氮肥穩(wěn)定劑對滴灌棉田土壤有效氮供應(yīng)、棉花氮素吸收及利用的影響

胡 丹 康麗霞 李培楚 張淑英 劉 濤

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 石河子 832003）

作物產(chǎn)量的提高依賴于肥料的供應(yīng)，其中化學(xué)氮肥因增產(chǎn)效果明顯而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛施用。但過量的化學(xué)氮肥施入農(nóng)田后可通過氣態(tài)氮排放和硝酸鹽淋洗等途徑流失，這不僅會導(dǎo)致氮肥利用率降低，土壤質(zhì)地變差，作物產(chǎn)量和品質(zhì)下降，還會造成一定的環(huán)境污染［1-2］。尿素是我國廣泛使用的化學(xué)氮肥，其在石灰性土壤中具有較快的水解和硝化速率，若無法被作物及時吸收就會造成一定的氮損失［3］。為確保作物增產(chǎn)的同時維持氮肥的高利用和低損失，需要使土壤有效氮的供應(yīng)與作物對氮的吸收保持協(xié)同。

氮肥穩(wěn)定劑（nitrogen fertilizer stabilizers，NFSs）可調(diào)控氮在土壤中的轉(zhuǎn)化，使釋放的有效氮能適時被作物吸收，在提高作物產(chǎn)量和氮肥利用率的同時減少氮損失及其引起的環(huán)境問題［4-7］。常用的氮肥穩(wěn)定劑有脲酶抑制劑（urease inhibitor，UI）和硝化抑制劑（nitrification inhibitor，NI），UI通過抑制土壤脲酶活性來延緩尿素水解，NI則通過抑制氨單加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）的活性來抑制銨硝化，進而延緩硝化進程，維持土壤中有效氮的持續(xù)供應(yīng)［8-10］。以往研究表明，氮肥配施NI可在一定程度上降低棉田土壤NO-3-N 含量，減少氮淋失，提高棉花的氮素吸收量和產(chǎn)量［6，11-13］；氮肥配施UI既能延緩尿素水解也能間接抑制硝化，減少尿素水解和硝化過程的氮損失，提高棉花光合速率、氮素利用率和產(chǎn)量［14-17］。

棉花在新疆種植廣泛，據(jù)統(tǒng)計，2022年的種植面積為2 496.89千公頃，產(chǎn)量達539.06萬噸［18］。在所有增產(chǎn)措施中，施氮對新疆棉花增產(chǎn)的貢獻率可達31.89%［19］。滴灌施肥是干旱區(qū)常用的灌水施肥方式，化學(xué)氮肥通常作為追肥在作物生長季內(nèi)通過滴灌系統(tǒng)隨水滴施。與漫灌施肥相比，滴灌施肥能有效降低肥料氮的氣態(tài)排放和淋洗損失，提高作物產(chǎn)量和水分利用效率［20-21］。在新疆，滴灌施肥雖然在一定程度上提高了氮肥利用率，提升了棉花產(chǎn)量，但依然面臨著棉田土壤長期供氮能力下降、氮肥利用率無法進一步提高等問題。在滴灌施肥條件下，應(yīng)用NFSs能顯著降低農(nóng)田土壤氣態(tài)氮排放損失，但鮮見NFSs對作物生長發(fā)育、氮素吸收及利用等影響的相關(guān)報道［6，22-24］。鑒于此，本研究通過滴灌施肥的田間試驗，研究尿素與兩種氮肥穩(wěn)定劑（NI和UI）隨水滴施后對滴灌棉田土壤有效氮供應(yīng)、棉花干物質(zhì)積累、氮素吸收、產(chǎn)量及氮肥利用的影響，以期探明尿素配施氮肥穩(wěn)定劑對滴灌棉田的有益效果，并為應(yīng)用復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑實現(xiàn)干旱區(qū)滴灌農(nóng)田氮肥增效提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2017年在新疆石河子市石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗站（44°18′N，86°02′E）進行，試驗地土壤為灌耕灰漠土，土壤肥力均勻，質(zhì)地為中壤土，耕層土壤有機質(zhì)含量為15.92 g·kg-1，全氮含量為0.96 g·kg-1，銨態(tài)氮含量為10.30 mg·kg-1，硝態(tài)氮含量為18.76 mg·kg-1，有效磷含量為15.43 mg·kg-1，有效鉀含量為221.35 mg·kg-1，土壤容重1.35，pH值為7.85。

