抑制剂对稻茬小麦产量及氮素利用效率的影响

王 静,万水霞,李 帆,吴萍萍,王允青,鲍先巡,程益涵

(1.安徽省农业科学院土壤肥料研究所/养分循环与资源环境安徽省重点实验室,安徽合肥 230031;2.安徽省农业科学院产业处, 安徽合肥 230031)

小麦是世界三大粮食作物之一,也是中国重要的商品粮和战略储备粮,在保障国家粮食安全方面发挥着举足轻重的作用。我国小麦每年播种面积约为2 338×104hm2,占全国粮食作物播种面积的20%左右[1]。施用化学肥料,特别是氮肥,是保证小麦高产、稳产的重要措施。我国氮肥利用率较低,小麦平均只有28%左右,远低于57%的世界平均水平[2]。大量未被作物吸收利用的氮素通过氨挥发、硝化-反硝化、径流和淋溶等途径损失[3-4],不仅造成了肥料资源的浪费,还加剧了水体、土壤和大气等生态环境污染问题,带来一系列的经济、生态和社会的负面效应[5-6]。因此,如何有效提高小麦氮肥利用率、保证作物高产并降低环境风险,是现代农业发展亟需解决的问题。

向化学氮肥中添加氮素抑制剂以调控氮在土壤中的循环过程,是一项能够有效减少氮素损失、提高氮肥利用率和促进作物生长的重要措施[7]。脲酶抑制剂主要通过与尿素竞争脲酶活性部位抑制土壤中脲酶活性,减缓或延迟酰胺态N的水解,降低土壤中NH4+-N的生成[8-9]。硝化抑制剂则主要是通过对氨氧化细菌氨单加氧酶(AMO)的活性进行竞争性抑制,暂时阻止NH3氧化为羟胺(NH2OH),延长NH4+-N在土壤中的滞留时间,促进作物对NH4+-N的吸收利用和微生物氮的固持,同时减缓了硝化作用的进程,并降低了该过程中氮氧化物等的气态损失,减少了硝酸盐(NO3--N)的淋溶[10-11]。研究表明,脲酶抑制剂和硝化抑制剂的对土壤氮素的调控效果取决于其自身的理化性质、生物活性以及降解特性,且受试验条件如土壤类型、温度、降雨量、土壤质地、田间管理措施等各种因素的影响[12-14]。因而,不同种类的抑制剂或者同一抑制剂在不同环境下施用对土壤氮素转化的调控效果大不相同[15-16]。沿淮地区地处我国南北气候过渡地带,生态特征复杂,稻麦轮作是该地区重要的农业种植模式,目前关于脲酶/硝化抑制剂在小麦上的应用效果还未见报道,其对小麦产量、氮素吸收利用及土壤氮素的影响尚不清楚。为此,本研究以沿淮稻茬麦区农田为研究对象,以淮麦38为供试品种,研究了脲酶抑制剂NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)、硝化抑制剂DMPP(3、4-二甲基吡唑磷酸盐)及其两者组合对稻茬小麦产量、产量构成因子、氮素利用效率和土壤氮素的影响,为优化沿淮地区氮素养分管理提供理论依据与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在安徽省蚌埠市怀远县河溜镇(117°04′12′′E,32°58′58″N)进行。该区域位于黄淮海平原南缘,淮河中游,属于暖温带半湿润季风气候区,年平均气温15.3 ℃,年均无霜期218 d,年均降雨量874.6 mm,年内降水分布不均匀,多集中在夏季(6-8月),年均日照时数2 206 h。本试验为定位试验,种植制度为水稻-小麦轮作,一年两熟,开始于2018年6月水稻季,土壤类型为潜育型水稻土砂姜黑土田,试验开始前0～20 cm耕层土壤基本理化性质为:pH 6.46,有机质11.7 g·kg-1,全氮0.84 g·kg-1,碱解氮55.3 mg·kg-1,Olsen-P 12.4 mg·kg-1,速效钾77.1 mg·kg-1,CEC 241.49 mmol·kg-1。

