干濕交替灌溉與硝化抑制劑對水稻產量及土壤性狀的影響

韓麗君 薛張逸 謝 昊 顧駿飛

（1江蘇省作物遺傳生理重點實驗室/江蘇省作物栽培生理重點實驗室/揚州大學農學院，225009，江蘇揚州；2江蘇省糧食作物現代產業技術協同創新中心/揚州大學，225009，江蘇揚州）

我國是世界上最大的水稻生產國之一[1]，據統計，中國的水稻收獲面積與產量分別占全世界的18.47%與28.04%。同時，水稻的生長離不開氮肥，為了確保水稻高產，施用氮肥對水稻生長發育起著關鍵性作用[2-3]。傳統的水稻施氮方式存在諸多弊端，如施肥次數多、投入量大、污染重、氮肥利用率低等[4-5]。這與高產高效、資源節約和綠色可持續發展的現代水稻生產要求相悖。因此，施用硝化抑制劑具有增產潛力大、揮發和淋溶少以及硝化―反硝化損失少等優點，成為提高氮肥利用效率和減輕環境污染的有效途徑之一。硝化抑制劑施入土壤，能夠有效抑制硝化作用，減緩銨態氮（NH4+-N）向硝態氮（NO3?-N）轉化的速率，從而減少 NO3?-N的淋溶和反硝化損失。如今，已有多種化合物具有硝化抑制特性，其中，硝化抑制劑3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）和雙氰胺（DCD）是研究和應用較為廣泛的2類抑制劑。DMPP能有效抑制土壤銨氧化進程，通過延長土壤NH4+-N的停留時間，減少NO3?-N的地表徑流流失，保護河流水體生態環境等[6-8]。DCD是胍的氨基衍生物，同時也是氰胺的二聚體，硝化抑制作用明顯。

近年來，在節水優先方針的指引下，我國稻作科學工作者以高產和水分高效利用為目標，研發了一批適合我國國情的現代農業節水技術。例如，干濕交替灌溉技術，該技術在水稻生育過程中保持土壤水層和自然落干相互交替。有研究[9-10]認為，干濕交替灌溉不僅可以改善土壤理化性狀，而且可以增加水稻產量。但也有研究[11-12]表明，干濕交替灌溉會增加氮素硝化速率和淋溶損失，不利于水稻的產量形成以及水肥的高效利用。針對稻田施入硝化抑制劑能否在干濕交替灌溉條件下實現高產與水分高效利用的問題，目前并不清楚，有待進一步研究。因此，本研究在干濕交替灌溉下，施入硝化抑制劑DMPP和DCD進行盆栽試驗，探討硝化抑制劑的增效機理，為水稻生產中減少氮損失提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與材料

試驗于2020年在揚州大學農學院實驗農場盆栽場進行。供試材料為“金香玉1號”（JXY 1）和“揚稻6號”（YD 6）。于5月12日進行大田育秧，6月12日移栽至盆缽，每盆3穴，每穴2苗，每個處理20盆，共計160盆。盆缽高30cm，直徑25cm，容積 14.72L。土壤類型為沙壤土，土壤含有機質22.7g/kg、速效氮96.5mg/kg、速效磷20.4mg/kg、速效鉀120.0mg/kg、全氮1.96g/kg。于2020年10月20日收獲。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗，每個水稻品種設置4個施肥處理，分別為尿素（CK）、尿素+DCD、尿素+DMPP、尿素+DCD+DMPP。供試硝化抑制劑 DCD含量98.00%，白色晶體，分析純，由武威金倉有限公司生產；DMPP含量97.00%，白色粉末，分析純，由上海源葉生物有限公司生產。移栽前每盆施用2.0g尿素和0.5g磷酸二氫鉀作基肥，移栽后7d，于拔節期和穗分化期每盆施用1.0g尿素，硝化抑制劑DMPP和DCD（用量均按對應處理尿素純氮量的1%和10%添加）與尿素混勻后施用。在移栽至返青期，盆栽內保持淺層水，其余時期采用干濕交替灌溉技術。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 植株干物質重 分別于分蘗中期（MT）、穗分化期（PI）、抽穗期（H）和成熟期（M）每個處理各取3盆水稻，將葉片（綠葉+黃葉）、莖+鞘、穗分開后在105℃殺青并在75℃烘干至恒重，測定植株干重。生長速率[g/（盆·d）]=（W2-W1）/（t2-t1），t1和t2分別為第1次和第2次測定的時間（d），W1和W2分別為第1次和第2次測定的植株地上部干重（g/盆）[13]。