1.2 試驗設(shè)計

采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置不施氮肥（CK）、單施尿素（U）、尿素添加單一氮肥穩(wěn)定劑（UNI）和尿素添加復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑（UNIUI）共4個處理，每個處理重復(fù)3次。添加的單一氮肥穩(wěn)定劑為硝化抑制劑（NI），復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑為硝化抑制劑（NI）和脲酶抑制劑（UI），NI 選用2-氯-6-（三氯甲基）吡啶水溶性乳油（純度為24.0%），UI 選用正丁基硫代磷酰三胺水溶性粉末（純度為98.0%），均由浙江奧復(fù)托化工有限公司提供。供試氮肥為尿素（純度為98.0%，N含量為46.6%），磷、鉀肥選用滴灌專用磷酸二氫鉀（純度為98.0%，其中P2O5和K2O含量分別為51.5%和34.0%）。種植的棉花品種為新疆自育早熟品種新陸早45號（Gossypium hirsutum）。

試驗于4月20日覆膜播種，每小區(qū)3膜12行，每條膜下鋪設(shè)2 條滴灌帶，膜上行距（30+50+30） cm，膜間距50 cm，株距12 cm，每小區(qū)面積30.1 m2，種植密度為21 萬株·hm-2。生育期內(nèi)施用尿素折合純N 量為225 kg·hm-2，氮肥穩(wěn)定劑2-氯-6-（三氯甲基）吡啶和正丁基硫代磷酰三胺用量分別為純N用量的1%［22，24］，磷酸二氫鉀用量為180 kg·hm-2。在棉花生育期內(nèi)滴水9次，總量為460 mm。尿素、氮肥穩(wěn)定劑和磷酸二氫鉀均作為追肥在棉花現(xiàn)蕾期（6 月中旬）開始分8 次通過滴灌系統(tǒng)隨水滴施，單次灌水量為45～60 mm。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤取樣與測定 在棉株生長發(fā)育的主要時期，即盛蕾期（6 月15 日）、盛花期（7 月8 日）、盛鈴期（8 月13 日）和吐絮期（9 月19 日），每小區(qū)分別采集0～15 cm土層3點混合土樣用于土壤含水量、尿素態(tài)氮（urea-N）、銨態(tài)氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）含量的測定。其中，用烘干法測定土壤含水量，用KCl-PMA 溶液浸提--比色法測定土壤urea-N 含量［25］；土樣經(jīng)2 mol·L-1的KCl水溶液浸提過濾后用AA3-HR型全自動連續(xù)流動分析儀（SEAL 分析儀器有限公司，德國）測定土壤NH+4-N和NO-3-N含量。

1.3.2 植株取樣與測定 在土壤取樣同期，每小區(qū)隨機選取長勢均勻的3 株棉株，按照莖、葉、蕾花鈴分器官，105 ℃殺青后再以80 ℃烘干測定各器官干物質(zhì)重；烘干的植株樣粉碎過80 目篩經(jīng)濃H2SO4-H2O2消解后用Kjeltec 8400型全自動凱氏定氮儀（福斯分析儀器有限公司，丹麥）測定植株氮素含量。

1.3.3 產(chǎn)量測定 在吐絮期每小區(qū)采用實收計產(chǎn)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所測數(shù)據(jù)用Excel 2010 進行整理和計算，用SPSS 19.0 軟件進行統(tǒng)計分析，采用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）和Duncan 法進行方差分析和多重比較（P<0.05）。

氮的相關(guān)指標計算公式如下：

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥穩(wěn)定劑對滴灌棉田土壤有效氮含量的影響

在棉花各生育時期，棉田土壤尿素態(tài)氮（urea-N）、銨態(tài)氮（NH+4-N）和硝態(tài)氮（NO-3-N）含量如圖1 所示。單施尿素處理（U）和尿素添加氮肥穩(wěn)定劑處理（UNI和UNIUI）土壤urea-N 含量在各生育時期均高于不施尿素處理（CK），且在盛花期與CK 差異顯著，UNI 處理土壤urea-N 含量與U 處理無顯著差異，UNIUI 處理土壤urea-N 含量從盛花期開始高于U 和UNI 處理，且在盛花期與U處理差異顯著（圖1-A）。

