許紀(jì)元 閔 炬 施衛(wèi)明

(1中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所， 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210008；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

隨著我國(guó)人均生活水平的提高以及城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)蔬菜消費(fèi)的需求日益增加。由于設(shè)施蔬菜相對(duì)于其他糧食作物具有較高的附加值，近年來(lái)全國(guó)種植面積日益增加，截止2018年，全國(guó)設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)2.04×107hm2[1]。在實(shí)際生產(chǎn)中蔬菜的增產(chǎn)主要依賴氮肥的大量投入[2]。隨著大量單施化肥與土體富營(yíng)養(yǎng)化，大棚蔬菜作物及土壤對(duì)投入氮肥的敏感性降低，相應(yīng)肥效降低，造成增肥不增產(chǎn)，致使在原有施肥結(jié)構(gòu)下產(chǎn)量難以維持和提高[3-5]。

硝化抑制劑是一類進(jìn)入土壤后能夠影響土壤生化環(huán)境的物質(zhì)，可以調(diào)節(jié)某些土壤酶活性，抑制亞硝化細(xì)菌生長(zhǎng)、控制土壤中NH4+向NO2-、NO3-轉(zhuǎn)化[6-7]。有研究表明，應(yīng)用硝化抑制劑可有效提高肥料利用率、降低氮素?fù)p失，并且硝化抑制劑適合與各種銨態(tài)氮肥或尿素配施[8]。2-氯-6-三氯甲基吡啶(6-chloro-2-trichloromethyl pyridine，CP)為國(guó)際公認(rèn)的無(wú)毒有效的硝化抑制劑[9]，主要應(yīng)用于我國(guó)大田作物如小麥、玉米和棉花等，并取得了較好的增產(chǎn)效果，已進(jìn)行一定范圍的推廣[10-13]。CP被認(rèn)為可阻控土壤中氮素的硝化和反硝化過(guò)程，使得施入土壤中更多的氮素以銨態(tài)氮形態(tài)存在，可減少 N2O 的排放[14]。目前，針對(duì)硝化抑制劑的研究多集中在應(yīng)用效果方面[15-18]，應(yīng)用于蔬菜地尤其應(yīng)用于設(shè)施菜地的研究報(bào)道較少，增產(chǎn)效果和機(jī)制尚不十分清楚。為有效提高氮肥利用率，確保蔬菜作物高產(chǎn)和最小環(huán)境污染，深入研究在不同施氮量下，施用硝化抑制劑后肥料氮在植物-土壤-大氣系統(tǒng)中的行為和去向十分必要。鑒于此，本研究利用15N穩(wěn)定性同位素示蹤技術(shù)，應(yīng)用15N標(biāo)記尿素，在田間微區(qū)研究了推薦施氮量(180 kg·hm-2)和習(xí)慣施氮量(300 kg·hm-2)條件下，添加硝化抑制劑CP對(duì)設(shè)施番茄氮素去向的影響及其可能的增效機(jī)理，以期為硝化抑制劑在蔬菜生產(chǎn)上的大面積推廣應(yīng)用提供科學(xué)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)地概況

供試作物為番茄(LycopersicumesculentumMill.)，品種為東圣一號(hào)，購(gòu)自陜西東圣有限責(zé)任公司。試驗(yàn)用硝化抑制劑的有效成分為 CP，在乳液成品中含量為24%，由浙江奧復(fù)托化工有限公司提供。按照有效成分為尿素質(zhì)量0.25%的比例噴施該產(chǎn)品于尿素表面。供試標(biāo)記尿素15N豐度為10.17%，購(gòu)自上?；ぱ芯吭骸?/p>

