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作者简介:

万年鑫(1992-),女,重庆北碚人,研究实习员,硕士,研究方向为作物高产技术栽培。E-mail:243245213@qq.com。

通讯作者:

郑顺林,E-mail:248977311@qq.com。

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目录contents

    摘要

    通过添加硝化 / 脲酶抑制剂达到秋马铃薯生产中减氮增效的目的,为制定秋马铃薯的农田氮素管理措施及节肥增效策略提供依据。采用随机区组试验设计,设置 30、60、90、120 kg/hm2 4 个施氮水平与硝化 / 脲酶抑制剂 N- 丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、双氰胺(DCD)、2- 氯 -6- 三氯甲基吡啶(CP)、未添加硝化 / 脲酶抑制剂(CK)4 种方式配施,探究对土壤氮含量、秋马铃薯光合能力以及产量的影响。结果表明:硝化 / 脲酶抑制剂能有效提高秋马铃薯块茎形成期光合能力、叶面积、干物质量及产量,DCD、CP、NBPT 分别提高秋马铃薯产量 27.2% ~ 437.1%、8.0% ~ 212.8%、24.5% ~ 550.4%。在供试条件下,硝化 / 脲酶抑制剂能显著提高 90 ~ 120 kg/hm2 高施氮水平下秋马铃薯产量,但在 30 ~ 60 kg/hm2 低施氮水平下作用不显著,且在 120 kg/hm2 氮水平下, 硝化 / 脲酶抑制剂的作用效果为 NBPT>DCD>CP。

    Abstract

    The addition of nitrification/urease inhibitors can achieve the purpose of reducing nitrogen and increasing efficiency in autumn potato production,which provided the basis for formulating autumn potato farmland nitrogen management measures and fertilizer saving and increasing efficiency strategies in farmland.In this study,a randomized block experiment design was used to investigate the effects of nitrogen application levels of 30,60,90 and 120 kg/hm2 on soil mineral nitrogen content, photosynthetic capacity and yield of potatoes by four different ways:N-butyl thiophosphamide(NBPT),dicyandiamide (DCD),2-chloro-6-trichloromethylpyridine(CP),and no added nitrification/urease inhibitors(CK).The results showed that nitrification/urease inhibitors significantly improved photosynthetic capacity,leaf aera and dry matter yield of autumn potato during tuber formation period .DCD,CP and NBPT increased autumn potato yield by 27.2% ~ 437.1%, 8.0% ~ 212.8%,24.5% ~ 550.4%,respectively.Nitrification/urease inhibitors significantly increased yield of autumn potatoes under high nitrogen application level of 90 ~ 120 kg/hm2 ,but had no significant effect under low nitrogen application level of 30 ~ 60 kg/hm2 .Under the condition of 120 kg/hm2 nitrogen,the effect of nitrification/urease inhibitor showed as NBPT>DCD>CP.

  • 马铃薯主食化战略的提出,对保证粮食安全具有重要意义[1-2]。马铃薯在苗期生长弱,对氮素吸收少,但进入块茎形成期由于营养生殖器官生长与建成,对氮素需求达到顶峰,呈单峰吸收曲线[3-4]。氮肥施于土壤后,土壤矿质氮约在7 ~ 15 d达到最大值[5],并迅速下降,与马铃薯吸收曲线存在较长时间差。在生产实践中,氮肥施用与马铃薯生育期需有效结合,才能保证马铃薯的有效生长和氮肥的高效利用。