不同生育時期U 處理土壤NH+4-N 含量與CK 處理無顯著差異，而UNI 和UNIUI 處理土壤NH+4-N 含量則整體始終高于CK 和U 處理，在吐絮期較U 處理分別高17.36%（P<0.05）和12.49%（P>0.05），但UNI和UNIUI處理間差異不顯著（圖1-B）。U處理土壤NO-3-N含量始終高于CK 處理且在盛花期和盛鈴期與CK 差異顯著，UNI和UNIUI處理土壤NO-3-N 含量則從盛花期開始始終顯著高于CK，在盛花期和盛鈴期低于U 處理，吐絮期則顯著高于U 處理且較U 處理提高了22.23%和24.84%（P<0.05，圖1-C）。

U處理土壤有效氮總含量（urea-N、NH+4-N 和NO-3-N總和）從盛花期開始高于CK 處理且在盛花期和盛鈴期差異顯著，UNI和UNIUI處理土壤有效氮總含量則從盛花期開始始終顯著高于CK，較U 處理有所提高且在吐絮期分別提高了15.76%和16.24%（P<0.05），但UNI和UNIUI處理間差異不顯著（圖1-D）。

上述結(jié)果表明，由于單一和復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑的添加，尿素的水解和硝化受到一定的抑制，使吐絮期棉田土壤保留了更多的有效態(tài)氮。

2.2 氮肥穩(wěn)定劑對棉株干物質(zhì)積累與分配的影響

2.2.1 氮肥穩(wěn)定劑對棉株干物質(zhì)積累的影響 由圖2可知，U、UNI 和UNIUI 處理各器官和地上部分干物質(zhì)質(zhì)量從盛花期開始顯著高于CK 處理，吐絮期地上部分干物質(zhì)質(zhì)量分別較CK 高35.07%、39.56% 和41.43%（P<0.05）。不同生育時期UNI 和UNIUI 處理棉株各器官干物質(zhì)質(zhì)量較U處理均有所提高，其中，葉片的干物質(zhì)質(zhì)量在盛鈴期顯著高于U 處理（P<0.05）；吐絮期，UNI 和UNIUI 處理棉株各器官干物質(zhì)質(zhì)量雖高于U 處理但不顯著（P>0.05）。不同生育時期UNIUI處理植株各器官干物質(zhì)質(zhì)量雖高于UNI 處理，但差異也不顯著（P>0.05）?？梢?，氮肥穩(wěn)定劑的添加在一定程度上促進了棉株各器官尤其是葉片的干物質(zhì)積累，但并未引起顯著改變。

圖2 不同生育時期棉花植株各器官干物質(zhì)質(zhì)量Fig.2 Dry matter weight in organs at different growing stages of cotton plants

2.2.2 氮肥穩(wěn)定劑對棉株干物質(zhì)分配的影響 由表1可知，U、UNI 和UNIUI 處理棉株干物質(zhì)在莖中的分配在盛蕾期和盛花期高于CK 處理，從盛鈴期開始低于CK；在葉中的分配從盛花期開始整體始終高于CK；在蕾花鈴中的分配在盛蕾期和盛鈴期高于CK，在盛花期則低于CK。UNI 和UNIUI 處理棉株干物質(zhì)在莖中的分配從盛鈴期開始較U 處理有所降低，在葉中的分配始終高于U 處理，在蕾花鈴中的分配則始終低于U 處理。可見，與單施尿素相比，單一和復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑的添加降低了干物質(zhì)在莖和蕾花鈴中的分配，提高了其在葉片中的分配，但差異未達顯著水平。

表1 不同生育時期棉株各器官干物質(zhì)分配率Table 1 Dry matter distribution rate in organs at different growing stages of cotton plants/%

2.3 氮肥穩(wěn)定劑對棉株氮素吸收與分配的影響

2.3.1 氮肥穩(wěn)定劑對棉株氮素吸收的影響 由圖3可知，U、UNI 和UNIUI 處理棉株各器官的吸氮量在進入盛花期后開始整體顯著高于CK處理，至吐絮期，地上部分總吸氮量較CK分別高48.45%、50.89%和52.98%（P<0.05）。UNI和UNIUI處理棉株各器官吸氮量在各時期較U處理均有所提高，其中，葉片吸氮量在盛鈴期提高顯著（P<0.05），吐絮期UNIUI 處理葉片吸氮量顯著高于U處理（P<0.05）。不同生育時期UNIUI處理植株各器官吸氮量雖高于UNI處理，但差異均不顯著（P>0.05）。可見，氮肥穩(wěn)定劑的添加促進了棉株各器官尤其是葉片對氮素的吸收，而對莖和蕾花鈴氮素吸收的影響較小。

