复合生化抑制剂对稻田氮素转化和水稻生长的影响

俞巧钢，黄郑宸，叶静，孙万春，林辉，王强，王峰，马军伟*

（1.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，杭州 310021；2.浙江农林大学环境与资源学院，杭州 311300）

水稻是我国典型的粮食作物，其种植分布十分广泛，尤其是在水资源丰富的东南沿海区域。在水稻种植生产过程中，往往会投入一定量的化学氮肥以提高产量[1]。但传统肥料存在品种单一、投入量大和一次性施用等不合理因素[2]，致使氮肥利用率低，养分流失较为严重[3]，直接影响周边流域的水质，导致河流水体环境恶化和生态功能失调[4-5]。尿素含氮量高，是传统的重要含氮速效性化学肥料，在稻田土壤和田面水中可发生快速的形态迁移转化[6-7]，对粮食作物的生长有着极其重要的作用[1]。但尿素在不合理施用时会因强降雨以及人为排水而大量流失，引起水体富营养化，破坏自然生态系统平衡，存在对水环境造成污染的潜在风险[2,8]。因此，如何减少传统肥料的氮素损失并提高作物对氮素的吸收利用率，以及如何有效减轻农田氮素流失对水环境的负面影响已日益成为人们关注的核心焦点问题。

在脲酶的催化作用下，施入土壤的尿素可迅速发生水解并生成较高浓度的氨[7]，其转化速率是未经催化水解的1×1014倍[9]，导致作物对氮素的吸收利用率显著下降[10]。脲酶抑制剂正丁基硫代磷酰三胺［N-(n-butyl)thiophosphoric triamide,NBPT］是国内外研究的热点。研究表明，NBPT 对脲酶活性有着良好的抑制作用，能够减缓尿素水解速率以及氨释放速率[11-12]。硝化抑制剂对土壤氮素迁移周转中的氨氧化过程有着明显的抑制作用[13]，可以延长铵态氮在土壤中的存在时间，影响土壤铵态氮和硝态氮等形态氮素的数量[14]，并通过改变氮素分布形态来减少氮素损失和增加作物的产量[15-16]。目前，已有相关应用的3，4-二甲基吡唑磷酸盐（3, 4-dimethylpyrazole phosphate, DMPP）是一种高效的硝化抑制剂，能有效发挥延缓土壤硝化进程的作用[17]，且其在低添加量时就有较好的效果[18-19]，对作物也不会产生不良影响[15]。因此，脲酶抑制剂与硝化抑制剂两者协同复合使用，可能是调控水稻田面水和土壤氮素转化，进而减少稻田氮素流失的重要手段和有效策略之一。脲酶抑制剂与硝化抑制剂复合的生化抑制剂在马铃薯和玉米[15]、水稻[20]以及蔬菜[18]等作物上已有一些应用，并可有效提高作物产量和品质。但针对我国水资源丰富的东南沿海特殊环境，在野外田间自然环境下，研究脲酶抑制剂NBPT和硝化抑制剂DMPP复合使用对稻田田面水和土壤氮素转化的影响相对较少。本试验选择长三角东南沿海区域的宁绍平原，通过种植单季水稻，研究在尿素氮肥中添加NBPT和DMPP复合生化抑制剂对稻田田面水、土壤氮素转化及水稻生长的影响，系统分析含复合生化抑制剂的尿素在单施、分施及减施模式下，水稻不同生育期田面水和土壤氮素的动态变化特征，以期为实现稻田田间氮素优化管理和减少氮素流失、保护水体生态环境提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

田间试验在浙江省东南沿海区域的宁绍平原西部绍兴市越城区孙端街道（30.058 042° N，120.736 619°E）进行。该试验点为南方典型水稻种植区域，具有温度适宜、湿润多雨的亚热带季风气候特点，年均降雨量1 358.6 mm，年均气温17.5 ℃。供试土壤为长三角东南沿海区域典型水稻种植区的青紫泥，肥力水平中等，其0～20 cm 耕层土壤的基本理化性状如下：pH 5.89，阳离子交换量（cation exchange capacity, CEC）19.67 cmol/kg，含有机质28.9 g/kg、全氮1.97 g/kg、有效磷35.1 mg/kg、速效钾86.5 mg/kg；黏粒、粉粒和砂粒占比分别为46.3%、43.5%、10.2%。

