雙季稻田添加脲酶抑制劑NBPT氮肥的最高減量潛力研究

張文學， 孫 剛， 何 萍， 梁國慶， 余喜初， 劉光榮， 周 衛*

(1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所， 農業部植物營養與肥料重點開放實驗室， 北京 100081； 2 江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，江西南昌 330200； 3 江西省紅壤研究所， 江西南昌 331717)

經過大量的田間試驗驗證[4]，包括在熱帶的淹水稻田[6,11]，NBPT可以有效地提高作物產量[12-14]以及氮肥利用率[13,15]，但關于脲酶抑制劑對我國稻田氮素轉化影響的研究較少，本文研究尿素添加脲酶抑制劑(NBPT)對我國雙季稻田的無機氮含量、 酶活性、 微生物量碳、 氮含量以及氮素回收率等的影響，確定早稻與晚稻添加脲酶抑制劑時的適宜施氮量，為稻田減少氮素損失、 提高氮肥利用率提供科學依據，為稻田施肥提供技術指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗設計

水稻供試品種: 早稻為德農88，晚稻為汕優456； 脲酶抑制劑為NBPT； 供試肥料品種: 氮肥為尿素(含N 46%)，磷肥為鈣鎂磷肥(含P2O512%)，鉀肥為氯化鉀(含K2O 60%)。

在水稻分蘗期、 孕穗期分別采集各小區耕層土壤樣品，測定脲酶與硝酸還原酶活性、 銨態氮與硝態氮含量、 微生物量碳、 氮含量； 用于測定酶活性、 無機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℃； 成熟期測定各小區產量以及植株氮含量。

1.3 測定方法與計算

1.3.2 土壤中銨態氮與硝態氮含量的測定 土壤中的銨態氮與硝態氮含量用1 mol/L的KCl溶液浸提，采用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer (West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 儀器測定。

1.3.3 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[18-21], 其含量計算如下:

BC=EC/KC

BN=EN/KN

其中，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，KC=0.45[19-20]， KN=0.54[21]。

1.3.4 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 (West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 儀器測定。

1.3.5 數據處理 所有數據采用Excel 2007、 SAS 9.1軟件進行統計分析，運用Excel 2007軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對水稻產量的影響

由圖1可知，各處理對水稻產量的影響顯著(P<0.05)。對于早、 晚稻，處理U3+UI的產量最高，且與處理U5的差異顯著，說明與傳統施氮(單施尿素N 180 kg/hm2)相比，施用尿素添加脲酶抑制劑NBPT時，施氮量為N 135 kg/hm2可顯著提高水稻產量，早、 晚稻分別提高8.54%和12.87%； 此處理不僅增產顯著，而且減少氮肥(N)用量45 kg/hm2，即節約氮肥25%。在晚稻產量中，處理U3+UI、 U4+UI顯著高于處理U5+UI的，在田間觀察到U5+UI處理的植株貪青晚熟，可能是其產量下降的主要原因。

圖1 不同處理水稻產量 Fig.1 Yield of rice under different treatments

2.2 不同處理對水稻氮素回收率的影響

圖2 水稻地上部的氮素回收率 Fig.2 Recovery of applied N in above-ground parts of rice

2.3 不同處理對土壤脲酶與硝酸還原酶活性的影響

在孕穗期，添加NBPT的處理與傳統施氮處理間無顯著差異，可能由于時間的推移，NBPT逐漸降解，失去了對脲酶的抑制作用，尿素也被完全分解，脲酶活性基本恢復等原因導致。

圖3 水稻分蘗期和孕穗期土壤脲酶與硝酸還原酶活性 Fig.3 Activities of urease and nitrate reductase in soil at tillering and booting stages of rice

2.4 不同處理對土壤銨態氮和硝態氮含量的影響

圖4結果表明，稻田土壤中的銨態氮含量明顯高于硝態氮含量。在水稻分蘗期，處理U5的銨態氮含量顯著高于其余處理的，早、 晚稻分別高達79.65 mg/kg和99.55 mg/kg； 與U5處理相比，施氮量相同的U5+UI處理在早、 晚稻分別降低銨態氮含量12.04%和10.41%。在孕穗期，土壤銨態氮含量急劇下降，且處理間差異顯著(P<0.05)，可能由于此時水稻對氮肥的大量吸收所致[22]； 添加NBPT處理的銨態氮含量隨著施氮量的增加而呈遞增趨勢，處理U5+UI的最高； 與處理U5相比，處理U5+UI的銨態氮含量在早、 晚稻分別高出21.11%和32.25%。以上結果說明，添加NBPT顯著減少了分蘗期土壤的銨態氮含量，而顯著增加了孕穗期的銨態氮含量。

與土壤的銨態氮含量相比，硝態氮含量極低，不足銨態氮含量的2%，且處理間的差異始終不顯著(P>0.05)，反映了稻田長期淹水，土壤持續厭氧環境下硝化作用極其微弱，而且不同的施氮量以及添加NBPT對硝態氮含量均無明顯影響。