1.2 试验设计

试验共设5个处理:不施氮肥(CK),普通尿素(U),尿素+脲酶抑制剂NBPT(UN),尿素+硝化抑制剂DMPP(UN),尿素+脲酶抑制剂NBPT+硝化抑制剂DMPP(UND)。随机区组设计,每个处理3次重复,共计15个小区,小区面积为26 m2(6.5 m×4 m),各小区间距50 cm。小麦肥料用量为N 210 kg·hm-2,P2O590 kg·hm-2和K2O 90 kg·hm-2,氮肥为含N 46%的普通尿素,磷肥为含P2O512%的过磷酸钙,钾肥为含K2O 60%的氯化钾。氮肥分2次施用,基肥∶拔节肥=7∶3,磷、钾肥全部作为基肥一次性施入,肥料均采用人工撒施。脲酶抑制剂NBPT和硝化抑制剂DMPP均按尿素纯氮量的1%进行添加,与尿素混匀后施用。供试小麦品种为淮麦38,于2019年11月2日采取人工条播方式精量播种,行距20 cm,播种量180 kg·hm-2,基本苗368×104株·hm-2,2020年5月31日收获。其它栽培管理措施与当地农户常规管理一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 籽粒产量及产量构成因素测定

小麦成熟期,每小区选取3个1 m 长样方,取其地上部分,测穗数;随机取20株进行考种,调查穗粒数,测定千粒重及其水分,按13%水分计算千粒重含量。按小区实收,风干后计产。

1.3.2 植株氮含量测定

将上述20株考种后的小麦植株105 ℃杀青30 min后,65 ℃烘干至恒重;用H2SO4-H2O2消煮后,用凯氏定氮法测定小麦籽粒和秸秆的氮含量[17],氮含量均以干重为基数表示。

1.3.3 土壤理化性状的测定

试验开始前和小麦收获后采集各小区 0～20 cm 土层土样,用于测定硝态氮、铵态氮和微生物氮。土壤pH、有机质、全氮、碱解氮、Olsen-P、速效钾和CEC采用常规方法测定[17];用紫外分光光度法测土壤硝态氮含量[18],靛酚蓝比色法测土壤铵态氮含量[18],土壤无机氮为硝态氮和铵态氮的总和;土壤微生物氮(SMBN)采用氯仿熏蒸-K2SO4溶液浸提法测定[19]。

1.3.4 相关指标计算方法

氮肥吸收利用率(NRE) =(施氮区地上部氮积累量-不施氮区地上部氮积累量) /施氮量×100%;

氮肥农学利用率(NAE)= (施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量;

植株氮素吸收效率(NUP)=施氮区地上部吸氮量/施氮量×100%;

氮肥偏生产力(PFP)=施氮区籽粒产量/施氮量;

氮素收获指数(NHI)=籽粒氮素累积量/植株氮素累积量×100%;

1.4 数据处理

数据采用Excel 2016整理,用SPSS 19.0进行方差分析,并用最小显著差异法LSD进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 生化抑制剂对小麦产量及其构成因子的影响

2.1.1 对小麦产量及生物量的影响

与CK比较,施氮处理显著提高了小麦籽粒、秸秆和地上部生物量(P<0.05),增幅分别为33.9%～48.2%、29.5%～44.4%和31.4%～46.1%(表1)。相比于U处理,UD和UND处理小麦籽粒增产8.9%和10.7%,秸秆量增加7.8%和11.6%,地上部生物量增加8.3%和11.2%,且差异均达到显著水平(P<0.05)。UN处理的小麦籽粒、秸秆和地上部生物量较U处理差异均不显著。由此可见,在沿淮稻茬麦区,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT可显著提高小麦的产量及生物量,与配施NBPT增产效果不明显。

