尿素配施硝化/脲酶抑制劑對春季和秋季馬鈴薯產(chǎn)量及土壤礦質(zhì)氮的影響

黃 強，鄭順林，2，郭 函，龔 靜，熊 湖，袁繼超，胡建軍

(1.四川農(nóng)業(yè)大學，農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室，成都 611130；2.農(nóng)業(yè)部薯類作物遺傳育種重點實驗室，成都久森農(nóng)業(yè)科技有限公司,四川新都 610500；3.四川省農(nóng)業(yè)科學院 作物研究所，成都 610066)

氮素是馬鈴薯生長必需元素之一[1]，氮肥不足，馬鈴薯矮弱，分枝少，開花早，產(chǎn)量低[2]，氮肥過量，馬鈴薯貪青徒長，環(huán)境污染嚴重。長期以來，中國馬鈴薯氮肥利用效率為35% ～50%[3]，在部分地區(qū)利用效率只有20%[4]，造成大量的浪費和環(huán)境壓力。當前，減氮增效主要通過控制氮肥施用量[5]，優(yōu)化施用方法[6]，新型肥替代傳統(tǒng)肥料，配施有機和無機肥，添加氮增效劑等方法的綜合利用[7]。

馬鈴薯對氮素的吸收主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[8]，吸收速率的峰值只在塊莖快速增長期出現(xiàn)[9-11]。適量追施氮肥有利于馬鈴薯中后期生長及塊莖產(chǎn)量的提高，但馬鈴薯對氮素的吸收受季節(jié)的影響嚴重。研究表明適量追肥對春馬鈴薯增產(chǎn)顯著，基肥對秋馬鈴薯增產(chǎn)顯著[12]。氮增效劑中脲酶抑制劑NBPT可通過競爭性抑制脲酶活性延緩尿素水解，有效期15～20 d[13]，降低銨態(tài)氮積累和損失速率；硝化抑制劑DCD可通過抑制土壤氨氧化微生物(主要是AOA和AOB)活性，從而抑制硝態(tài)氮的產(chǎn)生，使得土壤中氮主要以銨態(tài)氮形式存在，以延長供氮時間或者增加供氮強度，增加植株氮吸收量，進而提高產(chǎn)量和氮素利用率[14]。同時大量研究也表明硝化/脲酶抑制劑施用效果受土壤類型、pH 和溫濕度等條件的影響[15-18]。

目前，硝化/脲酶抑制劑在水稻[19]、玉米[20]和小麥[21]等作物上的研究較多，在馬鈴薯上還鮮有報道，特別是施肥方式和季節(jié)對其的影響。因此，研究不同施肥方式下硝化/脲酶抑制劑對春、秋季馬鈴薯生物量、經(jīng)濟產(chǎn)量及土壤礦質(zhì)氮影響，為制定春、秋馬鈴薯科學的農(nóng)田氮素管理措施提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗材料為‘川芋117’(四川2015年審定)，為保證材料的一致性，減少誤差，試驗用種薯均選用20～25 g生理質(zhì)量均勻一致的馬鈴薯脫毒 原種。

1.2 試驗設計

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)在成都溫江區(qū)進行控制盆栽試驗。 土壤基質(zhì)采用成都平原大田土壤與椰糠按1∶1.5的體積比混勻。基質(zhì)基礎養(yǎng)分為全氮11.33 g/kg，銨態(tài)氮11.85 mg/kg，硝態(tài)氮9.33 mg/kg，速效磷20.12 mg/kg，速效鉀39.34 mg/kg，春、秋季基質(zhì)相同。

試驗采取施肥方式(A)與硝化/脲酶抑制劑類型(B)二因素隨機區(qū)組設計，在施入總氮一致條件下，施肥方式設3個水平：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%結薯肥(A3，二次追肥)；脲酶/硝化抑制劑類型設3個水平：雙氰胺(DCD)(B1)、正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)(B2)、以不添加作為對照(B3)，共9個處理，每處理重復3次(3盆為一重復)。試驗盆規(guī)格為38 cm×38 cm×30 cm，每盆6 kg土壤，播種4苗，播深5 cm。每盆共施10.86 g尿素、22.22 g硫酸鉀、12.53 g過磷酸鈣，每次施入尿素均為對應處理尿素，NBPT和DCD用量均為尿素的1.0%。齊苗20 d后施入發(fā)棵肥，開花期施入結薯肥。