  • 硝化抑制剂通过降低土壤中亚硝酸细菌活性,抑制铵态氮向硝态氮转化过程,来减少肥料氮的流失,从而减少氮肥对生态环境的影响。硝化抑制剂双氰胺(DCD)、2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)可降低土壤中铵态氮向硝态氮的转化速度[6],延长铵态氮在土壤中的存留时间,从而减少土壤氮素的损失,时效约6 ~ 10 周;脲酶抑制剂通过抑制脲酶活性来减缓尿素的水解,从而降低尿素氨挥发损失。与农民传统处理比较,小麦季氮肥优化潜力为38%~ 44%,玉米季氮肥优化潜力为25%~ 50%。中性和石灰性土壤表施尿素后均迅速产生较高的氨挥发,而N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)能显著推迟氨排放出现时间,并降低氨排放强度,体现良好的减排效果[7-8],时效约1 ~ 4 周[9]。硝化/脲酶抑制剂具有水溶性、降解完全性及经济高效性等特点。研究表明,含有硝化/脲酶抑制剂的稳定性肥料可以有效提高作物的氮肥利用率与产量[10-11]。聂军等[12]研究也发现,施用缓释尿素对延缓水稻功能叶的衰老和延长叶片的光合功能期均具有明显的效应。

  • 中国作为世界上粮食安全压力最大的国家,氮肥的施用在粮食安全上提供了重要保障[13]。但近年来,随着氮肥投入量过多和不科学施用,导致土壤显著酸化、能源消耗、水污染、农民收益降低等问题[14]。尿素是我国目前最普遍施用的氮肥形态,占我国氮肥用量的50%以上,对保障我国粮食安全起到重要作用。但我国较低的氮肥利用率(平均35%)导致氮肥资源浪费和环境问题,其中氨挥发是主要损失途径之一,在一些石灰性土壤上氨挥发损失高达30%以上[15]

  • 目前,相关研究多是在同一施氮水平下硝化抑制剂对氮素转化过程的影响[16],或是比较不同硝化/脲酶抑制剂的施用效果[17-18],而施氮水平层次对硝化/脲酶抑制剂作用影响研究并不充分。因此,探究秋马铃薯生产中合理的减量施肥措施,在保证产量的前提下降低氮损失,对指导田间氮素利用具有重要意义[19-20]。本试验通过4 种施氮水平与硝化/脲酶抑制剂配施,探究硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯生长发育以及土壤矿质氮的影响,以期为秋马铃薯生产中减氮增效提供理论依据。

  • 1 材料与方法

  • 1.1 试验材料

  • 供试材料:川芋117(四川2015 年审定),选取20 ~ 25 g均匀一致的秋马铃薯脱毒原种。

  • 1.2 试验设计

  • 本试验在2018 年9 月上旬至12 月下旬于四川农业大学成都校区实验教学楼内进行盆栽控制试验,基质采用成都平原壤土与珍珠岩按体积1∶1 均匀混合。基质基础养分为全氮2.04 g/kg,铵态氮28.83 mg/kg,硝态氮13.64 mg/kg,有效磷21.13 mg/kg,速效钾8.30 mg/kg。

  • 试验采用硝化/脲酶抑制剂类型(A)和施氮水平(N)两因素随机区组设计,硝化/脲酶抑制剂类型设4 个水平,正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、双氰胺(DCD)、2-氯-6-三氯甲基、吡啶(CP),以不添加硝化/脲酶抑制剂作为对照(CK),分别以A1、A2、A3、A4 表示,硝化/脲酶抑制剂NBPT、DCD、CP添加量分别是尿素(N) 质量的1%、1%、0.1%;施氮量设4 个水平,每公顷氮施用量分别为30、60、90、120 kg,分别以N1、N2、N3、N4 表示;每盆施入22.22 g硫酸钾、 12.5 g过磷酸钙,氮肥及磷钾肥以基肥形式一次施入。试验共16 个处理,每处理重复3 次(5 盆为一重复)。试验盆(直径 × 高)为38 cm×30 cm,每盆10 kg风干土壤,播种4 苗,播深5 cm。

  • 1.3 测定方法

  • 干物质量测定:于秋马铃薯块茎形成期(11 月4 ~ 7 日)、块茎成熟期(12 月18 ~ 20 日)取秋马铃薯植株样烘干测定。

  • 土壤氮测定:取秋马铃薯根际土阴干用于土壤氮素的测定,土壤硝态氮用紫外分光光度法测定。

  • 叶片氮测定:取秋马铃薯功能叶(倒三倒四) 冷冻制样用于硝态氮及硝酸还原酶的测定,叶片硝态氮含量用水杨酸-硫酸法测定;叶片硝酸还原酶活性用对-氨基苯璜酰胺比色法[21]测定。