試驗(yàn)于江蘇省宜興市農(nóng)業(yè)科技示范園大棚蔬菜生產(chǎn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)大棚為鋼管塑料大棚。該地區(qū)位于中亞熱帶北緣過(guò)渡地帶，年平均氣溫15.7℃，無(wú)霜期平均239 d，年均降水量1 158 mm。土壤類型為湖白土，質(zhì)地為砂壤土。移栽前0～20 cm耕層土壤理化性質(zhì)為：土壤pH值5.56，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、NO3--N、 NH4+-N、速效磷、速效鉀含量分別為22.7 g·kg-1、1.14 g·kg-1、202.4 mg·kg-1、16.9 mg·kg-1、110.2 mg·kg-1和72.8 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理，分別為：①研究區(qū)域推薦化肥氮用量處理[1,19]，設(shè)置施氮量為180 kg·hm-2(U180)；②U180基礎(chǔ)上添加硝化抑制劑CP處理(U180+CP)；③農(nóng)戶習(xí)慣化肥氮用量處理，施氮量為300 kg·hm-2(U300)；④U300基礎(chǔ)上添加硝化抑制劑CP處理(U300+CP)。每處理設(shè)3次重復(fù)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積為20 m2(5 m×4 m)，各小區(qū)隨機(jī)區(qū)組排列。各小區(qū)之間以埋設(shè)有PVC板(埋深60 cm)的田埂(寬60 cm，高40 cm)隔開(kāi)，防止小區(qū)間串水串肥，并實(shí)現(xiàn)各小區(qū)單灌單排的管理目的。在施氮小區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)施氮量一致的15N試驗(yàn)微區(qū)，由6 mm厚PVC材料焊接成直徑80 cm、高80 cm、面積0.5 m2的圓筒狀，并分別在距桶上沿20 cm和40 cm處兩側(cè)對(duì)稱打孔(配橡膠塞)，以實(shí)現(xiàn)微區(qū)內(nèi)外水分交換和單獨(dú)灌排水的需求。于微區(qū)試驗(yàn)開(kāi)始前半年埋入圓筒，埋深60 cm，留上部20 cm以阻斷微區(qū)內(nèi)外水肥串流。

番茄春茬栽培，于2月13日播種育苗，3月20日移栽定植，7月24日收獲完畢；栽培方式為傳統(tǒng)的畦栽，畦面寬60 cm，溝寬40 cm，每畦兩行，間距30 cm，株距40 cm，植株留4穗果。本研究中化肥氮(普通尿素和微區(qū)使用的標(biāo)記尿素)分3次施用，分別在移栽前做基肥、開(kāi)花期和第1穗果膨大期做追肥施入，施入肥料運(yùn)籌為2∶1∶1，標(biāo)記尿素按微區(qū)面積折算用量施用；商品有機(jī)肥、磷肥(過(guò)磷酸鈣)和鉀肥(硫酸鉀)在每季作物的基肥中一次施入，施用量分別為78 kg·hm-2(N)、60 kg·hm-2(P2O5)和90 kg·hm-2(K2O)，微區(qū)中按面積折算用量施肥。水分與農(nóng)藥管理措施同當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣。田間水分管理采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民傳統(tǒng)的澆灌方法，通常在移栽當(dāng)天及隨后的3～4 d灌水，或視土壤干濕狀況而定，水源為試驗(yàn)區(qū)附近河水，追肥時(shí)尿素撒施后灌水。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 番茄產(chǎn)量 番茄果實(shí)產(chǎn)量按整個(gè)小區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)。

1.3.2 番茄各器官生物量 番茄成熟后，將0.5 m2微區(qū)內(nèi)植株地上部按莖、葉和果實(shí)分器官收獲，于105℃殺青30 min后，75℃烘干至恒重，稱重后記錄各器官干重。

1.3.315N吸收與利用率 取1.3.2稱重后樣品粉碎過(guò)100目篩，采用同位素質(zhì)譜法測(cè)定番茄莖、葉和果實(shí)中全氮含量和15N豐度，同時(shí)計(jì)算肥料15N植株吸收量和15N利用效率，具體測(cè)定方法和計(jì)算公式均參照文獻(xiàn)[20]。

1.3.4 肥料標(biāo)記氮素土壤殘留量和土壤硝態(tài)氮含量 在番茄收獲后，于微區(qū)內(nèi)分別采集 0～15、15～30、30～45和45～60 cm土層土壤樣品，每土層取6個(gè)點(diǎn)，土樣混勻后風(fēng)干，磨細(xì)過(guò)100目篩，采用同位素質(zhì)譜法測(cè)定土壤全氮含量和15N豐度(測(cè)定方法同1.3.3)。根據(jù)公式計(jì)算肥料15N土壤殘留量：

肥料15N土壤殘留量=2.25×106×CN×(15Natm-0.3663)/(10.17-0.366 3)

(1)

式中，2.25×106為土壤重量，kg·hm-2；CN為土壤全氮含量，%；15Natm為土壤樣品15N豐度；10.17為供試標(biāo)記尿素15N豐度；0.366 3為15N自然豐度。