1.2 试验设计

通过野外田间小区试验开展研究，各小区面积为25 m2（长、宽均为5 m）。采用单灌单排，各小区之间埋入塑料薄膜以防止串水串肥。试验所用的生化抑制剂为脲酶抑制剂NBPT 和硝化抑制剂DMPP，分别按氮素用量的0.5%和1.0%添加到尿素中，经充分混匀后用于试验。水稻在2020年7月5日移栽，11 月16 日收获。水稻病虫害防治和水分管理均按照宁绍平原常规管理方式进行。试验设6 个处理：不施肥（CK）；常规尿素按50%基肥和50%追肥2次施用（CU）；含抑制剂的尿素按50%基肥和50%追肥2 次施用（IU）；含抑制剂的尿素作为基肥一次性施用（IUT）；含抑制剂的尿素减量20%后按50%基肥和50%追肥2 次施用（IU20）；含抑制剂的尿素减量20%后作为基肥一次性施用（IUT20）。每个处理重复3 次，采用完全随机区组排列。基肥在水稻移栽前1 天（7 月4 日）施入，追肥在水稻移栽后第3 周（7 月25 日）施入。水稻施氮量225 kg/hm2，配施磷75 kg/hm2（P2O5）、钾150 kg/hm2（K2O）。试验所用的磷钾肥为过磷酸钙和氯化钾，全部作为基肥施用。

1.3 样品采集与分析

分别在水稻生长的返青期、分蘖初期、分蘖末期、拔节期、孕穗期、灌浆期（分别为7 月8 日、7 月18日、8月2日、8月20日、9月8日、10月18日）进行样品采集。1）于田面四周均匀选取4个点位采集水样，充分混合后取50～100 mL 装入塑料瓶，过滤后测定铵态氮、硝态氮、亚硝态氮等形态氮素的含量。2）于小区四周均匀选取4 个点位采集水稻氧化层3～5 cm表层土壤样品约500 g，用2 mol/L氯化钾振荡提取并过滤后，测定铵态氮、硝态氮、亚硝态氮等形态氮素的含量。水样和土壤样品中的铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量分别采用靛酚蓝比色法、双波长紫外分光光度法、重氮化耦合比色法测定。同时，在水稻生长的分蘖期、拔节期考察其株高、分蘖数和叶绿素含量，在孕穗期、灌浆期、成熟期考察其生物量。株高[21]和叶绿素含量[22]选择各小区10株水稻进行测定。

1.4 数据分析

试验获得的数据采用Excel 2016进行分析处理和作图，结果表示为平均值±标准差；使用SPSS 20.0的邓肯法进行数据的多重比较分析，以P＜0.05 表示差异有统计学意义。

2 结果与讨论

2.1 生化抑制剂对田面水氮素转化的影响

由表1可知：与不施肥处理相比，稻田施肥后田面水铵态氮含量明显增加，尤其以返青期和分蘖期最明显。与CU处理相比，添加NBPT和DMPP复合生化抑制剂的IU 处理在基施后，返青期、分蘖初期田面水铵态氮含量分别下降7.0%、13.2%，分蘖末期的铵态氮含量较高，为CU 处理的3.7 倍。研究表明，施用添加NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素在NBPT的作用下可延缓田面水铵态氮含量的快速增加[19]，然而，在后期则由于硝化抑制剂的作用，又可延缓铵态氮的氧化，抑制田面水铵态氮含量的快速下降[16,20]。然而，采用一次性基施含NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的IUT 处理，在返青期田面水铵态氮含量比CU处理增加19.8%，且在分蘖初期为CU 处理的2.3 倍。返青期和分蘖初期田面水铵态氮含量较高主要是因为肥料全部作为基肥施用后，较高的施肥量致使一部分化肥氮转化为铵态氮。但由于肥料中脲酶抑制剂的作用，延缓了化肥氮的快速水解，即使一次性施用使氮素的投入量增加1 倍，但其田面水铵态氮含量的增加仍维持在一定限值内。施肥水平会影响田面水氮素的含量，与未减施的IU 和IUT 处理相比，减量20%施用的IU20 和IUT20 处理总体上不同程度地降低了田面水铵态氮含量。综上所述，加入复合生化抑制剂的尿素总体上可抑制田面水铵态氮含量的快速增加，延缓土壤与田面水氮素转化的时间。田面水铵态氮含量的差异主要在施肥的前期比较明显，而在施肥的后期差异缩小。这一方面是因为肥料中所含的NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂在前期活性较高，而随时间推移其生物活性不断下降，抑制能力减弱[10,19]；另一方面是因为水稻在生长后期对养分的吸收速率加快，降低了土壤和田面水中的氮素含量，致使后期含量差异不大[6,20]。

