抑制劑對稻茬小麥產(chǎn)量及氮素利用效率的影響

王 靜,萬水霞,李 帆,吳萍萍,王允青,鮑先巡,程益涵

(1.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料研究所/養(yǎng)分循環(huán)與資源環(huán)境安徽省重點實驗室,安徽合肥 230031;2.安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院產(chǎn)業(yè)處, 安徽合肥 230031)

小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物之一,也是中國重要的商品糧和戰(zhàn)略儲備糧,在保障國家糧食安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。我國小麥每年播種面積約為2 338×104hm2,占全國糧食作物播種面積的20%左右[1]。施用化學(xué)肥料,特別是氮肥,是保證小麥高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。我國氮肥利用率較低,小麥平均只有28%左右,遠(yuǎn)低于57%的世界平均水平[2]。大量未被作物吸收利用的氮素通過氨揮發(fā)、硝化-反硝化、徑流和淋溶等途徑損失[3-4],不僅造成了肥料資源的浪費,還加劇了水體、土壤和大氣等生態(tài)環(huán)境污染問題,帶來一系列的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會的負(fù)面效應(yīng)[5-6]。因此,如何有效提高小麥氮肥利用率、保證作物高產(chǎn)并降低環(huán)境風(fēng)險,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展亟需解決的問題。

向化學(xué)氮肥中添加氮素抑制劑以調(diào)控氮在土壤中的循環(huán)過程,是一項能夠有效減少氮素?fù)p失、提高氮肥利用率和促進(jìn)作物生長的重要措施[7]。脲酶抑制劑主要通過與尿素競爭脲酶活性部位抑制土壤中脲酶活性,減緩或延遲酰胺態(tài)N的水解,降低土壤中NH4+-N的生成[8-9]。硝化抑制劑則主要是通過對氨氧化細(xì)菌氨單加氧酶(AMO)的活性進(jìn)行競爭性抑制,暫時阻止NH3氧化為羥胺(NH2OH),延長NH4+-N在土壤中的滯留時間,促進(jìn)作物對NH4+-N的吸收利用和微生物氮的固持,同時減緩了硝化作用的進(jìn)程,并降低了該過程中氮氧化物等的氣態(tài)損失,減少了硝酸鹽(NO3--N)的淋溶[10-11]。研究表明,脲酶抑制劑和硝化抑制劑的對土壤氮素的調(diào)控效果取決于其自身的理化性質(zhì)、生物活性以及降解特性,且受試驗條件如土壤類型、溫度、降雨量、土壤質(zhì)地、田間管理措施等各種因素的影響[12-14]。因而,不同種類的抑制劑或者同一抑制劑在不同環(huán)境下施用對土壤氮素轉(zhuǎn)化的調(diào)控效果大不相同[15-16]。沿淮地區(qū)地處我國南北氣候過渡地帶,生態(tài)特征復(fù)雜,稻麥輪作是該地區(qū)重要的農(nóng)業(yè)種植模式,目前關(guān)于脲酶/硝化抑制劑在小麥上的應(yīng)用效果還未見報道,其對小麥產(chǎn)量、氮素吸收利用及土壤氮素的影響尚不清楚。為此,本研究以沿淮稻茬麥區(qū)農(nóng)田為研究對象,以淮麥38為供試品種,研究了脲酶抑制劑NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)、硝化抑制劑DMPP(3、4-二甲基吡唑磷酸鹽)及其兩者組合對稻茬小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因子、氮素利用效率和土壤氮素的影響,為優(yōu)化沿淮地區(qū)氮素養(yǎng)分管理提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在安徽省蚌埠市懷遠(yuǎn)縣河溜鎮(zhèn)(117°04′12′′E,32°58′58″N)進(jìn)行。該區(qū)域位于黃淮海平原南緣,淮河中游,屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫15.3 ℃,年均無霜期218 d,年均降雨量874.6 mm,年內(nèi)降水分布不均勻,多集中在夏季(6-8月),年均日照時數(shù)2 206 h。本試驗為定位試驗,種植制度為水稻-小麥輪作,一年兩熟,開始于2018年6月水稻季,土壤類型為潛育型水稻土砂姜黑土田,試驗開始前0～20 cm耕層土壤基本理化性質(zhì)為:pH 6.46,有機(jī)質(zhì)11.7 g·kg-1,全氮0.84 g·kg-1,堿解氮55.3 mg·kg-1,Olsen-P 12.4 mg·kg-1,速效鉀77.1 mg·kg-1,CEC 241.49 mmol·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)5個處理:不施氮肥(CK),普通尿素(U),尿素+脲酶抑制劑NBPT(UN),尿素+硝化抑制劑DMPP(UN),尿素+脲酶抑制劑NBPT+硝化抑制劑DMPP(UND)。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,每個處理3次重復(fù),共計15個小區(qū),小區(qū)面積為26 m2(6.5 m×4 m),各小區(qū)間距50 cm。小麥肥料用量為N 210 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2,氮肥為含N 46%的普通尿素,磷肥為含P2O512%的過磷酸鈣,鉀肥為含K2O 60%的氯化鉀。氮肥分2次施用,基肥∶拔節(jié)肥=7∶3,磷、鉀肥全部作為基肥一次性施入,肥料均采用人工撒施。脲酶抑制劑NBPT和硝化抑制劑DMPP均按尿素純氮量的1%進(jìn)行添加,與尿素混勻后施用。供試小麥品種為淮麥38,于2019年11月2日采取人工條播方式精量播種,行距20 cm,播種量180 kg·hm-2,基本苗368×104株·hm-2,2020年5月31日收獲。其它栽培管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶常規(guī)管理一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 籽粒產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素測定