2.5 不同處理對微生物量碳、 氮含量的影響

圖5顯示，水稻分蘗期與孕穗期的土壤微生物量碳含量、 微生物量氮含量、 微生物量碳/氮比值在各時期內處理間的差異不顯著(P>0.05)，說明不同施肥處理對微生物量碳、 氮含量沒有顯著影響，添加脲酶抑制劑對土壤生物特性沒有明顯影響。對同一時期的微生物量碳、 氮含量進行相關性分析發現，二者存在極顯著正相關關系(P<0.01)。分別對以上三項指標在早、 晚稻兩個時期的變化進行分析，結果表明，微生物量碳、 氮含量在晚稻兩個時期之間的差異顯著(P<0.05)，而在早稻的差異不顯著(P>0.05)，這說明晚稻的季節變化對微生物量碳、 氮含量的影響較施肥處理的影響更大。

圖4 水稻分蘗期與孕穗期土壤銨態氮與硝態氮含量 Fig.4 Contents of and in soil at tillering and booting stages of rice

2.6 土壤生物特性與水稻產量的相關性

將水稻兩個生育期的土壤脲酶活性、 硝酸還原酶活性、 銨態氮含量、 硝態氮含量、 微生物量碳含量、 微生物量氮含量、 微生物量碳/氮比值7項指標對產量的影響進行逐步回歸分析(n=21)。結果表明，只有銨態氮含量進入回歸方程，說明土壤銨態氮含量對產量的影響顯著，而其余6項指標對產量的影響不顯著。 回歸方程的相關參數見表1。由表1可知，對于早、 晚稻，兩個時期的銨態氮含量對產量的影響均達極顯著水平(P<0.01)，而且，孕穗期的影響大于分蘗期的，說明氮肥對于水稻產量的提高作用顯著，尤其是孕穗期的氮肥更為重要。

3 討論與結論

土壤酶活性受到諸多因素的影響[23-24]，如脲酶活性與基質濃度、 溫度、 pH、 有機質含量、 微生物生物量、 總氮量等因素呈正相關關系[25-31]，短期內可被脲酶抑制劑抑制(脲酶抑制劑有一定的時效性，如NBPT施入土壤后2周左右可降解為N、 P、 S等元素[9])。本研究發現，在早稻與晚稻的分蘗期，施用氮肥顯著提高了土壤脲酶活性，而添加NBPT后脲酶活性并沒有隨著施氮量的增加而增加，且添加NBPT下各處理的脲酶活性均顯著低于傳統施氮處理的，說明基質的增加會提高脲酶活性，而NBPT則對脲酶活性有較強的抑制作用； 到孕穗期，可能由于脲酶抑制劑NBPT逐漸降解失去抑制效應，尿素完全水解，脲酶活性趨于平穩，施用氮肥的各處理間無顯著差異。對于硝酸還原酶活性，在早稻與晚稻的兩個時期，活性始終維持在極低水平，可能由于稻田長期淹水的特殊環境導致； 不同處理間沒有顯著差異，表明氮肥以及脲酶抑制劑對硝酸還原酶活性沒有明顯的影響，這與李東坡等人的報道[9,32]一致。

表1 水稻產量與兩個生育期影響因子的逐步回歸分析(n=21)

相同施氮量下，添加NBPT的處理(U5+UI)在分蘗期土壤銨態氮含量顯著低于傳統施氮處理(U5)的，而孕穗期截然相反，進一步說明添加脲酶抑制劑可有效減緩生育前期尿素的水解，減少土壤中的銨態氮含量，在后期隨著脲酶抑制劑的降解，尿素完全水解，因而可為需肥高峰期的水稻提供更加充分的銨態氮。水稻孕穗期耕層土壤中的銨態氮含量顯著低于分蘗期，也是因為在孕穗期水稻根系龐大，對養分的吸收強度和數量急劇增加[22]，導致土壤中的銨態氮含量驟降。土壤中硝態氮含量始終較低，不足銨態氮含量的2%，且不受施氮量的影響，這與Wang[33]等人報道一致； 另外，硝態氮含量沒有明顯的變化，可能與稻田長期淹水以及水稻為喜銨作物有關。

本研究結果中，在水稻分蘗期和孕穗期的處理間微生物量碳、 氮含量均無顯著差異，證明了添加NBPT對微生物無明顯副作用[9,34]。同一時期內微生物量碳、 氮含量存在極顯著正相關關系，這與Mandal等[35]的報道一致。土壤微生物量碳、 氮含量以及土壤酶活性受到多種因素的影響[29]，在作物生長期，微生物生物量會因為作物的生長、 氣候變化而發生短暫的季節性波動[36]，本研究中，晚稻的兩個生育期之間微生物量碳、 氮含量存在顯著差異，孕穗期土壤微生物量碳、 氮含量顯著高于分蘗期，顯示了季節變化的影響[24,37]，早稻則無此差異，這可能由于晚稻生長期間，溫度較高，水稻生長旺盛，根系分泌物較多，土壤微生物活性較高等諸多因素導致。

通過對稻田土壤的七項指標在分蘗期和孕穗期與產量的關系進行逐步回歸分析發現，只有土壤銨態氮含量對產量的影響顯著，且孕穗期的影響大于分蘗期的，因此，通過添加脲酶抑制劑，有效地實現了尿素水解后移，增加了孕穗期土壤銨態氮的供應，可能是其節約氮肥與增產顯著的主要原因。本研究中，對不同處理的水稻產量和氮素回收率分析結果也證明了添加脲酶抑制劑的有效性。在同樣產量目標下，添加1%的脲酶抑制劑可以節省25%的尿素，今后可繼續深入研究添加脲酶抑制劑的節肥潛力。

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