尿素配施硝化/脲酶抑制剂对春季和秋季马铃薯产量及土壤矿质氮的影响

黄 强，郑顺林，2，郭 函，龚 静，熊 湖，袁继超，胡建军

(1.四川农业大学，农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，成都 611130；2.农业部薯类作物遗传育种重点实验室，成都久森农业科技有限公司,四川新都 610500；3.四川省农业科学院 作物研究所，成都 610066)

氮素是马铃薯生长必需元素之一[1]，氮肥不足，马铃薯矮弱，分枝少，开花早，产量低[2]，氮肥过量，马铃薯贪青徒长，环境污染严重。长期以来，中国马铃薯氮肥利用效率为35% ～50%[3]，在部分地区利用效率只有20%[4]，造成大量的浪费和环境压力。当前，减氮增效主要通过控制氮肥施用量[5]，优化施用方法[6]，新型肥替代传统肥料，配施有机和无机肥，添加氮增效剂等方法的综合利用[7]。

马铃薯对氮素的吸收主要是铵态氮和硝态氮[8]，吸收速率的峰值只在块茎快速增长期出现[9-11]。适量追施氮肥有利于马铃薯中后期生长及块茎产量的提高，但马铃薯对氮素的吸收受季节的影响严重。研究表明适量追肥对春马铃薯增产显著，基肥对秋马铃薯增产显著[12]。氮增效剂中脲酶抑制剂NBPT可通过竞争性抑制脲酶活性延缓尿素水解，有效期15～20 d[13]，降低铵态氮积累和损失速率；硝化抑制剂DCD可通过抑制土壤氨氧化微生物(主要是AOA和AOB)活性，从而抑制硝态氮的产生，使得土壤中氮主要以铵态氮形式存在，以延长供氮时间或者增加供氮强度，增加植株氮吸收量，进而提高产量和氮素利用率[14]。同时大量研究也表明硝化/脲酶抑制剂施用效果受土壤类型、pH 和温湿度等条件的影响[15-18]。

目前，硝化/脲酶抑制剂在水稻[19]、玉米[20]和小麦[21]等作物上的研究较多，在马铃薯上还鲜有报道，特别是施肥方式和季节对其的影响。因此，研究不同施肥方式下硝化/脲酶抑制剂对春、秋季马铃薯生物量、经济产量及土壤矿质氮影响，为制定春、秋马铃薯科学的农田氮素管理措施提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验材料为‘川芋117’(四川2015年审定)，为保证材料的一致性，减少误差，试验用种薯均选用20～25 g生理质量均匀一致的马铃薯脱毒 原种。

1.2 试验设计

于2017年1月上旬至5月上旬(春薯)和2017年9月上旬至12月下旬(秋薯)在成都温江区进行控制盆栽试验。 土壤基质采用成都平原大田土壤与椰糠按1∶1.5的体积比混匀。基质基础养分为全氮11.33 g/kg，铵态氮11.85 mg/kg，硝态氮9.33 mg/kg，速效磷20.12 mg/kg，速效钾39.34 mg/kg，春、秋季基质相同。

试验采取施肥方式(A)与硝化/脲酶抑制剂类型(B)二因素随机区组设计，在施入总氮一致条件下，施肥方式设3个水平：全基肥(A1)、70%基肥+30%苗期追肥(A2，一次追肥)、50%基肥+30%苗期追肥+20%结薯肥(A3，二次追肥)；脲酶/硝化抑制剂类型设3个水平：双氰胺(DCD)(B1)、正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)(B2)、以不添加作为对照(B3)，共9个处理，每处理重复3次(3盆为一重复)。试验盆规格为38 cm×38 cm×30 cm，每盆6 kg土壤，播种4苗，播深5 cm。每盆共施10.86 g尿素、22.22 g硫酸钾、12.53 g过磷酸钙，每次施入尿素均为对应处理尿素，NBPT和DCD用量均为尿素的1.0%。齐苗20 d后施入发棵肥，开花期施入结薯肥。

