脲酶抑制劑不同用量對土壤氮素供應(yīng)的影響

張文學(xué)，王 萍，孫 剛*，王少先，劉增兵，羅曉燕，李祖章，劉光榮

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部雙季稻營養(yǎng)與農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測實驗站/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200；2.江西省科學(xué)技術(shù)信息研究所，江西 南昌 330046)

氮素對提高作物產(chǎn)量起著關(guān)鍵的作用，尿素是運用最廣泛的氮肥，然而尿素最大的缺點就是氨揮發(fā)損失，氨揮發(fā)不僅造成經(jīng)濟損失，還會導(dǎo)致空氣酸化、地下水富營養(yǎng)化等環(huán)境問題[1]。有研究表明，稻田氮素損失可達30%～70%[2]，主要損失途徑是氨揮發(fā)，脲酶抑制劑對抑制氨揮發(fā)、提高氮素利用率有顯著效果[3-4]。

尿素施入土壤后，由專一性酶——脲酶催化水解釋放出氨，以供作物吸收利用，水解過程一般在2～10 d完成，由于短期內(nèi)釋放出大量的氨，遠遠超過作物吸收量，因此導(dǎo)致大量的氨揮發(fā)損失。而脲酶抑制劑可以結(jié)合于脲酶的活性部位，從而改變其分子結(jié)構(gòu)，大大減緩脲酶對尿素水解的催化作用，進而降低稻田的氨濃度以及隨后的氮素損失率[1]。在眾多脲酶抑制劑中，N-丁基硫代磷酰三胺[N-(n-butyl)thiophosphoric triamide(NBPT)]被證明是一種對人類和環(huán)境均無安全風(fēng)險的競爭性抑制劑[1]，諸多研究表明，NBPT不僅可以顯著降低氮素損失、還可以提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)[4-9]。

NBPT的用量一般在400～1 000 mg/kg的范圍內(nèi)，需要根據(jù)具體的作物需求以及土壤生態(tài)環(huán)境而定[1]。NBPT對提高氮素利用率效果顯著，但對于我國南方紅壤雙季稻區(qū)的施用量尚無確切的報道，本文通過研究尿素添加NBPT對土壤無機氮、與氮轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性、氮素回收率等影響，確定該區(qū)域適宜的NBPT施用量，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)的理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2012年4月至10月在江西省進賢縣紅壤所試驗站(E 116°20′24″,N 28°15′30″)實施，土壤為河流沖積物發(fā)育而成。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤氣候，海拔高度26 m，平均氣溫17.8℃，無霜期長達240～307 d，年降水量1 400～1 662 mm，降水季節(jié)分配不均，全年降水50%以上集中在4～6月。播種前土壤有機質(zhì)含量38.80 g/kg，全氮含量2.53 g/kg,銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量分別為42.46 mg/kg和1.04 mg/kg，有效磷16.78 mg/kg，速效鉀120.1 mg/kg，pH值5.50。

1.2 試驗材料

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N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)；供試肥料：氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為鈣鎂磷肥(P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(K2O 60%)。

1.3 試驗設(shè)計

早稻與晚稻試驗均設(shè)7個處理：(1)CK；(2)U；(3)U+UI1；(4)U+UI2；(5)U+UI3；(6)U+UI4；(7)U+UI5。CK，不施氮肥；U，尿素；UI，脲酶抑制劑；尿素的施氮量為N 135 kg/hm2，脲酶抑制劑UI1～UI5的施用量占尿素用量的比例依次為0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%，在施入前將尿素與脲酶抑制劑混合均勻。試驗設(shè)3次重復(fù)，各小區(qū)隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積30 m2(5 m×6 m)，各小區(qū)以50 cm的分隔行隔開，小區(qū)間的田埂高40 cm，并用塑料薄膜包裹以達到各小區(qū)單灌單排的管理目的。試驗中磷(P2O5)、鉀(K2O)的用量分別為75和150 kg/hm2。氮肥和磷肥全部用作基肥于移栽前一次性施入；鉀肥分3次施入，40%作基肥，30%作分蘗肥，30%作孕穗肥。早稻于2012年3月16日播種，4月23日移栽，7月20日收獲，晚稻于6月17日播種，7月25日移栽，10月20日收獲。田間的施肥措施以及各項管理同當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣。

