硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯植株及土壤氮素利用的影響

萬年鑫，黃 強，鄭順林，2*，郭 函，龔 靜，胡建軍

（1.四川農業(yè)大學，農業(yè)農村部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，四川 成都 611130；2.農業(yè)農村部薯類作物遺傳育種重點實驗室，成都久森農業(yè)科技有限公司，四川 新都 610500；3.四川省農業(yè)科學院作物研究所，四川 成都 610066；4.瀘縣現(xiàn)代農業(yè)園區(qū)管理委員會，四川 瀘川 646100）

馬鈴薯主食化戰(zhàn)略的提出，對保證糧食安全具有重要意義［1-2］。馬鈴薯在苗期生長弱，對氮素吸收少，但進入塊莖形成期由于營養(yǎng)生殖器官生長與建成，對氮素需求達到頂峰，呈單峰吸收曲線［3-4］。氮肥施于土壤后，土壤礦質氮約在7～15 d達到最大值［5］，并迅速下降，與馬鈴薯吸收曲線存在較長時間差。在生產(chǎn)實踐中，氮肥施用與馬鈴薯生育期需有效結合，才能保證馬鈴薯的有效生長和氮肥的高效利用。

硝化抑制劑通過降低土壤中亞硝酸細菌活性，抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉化過程，來減少肥料氮的流失，從而減少氮肥對生態(tài)環(huán)境的影響。硝化抑制劑雙氰胺（DCD）、2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）可降低土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉化速度［6］，延長銨態(tài)氮在土壤中的存留時間，從而減少土壤氮素的損失，時效約6～10周；脲酶抑制劑通過抑制脲酶活性來減緩尿素的水解，從而降低尿素氨揮發(fā)損失。與農民傳統(tǒng)處理比較，小麥季氮肥優(yōu)化潛力為38%～44%，玉米季氮肥優(yōu)化潛力為25%～50%。中性和石灰性土壤表施尿素后均迅速產(chǎn)生較高的氨揮發(fā)，而N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）能顯著推遲氨排放出現(xiàn)時間，并降低氨排放強度，體現(xiàn)良好的減排效果［7-8］，時效約1～4周［9］。硝化/脲酶抑制劑具有水溶性、降解完全性及經(jīng)濟高效性等特點。研究表明，含有硝化/脲酶抑制劑的穩(wěn)定性肥料可以有效提高作物的氮肥利用率與產(chǎn)量［10-11］。聶軍等［12］研究也發(fā)現(xiàn)，施用緩釋尿素對延緩水稻功能葉的衰老和延長葉片的光合功能期均具有明顯的效應。

中國作為世界上糧食安全壓力最大的國家，氮肥的施用在糧食安全上提供了重要保障［13］。但近年來，隨著氮肥投入量過多和不科學施用，導致土壤顯著酸化、能源消耗、水污染、農民收益降低等問題［14］。尿素是我國目前最普遍施用的氮肥形態(tài)，占我國氮肥用量的50%以上，對保障我國糧食安全起到重要作用。但我國較低的氮肥利用率（平均35%）導致氮肥資源浪費和環(huán)境問題，其中氨揮發(fā)是主要損失途徑之一，在一些石灰性土壤上氨揮發(fā)損失高達30%以上［15］。

目前，相關研究多是在同一施氮水平下硝化抑制劑對氮素轉化過程的影響［16］，或是比較不同硝化/脲酶抑制劑的施用效果［17-18］，而施氮水平層次對硝化/脲酶抑制劑作用影響研究并不充分。因此，探究秋馬鈴薯生產(chǎn)中合理的減量施肥措施，在保證產(chǎn)量的前提下降低氮損失，對指導田間氮素利用具有重要意義［19-20］。本試驗通過4種施氮水平與硝化/脲酶抑制劑配施，探究硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯生長發(fā)育以及土壤礦質氮的影響，以期為秋馬鈴薯生產(chǎn)中減氮增效提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料：川芋117（四川2015年審定），選取20～25 g均勻一致的秋馬鈴薯脫毒原種。

1.2 試驗設計

本試驗在2018年9月上旬至12月下旬于四川農業(yè)大學成都校區(qū)實驗教學樓內進行盆栽控制試驗，基質采用成都平原壤土與珍珠巖按體積1∶1均勻混合。基質基礎養(yǎng)分為全氮2.04 g/kg，銨態(tài)氮28.83 mg/kg，硝態(tài)氮13.64 mg/kg，有效磷21.13 mg/kg，速效鉀8.30 mg/kg。