1.3.2 植株葉片SPAD值 自水稻移栽后7d開始，各處理取4盆，每隔1周用SPAD-502測定儀測定水稻葉片SPAD值，每盆選擇20片劍葉，每片葉分別測量葉片尖部、中部和基部，并取其平均值。

1.3.3 土壤總氮含量 于分蘗中期、抽穗期和成熟期取 0～20cm的土壤樣品，采用五點取土法取各處理樣品并混勻，用凱氏定氮儀測定土壤總氮含量。

1.3.4 土壤NH4+-N、NO3?-N和有效氮含量 分別于分蘗中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期取 0～20cm的土壤樣品，用液氮固定后放置于-80℃冰箱中保存，用于測定土壤NH4+-N和NO3?-N含量。采用靛酚藍比色法測定土壤NH4+-N含量，即土壤中NH4+-N在強堿條件下與次氯酸鹽和苯酚反應生成的靛酚藍在625nm處有特征吸收峰，其吸光值與NH4+-N含量成正比。采用紫外雙波段比色法測定NO3?-N含量，在濃硫酸條件下NO3?與水楊酸反應生成的硝基水楊酸遇堿（pH＞12）顯黃色，在一定范圍內與NO3?-N含量呈正比[14]。

有效氮含量（mg/g）=NH4+-N 含量+NO3?-N含量。

1.3.5 土壤pH 分別取分蘗中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期0～20cm的土壤樣品，各處理中采用2.5:1水土比―酸度計測定土壤pH。

1.3.6 土壤酶活性 在分蘗中期、抽穗期及成熟期分別取土樣并測量土壤的脲酶[15]、蔗糖酶和硝酸還原酶活性[16]。采用苯酚鈉比色法測定土壤脲酶活性，采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定土壤蔗糖酶活性，采用KNO3培養―KCl比色法測定土壤硝酸還原酶活性。

1.3.7 考種與計產 于成熟期對各處理取5盆，測定有效穗數、穗粒數、結實率和千粒重，并測算每盆產量。采用水漂法測定結實率，將稻谷置于密度為1.1×103kg/m3的生理鹽水中，沉入水底則是飽粒，其余為空粒或癟粒[17]。

1.4 數據處理

采用Office 2016軟件處理數據，用SigmaPlot 12.5繪圖，用SPSS統計軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 硝化抑制劑對不同水稻品種產量及其構成因素的影響

由表1可知，在相同的灌溉條件下，水稻土壤中添加硝化抑制劑可以顯著提高水稻的產量。與單施尿素（CK）相比，硝化抑制劑促進水稻增產在于顯著增加穗粒數，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理下2個品種的平均產量分別提高4.3%、7.9%和10.2%。說明尿素添加DCD和DMPP對水稻產量的提高均有促進作用，且DMPP的效果優于DCD，DCD和DMPP聯合施用效果最為顯著。分析產量構成因素可知，添加硝化抑制劑可以協同提高水稻每盆穗數、穗粒數和結實率。

表1 硝化抑制劑對水稻產量及其構成因素的影響Table 1 Effects of nitrification inhibitors on rice yield and its constituent factors

2.2 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的干物質重及作物生長速率的影響

由表2可知，在相同灌溉條件下，隨著生育期的推進水稻植株地上部分的累積量呈不斷增加的趨勢，在分蘗中期、拔節期、抽穗期和成熟期，與CK處理相比，其他處理的地上部干物質重都顯著增加。相同的灌溉方式下各階段 DCD、DMPP、DCD+DMPP處理的生長速率顯著高于CK處理，其中DCD+DMPP處理生長速率最快。2個品種表現趨勢相同。

表2 硝化抑制劑對水稻品種各生育期的干物質重及作物生長速率的影響Table 2 The effects of nitrification inhibitors on the dry matter weight and crop growth rate of rice varieties at each growth stage

2.3 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的葉片SPAD值的影響

由圖1可知，在水稻生育過程中，最上部完全展開葉葉綠素含量在水稻移栽后21d達到最高值，隨著生育進程的推進，葉綠素含量逐漸降低。在水稻生育期，DCD+DMPP處理的頂端完全展開葉SPAD值最高，說明氮肥全部基施后，其肥效在水稻生育期還可維持在較高的水平，足以供應水稻的生長發育。其中，DCD+DMPP和 DMPP處理的SPAD值均比CK處理高，二者配施可促進水稻生育期的生長，為分蘗期水稻生長提供更充足的氮素。因此，施用硝化抑制劑可有效延長氮肥的肥效持續時間，滿足水稻生長所需。