圖3 不同生育時期棉株各器官吸氮量Fig.3 N uptake in organs at different growing stages of cotton plants

2.3.2 氮肥穩(wěn)定劑對棉株氮素分配的影響 由表2可知，不同生育時期U、UNI 和UNIUI 處理棉株氮素在莖中的分配總體高于CK 處理；在葉中的分配表現(xiàn)為盛蕾期低于CK，吐絮期顯著高于CK；在蕾花鈴中的分配表現(xiàn)為盛蕾期顯著高于CK，吐絮期則整體顯著低于CK。UNI和UNIUI處理棉株氮素在莖中的分配表現(xiàn)為盛蕾期至盛鈴期整體低于U 處理，吐絮期略高于U 處理；在葉中的分配表現(xiàn)為從盛花期至吐絮期始終高于U 處理；在蕾花鈴中的分配表現(xiàn)為從盛花期至吐絮期始終低于U處理。可見，與單施尿素相比，單一和復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑的添加提高了氮素在莖和葉中的分配，降低了其在蕾花鈴中的分配，但整體差異不顯著。

表2 不同生育時期棉株各器官氮素分配率Table 2 N distribution rate in organs at different growing stages of cotton plants/%

2.4 氮肥穩(wěn)定劑對棉花產(chǎn)量、氮肥利用率及相關(guān)參數(shù)的影響

由表3 可知，本試驗條件下，施用尿素和尿素添加氮肥穩(wěn)定劑促進了棉花產(chǎn)量的提高，與CK 相比，U、UNI和UNIUI處理的皮棉產(chǎn)量分別顯著提高了28.08%、33.70%和36.66%（P<0.05）。與U相比，UNI和UNIUI處理皮棉產(chǎn)量僅提高4.39%和6.70%（P>0.05），氮肥利用率卻顯著提高了6.54 和8.98 個百分點（P<0.05）。UNI 處理氮素農(nóng)學(xué)利用率較U 處理雖有提高但不顯著，而UNIUI 處理氮素農(nóng)學(xué)利用率較U 處理則有顯著提高。與CK 相比，U、UNI和UNIUI處理棉田氮素經(jīng)濟系數(shù)和氮素生產(chǎn)效率均有顯著降低；與U 相比，UNI 和UNIUI 處理棉田氮素經(jīng)濟系數(shù)有所降低，氮素生產(chǎn)效率有所增加，但均不顯著?？梢?，氮肥穩(wěn)定劑的添加雖較單施尿素對棉花的增產(chǎn)效果不顯著，對棉田氮素經(jīng)濟系數(shù)和氮素生產(chǎn)效率也未產(chǎn)生明顯的影響，但能顯著提升滴灌棉田的氮肥利用率。

表3 皮棉產(chǎn)量、氮肥利用率及相關(guān)參數(shù)Table 3 Lint yield，nitrogen use efficiency and related parameters

3 討論

以往研究表明，無論是硝化抑制劑（NI）單獨施用還是NI與脲酶抑制劑（UI）一起施用均可抑制黃沙土、水稻土、黑土、褐土等不同類型土壤的硝化，在不同程度上提高銨態(tài)氮含量，降低硝態(tài)氮含量［26-28］。本研究中，經(jīng)8次隨水滴施后，尿素添加復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑（UNIUI）處理土壤urea-N 含量較單施尿素處理（U）有所增加但不顯著，可能是由于棉株對有效氮的吸收間接減弱了復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑中的UI 對尿素水解的抑制，致使urea-N含量增加不顯著。前人研究發(fā)現(xiàn)，氮肥穩(wěn)定劑可使土壤NH+4-N含量增加16.2%～22.8%，土壤NO-3-N含量降低13.7%～35.0%［28-30］。本研究中，氮肥穩(wěn)定劑的添加在盛花期和盛鈴期顯著增加了土壤NH+4-N 含量，但復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑與單一氮肥穩(wěn)定劑處理間差異不顯著，說明復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑中的UI在田間條件下并未對尿素水解起到顯著的抑制作用，而NI對硝化過程有明顯的抑制。另外，最后一次施肥距棉花成熟期約15 d，氮肥穩(wěn)定劑的抑制作用減弱，盛花期和盛鈴期土壤累積的NH4+開始向NO-2、NO-3轉(zhuǎn)化，致使UNI 和UNIUI 處理的土壤NO3--N 含量高于U 處理，說明氮肥穩(wěn)定劑延緩了硝化進程，最終使土壤保存了更多的有效態(tài)氮。在滴灌施肥條件下，雖然UI 對尿素水解的抑制作用不顯著，但UI 和NI 復(fù)合添加較NI 單獨添加更能抑制土壤氮的轉(zhuǎn)化，減少氮素損失，進一步提高土壤的持續(xù)供氮能力［31］。