表1 水稻不同生育期田面水铵态氮含量Table 1 Ammonium nitrogen concentrations in field surface water at different growth stages of rice mg/L

肥料施入稻田后对田面水硝态氮含量也有明显影响，大都不同程度地增加了硝态氮含量（表2）。田面水硝态氮含量在施肥前期总体较低，而在水稻分蘖末期经晒田以控制分蘖后增加较大。其原因主要是水稻处于淹水厌氧状态以及前期水稻植株根系泌氧功能相对较弱，不利于土壤的硝化进程；而经晒田后空气较容易进入土壤，土壤中氧气的分压较大，使得土壤硝化作用容易进行，从而导致稻田再次灌水后田面水硝态氮的含量有所增加[20]。从表2中可见，与CU处理相比，添加复合生化抑制剂的IU处理在返青期、分蘖初期、分蘖末期田面水硝态氮含量分别降低46.5%、50.5%、11.4%。这表明添加复合生化抑制剂对降低田面水硝态氮含量的效果较为明显，尿素中含有的DMPP可抑制硝化作用的进行，在一定程度上降低了田面水硝态氮的含量[16]。施肥水平也会影响田面水硝态氮含量。与未减施的IU和IUT处理相比，减量20%施用的IU20和IUT20处理都不同程度地降低了田面水硝态氮含量。另外，对于一次性基施的IUT和IUT20处理，返青期、分蘖初期、分蘖末期和拔节期的田面水硝态氮含量都低于CU处理，说明含复合生化抑制剂的尿素即使全部作为基肥施用，其所含的NBPT和DMPP复合生化抑制剂也可有效抑制土壤氮素的快速转化，从而抑制氮素进入水相，避免田面水硝态氮含量的快速增加[12]。

表2 水稻不同生育期田面水硝态氮含量Table 2 Nitrate nitrogen concentrations in field surface water at different growth stages of rice mg/L

稻田田面水铵态氮和硝态氮含量较高，亚硝态氮含量（表3）较低，表明亚硝态氮不是田面水氮素的主要形态。对于施用常规尿素的CU 处理，田面水亚硝态氮含量在氮肥施用后快速增加，在返青期为CK处理的8.9倍，在分蘖初期、分蘖末期、拔节期分别为CK 处理的2.0 倍、13.7 倍、3.5 倍。然而，与CU 处理相比，添加复合生化抑制剂的IU 处理的亚硝态氮含量在返青期、分蘖初期和分蘖末期分别降低75.4%、58.2%和92.4%，在拔节期和孕穗期也有所下降。施肥水平也影响田面水亚硝态氮含量。与未减施的IU 和IUT 处理相比，减量20%施用的IU20 和IUT20 处理的田面水亚硝态氮含量均呈不同程度的下降趋势。而对于一次性基施的IUT 和IUT20 处理，田面水亚硝态氮含量在返青期、分蘖初期和分蘖末期也远低于施用常规尿素的CU 处理。进一步说明含NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素可有效抑制氨氧化发生，抑制田面水和土壤的硝化作用进程[6,12]，有效降低田面水亚硝态氮含量[20]。

表3 水稻不同生育期田面水亚硝态氮含量Table 3 Nitrite nitrogen concentrations in field surface water at different growth stages of rice μg/L