  • 叶绿素含量:采用SPAD-502 叶绿素测定仪测定秋马铃薯叶片的SPAD值[22]

  • 光合效率:采用Li-6400 便携式光合测定仪测定叶片光合速率。

  • 1.4 数据分析

  • 数据分析采用Excel2010 和SPSS 22.0 软件进行统计分析,采用Origin 9.1 专业版软件制图。

  • 2 结果与分析

  • 2.1 硝化/脲酶抑制剂对土壤硝态氮的影响

  • 由表1 可知,在块茎形成期,除NBPT外在低氮水平(30 kg/hm2)下,硝化/脲酶抑制剂NBPT、 DCD、CP均随着施氮的增加而呈增长趋势。不同硝化/脲酶抑制剂对硝态氮含量影响有所不同,但差异不显著。而在块茎成熟期,由于硝化/脲酶抑制剂NBPT、DCD、CP与氮肥的相互作用,土壤中硝态氮的含量表现有所差异,且不同硝化/脲酶抑制剂表现有所不同。DCD在N 120 kg/hm2 水平下其硝态氮含量达最大值,NBPT、CP在N 60 kg/hm2 水平下硝态氮含量达最大值。

  • 表1 硝化/脲酶抑制剂对土壤硝态氮的影响(mg/kg)

  • 注:小写字母不同表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

  • 2.2 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯叶片硝态氮及硝酸还原酶的影响

  • 由图1 可知,在未添加硝化/脲酶抑制剂中,秋马铃薯块茎形成期叶片硝态氮含量随着施氮水平的提高而增加,在120 kg/hm2 施氮水平下达到213.75 mg/kg;块茎成熟期叶片硝态氮先增加后减少,在60 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为269.18 mg/kg。CP、DCD能显著降低秋马铃薯叶片硝态氮含量,并提高秋马铃薯叶片硝酸还原酶活性;但NBPT作用不显著。

  • 在块茎形成期,与CK比较,CP在60、120 kg/hm2 施氮水平下能显著降低叶片硝态氮含量,分别降低51.0%、30.7%,DCD差异不显著。至块茎成熟期,与CK相比,硝化/脲酶抑制剂均能显著降低60、90 kg/hm2 施氮水平下叶片硝态氮含量,分别降低32.0%、80.7%。

  • 在未添加硝化/脲酶抑制剂中,秋马铃薯形成期叶片硝酸还原酶活性随施氮水平的提高逐渐提高,在120 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为20.41 mg/(kg·h);块茎成熟期叶片硝酸还原酶处于3.05 ~ 6.91 mg/(kg·h)低含量状态。表明秋马铃薯在块茎形成期硝化/脲酶抑制剂高于块茎成熟期,转化效率逐渐降低。

  • 图1 硝化/脲酶抑制剂剂对秋马铃薯叶片硝态氮及硝酸还原酶的影响

  • 2.3 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯光合能力的影响

  • 由表2 可知,硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯光合能力的影响主要体现在叶面积上,对净光合速率及叶绿素含量(SPAD)的影响均较弱。

  • 不同硝化/脲酶抑制剂下,秋马铃薯净光合速率随施氮量的增加而呈逐渐降低的趋势。同一施氮水平下,不同硝化/脲酶抑制剂对净光合速率的影响差异不显著。在不同氮水平下,不同硝化/脲酶抑制剂增效效果均表现出在低氮30 kg/hm2 水平下显著高于高氮120 kg/hm2 水平下的净光合速率。且随着施氮量的增加,呈降低趋势。在未添加硝化/脲酶抑制剂下,秋马铃薯叶片叶绿素含量随施氮的增加而逐渐增加,在120 kg/hm2 施氮水平下达到最大,为48.12。硝化/脲酶抑制剂对叶绿素含量影响不显著。