試驗采用硝化/脲酶抑制劑類型（A）和施氮水平（N）兩因素隨機區(qū)組設計，硝化/脲酶抑制劑類型設4個水平，正丁基硫代磷酰三胺（NBPT）、雙氰胺（DCD）、2-氯-6-三氯甲基、吡啶（CP），以不添加硝化/脲酶抑制劑作為對照（CK），分別以A1、A2、A3、A4表示，硝化/脲酶抑制劑NBPT、DCD、CP添加量分別是尿素（N）質量的1%、1%、0.1%；施氮量設4個水平，每公頃氮施用量分別為30、60、90、120 kg，分別以N1、N2、N3、N4表示；每盆施入22.22 g硫酸鉀、12.5 g過磷酸鈣，氮肥及磷鉀肥以基肥形式一次施入。試驗共16個處理，每處理重復3次（5盆為一重復）。試驗盆（直徑×高）為38 cm×30 cm，每盆10 kg風干土壤，播種4苗，播深5 cm。

1.3 測定方法

干物質量測定：于秋馬鈴薯塊莖形成期（11月4～7日）、塊莖成熟期（12月18～20日）取秋馬鈴薯植株樣烘干測定。

土壤氮測定：取秋馬鈴薯根際土陰干用于土壤氮素的測定，土壤硝態(tài)氮用紫外分光光度法測定。

葉片氮測定：取秋馬鈴薯功能葉（倒三倒四）冷凍制樣用于硝態(tài)氮及硝酸還原酶的測定，葉片硝態(tài)氮含量用水楊酸-硫酸法測定；葉片硝酸還原酶活性用對-氨基苯璜酰胺比色法［21］測定。

葉綠素含量：采用SPAD-502葉綠素測定儀測定秋馬鈴薯葉片的SPAD值［22］。

光合效率：采用Li-6400便攜式光合測定儀測定葉片光合速率。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用Excel 2010和SPSS 22.0軟件進行統(tǒng)計分析，采用Origin 9.1專業(yè)版軟件制圖。

2 結果與分析

2.1 硝化/脲酶抑制劑對土壤硝態(tài)氮的影響

由表1可知，在塊莖形成期，除NBPT外在低氮水平（30 kg/hm2）下，硝化/脲酶抑制劑NBPT、DCD、CP均隨著施氮的增加而呈增長趨勢。不同硝化/脲酶抑制劑對硝態(tài)氮含量影響有所不同，但差異不顯著。而在塊莖成熟期，由于硝化/脲酶抑制劑NBPT、DCD、CP與氮肥的相互作用，土壤中硝態(tài)氮的含量表現(xiàn)有所差異，且不同硝化/脲酶抑制劑表現(xiàn)有所不同。DCD在N 120 kg/hm2水平下其硝態(tài)氮含量達最大值，NBPT、CP在N 60 kg/hm2水平下硝態(tài)氮含量達最大值。

表1 硝化/脲酶抑制劑對土壤硝態(tài)氮的影響 （mg/kg）

2.2 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯葉片硝態(tài)氮及硝酸還原酶的影響

由圖1可知，在未添加硝化/脲酶抑制劑中，秋馬鈴薯塊莖形成期葉片硝態(tài)氮含量隨著施氮水平的提高而增加，在120 kg/hm2施氮水平下達到213.75 mg/kg；塊莖成熟期葉片硝態(tài)氮先增加后減少，在60 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為269.18 mg/kg。CP、DCD能顯著降低秋馬鈴薯葉片硝態(tài)氮含量，并提高秋馬鈴薯葉片硝酸還原酶活性；但NBPT作用不顯著。

在塊莖形成期，與CK比較，CP在60、120 kg/hm2施氮水平下能顯著降低葉片硝態(tài)氮含量，分別降低51.0%、30.7%，DCD差異不顯著。至塊莖成熟期，與CK相比，硝化/脲酶抑制劑均能顯著降低60、90 kg/hm2施氮水平下葉片硝態(tài)氮含量，分別降低32.0%、80.7%。

在未添加硝化/脲酶抑制劑中，秋馬鈴薯形成期葉片硝酸還原酶活性隨施氮水平的提高逐漸提高，在120 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為20.41 mg/（kg·h）；塊莖成熟期葉片硝酸還原酶處于3.05～6.91 mg/（kg·h）低含量狀態(tài)。表明秋馬鈴薯在塊莖形成期硝化/脲酶抑制劑高于塊莖成熟期，轉化效率逐漸降低。

2.3 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯光合能力的影響

由表2可知，硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯光合能力的影響主要體現(xiàn)在葉面積上，對凈光合速率及葉綠素含量（SPAD）的影響均較弱。