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

1.4 測定方法與計算

1.4.1 土壤中脲酶與硝酸還原酶活性的測定

1.4.2 土壤中銨態(tài)氮與硝態(tài)氮含量的測定

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，采用全自動間斷化學(xué)分析儀(Smartchem discrete auto analyzer)Smartchem 200儀器測定。

1.4.3 微生物量碳、氮含量測定與計算

土壤微生物量碳、氮含量的測定采用氯仿熏蒸-K2SO4浸提法[11,13-15],其含量計算如下：

土壤微生物量碳(氮)：BC=EC/KC,BN=EN/KN；

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碳、全氮含量之差；KC、KN為回收系數(shù)，KC=0.45[13-14],KN=0.54[15]。

1.4.4 植株氮素含量的測定

取植株粉碎樣，用濃H2SO4-H2O2消化，用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer(USA)儀器測定。

1.4.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SAS 9.1軟件進行統(tǒng)計分析，運用Excel 2007軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水稻產(chǎn)量的影響

對早、晚稻籽粒產(chǎn)量的測定結(jié)果見圖1，由圖可知，與處理CK相比，施入氮肥的處理可以顯著增加早、晚稻籽粒產(chǎn)量；且隨著添加脲酶抑制劑NBPT比例的增加，水稻產(chǎn)量呈增加趨勢。處理U+UI3、U+UI4和U+UI5較處理U增產(chǎn)顯著，早稻分別增產(chǎn)16.2%、16.9%和18.2%，晚稻分別增產(chǎn)21.0%、22.0%和22.9%，而無論早稻或晚稻，這3個處理之間均無顯著差異。這說明尿素施用量為N 135 kg/hm2時，脲酶抑制劑的添加量小于1.0%，對產(chǎn)量無顯著影響，而添加量在1.0%～1.5%時，可以顯著提高水稻產(chǎn)量。

圖1 不同處理的水稻產(chǎn)量

注：CK，不施氮肥; U，尿素; UI，脲酶抑制劑；UI1～UI5的添加比例依次為尿素的0.5%、0.75%、1.0%、1.25%、1.5%；不同小寫字母代表同一時期內(nèi)處理間差異在5%水平顯著。下同。

2.2 氮素回收率

通過對水稻地上部氮素回收率的分析(圖2)發(fā)現(xiàn)，對于早、晚稻，處理U的氮素回收率均低于添加NBPT處理的；其中，處理U+UI3、U+UI4和U+UI5較U處理的地上部氮素回收率顯著提高，早稻分別提高5.7%、6.1%和6.3%，晚稻分別提高7.9%、8.0%和8.1%。這說明，當(dāng)添加脲酶抑制劑的比例超過1%可以顯著提高水稻地上部氮素回收率。

圖2 不同處理水稻地上部的氮素回收率

2.3 土壤脲酶與硝酸還原酶活性

圖3 不同處理分蘗期和孕穗期的土壤脲酶活性

圖4 不同處理分蘗期和孕穗期的土壤硝酸還原酶活性

2.4 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量

分別在水稻分蘗期與孕穗期對土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量進行測定，結(jié)果見圖5、圖6。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。

圖5 不同處理分蘗期與孕穗期的土壤銨態(tài)氮含量

圖6 不同處理分蘗期和孕穗期的土壤硝態(tài)氮含量

由圖5可知，在水稻分蘗期，處理U的銨態(tài)氮含量顯著高于其它處理，早、晚稻分別高達76.71和87.44 mg/kg；與處理U相比，添加不同比例的NBPT后，土壤中的銨態(tài)氮含量均有所降低。當(dāng)脲酶抑制劑用量高于1.0%時，土壤中的銨態(tài)氮含量顯著低于處理U的；早稻處理U+UI3、U+UI4和U+UI5的銨態(tài)氮含量分別比處理U降低了11.37%、15.37%和21.17%，晚稻則分別降低了9.54%、13.79%和16.77%；這些結(jié)果說明，添加NBPT顯著減少了分蘗期土壤的銨態(tài)氮含量，分蘗期土壤中銨態(tài)氮含量與脲酶抑制劑用量呈負相關(guān)關(guān)系。