小麥成熟期,每小區(qū)選取3個1 m 長樣方,取其地上部分,測穗數(shù);隨機(jī)取20株進(jìn)行考種,調(diào)查穗粒數(shù),測定千粒重及其水分,按13%水分計算千粒重含量。按小區(qū)實收,風(fēng)干后計產(chǎn)。

1.3.2 植株氮含量測定

將上述20株考種后的小麥植株105 ℃殺青30 min后,65 ℃烘干至恒重;用H2SO4-H2O2消煮后,用凱氏定氮法測定小麥籽粒和秸稈的氮含量[17],氮含量均以干重為基數(shù)表示。

1.3.3 土壤理化性狀的測定

試驗開始前和小麥?zhǔn)斋@后采集各小區(qū) 0～20 cm 土層土樣,用于測定硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和微生物氮。土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮、Olsen-P、速效鉀和CEC采用常規(guī)方法測定[17];用紫外分光光度法測土壤硝態(tài)氮含量[18],靛酚藍(lán)比色法測土壤銨態(tài)氮含量[18],土壤無機(jī)氮為硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的總和;土壤微生物氮(SMBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提法測定[19]。

1.3.4 相關(guān)指標(biāo)計算方法

氮肥吸收利用率(NRE) =(施氮區(qū)地上部氮積累量-不施氮區(qū)地上部氮積累量) /施氮量×100%;

氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NAE)= (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量;

植株氮素吸收效率(NUP)=施氮區(qū)地上部吸氮量/施氮量×100%;

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP)=施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量;

氮素收獲指數(shù)(NHI)=籽粒氮素累積量/植株氮素累積量×100%;

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Excel 2016整理,用SPSS 19.0進(jìn)行方差分析,并用最小顯著差異法LSD進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 生化抑制劑對小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響

2.1.1 對小麥產(chǎn)量及生物量的影響

與CK比較,施氮處理顯著提高了小麥籽粒、秸稈和地上部生物量(P<0.05),增幅分別為33.9%～48.2%、29.5%～44.4%和31.4%～46.1%(表1)。相比于U處理,UD和UND處理小麥籽粒增產(chǎn)8.9%和10.7%,秸稈量增加7.8%和11.6%,地上部生物量增加8.3%和11.2%,且差異均達(dá)到顯著水平(P<0.05)。UN處理的小麥籽粒、秸稈和地上部生物量較U處理差異均不顯著。由此可見,在沿淮稻茬麥區(qū),尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT可顯著提高小麥的產(chǎn)量及生物量,與配施NBPT增產(chǎn)效果不明顯。

表1 不同處理小麥籽粒、秸稈和地上部生物量Table 1 Grain, straw and above ground biomass of wheat under different treatments

2.1.2 對小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子的影響

由表2可看出,施氮處理的有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均顯著高于CK(P<0.05),增幅分別為12.1% ～ 17.6%、12.0% ～ 21.3%和4.3% ～ 6.9%。UD和UND處理的有效穗數(shù)較U處理分別增加3.3%和4.9%,穗粒數(shù)分別增加7.5%和8.3%,差異均顯著;3者間千粒重差異不顯著;UN處理的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重較U處理均無顯著差異。因此,在沿淮稻茬麥區(qū),尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT是提高小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù)的有效措施。

