双季稻田添加脲酶抑制剂NBPT氮肥的最高减量潜力研究

张文学， 孙 刚， 何 萍， 梁国庆， 余喜初， 刘光荣， 周 卫*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 农业部植物营养与肥料重点开放实验室， 北京 100081； 2 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西南昌 330200； 3 江西省红壤研究所， 江西南昌 331717)

经过大量的田间试验验证[4]，包括在热带的淹水稻田[6,11]，NBPT可以有效地提高作物产量[12-14]以及氮肥利用率[13,15]，但关于脲酶抑制剂对我国稻田氮素转化影响的研究较少，本文研究尿素添加脲酶抑制剂(NBPT)对我国双季稻田的无机氮含量、 酶活性、 微生物量碳、 氮含量以及氮素回收率等的影响，确定早稻与晚稻添加脲酶抑制剂时的适宜施氮量，为稻田减少氮素损失、 提高氮肥利用率提供科学依据，为稻田施肥提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 试验设计

水稻供试品种: 早稻为德农88，晚稻为汕优456； 脲酶抑制剂为NBPT； 供试肥料品种: 氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为钙镁磷肥(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。

在水稻分蘖期、 孕穗期分别采集各小区耕层土壤样品，测定脲酶与硝酸还原酶活性、 铵态氮与硝态氮含量、 微生物量碳、 氮含量； 用于测定酶活性、 无机氮的土样若不能立即测定需保存于-20℃，用于测定微生物量碳、 氮含量的土样则保存于4℃； 成熟期测定各小区产量以及植株氮含量。

1.3 测定方法与计算

1.3.2 土壤中铵态氮与硝态氮含量的测定 土壤中的铵态氮与硝态氮含量用1 mol/L的KCl溶液浸提，采用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer (West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 仪器测定。

1.3.3 微生物量碳、 氮含量测定与计算 土壤微生物量碳、 氮含量的测定采用氯仿熏蒸—K2SO4浸提法[18-21], 其含量计算如下:

BC=EC/KC

BN=EN/KN

其中，BC、 BN分别为土壤微生物量碳、 氮含量； EC、 EN分别为熏蒸和未熏蒸样品中有机碳、 全氮含量之差； KC、 KN为回收系数，KC=0.45[19-20]， KN=0.54[21]。

1.3.4 植株氮素含量的测定 取植株粉碎样，用浓H2SO4-H2O2消化，用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer (West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 仪器测定。

1.3.5 数据处理 所有数据采用Excel 2007、 SAS 9.1软件进行统计分析，运用Excel 2007软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水稻产量的影响

由图1可知，各处理对水稻产量的影响显著(P<0.05)。对于早、 晚稻，处理U3+UI的产量最高，且与处理U5的差异显著，说明与传统施氮(单施尿素N 180 kg/hm2)相比，施用尿素添加脲酶抑制剂NBPT时，施氮量为N 135 kg/hm2可显著提高水稻产量，早、 晚稻分别提高8.54%和12.87%； 此处理不仅增产显著，而且减少氮肥(N)用量45 kg/hm2，即节约氮肥25%。在晚稻产量中，处理U3+UI、 U4+UI显著高于处理U5+UI的，在田间观察到U5+UI处理的植株贪青晚熟，可能是其产量下降的主要原因。

图1 不同处理水稻产量 Fig.1 Yield of rice under different treatments

2.2 不同处理对水稻氮素回收率的影响

图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 不同处理对土壤脲酶与硝酸还原酶活性的影响

在孕穗期，添加NBPT的处理与传统施氮处理间无显著差异，可能由于时间的推移，NBPT逐渐降解，失去了对脲酶的抑制作用，尿素也被完全分解，脲酶活性基本恢复等原因导致。

图3 水稻分蘖期和孕穗期土壤脲酶与硝酸还原酶活性 Fig.3 Activities of urease and nitrate reductase in soil at tillering and booting stages of rice

2.4 不同处理对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

图4结果表明，稻田土壤中的铵态氮含量明显高于硝态氮含量。在水稻分蘖期，处理U5的铵态氮含量显著高于其余处理的，早、 晚稻分别高达79.65 mg/kg和99.55 mg/kg； 与U5处理相比，施氮量相同的U5+UI处理在早、 晚稻分别降低铵态氮含量12.04%和10.41%。在孕穗期，土壤铵态氮含量急剧下降，且处理间差异显著(P<0.05)，可能由于此时水稻对氮肥的大量吸收所致[22]； 添加NBPT处理的铵态氮含量随着施氮量的增加而呈递增趋势，处理U5+UI的最高； 与处理U5相比，处理U5+UI的铵态氮含量在早、 晚稻分别高出21.11%和32.25%。以上结果说明，添加NBPT显著减少了分蘖期土壤的铵态氮含量，而显著增加了孕穗期的铵态氮含量。

与土壤的铵态氮含量相比，硝态氮含量极低，不足铵态氮含量的2%，且处理间的差异始终不显著(P>0.05)，反映了稻田长期淹水，土壤持续厌氧环境下硝化作用极其微弱，而且不同的施氮量以及添加NBPT对硝态氮含量均无明显影响。