1.3 測定指標及方法

在馬鈴薯塊莖形成期( 春馬鈴薯4月6～8日，秋馬鈴薯11月4～7日)和塊莖成熟期( 春馬鈴薯5月16～18日，秋馬鈴薯12月18～20日)，采取馬鈴薯根際土風干，備用，用于測定銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和脲酶；取馬鈴薯植株樣本分器官制樣,于105 ℃殺青,80 ℃烘至恒量后稱量，用于測定干物質(zhì)量等指標。土壤樣品分析方法采用《土壤農(nóng)化分析方法》[22]：土壤硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定；土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定；土壤脲酶采用靛酚藍比色法測定。

1.4 計算公式

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，采用Microsoft Excel作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤銨態(tài)氮變化

由表1、表2可知，硝化/脲酶抑制劑和施肥方式對馬鈴薯生育后期土壤礦質(zhì)氮質(zhì)量分數(shù)的影響有顯著差異，且季節(jié)間存在一定影響。

從施肥方式上看，追施氮肥能提高馬鈴薯生育后期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)。其中在CK處理中，一次追肥比全基肥和二次追肥處理的秋馬鈴薯塊莖形成期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)提高14.1%和 30.4%，但差異不顯著，秋馬鈴薯提高875.6%和295.5%，差異極顯著。至塊莖成熟期時，秋馬鈴薯施加追肥處理的土壤銨態(tài)氮顯著高于全基肥處理，春馬鈴薯則無顯著差異。其主要原因可能是由于春、秋馬鈴薯不同的氮肥運籌和土壤環(huán)境所致。

表1 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制劑對春、秋馬鈴薯土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的影響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：同列數(shù)據(jù)后的不同小寫字母表示在P<0.05水平差異顯著；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.

從硝化/脲酶抑制劑上看，脲酶/硝化抑制劑提高了春、秋馬鈴薯生育后期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)，且不同種植季節(jié)表現(xiàn)一定差異。其中在同種施肥方式下，一次追肥配施DCD和配施NBPT春、秋馬鈴薯塊莖形成期土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)分別比CK顯著提高124.3%、198.1%、31.0%和260.0%?？傮w表明施肥方式和脲酶/硝化抑制劑處理對秋馬鈴薯土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)影響效果均高于春馬鈴薯。

2.2 土壤硝態(tài)氮變化

從施肥方式上看(表2)，追施氮肥能提高馬鈴薯生育后期土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)。其中在CK中，一次追肥比全基肥和二次追肥處理的春馬鈴薯塊莖形成期土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)提高7.4%和52.6%，二次追肥差異顯著；秋馬鈴薯塊莖形成期土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)提高66.0%和45.6%，均差異顯著。在塊莖成熟期，各施肥方式對土壤硝態(tài)氮影響不顯著。

從硝化/脲酶抑制劑上看， DCD/NBPT的施用顯著提高春、秋馬鈴薯塊莖形成期土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)。其中在一次追肥處理下，配施DCD和NBPT比CK分別顯著提高春、秋馬鈴薯土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)18.4%和31.6%，33.9%和 31.6%。在塊莖成熟期，均無顯著差異。

2.3 土壤表觀硝化抑制率的變化

由表3可知，從施肥方式上看，追肥的施入能顯著提高春、秋馬鈴薯塊莖形成期土壤表觀硝化率，其中在CK處理中，二次追肥處理比全基肥處理提高183.5%和47.6%。主要原因是由于追肥的施入，致使土壤礦質(zhì)氮平衡被打破。

從硝化抑制劑上看，硝化抑制劑能有效地降低部分施肥方式下的土壤表觀消化率。其中一次施肥配施硝化抑制劑DCD顯著降低春、秋馬鈴薯塊莖形成期土壤表觀硝化抑制率，分別降低 58.6%和35.5%。硝化抑制劑對土壤表觀硝化率的作用在秋馬鈴薯苗期高于同時期的春馬 鈴薯。

表2 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制劑對春、秋馬鈴薯土壤硝態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)的影響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 土壤脲酶活性變化

土壤脲酶是一種重要的土壤水解酶，它能夠催化尿素水解生成氨、二氧化碳和水，也是表征土壤氮素狀況的酶之一。由表4可知，硝化/脲酶抑制劑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異。

硝化/脲酶抑制劑能顯著抑制馬鈴薯塊生育后期土壤脲酶活性。其中在同種施肥方式下，一次追肥配施DCD和NBPT比CK顯著降低了春、秋馬鈴薯塊莖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/脲酶抑制劑對土壤脲酶產(chǎn)生抑制作用。