1.3 测定指标及方法

在马铃薯块茎形成期( 春马铃薯4月6～8日，秋马铃薯11月4～7日)和块茎成熟期( 春马铃薯5月16～18日，秋马铃薯12月18～20日)，采取马铃薯根际土风干，备用，用于测定铵态氮、硝态氮和脲酶；取马铃薯植株样本分器官制样,于105 ℃杀青,80 ℃烘至恒量后称量，用于测定干物质量等指标。土壤样品分析方法采用《土壤农化分析方法》[22]：土壤硝态氮采用紫外分光光度法测定；土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定；土壤脲酶采用靛酚蓝比色法测定。

1.4 计算公式

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22统计分析软件对数据进行统计分析，采用Microsoft Excel作图。

2 结果与分析

2.1 土壤铵态氮变化

由表1、表2可知，硝化/脲酶抑制剂和施肥方式对马铃薯生育后期土壤矿质氮质量分数的影响有显著差异，且季节间存在一定影响。

从施肥方式上看，追施氮肥能提高马铃薯生育后期土壤铵态氮质量分数。其中在CK处理中，一次追肥比全基肥和二次追肥处理的秋马铃薯块茎形成期土壤铵态氮质量分数提高14.1%和 30.4%，但差异不显著，秋马铃薯提高875.6%和295.5%，差异极显著。至块茎成熟期时，秋马铃薯施加追肥处理的土壤铵态氮显著高于全基肥处理，春马铃薯则无显著差异。其主要原因可能是由于春、秋马铃薯不同的氮肥运筹和土壤环境所致。

表1 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制剂对春、秋马铃薯土壤铵态氮质量分数的影响Table 1 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitorson ammonium nitrogen mass fraction of potato soil in spring and autumn mg/kg

注：同列数据后的不同小写字母表示在P<0.05水平差异显著；n=3。下表同。

Note:The values within a column followed by different lowercase letters show statistically significant differences at the 0.05 probability level,as determined by Fisher’s least significant difference test;n=3. The same below.

从硝化/脲酶抑制剂上看，脲酶/硝化抑制剂提高了春、秋马铃薯生育后期土壤铵态氮质量分数，且不同种植季节表现一定差异。其中在同种施肥方式下，一次追肥配施DCD和配施NBPT春、秋马铃薯块茎形成期土壤铵态氮质量分数分别比CK显著提高124.3%、198.1%、31.0%和260.0%。总体表明施肥方式和脲酶/硝化抑制剂处理对秋马铃薯土壤铵态氮质量分数影响效果均高于春马铃薯。

2.2 土壤硝态氮变化

从施肥方式上看(表2)，追施氮肥能提高马铃薯生育后期土壤硝态氮质量分数。其中在CK中，一次追肥比全基肥和二次追肥处理的春马铃薯块茎形成期土壤硝态氮质量分数提高7.4%和52.6%，二次追肥差异显著；秋马铃薯块茎形成期土壤硝态氮质量分数提高66.0%和45.6%，均差异显著。在块茎成熟期，各施肥方式对土壤硝态氮影响不显著。

从硝化/脲酶抑制剂上看， DCD/NBPT的施用显著提高春、秋马铃薯块茎形成期土壤硝态氮质量分数。其中在一次追肥处理下，配施DCD和NBPT比CK分别显著提高春、秋马铃薯土壤硝态氮质量分数18.4%和31.6%，33.9%和 31.6%。在块茎成熟期，均无显著差异。

2.3 土壤表观硝化抑制率的变化

由表3可知，从施肥方式上看，追肥的施入能显著提高春、秋马铃薯块茎形成期土壤表观硝化率，其中在CK处理中，二次追肥处理比全基肥处理提高183.5%和47.6%。主要原因是由于追肥的施入，致使土壤矿质氮平衡被打破。

从硝化抑制剂上看，硝化抑制剂能有效地降低部分施肥方式下的土壤表观消化率。其中一次施肥配施硝化抑制剂DCD显著降低春、秋马铃薯块茎形成期土壤表观硝化抑制率，分别降低 58.6%和35.5%。硝化抑制剂对土壤表观硝化率的作用在秋马铃薯苗期高于同时期的春马 铃薯。

表2 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制剂对春、秋马铃薯土壤硝态氮质量分数的影响Table 2 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on nitrate nitrogen mass fraction of potato soil in spring and autumn mg/kg