  • 在未添加硝化/脲酶抑制剂下,秋马铃薯叶面积随施氮水平的增加呈先增后降的趋势,在90 kg/hm2 施氮水平下达到最大,为297.45 cm2。在不同氮水平下,添加硝化/脲酶抑制剂均高于对照,且NBPT在所有氮水平下均显著高于未添加硝化/脲酶抑制剂;而DCD与CP在60、120 kg/hm2 施氮水平下显著高于对照。因此硝化/脲酶抑制剂能有效提高秋马铃薯叶面积,提高效果:NBPT> DCD>CP。

  • 表2 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯块茎形成期光合的影响

  • 2.4 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯干物质量的影响

  • 由表3 可知,硝化/脲酶抑制剂能提高秋马铃薯块茎形成期及块茎成熟期各施氮水平下干物质量,且块茎成熟期增加量高于块茎形成期。

  • 在块茎形成期,在未添加硝化/脲酶抑制剂处理下,秋马铃薯干物质量随施氮量的增加呈先增后减的趋势,在90 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为5.64 g。在NBPT处理下,不同施氮水平下,干物质含量差异不显著;而在DCD、CP处理下,秋马铃薯干物质量均呈先增加后减少的趋势,DCD处理在60 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为7.07 g,CP处理在90 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为6.27 g。与对照相比,硝化/脲酶抑制剂DCD、CP、NBPT在各施氮水平均能提高秋马铃薯干物质量,且在120 kg/hm2 施氮水平下分别提高266.5%、242.5%、108.2%。

  • 在块茎成熟期,在未添加硝化/脲酶抑制剂下,秋马铃薯干物质在30 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为19.06 g;在添加脲酶抑制剂NBPT处理下,干物质量随施氮量的增加而提高,在120 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为32.26 g;在添加硝化抑制剂DCD、CP处理下,秋马铃薯干物质量均呈先增加后减少的趋势,DCD处理在90 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为28.25 g,CP处理在60 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为24.73 g。添加硝化/脲酶抑制剂能有效提高秋马铃薯干物质量,促进马铃薯生长。因此在同一氮水平下,不同硝化/脲酶抑制剂均能有效提高秋马铃薯干物质量,均表现为NBPT>DCD>CP。

  • 表3 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯干物质的影响(g/株)

  • 2.5 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯产量的影响

  • 由图2 可知,硝化/脲酶抑制剂能显著提高秋马铃薯单株产量,且随着施氮量的增加而提高。在添加硝化/脲酶抑制剂下,秋马铃薯单株产量随施氮水平的提高而逐渐提高,在30 kg/hm2 施氮水平下为最大值,为77.36 g/株。在NBPT处理下,秋马铃薯单株产量随施氮水平的提高逐渐上升,在120 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为137.23 g/株。在DCD处理下,秋马铃薯产量均呈曲线上升的趋势,DCD处理在120 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为113.33 g/株。CP对马铃薯的增产效果不明显,在30 kg/hm2 施氮水平下达到最大值,为78.20 g/株,且不同施氮水平下产量差异不显著。 NBPT、DCD能显著提高秋马铃薯单株产量,从块茎形成期到块茎膨大期分别提高24.5%~ 550.4%、 27.2%~ 437.1%,且随着施氮水平的提高产量增加率越高。CP能显著提高高施氮水平下单株产量,但在低施氮水平下差异不显著。且在高氮水平120 kg/hm2,硝化/脲酶抑制剂对产量的影响表现为NBPT>DCD>CP。

  • 图2 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯产量的影响

  • 3 讨论

  • 3.1 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯根际土及叶片氮素的影响

  • 秋马铃薯对氮素的吸收主要以硝态氮的形式,秋马铃薯叶片内硝态氮的含量可以反映土壤供氮能力,作为施肥的重要指标[21]。同时,经大量研究表明叶菜和块茎菜内含有大量硝酸盐,经腌制等过程逐渐转化为亚硝酸盐危害人体健康[21]。有研究表明,硝化抑制剂的使用能有效降低叶片硝态氮含量。本试验表明,硝化抑制剂CP有效提高了秋马铃薯高施氮水平下生育后期的叶片硝酸还原酶活性,降低叶片硝态氮含量,但DCD和NBPT作用不显著。

