应用15N标记尿素研究硝化抑制剂对设施番茄氮素去向的影响

许纪元 闵 炬 施卫明

(1中国科学院南京土壤研究所， 土壤与农业可持续发展国家重点实验室，江苏 南京 210008；2中国科学院大学， 北京 100049)

随着我国人均生活水平的提高以及城市化进程的加快，人们对蔬菜消费的需求日益增加。由于设施蔬菜相对于其他粮食作物具有较高的附加值，近年来全国种植面积日益增加，截止2018年，全国设施蔬菜种植面积达2.04×107hm2[1]。在实际生产中蔬菜的增产主要依赖氮肥的大量投入[2]。随着大量单施化肥与土体富营养化，大棚蔬菜作物及土壤对投入氮肥的敏感性降低，相应肥效降低，造成增肥不增产，致使在原有施肥结构下产量难以维持和提高[3-5]。

硝化抑制剂是一类进入土壤后能够影响土壤生化环境的物质，可以调节某些土壤酶活性，抑制亚硝化细菌生长、控制土壤中NH4+向NO2-、NO3-转化[6-7]。有研究表明，应用硝化抑制剂可有效提高肥料利用率、降低氮素损失，并且硝化抑制剂适合与各种铵态氮肥或尿素配施[8]。2-氯-6-三氯甲基吡啶(6-chloro-2-trichloromethyl pyridine，CP)为国际公认的无毒有效的硝化抑制剂[9]，主要应用于我国大田作物如小麦、玉米和棉花等，并取得了较好的增产效果，已进行一定范围的推广[10-13]。CP被认为可阻控土壤中氮素的硝化和反硝化过程，使得施入土壤中更多的氮素以铵态氮形态存在，可减少 N2O 的排放[14]。目前，针对硝化抑制剂的研究多集中在应用效果方面[15-18]，应用于蔬菜地尤其应用于设施菜地的研究报道较少，增产效果和机制尚不十分清楚。为有效提高氮肥利用率，确保蔬菜作物高产和最小环境污染，深入研究在不同施氮量下，施用硝化抑制剂后肥料氮在植物-土壤-大气系统中的行为和去向十分必要。鉴于此，本研究利用15N稳定性同位素示踪技术，应用15N标记尿素，在田间微区研究了推荐施氮量(180 kg·hm-2)和习惯施氮量(300 kg·hm-2)条件下，添加硝化抑制剂CP对设施番茄氮素去向的影响及其可能的增效机理，以期为硝化抑制剂在蔬菜生产上的大面积推广应用提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地概况

供试作物为番茄(LycopersicumesculentumMill.)，品种为东圣一号，购自陕西东圣有限责任公司。试验用硝化抑制剂的有效成分为 CP，在乳液成品中含量为24%，由浙江奥复托化工有限公司提供。按照有效成分为尿素质量0.25%的比例喷施该产品于尿素表面。供试标记尿素15N丰度为10.17%，购自上海化工研究院。

试验于江苏省宜兴市农业科技示范园大棚蔬菜生产基地进行，试验大棚为钢管塑料大棚。该地区位于中亚热带北缘过渡地带，年平均气温15.7℃，无霜期平均239 d，年均降水量1 158 mm。土壤类型为湖白土，质地为砂壤土。移栽前0～20 cm耕层土壤理化性质为：土壤pH值5.56，土壤有机质、全氮、NO3--N、 NH4+-N、速效磷、速效钾含量分别为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 试验设计

试验共设4个处理，分别为：①研究区域推荐化肥氮用量处理[1,19]，设置施氮量为180 kg·hm-2(U180)；②U180基础上添加硝化抑制剂CP处理(U180+CP)；③农户习惯化肥氮用量处理，施氮量为300 kg·hm-2(U300)；④U300基础上添加硝化抑制剂CP处理(U300+CP)。每处理设3次重复，共计12个小区，小区面积为20 m2(5 m×4 m)，各小区随机区组排列。各小区之间以埋设有PVC板(埋深60 cm)的田埂(宽60 cm，高40 cm)隔开，防止小区间串水串肥，并实现各小区单灌单排的管理目的。在施氮小区内设计一个施氮量一致的15N试验微区，由6 mm厚PVC材料焊接成直径80 cm、高80 cm、面积0.5 m2的圆筒状，并分别在距桶上沿20 cm和40 cm处两侧对称打孔(配橡胶塞)，以实现微区内外水分交换和单独灌排水的需求。于微区试验开始前半年埋入圆筒，埋深60 cm，留上部20 cm以阻断微区内外水肥串流。