在孕穗期，土壤銨態(tài)氮含量較分蘗期急劇下降，且處理間差異顯著(P<0.05)?？赡苡捎谒緦Φ实拇罅课账?；添加脲酶抑制劑處理的銨態(tài)氮含量隨著脲酶抑制劑用量的提高而呈遞增趨勢；當(dāng)脲酶抑制劑為尿素用量的1.0%及以上時，土壤中的銨態(tài)氮顯著高于處理U的，早稻處理U+UI3、U+UI4和U+UI5的銨態(tài)氮含量分別比處理U高出16.49%、22.25%和29.67%，晚稻則分別高出28.71%、31.57%和35.56%；這說明添加脲酶抑制劑有效延緩了尿素水解，提高了孕穗期土壤中的銨態(tài)氮含量，可以為水稻的后期生長提供充足的氮肥。

由圖6可知，與土壤銨態(tài)氮含量相比，硝態(tài)氮含量極低，與同時期銨態(tài)氮含量相比，硝態(tài)氮含量不及銨態(tài)氮含量的2%，且處理間的差異始終不顯著(P>0.05)，說明施用氮肥以及不同比例的NBPT對硝態(tài)氮含量均無顯著影響，可能由于稻田長期淹水，土壤處于持續(xù)厭氧的生態(tài)環(huán)境，硝化作用極其微弱所致。

2.5 土壤微生物量碳、氮含量

水稻分蘗期與孕穗期的土壤微生物量碳、氮含量、微生物量碳/氮值的結(jié)果見圖7、圖8、圖9。由圖可知，3項土壤特性指標在同一時期內(nèi)處理間的差異不顯著(P>0.05)，說明添加不同比例的脲酶抑制劑對土壤微生物量碳、氮含量沒有顯著影響。對同一時期的微生物量碳、氮含量進行相關(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)。對微生物量碳、氮含量在兩個時期的差異分別分析后發(fā)現(xiàn)，晚稻在兩個時期之間的變化是顯著的(P<0.05)，說明晚稻生育期或季節(jié)變化對微生物量碳、氮含量的影響較大，早稻的影響較小。

圖7 不同處理分蘗期和孕穗期的土壤微生物量碳含量

圖8 不同處理分蘗期和孕穗期的土壤微生物量氮含量

圖9 不同處理分蘗期和孕穗期的土壤微生物量碳/氮值

2.6 土壤特性與產(chǎn)量的相關(guān)性

將水稻兩個生育期土壤的脲酶活性、硝酸還原酶活性、銨態(tài)氮含量、硝態(tài)氮含量、微生物量碳、微生物量氮、微生物量碳與氮比值7項指標對產(chǎn)量的影響進行逐步回歸分析(n=21)。結(jié)果表明，只有銨態(tài)氮含量進入回歸方程，說明土壤銨態(tài)氮含量對產(chǎn)量的影響顯著，而其余6項指標對產(chǎn)量的影響不顯著；回歸方程的相關(guān)參數(shù)見表1，由表可知，對于早、晚稻，兩個時期的銨態(tài)氮含量對產(chǎn)量的影響均達顯著水平(P<0.05)，而且，孕穗期的影響大于分蘗期的(孕穗期的變量系數(shù)較大)，說明氮肥對于水稻產(chǎn)量的提高作用顯著，尤其是孕穗期的氮肥更為重要。

表1 水稻產(chǎn)量與兩個生育期的影響因子的逐步回歸分析(n=21)

注：回歸方程為y=ax+b；y為產(chǎn)量，a為系數(shù)，x為因子，b為常數(shù)。

3 討論

脲酶抑制劑可以提高氮素利用率以及作物產(chǎn)量[16-19]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加脲酶抑制劑的比例在1.0%～1.5%時，可以顯著提高水稻地上部的氮素回收率以及稻谷產(chǎn)量。