圖1 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的葉片SPAD值的影響Fig.1 The effects of nitrification inhibitors on the SPAD values of leaves of different rice varieties at each growth stage

2.4 硝化抑制劑對水稻各生育期土壤pH的影響

土壤pH是影響硝化作用的重要因素。由圖2可知，隨著硝化作用的進行，土壤pH呈下降趨勢，所有處理變化趨勢一致。在水稻整個生育期內，與CK處理相比，添加硝化抑制劑使土壤pH下降幅度顯著減緩，并且DCD+DMPP處理土壤pH稍高于其他處理，可能是由于硝化抑制劑DCD及其與DMPP配合施用顯著抑制了土壤的硝化作用，使土壤中較長時間保持較高的 NH4+-N濃度和較低的NO3?-N 含量。

圖2 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的土壤pH的影響Fig.2 The effects of nitrification inhibitors on the soil pH of different rice varieties at each growth stage

2.5 硝化抑制劑對水稻各生育期土壤全氮含量的影響

由圖3可知，隨著生育期的推進，土壤全氮含量呈逐漸下降的趨勢，在分蘗中期土壤全氮含量達到最大值，保證了作物前期營養生長對養分的需求。土壤全氮含量成熟期含量最低，在分蘗中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期不同處理間全氮含量表現為 DCD+DMPP＞DMPP＞DCD＞CK，2個品種趨勢相同。

圖3 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的土壤全氮含量的影響Fig.3 The effects of nitrification inhibitors on the total nitrogen contents of the soil at each growth stage of different rice varieties

2.6 硝化抑制劑對水稻各生育期土壤 NH4+-N、NO3?-N和有效氮含量的影響

由圖4可知，與土壤NH4+-N含量相比，土壤中NO3?-N含量較低。DCD、DMPP和DCD+DMPP處理有利于降低水稻各個生育時期土壤NO3?-N含量。在分蘗中期的土壤NO3?-N含量最高，成熟期各處理之間趨于平緩，2個品種趨勢相同。

圖4 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的土壤NO3?-N含量的影響Fig.4 The effects of nitrification inhibitors on the soil NO3?-N contents of different rice varieties at each growth stage

由圖5可知，在水稻全生育期中，分蘗中期土壤NH4+-N含量最高，成熟期有所下降。與CK處理相比，DCD、DMPP以及 DCD+DMPP處理的NH4+-N含量大部分增高顯著，硝化抑制劑各處理抑制了土壤NH4+-N向NO3?-N的轉化，2個品種趨勢相同。

圖5 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的土壤NH4+-N含量的影響Fig.5 The effects of nitrification inhibitors on the soil NH4+-N contents of different rice varieties at each growth stage

由圖6可知，在水稻整個生育期內，土壤有效氮含量在分蘗中期最高，隨后降低。與CK處理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理均能減緩尿素水解，增加土壤有效氮含量。

圖6 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的土壤有效氮含量的影響Fig.6 The effects of nitrification inhibitors on the soil available nitrogen content of different rice varieties at each growth stage

2.7 硝化抑制劑對水稻各生育期土壤脲酶、蔗糖酶和硝酸還原酶活性的影響

圖7a、b顯示了隨著生育進程的推進，土壤脲酶活性呈逐漸下降的趨勢。土壤脲酶活性受土壤中尿素的影響。自尿素施入土壤之后，脲酶活性在分蘗中期最高，隨后下降，成熟期最低。不同生育期各處理趨勢一致，與CK處理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理土壤脲酶活性均增加顯著。

圖7 硝化抑制劑對不同水稻品種各生育期的土壤脲酶、蔗糖酶和硝酸還原酶活性的影響Fig.7 Effects of nitrification inhibitors on the activities of soil urease, invertase and nitrate reductase in different rice varieties at various growth stages

由圖7c、d可知，土壤蔗糖酶活性在全生育期呈現逐漸下降的趨勢，分蘗中期活性最高，成熟期趨于穩定。在同一灌溉條件下，CK處理的蔗糖酶活性最低，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理土壤蔗糖酶活性增加，其中DCD+DMPP處理對蔗糖酶活性的促進效果較優。