表1 不同处理小麦籽粒、秸秆和地上部生物量Table 1 Grain, straw and above ground biomass of wheat under different treatments

2.1.2 对小麦产量构成因子的影响

由表2可看出,施氮处理的有效穗数、穗粒数和千粒重均显著高于CK(P<0.05),增幅分别为12.1% ～ 17.6%、12.0% ～ 21.3%和4.3% ～ 6.9%。UD和UND处理的有效穗数较U处理分别增加3.3%和4.9%,穗粒数分别增加7.5%和8.3%,差异均显著;3者间千粒重差异不显著;UN处理的穗数、穗粒数和千粒重较U处理均无显著差异。因此,在沿淮稻茬麦区,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT是提高小麦有效穗数和穗粒数的有效措施。

表2 不同处理的小麦产量构成因子Table 2 Yield components of wheat under different treatments

2.1.3 对小麦经济效益的影响

由表3可看出,相比于U处理,UD和UND处理的小麦经济效益显著提高,分别提高了9.9%和11.7%;UN处理的小麦经济效益较U处理增加3.4%,但二者差异未达显著水平。由此可见,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT虽然增加了肥料成本,但可以显著提高小麦经济效益,推荐应用。

表3 不同处理的小麦经济效益Table 3 Economic benefit of wheat under different treatments Yuan·hm-2

2.2 生化抑制剂对小麦氮素吸收利用率的影响

2.2.1 对小麦氮素积累量的影响

由图1可看出,不同处理的小麦籽粒、秸秆和地上部氮积累量均存在明显差异。施氮处理的籽粒、秸秆和地上部氮积累量均显著高于CK,这说明施氮能够促进小麦对氮素的吸收。U处理的籽粒、秸秆和植株氮积累量分别为120.3 kg·hm-2、39.1 kg·hm-2和159.4 kg·hm-2。与U处理相比,UN、UD和UND处理的籽粒氮积累量分别增加了1.6%、8.9%和14.9%,秸秆氮积累量分别增加了4.7%、13.4%和19.2%,植株氮积累量分别增加了2.4%、10.0%和16.0%,其中UD、UND处理与U处理之间各指标的差异均达显著水平(P<0.05),而UN与U处理的差异不显著。由此可见,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT可显著提高小麦氮素积累量。

图柱上不同小写字母表示处理间差异在5%水平显著。下同。>Different small letters above the bars mean significant differences among treatments at 5% level. The same in figures 2 and 3.图1 不同处理的小麦籽粒、秸秆和植株氮积累量Fig.1 N accumulation in grain and straw under different treatments

2.2.1 对小麦氮素利用率的影响

由表4可看出,与U处理相比,UN、UD和UND处理氮肥农学利用率(NFAE)分别提高12.7%、35.3%和42.4%,氮肥表观利用率(ANE)分别提高1.8、7.6和12.1个百分点,氮素吸收效率(NUP)分别提高1.8、7.6和12.1个百分点,氮肥偏生产力(NPFP)分别提高3.2%、8.9%和10.7%,其中UD、UND处理与U处理间各指标的差异均达显著水平(P<0.05),而UN与U(氮肥农学利用率除外)、UND与UD处理间的差异均不显著。这表明,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT有利于提高氮素利用效率。

表4 不同处理的小麦氮素利用效率Table 4 Nitrogen use efficiency of wheat under different treatments

施氮降低了小麦的氮素收获指数,降低幅度为1.6 ～2.3个百分点;尿素单独施用与其配施DMPP、NBPT处理间小麦氮素收获指数无显著差异。

2.3 生化抑制剂对土壤氮素的影响

2.3.1 对土壤微生物量氮的影响

从图2可看出,小麦成熟期,施氮处理的0～20 cm土层土壤微生物量氮(SMBN)含量均显著高于不施氮处理(P<0.05),增加幅度为20.1%～65.2%。U处理0 ～ 20 cm土层的SMBN含量为23.6 mg·kg-1,相比于U处理,UD和UND处理的SMBN含量分别增加25.2%和37.6%,差异达到显著水平(P<0.05);UN处理对成熟期SMBN含量无显著影响。这说明在沿淮稻茬麦区,UD和UND处理有利于土壤氮生物生长。