2.2 生化抑制剂对土壤氮素转化的影响

由表4可知：施用氮肥可使土壤铵态氮含量迅速增加，常规尿素施用后土壤铵态氮含量在返青期为CK处理的5.5倍。然而，对于添加复合生化抑制剂的IU 处理，土壤铵态氮含量在返青期比CU 处理下降21.8%，而在分蘖初期、分蘖末期和拔节期分别增加13.5%、27.5%和9.3%，在孕穗期和灌浆期差异不明显。原因在于：复合生化抑制剂中含有的脲酶抑制剂可抑制尿素快速水解转化为铵态氮，避免了土壤铵态氮含量在施肥后迅速增加[10,12]；而其含有的硝化抑制剂可抑制土壤氨氧化过程，进而相应维持后期土壤中较高的铵态氮含量及其保持时间[15,17]。肥料施用量也会影响土壤铵态氮含量。与未减施的IU和IUT处理相比，减量20%施用的IU20和IUT20处理在返青期和分蘖末期都不同程度地降低了土壤铵态氮的含量。而对于采用一次性基施的IUT 和IUT20处理，土壤铵态氮含量在返青期并没有大幅增加，即土壤铵态氮的生成转化受到了明显抑制，说明尿素中所添加的NBPT和DMPP复合生化抑制剂对土壤氮素的形态转化有着较好的控制效果[10,19]。

表4 水稻不同生育期表层土壤铵态氮含量Table 4 Ammonium nitrogen concentrations in surface soil at different growth stages of rice mg/kg

施肥后水稻各生育期稻田土壤硝态氮含量明显低于铵态氮含量，与我们前期的研究结果[16]一致。由于稻田为淹水状态，不利于土壤硝化作用的进行，各施肥处理在返青期和分蘖初期的硝态氮含量总体均较低。在分蘖末期，由于水稻植株泌氧功能加强以及土壤晒田伴随氧气的进入，土壤硝化作用加强，土壤硝态氮含量总体达到最高水平，其中添加复合生化抑制剂的IU处理的硝态氮含量较CU处理下降12.6%，且在拔节期、孕穗期和灌浆期也低于CU 处理。对于一次性基施的IUT 和IUT20 处理，土壤硝态氮含量在除灌浆期外均低于CU 处理（表5）。说明施用含NBPT和DMPP复合生化抑制剂的尿素后土壤硝化进程会受到一定的抑制，即复合生化抑制剂具有较好的控制土壤氮素转化的效果[10,15]。

表5 水稻不同生育期表层土壤硝态氮含量Table 5 Nitrate nitrogen concentrations in surface soil at different growth stages of rice mg/kg

与田面水氮素形态和含量相对应，土壤中也基本表现为铵态氮含量最高，其次是硝态氮，亚硝态氮含量（表6）最低，说明亚硝态氮不是稻田土壤氮素的主要形态。土壤亚硝态氮为硝化进程第一阶段的生成物，其含量受土壤硝化反应的影响[20]。从水稻全生育期比较发现，常规尿素施用后，随着硝化反应的发生，稻田土壤亚硝态氮在水稻整个生育期的平均含量比不施肥处理增加97.9%。添加抑制剂的尿素各处理的土壤硝化反应进程不同程度地受到抑制，除孕穗期和灌浆期外土壤亚硝态氮含量均明显降低。与CU处理相比，含抑制剂的IU、IUT、IU20、IUT20处理的水稻全生育期亚硝态氮平均含量分别下降33.2%、26.4%、39.4%、31.7%。

表6 水稻不同生育期表层土壤亚硝态氮含量Table 6 Nitrite nitrogen concentrations in surface soil at different growth stages of rice μg/kg

2.3 生化抑制剂对水稻生长生物学性状和产量的影响

与CK 处理相比，施肥后水稻的株高、分蘖数及叶绿素含量在分蘖期和拔节期均呈增加趋势（图1）。与CU 处理相比，在分蘖期和拔节期含抑制剂的IU 处理中水稻的株高分别增加4.8%和4.1%，分蘖数分别增加4.9%和11.8%，叶绿素含量分别增加17.8%和15.9%；IUT 处理中水稻的株高分别增加7.1%和4.7%，分蘖数分别增加8.1%和9.2%，叶绿素含量分别增加7.4%和10.4%。这说明施用含NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素延缓了氮素的形态转化，能满足水稻生长过程对铵态氮吸收的需求，促进水稻植株对氮素的吸收利用，从而使施用含抑制剂的尿素处理中水稻的株高及分蘖数在分蘖期和拔节期均总体超过CU 处理，与MENG 等的研究结果[19]一致，同时，水稻的叶绿素含量增加，叶片色泽深绿。作为基肥一次性施用的IUT 和IUT20 处理中水稻的叶绿素含量在分蘖期和拔节期也高于CU 处理。试验结果表明，含NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素可促进水稻生长，使其株高、分蘖数和叶绿素含量增加。