2.5 馬鈴薯形態(tài)及產(chǎn)量的變化

2.5.1 植株干物質(zhì)量 由表5和表6可知，馬鈴薯干物質(zhì)及產(chǎn)量受到施肥方式和硝化/脲酶抑制劑共同影響，同時季節(jié)間還存在一定差異。

表3 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制劑對春、秋馬鈴薯土壤表觀硝化率的影響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/脲酶抑制劑對春秋馬鈴薯土壤脲酶活性的影響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/脲酶抑制劑對馬鈴薯單株全干物質(zhì)量的影響Table 5 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on total dry matter quantity of potato plants g

從施肥方式上看，追施氮肥能顯著提高馬鈴薯塊莖形成期及成熟期干物質(zhì)量，且對春馬鈴薯干物質(zhì)量提高效果優(yōu)于秋馬鈴薯。其中在CK處理中，二次追肥比全基肥處理的春、秋馬鈴薯塊莖形成期、成熟期干物質(zhì)量顯著提高了89.0%、 57.8%、61.4%、23.7%。主要原因可能是氮肥的追加減輕了氮肥對馬鈴薯苗期的抑制作用和增加生育后期氮素供應水平。

從硝化/脲酶抑制劑上看，配施硝化/脲酶抑制劑在與一次追肥配施下均增加了馬鈴薯干物質(zhì)量，在與二次追肥配施下均減少了馬鈴薯干物質(zhì)量。其中在相同施肥方式下，一次追肥配施 DCD與配施NBPT比CK分別提高了春、秋馬鈴薯塊莖成熟期干物質(zhì)量20.6%和40.7%、22.8%和22.1%；二次追肥配施DCD和NBPT比CK分別降低了春、秋馬鈴薯塊莖成熟期干物質(zhì)量27.1%和4.7%、26.3%和10.3%，但未達到顯著差異水平?？赡苁窍趸?脲酶抑制劑延遲了氮肥供應時間，錯開了馬鈴薯氮素吸收高峰期所致。

2.5.2 馬鈴薯單株產(chǎn)量變化 從施肥方式上看，追肥能顯著提高春、秋馬鈴薯產(chǎn)量(表6)，且在CK中，二次追肥方式增產(chǎn)效果優(yōu)于一次追肥方式；對春馬鈴薯效果優(yōu)于秋馬鈴薯。其中在CK處理下，一次追肥和二次追肥比全基肥春、秋馬鈴薯單株產(chǎn)量分別提高35.0%和136.1%、34.1%和 46.9%，二次追肥處理達到顯著差異。

從硝化/脲酶抑制劑上看，硝化/脲酶抑制劑在與一次追肥配施下增加了馬鈴薯產(chǎn)量，與二次追肥配施下降低了馬鈴薯產(chǎn)量。其中在同種施肥方式下,一次追肥配施DCD和配施NBPT比CK春、秋馬鈴薯產(chǎn)量分別提高53.3%、 112.0%、 28.4%和8.4%；二次追肥配施DCD比CK降低的春、秋馬鈴薯產(chǎn)量分別為69.3%、 25.1%，春馬鈴薯均達顯著差異水平，二次追肥配施NBPT減產(chǎn)差異不顯著?？梢?，合理配施硝化/脲酶抑制劑能有效增加馬鈴薯產(chǎn)量，且不同種植季節(jié)對氮增效劑增產(chǎn)效果存在差異。

表6 不同施肥方式和硝化/脲酶抑制劑對春、秋馬鈴薯單株產(chǎn)量的影響Table 6 Effects of different fertilization methods and nitrification/urease inhibitors on yield of per potato plants in spring and autumn g