小區(qū)內(nèi)分別采集0～15、15～30、30～45和45～60 cm土層鮮土樣，壓碎過(guò)3 mm孔篩后，立即用1 mol·L-1KCl 溶液(水土比為10∶1)浸提，振蕩1 h后過(guò)濾。濾液用連續(xù)流動(dòng)分析儀(San++ System荷蘭skalar儀器公司)測(cè)定土壤硝態(tài)氮含量。

1.3.5 肥料NH3-15N排放量 采用連續(xù)動(dòng)力抽氣-密閉室法觀測(cè)氨揮發(fā)排放，測(cè)定方法及氨揮發(fā)量計(jì)算均參照文獻(xiàn)[21]：

肥料NH3-15N排放量=N×(15Natm-0.366 3)/(10.17-0.366 3)

(2)

試中，N為硼酸吸收液中的全氮含量，kg·hm-2；15Natm為硼酸吸收液中15N豐度；10.17為供試標(biāo)記尿素15N豐度；0.366 3為15N自然豐度。

1.3.6 肥料15N其他途徑損失量 采用15N平衡賬法[21]。

肥料15N其他途徑損失量=肥料15N投入量-地上部15N累計(jì)吸收量-肥料15N土壤殘留量-肥料NH3-15N 排放量

(3)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)各處理之間差異性進(jìn)行方差分析和Duncan多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)施番茄產(chǎn)量

由圖1可知，試驗(yàn)區(qū)農(nóng)戶習(xí)慣施氮量(U300)的設(shè)施番茄果實(shí)產(chǎn)量顯著低于推薦施肥量(U180)(P<0.05)，表明試驗(yàn)區(qū)設(shè)施番茄可適當(dāng)減施氮40%且不會(huì)造成減產(chǎn)。推薦施肥添加CP(U180+CP)和習(xí)慣施肥添加CP(U300+CP)處理間番茄產(chǎn)量無(wú)顯著差異。與U180和U300相比，U180+CP和U300+CP的產(chǎn)量分別增加了17.3%和31.4%，表明在不同施氮量下施用硝化抑制劑均可有效提高設(shè)施番茄產(chǎn)量。

2.2 標(biāo)記尿素氮在地上部各器官的分配

由表1可知，在U180和U300處理下45.8%和41.2%的標(biāo)記尿素氮被吸收累積在葉片中，高于在莖和果實(shí)中的累積吸收量。在U180+CP和U300+CP處理下，38.9%和39.4%的標(biāo)記尿素氮被吸收累積在葉片中，仍高于在莖和果實(shí)中的累積吸收量能占比。與U180和U300相比，U180+CP和U300+CP莖和葉中標(biāo)記尿素15N占總施氮量的比例分別減少了3.5和3.6個(gè)百分點(diǎn)(莖)、6.9和1.8個(gè)百分點(diǎn)(葉)，果實(shí)中標(biāo)記尿素氮占施氮量的比例分別增加了10.4和5.4個(gè)百分點(diǎn)。表明施用CP可使氮素的分配從莖和葉片向果實(shí)轉(zhuǎn)移，增加施用氮肥對(duì)果實(shí)的貢獻(xiàn)。

注：圖中不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters in the figure indicate significant difference among treatments at 0.05 level.圖1 不同施氮量和添加硝化抑制劑處理對(duì)設(shè)施番茄產(chǎn)量的影響Fig.1 Effect of the N rate and the nitrification inhibitor on tomato yields

表1 標(biāo)記尿素氮在設(shè)施番茄植株地上部各器官的分配Table 1 Distribution of N from 15N labeled urea in aboveground organs in tomatoes

2.3 土壤氮?dú)埩?/h3>

由表2可知，不同處理下標(biāo)記尿素氮主要?dú)埩粼?～15 cm土層。與U180和U180+CP相比，U300和U300+CP的0～15 cm土層土壤殘留氮量顯著增加，表明施氮量增加促進(jìn)了氮素在表層土壤的累積。在15～30、30～45和45～60 cm土層，不同處理下標(biāo)記尿素氮的土壤殘留量分別僅為7.3～20.1、4.5～11.4和4.7～7.7 kg·hm-2。與U180和U300相比，相同施氮量下U180+CP和U300+CP各土層的土壤殘留氮量均無(wú)顯著差異，表明添加CP可能不會(huì)促進(jìn)氮素的淋洗。