施用氮肥可促進棉花的干物質(zhì)積累、氮素吸收利用及產(chǎn)量提高［32-35］，本研究中，單施尿素處理的棉花植株地上部分干物質(zhì)總量較不施氮處理可提高35.07%，與張宏等［36］的研究結(jié)果基本一致。有研究發(fā)現(xiàn)，氮肥穩(wěn)定劑使禾本科作物（如水稻、玉米）各器官干物質(zhì)積累提高2.1%～8.6%，吸氮量提高2.7%～14.2%，且能提高干物質(zhì)和氮素在各器官的比重，其中莖稈干物質(zhì)積累和吸氮量增加明顯［30，37］。尿素配施氮肥穩(wěn)定劑也能進一步促進棉花干物質(zhì)的積累［12，38］，在本研究中主要表現(xiàn)為氮肥穩(wěn)定劑促進了葉片的干物質(zhì)積累，主要是由于氮肥穩(wěn)定劑能夠通過提高棉花葉片中的葉綠素含量進而促進光合作用，并促進棉花莖葉對氮素的吸收，為后期營養(yǎng)生長向生殖生長轉(zhuǎn)化提供更多的氮素營養(yǎng)［39］。前人研究表明，氮肥穩(wěn)定劑對作物增產(chǎn)和氮肥利用率的平均貢獻率分別為7.50%和12.90%［5］；對棉花而言，氮肥配施正丁基硫代磷酰三胺［N-（N-butyl）thiophosphoric triamide，NBPT］、雙氰胺（dicyandiamide，DCD）等氮肥穩(wěn)定劑可使棉花產(chǎn)量提高5.40%～14.00%［16，40］。本試驗中，NI 單獨添加與NI 和UI 復(fù)合添加僅使棉花產(chǎn)量提高4.39%和6.70%，而氮肥利用率卻顯著提高了6.54和8.98 個百分點，與前人研究結(jié)果相近［5，16，40］，說明氮肥穩(wěn)定劑主要通過調(diào)控土壤氮轉(zhuǎn)化來提高土壤有效氮的持續(xù)供應(yīng)，進而促進農(nóng)田氮肥的高效利用［5，30］。

綜上，氮肥穩(wěn)定劑與尿素隨水滴施后雖然能促進干旱區(qū)滴灌棉田棉花干物質(zhì)積累和氮素吸收，提高產(chǎn)量，但仍以增加土壤有效氮庫和提高氮肥利用率為主，并且復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑的效果優(yōu)于單一氮肥穩(wěn)定劑。本研究雖然探明了氮肥穩(wěn)定劑提升滴灌棉田氮肥利用的機理，但仍需深入研究揭示氮肥穩(wěn)定劑影響滴灌棉田吸收和轉(zhuǎn)運無機氮的相關(guān)機制。

4 結(jié)論

尿素添加單一和復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑隨水滴施可有效抑制尿素的水解和硝化，顯著增加滴灌棉田土壤有效氮庫，促進棉株的干物質(zhì)積累和氮素吸收，改變干物質(zhì)和氮素在各器官中的分配；添加氮肥穩(wěn)定劑較單施尿素未能顯著提高棉花產(chǎn)量，但能顯著提升棉田氮肥利用率。綜合比較，復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑的有益效果要優(yōu)于單一氮肥穩(wěn)定劑。因此，氮肥添加具有水解和硝化抑制作用的復(fù)合氮肥穩(wěn)定劑隨水滴施是滴灌農(nóng)田氮肥增效的有效途徑。