图1 水稻不同生育期的株高、分蘖数和叶绿素含量Fig.1 Plant heights, tiller numbers and chlorophyll contentsat different growth stages of rice

稻田施肥明显促进水稻植株的生长及生物量的增加（表7）。施用添加复合生化抑制剂的尿素后，氮素形态受控缓慢转化，有效维持了较高水平的土壤铵态氮含量，从而满足水稻生长过程中对铵态氮养分的吸收需求，使其生物量总体较CU 处理有所增加，与MENG等的研究结果[19]一致。在孕穗期含抑制剂的IU 处理中水稻的生物量比CU 处理增加42.2%，一次性基施的IUT 处理的生物量较CU 处 理 增 加13.6%，减 量20% 施 用 的IU20 和IUT20 处理的生物量与CU 处理相近。孕穗期生物量的增加主要表现为秸秆的差异，而穗的差异总体较小。在灌浆期，与CU 处理相比，添加抑制剂的IU 处理的生物量增加23.4%，一次性基施的IUT 处理的生物量增加13.5%，而减量20%施用的IU20和IUT20 处理的生物量差异不明显。在成熟期，与CU 处理相比，IU 和IUT 处理中水稻秸秆生物量分别增加12.6%和9.2%，穂（籽粒产量）分别增加12.5%和6.9%，减量20%施用的IU20 和IUT20 处理中水稻秸秆生物量较CU 处理均有所增加，而籽粒产量接近。从试验结果可知，添加NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素可促进水稻植株的生长，增加其生物量，在减量20%施用时其生物量仍能与CU处理相近。

表7 水稻不同生育期的生物量变化Table 7 Biomass changes at different growth stages of rice t/hm2

试验所用的青紫泥土壤颗粒细小，黏性强，具有较大的阳离子交换量（CEC值），可有效吸附土壤铵态氮，从而减少土壤铵态氮向田面水层的迁移。脲酶抑制剂和硝化抑制剂的复合添加既避免了尿素快速水解导致的土壤铵态氮含量过高，又延缓了铵态氮氧化形成硝态氮，从而有效维持了稻田土壤较高水平的铵态氮含量以及低水平的硝态氮含量[6,10]，同时，降低了田面水铵态氮和硝态氮的含量，减轻了稻田氮素流失的风险[20]。农田作物可以吸收铵态氮和硝态氮，但它们对铵态氮的吸收所消耗的能量更低，更有利于其生物量的累积[15]。因此，施用含NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素有助于喜铵作物水稻对铵态氮的吸收，使其生物量增加。

3 结论

1）稻田施肥明显增加了水稻各生育期田面水和土壤铵态氮、硝态氮、亚硝态氮含量，其中铵态氮是主要的氮素存在形态，其次是硝态氮，亚硝态氮最少。与常规尿素处理相比，添加NBPT 和DMPP复合生化抑制剂的尿素按50%基肥和50%追肥2次施用，使返青期和分蘖初期田面水铵态氮含量下降7.0%和13.2%，硝态氮含量降低46.5%和50.5%，亚硝态氮含量降低75.4%和58.2%；同时，使返青期土壤铵态氮含量下降21.8%，分蘖初期、分蘖末期和拔节期增加13.5%、27.5%和9.3%。说明本研究中脲酶抑制剂和硝化抑制剂的协同作用可有效抑制尿素施用后稻田土壤和田面水铵态氮和硝态氮含量的快速增加，较施用常规尿素的处理能更有效延缓氮素形态转化，维持田面水和土壤中相对较低的硝态氮、亚硝态氮水平，降低氮素流失风险。

2）与常规尿素处理相比，添加NBPT 和DMPP复合生化抑制剂的尿素一次性基施或按50%基肥和50%追肥2 次施用，可促进水稻生长，使其株高、分蘖数和叶绿素含量增加，其中水稻籽粒产量增加6.8%和12.5%，生物量增加9.2%和12.6%。添加NBPT和DMPP复合生化抑制剂的尿素减量20%施用时，水稻籽粒产量仍与常规尿素处理相近。含NBPT 和DMPP 复合生化抑制剂的尿素采用一次性基施的水稻产量与分次施用相接近。说明NBPT和DMPP 协同作用可有效延缓氮素的形态转化，延长土壤铵态氮的保持时间，从而促进水稻的生长，提高其产量。