由圖7e、f可知，土壤硝酸還原酶活性隨著生育期的推進表現為逐漸下降的趨勢，分蘗期最高，成熟期最低。在同一灌溉條件下硝化抑制劑處理的土壤硝酸還原酶活性大部分顯著低于CK處理，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理之間差異不顯著。硝化抑制劑對2個品種土壤脲酶、蔗糖酶和硝酸還原酶活性的影響趨勢相同。

3 討論

產量是水稻栽培的最終目標，氮肥是決定水稻產量重要因素，合理的氮肥運籌可以在施氮等量的情況下達到提高產量的目的。前人研究[18]表明，在干濕交替灌溉方式下，施入硝化抑制劑能顯著改善作物的生長狀況。本試驗中，在該灌溉條件下，與CK處理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理的水稻均顯著增產，其中DCD+DMPP處理最為顯著。硝化抑制劑各處理提高水稻產量，可能是由于硝化抑制劑延緩了尿素水解，減少了水稻生長前期氮養分的損失，增加土壤中的全氮含量，保證水稻生長中后期的吸氮量，從而促進水稻生長。水稻為喜銨作物，從而也促進水稻產量形成及氮素養分的吸收利用。

本研究表明，施用硝化抑制劑能有效提高水稻葉片 SPAD值，減緩水稻后期由于葉片老化導致SPAD值不斷下降的趨勢，保證水稻氮素養分的供給，進而增加水稻產量。本研究還觀察到在水稻整個生育期內，CK處理的pH低于DCD、DMPP及DCD+DMPP處理，并且pH和NH4+-N含量的變化趨勢相同，說明與土壤中的氮素轉化有關，尿素施入土壤后，在適宜條件下會迅速水解，轉化成NH4+使土壤pH上升，隨后發生硝化作用使NH4+氧化為NO3?，此過程釋放H+導致土壤pH下降[19]。

有研究[20]表明，干濕交替灌溉會在一定程度上加強土壤硝化作用，而硝化抑制劑能夠延緩硝化過程的進行，表現為NH4+-N含量緩慢下降或NO3?-N含量緩慢增加[21]。本研究結果表明，在該灌溉條件下，與CK處理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP處理均顯著提高了水稻生育期土壤 NH4+-N的含量，降低了土壤NO3--N含量，說明添加硝化抑制劑明顯抑制了水稻土壤NH4+-N向NO3?-N的氧化過程。相比之下，DCD+DMPP處理的抑制效果更為顯著，可能是由于DCD通過對氨氧化細菌產生毒性作用抑制氨氧化過程的第1步反應，即NH4+-N向NO3?-N的轉化[22]，而 DMPP的硝化抑制作用體現在氨氧化反應的第2步，即抑制硝化反應中NO2?-N向NO3?-N的轉化[23-24]。因此，尿素配施DCD有利于抑制土壤NO2?-N的生成，配施DMPP則會導致NO2?-N的積累，而同時施用這2種抑制劑既可達到硝化抑制效果，又能避免NO2?-N積累對植物生長的不利影響。本研究還觀察到，水稻各生育時期DCD、DMPP及DCD+DMPP處理土壤有效態氮含量顯著高于CK處理。可見，硝化抑制劑處理不僅可以抑制尿素水解和硝化作用的發生，還能增加土壤有效態氮含量[25]。

土壤酶作為土壤生化反應中的高度催化劑，參與土壤微生態環境中各種生化反應過程，是物質交換和能量流動最為活躍的生物活性物質，是衡量土壤肥力的重要指標[26-27]。本研究發現，在相同灌溉條件下，硝化抑制劑處理對土壤脲酶和蔗糖酶活性的提高有一定促進作用，可能是抑制了NH4+-N向NO3?-N的氧化過程，使土壤中銨態氮含量增加，進而促進土壤脲酶和蔗糖酶活性增加，有利于促進水稻植株吸收土壤中的養分，從而達到增產增效的目的。

4 結論

在水稻干濕交替灌溉條件下，硝化抑制劑DCD和DMPP的添加能夠有效提高水稻土壤氮肥的利用效率，提高土壤脲酶和蔗糖酶活性及土壤NH4+-N含量，降低土壤NO3?-N含量，減少氮肥損失，保持較高的土壤養分，促進水稻干物質積累量，提高作物生長速率，有利于提高水稻的穗粒數和結實率，最終增加產量。