表2 不同處理的小麥產(chǎn)量構(gòu)成因子Table 2 Yield components of wheat under different treatments

2.1.3 對小麥經(jīng)濟(jì)效益的影響

由表3可看出,相比于U處理,UD和UND處理的小麥經(jīng)濟(jì)效益顯著提高,分別提高了9.9%和11.7%;UN處理的小麥經(jīng)濟(jì)效益較U處理增加3.4%,但二者差異未達(dá)顯著水平。由此可見,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT雖然增加了肥料成本,但可以顯著提高小麥經(jīng)濟(jì)效益,推薦應(yīng)用。

表3 不同處理的小麥經(jīng)濟(jì)效益Table 3 Economic benefit of wheat under different treatments Yuan·hm-2

2.2 生化抑制劑對小麥氮素吸收利用率的影響

2.2.1 對小麥氮素積累量的影響

由圖1可看出,不同處理的小麥籽粒、秸稈和地上部氮積累量均存在明顯差異。施氮處理的籽粒、秸稈和地上部氮積累量均顯著高于CK,這說明施氮能夠促進(jìn)小麥對氮素的吸收。U處理的籽粒、秸稈和植株氮積累量分別為120.3 kg·hm-2、39.1 kg·hm-2和159.4 kg·hm-2。與U處理相比,UN、UD和UND處理的籽粒氮積累量分別增加了1.6%、8.9%和14.9%,秸稈氮積累量分別增加了4.7%、13.4%和19.2%,植株氮積累量分別增加了2.4%、10.0%和16.0%,其中UD、UND處理與U處理之間各指標(biāo)的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05),而UN與U處理的差異不顯著。由此可見,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT可顯著提高小麥氮素積累量。

圖柱上不同小寫字母表示處理間差異在5%水平顯著。下同。>Different small letters above the bars mean significant differences among treatments at 5% level. The same in figures 2 and 3.圖1 不同處理的小麥籽粒、秸稈和植株氮積累量Fig.1 N accumulation in grain and straw under different treatments

2.2.1 對小麥氮素利用率的影響

由表4可看出,與U處理相比,UN、UD和UND處理氮肥農(nóng)學(xué)利用率(NFAE)分別提高12.7%、35.3%和42.4%,氮肥表觀利用率(ANE)分別提高1.8、7.6和12.1個百分點,氮素吸收效率(NUP)分別提高1.8、7.6和12.1個百分點,氮肥偏生產(chǎn)力(NPFP)分別提高3.2%、8.9%和10.7%,其中UD、UND處理與U處理間各指標(biāo)的差異均達(dá)顯著水平(P<0.05),而UN與U(氮肥農(nóng)學(xué)利用率除外)、UND與UD處理間的差異均不顯著。這表明,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT有利于提高氮素利用效率。

表4 不同處理的小麥氮素利用效率Table 4 Nitrogen use efficiency of wheat under different treatments

施氮降低了小麥的氮素收獲指數(shù),降低幅度為1.6 ～2.3個百分點;尿素單獨施用與其配施DMPP、NBPT處理間小麥氮素收獲指數(shù)無顯著差異。

2.3 生化抑制劑對土壤氮素的影響

2.3.1 對土壤微生物量氮的影響

從圖2可看出,小麥成熟期,施氮處理的0～20 cm土層土壤微生物量氮(SMBN)含量均顯著高于不施氮處理(P<0.05),增加幅度為20.1%～65.2%。U處理0 ～ 20 cm土層的SMBN含量為23.6 mg·kg-1,相比于U處理,UD和UND處理的SMBN含量分別增加25.2%和37.6%,差異達(dá)到顯著水平(P<0.05);UN處理對成熟期SMBN含量無顯著影響。這說明在沿淮稻茬麥區(qū),UD和UND處理有利于土壤氮生物生長。

圖2 小麥?zhǔn)斋@后不同處理土壤微生物量氮含量Fig.2 Soil microbial biomass nitrogen after wheat harvest under different treatments