由圖2可知，與U180和U300相比，相同施氮量下U180+CP和U300+CP土壤剖面中硝態(tài)氮含量無(wú)顯著差異(P<0.05)。土壤硝態(tài)氮在0～15 cm土層大量累積，土壤硝態(tài)氮含量在59.2～110.6 mg·kg-1之間；然而在15 cm以下土層硝態(tài)氮含量顯著降低(P<0.05)，15～60 cm土層中硝態(tài)氮含量?jī)H在2.8～24.2 mg·kg-1之間。

2.4 氨揮發(fā)量

由圖3可知，與U180和U300相比，U180+CP和U300+CP中設(shè)施番茄生長(zhǎng)季標(biāo)記尿素總的氨揮發(fā)量分別增加了178.6%和83.7%，其中，在基肥和第1次追肥后標(biāo)記尿素氮的氨揮發(fā)量增加最明顯，增加了5～15倍；在第2次追肥后，與U180相比，U180+CP該階段的氨揮發(fā)量增加了24.5%，而U300+CP該階段的氨揮發(fā)量較U300略有降低，但差異不顯著。

表2 土壤剖面標(biāo)記氮素殘留氮量 Table 2 Residual nitrogen of labeled urea nitrogen in soil profile /(kg·hm-2)

圖2 土壤剖面中硝態(tài)氮含量Fig.2 Nitrate nitrogen content in soil profile

注：圖中不同小寫字母分別表示基肥、第1次追肥和第2次追肥后不 同處理間氨揮發(fā)量差異顯著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters in the figure indicate significant difference in ammonia volatilization between different treatments after basal dressing, the first dressing and the second dressing at 0.05 level, respectively.圖3 標(biāo)記尿素氮的氨揮發(fā)量Fig.3 The ammonia volatilization of labeled urea nitrogen

2.5 標(biāo)記尿素氮去向和損失分析

由表3可知，與U180和U300相比，U180+CP和U300+CP對(duì)標(biāo)記尿素的總回收分別提高了8.6和9.2個(gè)百分點(diǎn)；其地上部作物氮素吸收比例分別增加了0.9和3.6個(gè)百分點(diǎn)；標(biāo)記尿素的土壤殘留比例分別增加了7.7和5.6個(gè)百分點(diǎn)。在標(biāo)記尿素的氮素?fù)p失上，施用硝化抑制劑增加了氨揮發(fā)排放，較單施尿素處理增加了1～2倍。

3 討論

設(shè)施番茄施用添加CP的標(biāo)記尿素(簡(jiǎn)稱CP尿素)，分別在推薦施氮量(180 kg·hm-2)和習(xí)慣施氮量(300 kg·hm-2)條件下增產(chǎn)17.3%和31.4%(圖1)。這與前人研究結(jié)果相近，有報(bào)道表明CP可使水稻增產(chǎn)15.2%[22]，玉米增產(chǎn)15%～23%[18]。從經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，CP尿素比普通尿素價(jià)格高約0.38元·kg-1， 每公頃成本僅增加100元左右，而施用CP后設(shè)施番茄果實(shí)產(chǎn)量可增加6.0～9.2 t·hm-2，每公頃增加收入1.2～1.8萬(wàn)元(按每千克番茄2.0元計(jì))。

同位素15N示蹤法能精確定量分析肥料氮的利用率[23-24]。本研究中，布設(shè)在各小區(qū)內(nèi)的15N同位素示蹤微區(qū)試驗(yàn)結(jié)果表明，與單施尿素相比，施用CP尿素后設(shè)施番茄莖和葉中標(biāo)記尿素氮占總標(biāo)記氮素施用量的比例分別減少了3.5、3.6和6.9、1.8個(gè)百分點(diǎn)，設(shè)施番茄果實(shí)中則增加了10.4和5.4個(gè)百分點(diǎn)。水稻盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明，基肥施用CP尿素，水稻后期增施穗肥能促進(jìn)基肥氮素從莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移[9]；春小麥的盆栽試驗(yàn)也表明，施用CP可促進(jìn)氮素由小麥莖葉向籽粒轉(zhuǎn)移[19]。由此推測(cè)，施用CP改變了設(shè)施番茄地上部各器官中的氮素分配，促使氮素由莖和葉片向果實(shí)轉(zhuǎn)移，增加氮肥對(duì)果實(shí)的貢獻(xiàn)，這可能是其在設(shè)施番茄上增效的機(jī)制之一。