3 討 論

3.1 配施硝化/脲酶抑制劑對春、秋季馬鈴薯產(chǎn)量的影響

馬鈴薯在不同生育時期對氮的需求表現(xiàn)為“兩頭輕中間重”的規(guī)律[1]，在塊莖膨大期適當提高土壤供氮能力有利于馬鈴薯生長與產(chǎn)量的增加[24-26]。脲酶/硝化抑制劑能通過抑制土壤脲酶活性[13]或者氨氧化等菌群活性[14]，減緩尿素分解、抑制礦質(zhì)氮轉化以延長或者調(diào)整氮供應時間，提高氮素利用效率[19]；合理施加追肥能有效地減少前期氮素損失，提高后期土壤供氮能力，增加馬鈴薯成熟期干物質(zhì)量及產(chǎn)量[27]。但土壤礦質(zhì)氮供應能力受到施肥方式與添加劑的共同影響，添加劑采用合適的施肥方式才能效益最大化。本試驗表明追施氮肥能有效地減少苗期氮損失，提高馬鈴薯塊莖形成期土壤礦質(zhì)氮濃度，延長馬鈴薯的生育期，提高產(chǎn)量；但硝化/脲酶抑制劑的使用雖然能提高馬鈴薯生育中后期土壤礦質(zhì)氮的供應能力，但對馬鈴薯干物質(zhì)及產(chǎn)量的增加效果卻存在較大差異。一次追肥配施脲酶/硝化抑制劑提高了春、秋馬鈴薯干物質(zhì)量及產(chǎn)量，但二次追肥配施則造成減產(chǎn)。主要原因是結薯肥的施入和氮肥作用的后移，塊莖形成期馬鈴薯土壤氮素濃度過高，造成二次追肥處理徒長貪青，擾亂了馬鈴薯物質(zhì)分配，最終減產(chǎn)。本試驗也表明，在二次追肥配施下，DCD處理減產(chǎn)程度高于NBPT處理，主要原因是脲酶抑制劑NBPT可以延緩尿素水解為銨態(tài)氮[13]，在一定時期內(nèi)減少土壤無機氮濃度；而硝化抑制劑DCD可以阻斷銨態(tài)氮的硝化作用[16]，總體增加土壤銨態(tài)氮質(zhì)量分數(shù)，與王小彬等[28]的NBPT減少抑苗危害和貪青徒長結果 一致。

土壤表觀硝化率表征土壤中銨態(tài)氮的硝化作用強度和作用時間，表觀硝化率越高，氨氧化強度越大[29]，本試驗表明硝化抑制劑DCD與一次追肥配施能有效地降低土壤表觀消化率，與現(xiàn)有結論一致[29]。脲酶是一種專一性酶[13]，施入土壤中的尿素只能在脲酶的參與下才能水解，其活性可以用來表征土壤氮素狀況[30]。脲酶抑制劑可以競爭性抑制抑制脲酶活性[31]。本試驗表明脲酶能顯著抑制脲酶活性，延緩尿素分解，提高氮肥利用效率，與張學文等[16]的NBPT可以抑制土壤脲酶活性結果一致。

3.2 季節(jié)對硝化/脲酶抑制劑的影響

硝化/脲酶抑制劑效果受到溫度、濕度、土壤、pH的影響[15-18]，春秋馬鈴薯氮肥運籌差異明顯。由于光溫等原因，春馬鈴薯前期生長較慢，中后期生長較快，光合能力強、光飽和點高，對氮素營養(yǎng)需求較大，秋馬鈴薯中后期生長較慢，對氮素營養(yǎng)需求較低，施加追肥對春馬鈴薯增產(chǎn)作用優(yōu)于秋馬鈴薯[27]。本試驗表明，硝化/脲酶抑制劑和追肥對春馬鈴薯的增產(chǎn)效果大于秋馬鈴薯，與已有的研究結果一致；但氮增效劑對土壤氮素的影響卻是秋馬鈴薯大于春馬鈴薯。主要原因是氮增效劑在銨態(tài)氮濃度較高的條件下，亞硝化細菌更為敏感，抑制效果最好[28]，春馬鈴薯中后期對氮素的快速吸收，塊莖形成期至成熟期土壤銨態(tài)氮量低于秋馬鈴薯，導致硝化/脲酶抑制劑對秋馬鈴薯土壤氮素的影響程度高于春馬鈴薯。據(jù)報道：硝化抑制劑DCD作用隨著施用時間的延長而逐漸減弱[29]。本試驗表明硝化抑制劑對春馬鈴薯苗期土壤表觀消化率的抑制效果低于秋馬鈴薯，主要原因可能是秋馬鈴薯播種后發(fā)芽較快，施肥至苗期時間遠短于春馬鈴薯。

4 結 論

硝化/脲酶抑制劑與氮肥合理配施，能顯著降低土壤脲酶活性，提高馬鈴薯生長后期土壤礦質(zhì)氮和土壤氮代謝活性，與馬鈴薯氮吸收特性更加匹配；從而提高馬鈴薯干物質(zhì)量及產(chǎn)量。硝化/脲酶抑制劑和施肥方式對春馬鈴薯的影響高于秋馬鈴薯，在盆栽條件下春馬鈴薯采用一次追肥與NBPT配施方式最優(yōu)，秋馬鈴薯采用一次追肥與DCD配施方式最優(yōu)。