2.3.2 對土壤無機(jī)氮的影響

由圖3可看出,所有施氮處理的0 ～ 20 cm土層土壤無機(jī)氮含量均顯著高于CK,增加幅度為53.0% ～ 81.5%。U處理的土壤無機(jī)氮含量為9.2 mg·kg-1,與U處理相比,UD和UND處理的土壤無機(jī)氮含量分別降低了13.2%和15.7%,差異均顯著(P<0.05);UN較U處理土壤無機(jī)氮的含量無顯著差異。由此可見,尿素配施DMPP或者配施NBPT+DMPP可以顯著降低小麥?zhǔn)斋@后0～20 cm土層土壤無機(jī)態(tài)氮含量,降低無機(jī)氮淋溶損失的風(fēng)險。

圖3 小麥?zhǔn)斋@后不同處理土壤無機(jī)氮含量Fig.3 Soil inorganic nitrogen after wheat harvest under different treatments

3 討論

3.1 生化抑制劑對小麥產(chǎn)量的影響

大多數(shù)研究結(jié)果表明,脲酶抑制劑/硝化抑制劑在一定程度上能夠促進(jìn)作物對氮素的吸收利用,有利于提升作物的產(chǎn)量[15,20-23]。也有研究表明,氮素抑制劑對小麥產(chǎn)量無顯著影響[24-25],如華建峰等[24]研究發(fā)現(xiàn),緩釋尿素分別配施1%的脲酶抑制劑LNS、硝化抑制劑DCD和DMP均對春小麥的產(chǎn)量無顯著影響。本研究結(jié)果表明,在沿淮稻茬麥區(qū),尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT可顯著提高小麥產(chǎn)量,分別增產(chǎn)8.9%和10.7%,經(jīng)濟(jì)效益也分別提高9.9%和11.7%。氮素抑制劑對小麥產(chǎn)量的效應(yīng)存在差異,其原因可能與作物類型、土壤類型及氣候特點等因素有關(guān)。在不同環(huán)境條件下,其調(diào)控土壤氮素供應(yīng)量和供應(yīng)形態(tài)與小麥對氮素養(yǎng)分的需求耦合有關(guān)[15,20]。本研究還發(fā)現(xiàn),穗數(shù)和穗粒數(shù)的提高是尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT增產(chǎn)的關(guān)鍵因素,這可能因為尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT能夠保證氮素的均衡足量供應(yīng),促進(jìn)小麥分蘗和加快幼穗分化,從而增加了小麥有效穗數(shù)和穗粒數(shù),實現(xiàn)了小麥產(chǎn)量的提高[26],而單獨施用NBPT,盡管對小麥產(chǎn)量的提升有正向促進(jìn)作用,但其效果并不顯著。

3.2 生化抑制劑對氮素利用率的影響

尿素施入土壤1 ～ 2 d內(nèi),酰胺態(tài)氮在土壤脲酶的催化作用下,經(jīng)由氨基甲酸迅速水解成NH4+-N[27],NH4+-N在土壤微生物的作用下被氧化為NO2--N,隨后進(jìn)一步形成NO3--N[7],NH4+-N和NO3--N均是可以被作物直接吸收利用的速效養(yǎng)分。然而,由于尿素水解速度非?？?短期內(nèi)產(chǎn)生了大量的NH4+-N,來不及被作物吸收利用,造成大量NH4+-N在土壤中的過量累積,極易引起NH3揮發(fā)及反硝化損失,而NO3--N則容易發(fā)生淋溶,造成氮素?fù)p失并增加環(huán)境風(fēng)險[28-29]。脲酶抑制劑和硝化抑制劑分別通過抑制土壤脲酶活性和氨氧化微生物的活性來延緩相應(yīng)的氮素轉(zhuǎn)化過程,調(diào)控土壤供氮強(qiáng)度,進(jìn)而減少氮素?fù)p失,提高氮肥利用率[23,30-31]。如,劉紅江等[23]在江蘇省淮安市的研究發(fā)現(xiàn),在不同施氮量下,尿素配施DMPP處理較單施尿素處理,可使冬小麥NUE提高4.9～20.1個百分點,但隨著施氮量的增加,其提升作用逐漸降低;王桂良等[31]報道也表明,尿素配施脲酶抑制劑使小麥氮肥當(dāng)季利用率提高1.0%～16.5%。添加氮素抑制劑是提高氮肥利用率并減少氮素?fù)p失的有效手段之一[15,32],然而,其對氮素的抑制效果除取決于該抑制劑本身的理化特性、生物活性及降解特性外,還受試驗條件如土壤類型、溫度、降雨量、土壤質(zhì)地、田間管理措施等各種因素的影響[12-14]。本研究結(jié)果表明,在沿淮稻茬麥區(qū),尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT顯著提高了小麥氮素利用效率,而單獨施用NBPT的效果不理想。其主要原因可能與NBPT和DMPP的抑制作用持續(xù)時間長短有關(guān)。一般情況下,脲酶抑制劑NBPT施入土壤2周左右即可降解為N、P、S等元素[33],有效作用時間短,而小麥則是跨年度、跨冷暖季生長周期較長的作物,使NBPT對氮素的抑制效果受到限制。硝化抑制劑DMPP在土壤中的降解速度則比較慢,且不易與NH4+-N發(fā)生分離現(xiàn)象和淋溶34],使得DMPP發(fā)揮作用時間比較長,抑制效應(yīng)時間可持續(xù)4～10周[35],甚至達(dá)125 d[36],抑制效果比較穩(wěn)定。另外,研究表明,在尿素態(tài)氮水解轉(zhuǎn)化過程中,脲酶抑制劑和硝化抑制劑調(diào)控機(jī)理并不完全相同,二者只能對某一特定過程進(jìn)行抑制,其單獨施用不能對整個過程進(jìn)行有效控制,協(xié)同施用可以更有效地影響土壤N素的轉(zhuǎn)化過程[37-38]。本研究進(jìn)一步證實,DMPP和NBPT配施對N素轉(zhuǎn)化有協(xié)同抑制效果。