脲酶抑制劑可以有效地抑制土壤脲酶活性，且在一定范圍內(nèi)，隨著用量的增加抑制效果逐漸增強[20-22]。有研究報道，在NBPT用量為0.25%時對減少氨揮發(fā)與提高尿素氮的效果明顯[22-23]，NBPT用量在 0.1%～0.5%之間對土壤脲酶活性影響較小；當(dāng)濃度達到 1%時，抑制作用最為顯著[24]。然而，也有報道指出，在不同的土壤質(zhì)地，脲酶抑制劑的用量及效果差異較大，有的土壤NBPT的用量達到10%對尿素的水解才有顯著的延緩作用[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，在所采用的試驗田，在水稻分蘗期，隨著脲酶抑制劑NBPT添加量的增加，土壤脲酶活性遞減，當(dāng)添加量超過尿素用量的1.0%時，效果顯著；NBPT施用量在1.0%、1.25%與1.5%時對土壤脲酶活性、銨態(tài)氮含量以及最終的稻谷產(chǎn)量效果一致，均表現(xiàn)為顯著降低了分蘗期土壤中的脲酶活性、銨態(tài)氮含量，顯著提高了孕穗期土壤中的銨態(tài)氮含量與最終的稻谷產(chǎn)量以及地上部氮素回收率，這可能因為脲酶抑制劑主要是抑制脲酶活性，緩解尿素的水解，減少銨態(tài)氮的迅速釋放與累積，從而降低了分蘗期脲酶活性以及銨態(tài)氮含量，而到孕穗期，NBPT的時效性(約2周)已過，分解為N、P、S等元素釋放于土壤[18]，對脲酶的抑制作用解除，尿素水解釋放出較多的銨態(tài)氮，因此，此時期添加NBPT的土壤中銨態(tài)氮含量高于不添加處理。

添加不同比例的NBPT對土壤的硝酸還原酶活性、微生物量碳、氮含量均無顯著影響，這可能由于淹水稻田硝化作用微弱，硝態(tài)氮含量極低，硝酸還原酶活性也很低，而脲酶抑制劑對硝態(tài)氮以及硝酸還原酶只能通過銨態(tài)氮的硝化反應(yīng)起間接作用，因此脲酶抑制劑在本試驗田對硝態(tài)氮以及硝酸還原酶活性無顯著影響；脲酶抑制劑對微生物量碳、氮無顯著影響，是因為NBPT是一種結(jié)構(gòu)相似于尿素的競爭性抑制劑，通過結(jié)合于脲酶活性部位使之失活，對土壤生態(tài)無毒無害，對土壤微生物無明顯影響。

通過對土壤的7個指標與產(chǎn)量進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)兩個時期的銨態(tài)氮含量對產(chǎn)量的影響均達顯著水平，而且，孕穗期的影響大于分蘗期，說明氮肥對于水稻產(chǎn)量的提高作用顯著，尤其是孕穗期的氮肥更為重要，因此，脲酶抑制劑NBPT提高作物產(chǎn)量與氮素回收率主要的原因是提高了孕穗期的銨態(tài)氮含量。

4 結(jié)論

由于脲酶抑制劑的抑制作用受到土壤的生態(tài)環(huán)境，如脲酶活性、水分、溫度等諸多因子的綜合影響，本文研究的結(jié)果是適用于紅壤雙季稻田土壤的添加比例為NBPT用量為尿素的1.0%～1.5%。結(jié)果表明添加1.0%即可顯著提高土壤銨態(tài)氮含量以及稻谷產(chǎn)量與氮素回收率，因此，生產(chǎn)上可采用1.0%的添加比例，達到經(jīng)濟有效的增產(chǎn)減肥目的。

脲酶抑制劑NBPT可顯著提高稻田的氮素回收率以及稻谷產(chǎn)量，且對土壤微生物量無明顯影響，證明在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上安全可用。

氮肥對于水稻產(chǎn)量的提高作用顯著，而且孕穗期的氮肥相對于分蘗期的作用更顯著，脲酶抑制劑正是由于提高了孕穗期的銨態(tài)氮含量，進而提高了產(chǎn)量與氮素回收率。