2.5 不同处理对微生物量碳、 氮含量的影响

图5显示，水稻分蘖期与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/氮比值在各时期内处理间的差异不显著(P>0.05)，说明不同施肥处理对微生物量碳、 氮含量没有显著影响，添加脲酶抑制剂对土壤生物特性没有明显影响。对同一时期的微生物量碳、 氮含量进行相关性分析发现，二者存在极显著正相关关系(P<0.01)。分别对以上三项指标在早、 晚稻两个时期的变化进行分析，结果表明，微生物量碳、 氮含量在晚稻两个时期之间的差异显著(P<0.05)，而在早稻的差异不显著(P>0.05)，这说明晚稻的季节变化对微生物量碳、 氮含量的影响较施肥处理的影响更大。

图4 水稻分蘖期与孕穗期土壤铵态氮与硝态氮含量 Fig.4 Contents of and in soil at tillering and booting stages of rice

2.6 土壤生物特性与水稻产量的相关性

将水稻两个生育期的土壤脲酶活性、 硝酸还原酶活性、 铵态氮含量、 硝态氮含量、 微生物量碳含量、 微生物量氮含量、 微生物量碳/氮比值7项指标对产量的影响进行逐步回归分析(n=21)。结果表明，只有铵态氮含量进入回归方程，说明土壤铵态氮含量对产量的影响显著，而其余6项指标对产量的影响不显著。 回归方程的相关参数见表1。由表1可知，对于早、 晚稻，两个时期的铵态氮含量对产量的影响均达极显著水平(P<0.01)，而且，孕穗期的影响大于分蘖期的，说明氮肥对于水稻产量的提高作用显著，尤其是孕穗期的氮肥更为重要。

3 讨论与结论

土壤酶活性受到诸多因素的影响[23-24]，如脲酶活性与基质浓度、 温度、 pH、 有机质含量、 微生物生物量、 总氮量等因素呈正相关关系[25-31]，短期内可被脲酶抑制剂抑制(脲酶抑制剂有一定的时效性，如NBPT施入土壤后2周左右可降解为N、 P、 S等元素[9])。本研究发现，在早稻与晚稻的分蘖期，施用氮肥显著提高了土壤脲酶活性，而添加NBPT后脲酶活性并没有随着施氮量的增加而增加，且添加NBPT下各处理的脲酶活性均显著低于传统施氮处理的，说明基质的增加会提高脲酶活性，而NBPT则对脲酶活性有较强的抑制作用； 到孕穗期，可能由于脲酶抑制剂NBPT逐渐降解失去抑制效应，尿素完全水解，脲酶活性趋于平稳，施用氮肥的各处理间无显著差异。对于硝酸还原酶活性，在早稻与晚稻的两个时期，活性始终维持在极低水平，可能由于稻田长期淹水的特殊环境导致； 不同处理间没有显著差异，表明氮肥以及脲酶抑制剂对硝酸还原酶活性没有明显的影响，这与李东坡等人的报道[9,32]一致。

表1 水稻产量与两个生育期影响因子的逐步回归分析(n=21)

相同施氮量下，添加NBPT的处理(U5+UI)在分蘖期土壤铵态氮含量显著低于传统施氮处理(U5)的，而孕穗期截然相反，进一步说明添加脲酶抑制剂可有效减缓生育前期尿素的水解，减少土壤中的铵态氮含量，在后期随着脲酶抑制剂的降解，尿素完全水解，因而可为需肥高峰期的水稻提供更加充分的铵态氮。水稻孕穗期耕层土壤中的铵态氮含量显著低于分蘖期，也是因为在孕穗期水稻根系庞大，对养分的吸收强度和数量急剧增加[22]，导致土壤中的铵态氮含量骤降。土壤中硝态氮含量始终较低，不足铵态氮含量的2%，且不受施氮量的影响，这与Wang[33]等人报道一致； 另外，硝态氮含量没有明显的变化，可能与稻田长期淹水以及水稻为喜铵作物有关。

本研究结果中，在水稻分蘖期和孕穗期的处理间微生物量碳、 氮含量均无显著差异，证明了添加NBPT对微生物无明显副作用[9,34]。同一时期内微生物量碳、 氮含量存在极显著正相关关系，这与Mandal等[35]的报道一致。土壤微生物量碳、 氮含量以及土壤酶活性受到多种因素的影响[29]，在作物生长期，微生物生物量会因为作物的生长、 气候变化而发生短暂的季节性波动[36]，本研究中，晚稻的两个生育期之间微生物量碳、 氮含量存在显著差异，孕穗期土壤微生物量碳、 氮含量显著高于分蘖期，显示了季节变化的影响[24,37]，早稻则无此差异，这可能由于晚稻生长期间，温度较高，水稻生长旺盛，根系分泌物较多，土壤微生物活性较高等诸多因素导致。

通过对稻田土壤的七项指标在分蘖期和孕穗期与产量的关系进行逐步回归分析发现，只有土壤铵态氮含量对产量的影响显著，且孕穗期的影响大于分蘖期的，因此，通过添加脲酶抑制剂，有效地实现了尿素水解后移，增加了孕穗期土壤铵态氮的供应，可能是其节约氮肥与增产显著的主要原因。本研究中，对不同处理的水稻产量和氮素回收率分析结果也证明了添加脲酶抑制剂的有效性。在同样产量目标下，添加1%的脲酶抑制剂可以节省25%的尿素，今后可继续深入研究添加脲酶抑制剂的节肥潜力。

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