不同硝化/脲酶抑制劑下，秋馬鈴薯凈光合速率隨施氮量的增加而呈逐漸降低的趨勢。同一施氮水平下，不同硝化/脲酶抑制劑對凈光合速率的影響差異不顯著。在不同氮水平下，不同硝化/脲酶抑制劑增效效果均表現(xiàn)出在低氮30 kg/hm2水平下顯著高于高氮120 kg/hm2水平下的凈光合速率。且隨著施氮量的增加，呈降低趨勢。在未添加硝化/脲酶抑制劑下，秋馬鈴薯葉片葉綠素含量隨施氮的增加而逐漸增加，在120 kg/hm2施氮水平下達到最大，為48.12。硝化/脲酶抑制劑對葉綠素含量影響不顯著。

在未添加硝化/脲酶抑制劑下，秋馬鈴薯葉面積隨施氮水平的增加呈先增后降的趨勢，在90 kg/hm2施氮水平下達到最大，為297.45 cm2。在不同氮水平下，添加硝化/脲酶抑制劑均高于對照，且NBPT在所有氮水平下均顯著高于未添加硝化/脲酶抑制劑；而DCD與CP在60、120 kg/hm2施氮水平下顯著高于對照。因此硝化/脲酶抑制劑能有效提高秋馬鈴薯葉面積，提高效果：NBPT＞DCD＞CP。

表2 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯塊莖形成期光合的影響

2.4 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯干物質量的影響

由表3可知，硝化/脲酶抑制劑能提高秋馬鈴薯塊莖形成期及塊莖成熟期各施氮水平下干物質量，且塊莖成熟期增加量高于塊莖形成期。

在塊莖形成期，在未添加硝化/脲酶抑制劑處理下，秋馬鈴薯干物質量隨施氮量的增加呈先增后減的趨勢，在90 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為5.64 g。在NBPT處理下，不同施氮水平下，干物質含量差異不顯著；而在DCD、CP處理下，秋馬鈴薯干物質量均呈先增加后減少的趨勢，DCD處理在60 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為7.07 g，CP處理在90 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為6.27 g。與對照相比，硝化/脲酶抑制劑DCD、CP、NBPT在各施氮水平均能提高秋馬鈴薯干物質量，且在120 kg/hm2施氮水平下分別提高266.5%、242.5%、108.2%。

在塊莖成熟期，在未添加硝化/脲酶抑制劑下，秋馬鈴薯干物質在30 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為19.06 g；在添加脲酶抑制劑NBPT處理下，干物質量隨施氮量的增加而提高，在120 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為32.26 g；在添加硝化抑制劑DCD、CP處理下，秋馬鈴薯干物質量均呈先增加后減少的趨勢，DCD處理在90 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為28.25 g，CP處理在60 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為24.73 g。添加硝化/脲酶抑制劑能有效提高秋馬鈴薯干物質量，促進馬鈴薯生長。因此在同一氮水平下，不同硝化/脲酶抑制劑均能有效提高秋馬鈴薯干物質量，均表現(xiàn)為NBPT＞DCD＞CP。

表3 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯干物質的影響 （g/株）

2.5 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯產(chǎn)量的影響

由圖2可知，硝化/脲酶抑制劑能顯著提高秋馬鈴薯單株產(chǎn)量，且隨著施氮量的增加而提高。在添加硝化/脲酶抑制劑下，秋馬鈴薯單株產(chǎn)量隨施氮水平的提高而逐漸提高，在30 kg/hm2施氮水平下為最大值，為77.36 g/株。在NBPT處理下，秋馬鈴薯單株產(chǎn)量隨施氮水平的提高逐漸上升，在120 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為137.23 g/株。在DCD處理下，秋馬鈴薯產(chǎn)量均呈曲線上升的趨勢，DCD處理在120 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為113.33 g/株。CP對馬鈴薯的增產(chǎn)效果不明顯，在30 kg/hm2施氮水平下達到最大值，為78.20 g/株，且不同施氮水平下產(chǎn)量差異不顯著。NBPT、DCD能顯著提高秋馬鈴薯單株產(chǎn)量，從塊莖形成期到塊莖膨大期分別提高24.5%～550.4%、27.2%～437.1%，且隨著施氮水平的提高產(chǎn)量增加率越高。CP能顯著提高高施氮水平下單株產(chǎn)量，但在低施氮水平下差異不顯著。且在高氮水平120 kg/hm2，硝化/脲酶抑制劑對產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為NBPT＞DCD＞CP。

3 討論

3.1 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯根際土及葉片氮素的影響

秋馬鈴薯對氮素的吸收主要以硝態(tài)氮的形式，秋馬鈴薯葉片內硝態(tài)氮的含量可以反映土壤供氮能力，作為施肥的重要指標［21］。同時，經(jīng)大量研究表明葉菜和塊莖菜內含有大量硝酸鹽，經(jīng)腌制等過程逐漸轉化為亞硝酸鹽危害人體健康［21］。有研究表明，硝化抑制劑的使用能有效降低葉片硝態(tài)氮含量。本試驗表明，硝化抑制劑CP有效提高了秋馬鈴薯高施氮水平下生育后期的葉片硝酸還原酶活性，降低葉片硝態(tài)氮含量，但DCD和NBPT作用不顯著。