2.4 土壤脲酶活性变化

土壤脲酶是一种重要的土壤水解酶，它能够催化尿素水解生成氨、二氧化碳和水，也是表征土壤氮素状况的酶之一。由表4可知，硝化/脲酶抑制剂能有效地降低土壤脲酶活性，但不同施肥方式下土壤脲酶活性也存在差异。

硝化/脲酶抑制剂能显著抑制马铃薯块生育后期土壤脲酶活性。其中在同种施肥方式下，一次追肥配施DCD和NBPT比CK显著降低了春、秋马铃薯块茎形成期土壤脲酶活性的49.7%、49.4%和56.8%、26.7%。主要原因是硝化/脲酶抑制剂对土壤脲酶产生抑制作用。

2.5 马铃薯形态及产量的变化

2.5.1 植株干物质量 由表5和表6可知，马铃薯干物质及产量受到施肥方式和硝化/脲酶抑制剂共同影响，同时季节间还存在一定差异。

表3 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制剂对春、秋马铃薯土壤表观硝化率的影响Table 3 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on apparent nitrification of potato soils in spring and autumn %

表4 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制剂对春秋马铃薯土壤脲酶活性的影响Table 4 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on soil urease activity of potato in spring and autumn mg/(g·d)

表5 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制剂对马铃薯单株全干物质量的影响Table 5 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on total dry matter quantity of potato plants g

从施肥方式上看，追施氮肥能显著提高马铃薯块茎形成期及成熟期干物质量，且对春马铃薯干物质量提高效果优于秋马铃薯。其中在CK处理中，二次追肥比全基肥处理的春、秋马铃薯块茎形成期、成熟期干物质量显著提高了89.0%、 57.8%、61.4%、23.7%。主要原因可能是氮肥的追加减轻了氮肥对马铃薯苗期的抑制作用和增加生育后期氮素供应水平。

从硝化/脲酶抑制剂上看，配施硝化/脲酶抑制剂在与一次追肥配施下均增加了马铃薯干物质量，在与二次追肥配施下均减少了马铃薯干物质量。其中在相同施肥方式下，一次追肥配施 DCD与配施NBPT比CK分别提高了春、秋马铃薯块茎成熟期干物质量20.6%和40.7%、22.8%和22.1%；二次追肥配施DCD和NBPT比CK分别降低了春、秋马铃薯块茎成熟期干物质量27.1%和4.7%、26.3%和10.3%，但未达到显著差异水平。可能是硝化/脲酶抑制剂延迟了氮肥供应时间，错开了马铃薯氮素吸收高峰期所致。

2.5.2 马铃薯单株产量变化 从施肥方式上看，追肥能显著提高春、秋马铃薯产量(表6)，且在CK中，二次追肥方式增产效果优于一次追肥方式；对春马铃薯效果优于秋马铃薯。其中在CK处理下，一次追肥和二次追肥比全基肥春、秋马铃薯单株产量分别提高35.0%和136.1%、34.1%和 46.9%，二次追肥处理达到显著差异。

从硝化/脲酶抑制剂上看，硝化/脲酶抑制剂在与一次追肥配施下增加了马铃薯产量，与二次追肥配施下降低了马铃薯产量。其中在同种施肥方式下,一次追肥配施DCD和配施NBPT比CK春、秋马铃薯产量分别提高53.3%、 112.0%、 28.4%和8.4%；二次追肥配施DCD比CK降低的春、秋马铃薯产量分别为69.3%、 25.1%，春马铃薯均达显著差异水平，二次追肥配施NBPT减产差异不显著。可见，合理配施硝化/脲酶抑制剂能有效增加马铃薯产量，且不同种植季节对氮增效剂增产效果存在差异。

表6 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制剂对春、秋马铃薯单株产量的影响Table 6 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on yield of per potato plants in spring and autumn g