图2 小麦收获后不同处理土壤微生物量氮含量Fig.2 Soil microbial biomass nitrogen after wheat harvest under different treatments

2.3.2 对土壤无机氮的影响

由图3可看出,所有施氮处理的0 ～ 20 cm土层土壤无机氮含量均显著高于CK,增加幅度为53.0% ～ 81.5%。U处理的土壤无机氮含量为9.2 mg·kg-1,与U处理相比,UD和UND处理的土壤无机氮含量分别降低了13.2%和15.7%,差异均显著(P<0.05);UN较U处理土壤无机氮的含量无显著差异。由此可见,尿素配施DMPP或者配施NBPT+DMPP可以显著降低小麦收获后0～20 cm土层土壤无机态氮含量,降低无机氮淋溶损失的风险。

图3 小麦收获后不同处理土壤无机氮含量Fig.3 Soil inorganic nitrogen after wheat harvest under different treatments

3 讨论

3.1 生化抑制剂对小麦产量的影响

大多数研究结果表明,脲酶抑制剂/硝化抑制剂在一定程度上能够促进作物对氮素的吸收利用,有利于提升作物的产量[15,20-23]。也有研究表明,氮素抑制剂对小麦产量无显著影响[24-25],如华建峰等[24]研究发现,缓释尿素分别配施1%的脲酶抑制剂LNS、硝化抑制剂DCD和DMP均对春小麦的产量无显著影响。本研究结果表明,在沿淮稻茬麦区,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT可显著提高小麦产量,分别增产8.9%和10.7%,经济效益也分别提高9.9%和11.7%。氮素抑制剂对小麦产量的效应存在差异,其原因可能与作物类型、土壤类型及气候特点等因素有关。在不同环境条件下,其调控土壤氮素供应量和供应形态与小麦对氮素养分的需求耦合有关[15,20]。本研究还发现,穗数和穗粒数的提高是尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT增产的关键因素,这可能因为尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT能够保证氮素的均衡足量供应,促进小麦分蘖和加快幼穗分化,从而增加了小麦有效穗数和穗粒数,实现了小麦产量的提高[26],而单独施用NBPT,尽管对小麦产量的提升有正向促进作用,但其效果并不显著。

