑，有利于作物更好地吸收利用，但不能減緩的轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)炭對(duì)減緩養(yǎng)殖肥液滴灌后土壤的轉(zhuǎn)化效果優(yōu)于表面活性劑。DHBY 和DH 分別比YB 處理顯著增加，表明硝化/脲酶抑制劑組合施用抑制轉(zhuǎn)化效果更好。相比傳統(tǒng)化學(xué)氮肥，養(yǎng)殖肥液中氮素主要形態(tài)是，部分有機(jī)態(tài)氮和少量Wu 等實(shí)驗(yàn)證明豬場(chǎng)肥水中TN 的含量是903.4 mg·L-1，肥水中占TN 的72.2%[26]；楊涵博等試驗(yàn)證明豬場(chǎng)肥水中占TN 的67.11%[27]；賴睿特等試驗(yàn)證明養(yǎng)殖肥液中占TN 的72.89%[22]。試驗(yàn)養(yǎng)殖肥液TN 含量為495.2 mg·L-1濃度384.4 mg·L-1，占TN 的77.61%。養(yǎng)殖肥液滴灌到土壤后氮素的主要存在形態(tài)仍為，硝化/脲酶抑制劑組合相較于表面活性劑和生物質(zhì)炭組合作用更加明顯。李思平等[23]也證實(shí)硝化/脲酶抑制劑與生物質(zhì)炭組合添加相比單一添加生物質(zhì)炭的抑制效果更優(yōu)。

圖4 土壤淋溶液累計(jì)量Figure 4 Accumulation of soil leaching

表1 土壤氮素淋失量（kg·hm-2）Table 1 Soil nitrogen loss applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant（kg·hm-2）

圖5 收獲后土壤含量Figure 5 content in soil after harvest

表2 硝化/脲酶抑制劑、生物質(zhì)炭和表面活性劑聯(lián)合施用對(duì)油菜生長(zhǎng)的影響Table 2 Effects of nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant on the growth of rapeseed

研究表明，作物鮮質(zhì)量越大對(duì)水分的吸收利用率越高[33]，導(dǎo)致各處理下累計(jì)土壤淋溶液體積差異顯著。與CK 相比，硝化/脲酶抑制劑、生物質(zhì)炭和表面活性劑聯(lián)合施用增加土壤含量。硝化/脲酶抑制劑的抑制效果取決于抑制劑的有效抑制時(shí)間，DCD的抑制效果為14 d[23]；HQ 的抑制效果在7 d 內(nèi)有抑制效果，14 d后基本失效[34]。

表3 硝化/脲酶抑制劑、生物質(zhì)炭和表面活性劑聯(lián)合施用對(duì)油菜品質(zhì)的影響Table 3 Effects of nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant on the quality of rapeseed

3.2 表面活性劑對(duì)土壤氮素淋失

3.3 硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合施用對(duì)油菜生長(zhǎng)和品質(zhì)的影響

油菜的鮮質(zhì)量、葉寬均在DHB 處理下最大，較CK 分別提高1.43倍和0.99倍；油菜的株高、葉片數(shù)均在DHBY 處理下最大，較CK 分別提高1.32 倍和0.48倍。原因是在硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭的聯(lián)合作用下，養(yǎng)殖肥液滴灌到土壤后氮素的主要存在形態(tài)仍為且保持一段時(shí)間供作物吸收利用，速效氮素供應(yīng)充足有利于作物生長(zhǎng)。

油菜中維生素C 含量和可溶性糖含量在6 組處理間差異均不顯著。作物中硝酸鹽含量是衡量蔬菜品質(zhì)優(yōu)劣的一個(gè)重要指標(biāo)。施加硝化/脲酶抑制劑處理的油菜硝酸鹽含量最少。研究表明作物積累硝酸鹽的根本在于其吸收量超過(guò)還原同化的量[35]。硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭的組合施用抑制的轉(zhuǎn)化，養(yǎng)殖肥液滴灌到土壤后氮素的主要存在形態(tài)仍為且保持一段時(shí)間供作物吸收利用；未施加硝化/脲酶制劑處理會(huì)快速地進(jìn)行硝化反應(yīng)，待硝化反應(yīng)底物耗盡，作物只能吸收利用硝化產(chǎn)物，導(dǎo)致作物中硝酸鹽積累。有研究表明應(yīng)用硝化抑制劑使生菜硝酸鹽含量降低24%[36]，小青菜硝酸鹽降低7.90%[37]，油菜降低30.51%[38]。所有處理均未超過(guò)《農(nóng)產(chǎn)品安全質(zhì)量 無(wú)公害蔬菜安全要求》（GB 18406.1—2001）規(guī)定的限值，油菜硝酸鹽含量較低可能與養(yǎng)殖肥液輸入的氮素形態(tài)以銨態(tài)氮為主有關(guān)。

4 結(jié)論

（2）硝化/脲酶抑制劑和生物質(zhì)炭聯(lián)合養(yǎng)殖肥液滴灌施用后，油菜鮮質(zhì)量和株高分別提高1.42 倍和1.29 倍，同時(shí)油菜硝酸鹽含量降低32.25%，在葉菜類蔬菜硝酸鹽含量限值標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。