3 讨 论

3.1 配施硝化/脲酶抑制剂对春、秋季马铃薯产量的影响

马铃薯在不同生育时期对氮的需求表现为“两头轻中间重”的规律[1]，在块茎膨大期适当提高土壤供氮能力有利于马铃薯生长与产量的增加[24-26]。脲酶/硝化抑制剂能通过抑制土壤脲酶活性[13]或者氨氧化等菌群活性[14]，减缓尿素分解、抑制矿质氮转化以延长或者调整氮供应时间，提高氮素利用效率[19]；合理施加追肥能有效地减少前期氮素损失，提高后期土壤供氮能力，增加马铃薯成熟期干物质量及产量[27]。但土壤矿质氮供应能力受到施肥方式与添加剂的共同影响，添加剂采用合适的施肥方式才能效益最大化。本试验表明追施氮肥能有效地减少苗期氮损失，提高马铃薯块茎形成期土壤矿质氮浓度，延长马铃薯的生育期，提高产量；但硝化/脲酶抑制剂的使用虽然能提高马铃薯生育中后期土壤矿质氮的供应能力，但对马铃薯干物质及产量的增加效果却存在较大差异。一次追肥配施脲酶/硝化抑制剂提高了春、秋马铃薯干物质量及产量，但二次追肥配施则造成减产。主要原因是结薯肥的施入和氮肥作用的后移，块茎形成期马铃薯土壤氮素浓度过高，造成二次追肥处理徒长贪青，扰乱了马铃薯物质分配，最终减产。本试验也表明，在二次追肥配施下，DCD处理减产程度高于NBPT处理，主要原因是脲酶抑制剂NBPT可以延缓尿素水解为铵态氮[13]，在一定时期内减少土壤无机氮浓度；而硝化抑制剂DCD可以阻断铵态氮的硝化作用[16]，总体增加土壤铵态氮质量分数，与王小彬等[28]的NBPT减少抑苗危害和贪青徒长结果 一致。

土壤表观硝化率表征土壤中铵态氮的硝化作用强度和作用时间，表观硝化率越高，氨氧化强度越大[29]，本试验表明硝化抑制剂DCD与一次追肥配施能有效地降低土壤表观消化率，与现有结论一致[29]。脲酶是一种专一性酶[13]，施入土壤中的尿素只能在脲酶的参与下才能水解，其活性可以用来表征土壤氮素状况[30]。脲酶抑制剂可以竞争性抑制抑制脲酶活性[31]。本试验表明脲酶能显著抑制脲酶活性，延缓尿素分解，提高氮肥利用效率，与张学文等[16]的NBPT可以抑制土壤脲酶活性结果一致。

3.2 季节对硝化/脲酶抑制剂的影响

硝化/脲酶抑制剂效果受到温度、湿度、土壤、pH的影响[15-18]，春秋马铃薯氮肥运筹差异明显。由于光温等原因，春马铃薯前期生长较慢，中后期生长较快，光合能力强、光饱和点高，对氮素营养需求较大，秋马铃薯中后期生长较慢，对氮素营养需求较低，施加追肥对春马铃薯增产作用优于秋马铃薯[27]。本试验表明，硝化/脲酶抑制剂和追肥对春马铃薯的增产效果大于秋马铃薯，与已有的研究结果一致；但氮增效剂对土壤氮素的影响却是秋马铃薯大于春马铃薯。主要原因是氮增效剂在铵态氮浓度较高的条件下，亚硝化细菌更为敏感，抑制效果最好[28]，春马铃薯中后期对氮素的快速吸收，块茎形成期至成熟期土壤铵态氮量低于秋马铃薯，导致硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯土壤氮素的影响程度高于春马铃薯。据报道：硝化抑制剂DCD作用随着施用时间的延长而逐渐减弱[29]。本试验表明硝化抑制剂对春马铃薯苗期土壤表观消化率的抑制效果低于秋马铃薯，主要原因可能是秋马铃薯播种后发芽较快，施肥至苗期时间远短于春马铃薯。

4 结 论

硝化/脲酶抑制剂与氮肥合理配施，能显著降低土壤脲酶活性，提高马铃薯生长后期土壤矿质氮和土壤氮代谢活性，与马铃薯氮吸收特性更加匹配；从而提高马铃薯干物质量及产量。硝化/脲酶抑制剂和施肥方式对春马铃薯的影响高于秋马铃薯，在盆栽条件下春马铃薯采用一次追肥与NBPT配施方式最优，秋马铃薯采用一次追肥与DCD配施方式最优。