  • 脲酶抑制剂NBPT通过抑制土壤脲酶活性,延长施肥点的尿素扩散,降低土壤溶液中NH4 + 和NH3 的浓度,抑制NH3 的挥发损失,从而提高尿素利用效率。NBPT还能有效减少高施氮水平下尿素对作物苗期的毒害作用[23]。本试验表明,NBPT显著降低了秋马铃薯高施氮水平下生育后期土壤矿质氮水平。

  • 3.2 硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯光合及干物质的影响

  • 研究表明:秋马铃薯的光合速率与块茎产量呈正相关关系;且秋马铃薯块茎中超过95%的干物质来自光合产物[24],而秋马铃薯块茎形成期是秋马铃薯产量生成的重要时期。大量研究也表明施氮量升高会使分配到叶片光合器官中的氮素比例下降,非光合组分比例上升,导致光合氮利用效率下降[25]。本试验表明随着施氮水平的提高净光合速率逐渐下降;但硝化/脲酶抑制剂对秋马铃薯净光合速率影响较小。同时,光合产物由净光合速率和有效叶面积共同决定。本试验同时也表明硝化/脲酶抑制剂提高了同等施氮水平下叶面积,且随着施氮水平的提高效果越明显。成都地区秋马铃薯随着生育时期的推进光温水平逐渐下降,后期生长发育缓慢。适当增加秋马铃薯前期叶面积及光合能力是提高秋马铃薯产量的有效措施。

  • 有研究表明,硝化/脲酶抑制剂能提高作物干物质量及产量,但也有研究表明硝化/脲酶抑制剂对作物增产不明显[26-27]。结果不同主要原因是作物产量由土壤、环境以及作物多个因素共同影响。本试验表明硝化/脲酶抑制剂能显著提高秋马铃薯干物质量及产量,并且随着施氮量的提高增加量逐渐提高。在低施氮水平下,作用效果较弱,高施氮水平下效果更强。主要原因是高施氮水平整体提高了土壤矿质氮水平,AOA、AOB为铵敏感型细菌[28],在土壤铵态氮含量较高的水平下作用更加明显,时效更长;而NBPT作用时效也随着施氮水平的提高效果逐渐延长。

  • 不同硝化/脲酶抑制剂品种对秋马铃薯光合能力、干物质及产量的影响差异较大。土壤中矿质氮含量较高,会延缓秋马铃薯出苗及抑制苗期的生长发育。由于秋马铃薯生育条件的限制,提前发芽和加快苗期的生长对秋马铃薯尤其重要。脲酶抑制剂NBPT通过抑制土壤脲酶活性,延长施肥点的尿素扩散,降低土壤矿质氮含量[23],从而促进了秋马铃薯苗期的生长;随着生育时期的推进,NBPT延长土壤矿质氮的持续供应,满足了秋马铃薯后期氮素需求。硝化抑制剂能通过抑制土壤氮素转换,提高土壤矿质氮整体含量,抑制秋马铃薯苗期生长。同时随着生育时期的推移,氮素被秋马铃薯吸收和损失,硝化抑制剂增强了秋马铃薯氮素供应,整体增加了秋马铃薯氮素的吸收量。减缓了秋马铃薯前期的生长;DCD由于易淋溶等原因[28],减少了对秋马铃薯苗期的抑制效果,增加了后期氮素的持续供应,从而增加了秋马铃薯生育后期光合能力及产量。

  • 4 结论

  • 硝化/脲酶抑制剂能有效提高不同施氮水平下秋马铃薯叶面积、干物质量以及产量。硝化/脲酶抑制剂主要影响高施氮水平(90 ~ 120 kg/hm2) 下马铃薯的生长,且NBPT、DCD处理下在120 kg/hm2 施氮水平下产量达到最大值,分别为137.23 和113.33 g/株。综合土壤氮素和秋马铃薯产量等因素,脲酶抑制剂NBPT能有效降低尿素的损失,提高秋马铃薯产量。其作用效果优于硝化抑制剂DCD和CP。

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