脲酶抑制劑NBPT通過抑制土壤脲酶活性，延長施肥點的尿素擴散，降低土壤溶液中NH4+和NH3的濃度，抑制NH3的揮發(fā)損失，從而提高尿素利用效率。NBPT還能有效減少高施氮水平下尿素對作物苗期的毒害作用［23］。本試驗表明，NBPT顯著降低了秋馬鈴薯高施氮水平下生育后期土壤礦質氮水平。

3.2 硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯光合及干物質的影響

研究表明：秋馬鈴薯的光合速率與塊莖產(chǎn)量呈正相關關系；且秋馬鈴薯塊莖中超過95%的干物質來自光合產(chǎn)物［24］，而秋馬鈴薯塊莖形成期是秋馬鈴薯產(chǎn)量生成的重要時期。大量研究也表明施氮量升高會使分配到葉片光合器官中的氮素比例下降，非光合組分比例上升，導致光合氮利用效率下降［25］。本試驗表明隨著施氮水平的提高凈光合速率逐漸下降；但硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯凈光合速率影響較小。同時，光合產(chǎn)物由凈光合速率和有效葉面積共同決定。本試驗同時也表明硝化/脲酶抑制劑提高了同等施氮水平下葉面積，且隨著施氮水平的提高效果越明顯。成都地區(qū)秋馬鈴薯隨著生育時期的推進光溫水平逐漸下降，后期生長發(fā)育緩慢。適當增加秋馬鈴薯前期葉面積及光合能力是提高秋馬鈴薯產(chǎn)量的有效措施。

有研究表明，硝化/脲酶抑制劑能提高作物干物質量及產(chǎn)量，但也有研究表明硝化/脲酶抑制劑對作物增產(chǎn)不明顯［26-27］。結果不同主要原因是作物產(chǎn)量由土壤、環(huán)境以及作物多個因素共同影響。本試驗表明硝化/脲酶抑制劑能顯著提高秋馬鈴薯干物質量及產(chǎn)量，并且隨著施氮量的提高增加量逐漸提高。在低施氮水平下，作用效果較弱，高施氮水平下效果更強。主要原因是高施氮水平整體提高了土壤礦質氮水平，AOA、AOB為銨敏感型細菌［28］，在土壤銨態(tài)氮含量較高的水平下作用更加明顯，時效更長；而NBPT作用時效也隨著施氮水平的提高效果逐漸延長。

不同硝化/脲酶抑制劑品種對秋馬鈴薯光合能力、干物質及產(chǎn)量的影響差異較大。土壤中礦質氮含量較高，會延緩秋馬鈴薯出苗及抑制苗期的生長發(fā)育。由于秋馬鈴薯生育條件的限制，提前發(fā)芽和加快苗期的生長對秋馬鈴薯尤其重要。脲酶抑制劑NBPT通過抑制土壤脲酶活性，延長施肥點的尿素擴散，降低土壤礦質氮含量［23］，從而促進了秋馬鈴薯苗期的生長；隨著生育時期的推進，NBPT延長土壤礦質氮的持續(xù)供應，滿足了秋馬鈴薯后期氮素需求。硝化抑制劑能通過抑制土壤氮素轉換，提高土壤礦質氮整體含量，抑制秋馬鈴薯苗期生長。同時隨著生育時期的推移，氮素被秋馬鈴薯吸收和損失，硝化抑制劑增強了秋馬鈴薯氮素供應，整體增加了秋馬鈴薯氮素的吸收量。減緩了秋馬鈴薯前期的生長；DCD由于易淋溶等原因［28］，減少了對秋馬鈴薯苗期的抑制效果，增加了后期氮素的持續(xù)供應，從而增加了秋馬鈴薯生育后期光合能力及產(chǎn)量。

4 結論

硝化/脲酶抑制劑能有效提高不同施氮水平下秋馬鈴薯葉面積、干物質量以及產(chǎn)量。硝化/脲酶抑制劑主要影響高施氮水平（90～120 kg/hm2）下馬鈴薯的生長，且NBPT、DCD處理下在120 kg/hm2施氮水平下產(chǎn)量達到最大值，分別為137.23和113.33 g/株。綜合土壤氮素和秋馬鈴薯產(chǎn)量等因素，脲酶抑制劑NBPT能有效降低尿素的損失，提高秋馬鈴薯產(chǎn)量。其作用效果優(yōu)于硝化抑制劑DCD和CP。