3.2 生化抑制剂对氮素利用率的影响

尿素施入土壤1 ～ 2 d内,酰胺态氮在土壤脲酶的催化作用下,经由氨基甲酸迅速水解成NH4+-N[27],NH4+-N在土壤微生物的作用下被氧化为NO2--N,随后进一步形成NO3--N[7],NH4+-N和NO3--N均是可以被作物直接吸收利用的速效养分。然而,由于尿素水解速度非常快,短期内产生了大量的NH4+-N,来不及被作物吸收利用,造成大量NH4+-N在土壤中的过量累积,极易引起NH3挥发及反硝化损失,而NO3--N则容易发生淋溶,造成氮素损失并增加环境风险[28-29]。脲酶抑制剂和硝化抑制剂分别通过抑制土壤脲酶活性和氨氧化微生物的活性来延缓相应的氮素转化过程,调控土壤供氮强度,进而减少氮素损失,提高氮肥利用率[23,30-31]。如,刘红江等[23]在江苏省淮安市的研究发现,在不同施氮量下,尿素配施DMPP处理较单施尿素处理,可使冬小麦NUE提高4.9～20.1个百分点,但随着施氮量的增加,其提升作用逐渐降低;王桂良等[31]报道也表明,尿素配施脲酶抑制剂使小麦氮肥当季利用率提高1.0%～16.5%。添加氮素抑制剂是提高氮肥利用率并减少氮素损失的有效手段之一[15,32],然而,其对氮素的抑制效果除取决于该抑制剂本身的理化特性、生物活性及降解特性外,还受试验条件如土壤类型、温度、降雨量、土壤质地、田间管理措施等各种因素的影响[12-14]。本研究结果表明,在沿淮稻茬麦区,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT显著提高了小麦氮素利用效率,而单独施用NBPT的效果不理想。其主要原因可能与NBPT和DMPP的抑制作用持续时间长短有关。一般情况下,脲酶抑制剂NBPT施入土壤2周左右即可降解为N、P、S等元素[33],有效作用时间短,而小麦则是跨年度、跨冷暖季生长周期较长的作物,使NBPT对氮素的抑制效果受到限制。硝化抑制剂DMPP在土壤中的降解速度则比较慢,且不易与NH4+-N发生分离现象和淋溶34],使得DMPP发挥作用时间比较长,抑制效应时间可持续4～10周[35],甚至达125 d[36],抑制效果比较稳定。另外,研究表明,在尿素态氮水解转化过程中,脲酶抑制剂和硝化抑制剂调控机理并不完全相同,二者只能对某一特定过程进行抑制,其单独施用不能对整个过程进行有效控制,协同施用可以更有效地影响土壤N素的转化过程[37-38]。本研究进一步证实,DMPP和NBPT配施对N素转化有协同抑制效果。

3.3 生化抑制剂对土壤氮素的影响

土壤微生物量氮(soil microbial biomass nitrogen,SMBN)是土壤有机氮的重要组成部分,其含量是土壤微生物对氮素矿化与固持作用的综合反映,是作物能够吸收利用氮素的有效来源,对施肥措施的响应具有较强的敏感性[39]。无机氮(NH4+-N +NO3--N)是土壤氮素中最活跃的组分,一方面,它是作物能够直接吸收利用的速效氮素营养,反应了一个生态系统的供氮能力,另一方面,因其具有较强的迁移性,易随水分运移发生径流或淋溶损失,对受纳水体产生一定的环境风险。本研究结果表明,尿素配施DMPP或者配施DMPP+NBPT显著提高了小麦成熟期0～20 cm土层SMBN的积累,降低了无机氮残留量,有利于降低氮素损失风险。土壤微生物含量的提升意味着土壤N库库容的增大和持续供N能力的提高[20,40]。可能有以下几个方面的原因,一方面,脲酶/硝化抑制剂的存在使得土壤硝化能力被限制或减弱,更多的N以NH4+-N的形态存在,而相比于NO3--N,NH4+-N更利于被微生物固持利用[20];另一方面,DMPP和NBPT在土壤中降解可增加土壤异养微生物所需的碳源[40],尿素配施DMPP或者协同配施DMPP+NBPT能够促进小麦地上部分和根系的生长,增加了凋落物和根系残茬的还田量,有利于根系分泌物的释放,从而为微生物的繁殖生长创造了适宜的生存环境。而尿素仅配施NBPT时,对此无显著影响,可能与NBPT有效作用时间持续较短有关。

4 结论

在沿淮稻茬麦区,尿素添加施用量1%的硝化抑制剂(DMPP)或者配施DMPP+脲酶抑制剂(NBPT)可显著提高小麦产量、植株吸氮量和氮素利用效率,穗数和穗粒数的同步提高是小麦增产的主要原因。尿素配施DMPP或者DMPP+NBPT降低了小麦收获后耕层土壤无机氮的残留量,显著提高了微生物量氮的含量,从而有利于减少氮素淋失风险。尿素单独配施NBPT对小麦产量及构成因子、氮素利用率和土壤氮素无显著影响。因此,在本区域实际生产中,建议尿素配施DMPP或者DMPP+NBPT,可以实现小麦丰产增效生产。