表3 標(biāo)記尿素氮的去向(占施氮量百分比)Table 3 Fate of labeled urea nitrogen (percentage of applied urea-N) /%

本研究表明施用CP可增加肥料氮的回收，減少氮素?fù)p失(表3)。設(shè)施番茄生長(zhǎng)季在推薦施氮量和習(xí)慣施氮量下，與單施尿素處理相比，施用CP尿素使標(biāo)記尿素氮的總回收率分別從75%和77.6%增加至83.6%和86.8%。這與Freney等[25]報(bào)道的增施CP可使棉花對(duì)肥料氮的回收率由57%提高至74%的結(jié)論相似。在推薦施氮量和習(xí)慣施氮量下，CP的施用使設(shè)施番茄標(biāo)記尿素氮的利用率分別從10.2%和3.7%增加至11.1%和7.3%。在該試驗(yàn)區(qū)相同施氮量下通過(guò)差減法計(jì)算得到的設(shè)施番茄氮素利用率分別為19.0%和15.4%。示蹤法測(cè)得的氮肥利用率一般低于差減法，因?yàn)榍罢邇H包括作物吸收的15N標(biāo)記化肥氮，而未計(jì)入作物對(duì)通過(guò)交換作用所釋出的那一部分土壤氮的吸收，因而低估了施用氮肥后作物氮素營(yíng)養(yǎng)水平的提高程度[26-27]。本研究結(jié)果表明，0～60 cm土層中殘留的標(biāo)記尿素氮有80.9%～85.8%殘留在0～15 cm土層。這可能與施肥方式有關(guān)，該試驗(yàn)區(qū)設(shè)施番茄追肥一般為表施。有研究表明，施用硝化抑制劑可降低土壤硝態(tài)氮含量，提高土壤氨態(tài)氮含量[15, 28-29]。在本研究中，CP的施用未顯著增加標(biāo)記尿素氮在土壤中的殘留量，這可能是因?yàn)榧尤?5N標(biāo)記尿素氮后發(fā)生“激發(fā)效應(yīng)”，即土壤氮與加入15N標(biāo)記尿素氮之間發(fā)生了微生物交換作用，增加了土壤氮素的礦化量，而通過(guò)示蹤法未能檢測(cè)到這部分增加量。與普通尿素相比，施用CP尿素顯著增加了氨揮發(fā)排放，在施氮量為180和300 kg·hm-2處理下分別增加了2.47和3.65 kg·hm-2的氨排放，占總N投入量的1.4%和1.2%(表3)，該結(jié)果與應(yīng)用在水稻上的效果類似[10，30]。氨揮發(fā)和N2O排放均會(huì)影響環(huán)境的增溫潛勢(shì)(global warming potentials，GWPs)，大量研究已表明，CP與氮肥配施可抑制玉米[31]、棉花[32]、小麥玉米輪作[15]以及菜地[14]的N2O排放。氨揮發(fā)的GWPs計(jì)算系數(shù)約為N2O的1/100[2]， 因此根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研的結(jié)果估算，綜合氨揮發(fā)和N2O排放的影響，氮肥配施CP相比單施化肥可能會(huì)降低環(huán)境總體的GWPs。此外，通過(guò)平衡帳法計(jì)算15N標(biāo)記尿素的其他損失量，施用CP尿素后在推薦施氮量和習(xí)慣施氮量下氮素?fù)p失分別減少了10.0和10.4個(gè)百分點(diǎn)(表3)，這與其他硝化抑制劑研究結(jié)果相似[33-34]。

綜上所述，CP的施用通過(guò)提高番茄氮素吸收效率，減少N損失，從而提高了蔬菜種植體系的效率，這也可能是其增效的機(jī)制之一。

4 結(jié)論

設(shè)施番茄施用磷化抑制劑(CP)可顯著提高果實(shí)產(chǎn)量，可增加約12%的肥料氮回收率，土壤標(biāo)記尿素殘留氮量無(wú)顯著增加。添加CP改變了地上部各器官中的氮素分配，促進(jìn)氮素由莖和葉向果實(shí)轉(zhuǎn)移。與單施尿素處理相比，添加CP后氨揮發(fā)排放增加，但其他途徑的氮素?fù)p失合計(jì)數(shù)減少。綜合分析表明，CP的應(yīng)用有助于設(shè)施蔬菜維持高產(chǎn)，并可實(shí)現(xiàn)環(huán)境減排，在蔬菜生產(chǎn)上值得廣泛推廣。