3.3 生化抑制劑對土壤氮素的影響

土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)是土壤有機(jī)氮的重要組成部分,其含量是土壤微生物對氮素礦化與固持作用的綜合反映,是作物能夠吸收利用氮素的有效來源,對施肥措施的響應(yīng)具有較強(qiáng)的敏感性[39]。無機(jī)氮(NH4+-N +NO3--N)是土壤氮素中最活躍的組分,一方面,它是作物能夠直接吸收利用的速效氮素營養(yǎng),反應(yīng)了一個生態(tài)系統(tǒng)的供氮能力,另一方面,因其具有較強(qiáng)的遷移性,易隨水分運移發(fā)生徑流或淋溶損失,對受納水體產(chǎn)生一定的環(huán)境風(fēng)險。本研究結(jié)果表明,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT顯著提高了小麥成熟期0～20 cm土層SMBN的積累,降低了無機(jī)氮殘留量,有利于降低氮素?fù)p失風(fēng)險。土壤微生物含量的提升意味著土壤N庫庫容的增大和持續(xù)供N能力的提高[20,40]。可能有以下幾個方面的原因,一方面,脲酶/硝化抑制劑的存在使得土壤硝化能力被限制或減弱,更多的N以NH4+-N的形態(tài)存在,而相比于NO3--N,NH4+-N更利于被微生物固持利用[20];另一方面,DMPP和NBPT在土壤中降解可增加土壤異養(yǎng)微生物所需的碳源[40],尿素配施DMPP或者協(xié)同配施DMPP+NBPT能夠促進(jìn)小麥地上部分和根系的生長,增加了凋落物和根系殘茬的還田量,有利于根系分泌物的釋放,從而為微生物的繁殖生長創(chuàng)造了適宜的生存環(huán)境。而尿素僅配施NBPT時,對此無顯著影響,可能與NBPT有效作用時間持續(xù)較短有關(guān)。

4 結(jié)論

在沿淮稻茬麥區(qū),尿素添加施用量1%的硝化抑制劑(DMPP)或者配施DMPP+脲酶抑制劑(NBPT)可顯著提高小麥產(chǎn)量、植株吸氮量和氮素利用效率,穗數(shù)和穗粒數(shù)的同步提高是小麥增產(chǎn)的主要原因。尿素配施DMPP或者DMPP+NBPT降低了小麥?zhǔn)斋@后耕層土壤無機(jī)氮的殘留量,顯著提高了微生物量氮的含量,從而有利于減少氮素淋失風(fēng)險。尿素單獨配施NBPT對小麥產(chǎn)量及構(gòu)成因子、氮素利用率和土壤氮素?zé)o顯著影響。因此,在本區(qū)域?qū)嶋H生產(chǎn)中,建議尿素配施DMPP或者DMPP+NBPT,可以實現(xiàn)小麥豐產(chǎn)增效生產(chǎn)。