番茄春茬栽培，于2月13日播种育苗，3月20日移栽定植，7月24日收获完毕；栽培方式为传统的畦栽，畦面宽60 cm，沟宽40 cm，每畦两行，间距30 cm，株距40 cm，植株留4穗果。本研究中化肥氮(普通尿素和微区使用的标记尿素)分3次施用，分别在移栽前做基肥、开花期和第1穗果膨大期做追肥施入，施入肥料运筹为2∶1∶1，标记尿素按微区面积折算用量施用；商品有机肥、磷肥(过磷酸钙)和钾肥(硫酸钾)在每季作物的基肥中一次施入，施用量分别为78 kg·hm-2(N)、60 kg·hm-2(P2O5)和90 kg·hm-2(K2O)，微区中按面积折算用量施肥。水分与农药管理措施同当地农户习惯。田间水分管理采用当地农民传统的浇灌方法，通常在移栽当天及随后的3～4 d灌水，或视土壤干湿状况而定，水源为试验区附近河水，追肥时尿素撒施后灌水。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 番茄产量 番茄果实产量按整个小区收获计产。

1.3.2 番茄各器官生物量 番茄成熟后，将0.5 m2微区内植株地上部按茎、叶和果实分器官收获，于105℃杀青30 min后，75℃烘干至恒重，称重后记录各器官干重。

1.3.315N吸收与利用率 取1.3.2称重后样品粉碎过100目筛，采用同位素质谱法测定番茄茎、叶和果实中全氮含量和15N丰度，同时计算肥料15N植株吸收量和15N利用效率，具体测定方法和计算公式均参照文献[20]。

1.3.4 肥料标记氮素土壤残留量和土壤硝态氮含量 在番茄收获后，于微区内分别采集 0～15、15～30、30～45和45～60 cm土层土壤样品，每土层取6个点，土样混匀后风干，磨细过100目筛，采用同位素质谱法测定土壤全氮含量和15N丰度(测定方法同1.3.3)。根据公式计算肥料15N土壤残留量：

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

(1)

式中，2.25×106为土壤重量，kg·hm-2；CN为土壤全氮含量，%；15Natm为土壤样品15N丰度；10.17为供试标记尿素15N丰度；0.366 3为15N自然丰度。

小区内分别采集0～15、15～30、30～45和45～60 cm土层鲜土样，压碎过3 mm孔筛后，立即用1 mol·L-1KCl 溶液(水土比为10∶1)浸提，振荡1 h后过滤。滤液用连续流动分析仪(San++ System荷兰skalar仪器公司)测定土壤硝态氮含量。

1.3.5 肥料NH3-15N排放量 采用连续动力抽气-密闭室法观测氨挥发排放，测定方法及氨挥发量计算均参照文献[21]：

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

(2)

试中，N为硼酸吸收液中的全氮含量，kg·hm-2；15Natm为硼酸吸收液中15N丰度；10.17为供试标记尿素15N丰度；0.366 3为15N自然丰度。

1.3.6 肥料15N其他途径损失量 采用15N平衡账法[21]。

肥料15N其他途径损失量=肥料15N投入量-地上部15N累计吸收量-肥料15N土壤残留量-肥料NH3-15N 排放量

(3)。

1.4 数据分析

采用Excel 2007软件对数据进行统计分析，对各处理之间差异性进行方差分析和Duncan多重比较(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 设施番茄产量

由图1可知，试验区农户习惯施氮量(U300)的设施番茄果实产量显著低于推荐施肥量(U180)(P<0.05)，表明试验区设施番茄可适当减施氮40%且不会造成减产。推荐施肥添加CP(U180+CP)和习惯施肥添加CP(U300+CP)处理间番茄产量无显著差异。与U180和U300相比，U180+CP和U300+CP的产量分别增加了17.3%和31.4%，表明在不同施氮量下施用硝化抑制剂均可有效提高设施番茄产量。

2.2 标记尿素氮在地上部各器官的分配

由表1可知，在U180和U300处理下45.8%和41.2%的标记尿素氮被吸收累积在叶片中，高于在茎和果实中的累积吸收量。在U180+CP和U300+CP处理下，38.9%和39.4%的标记尿素氮被吸收累积在叶片中，仍高于在茎和果实中的累积吸收量能占比。与U180和U300相比，U180+CP和U300+CP茎和叶中标记尿素15N占总施氮量的比例分别减少了3.5和3.6个百分点(茎)、6.9和1.8个百分点(叶)，果实中标记尿素氮占施氮量的比例分别增加了10.4和5.4个百分点。表明施用CP可使氮素的分配从茎和叶片向果实转移，增加施用氮肥对果实的贡献。

注：图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。Note: Different lowercase letters in the figure indicate significant difference among treatments at 0.05 level.图1 不同施氮量和添加硝化抑制剂处理对设施番茄产量的影响Fig.1 Effect of the N rate and the nitrification inhibitor on tomato yields

表1 标记尿素氮在设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 土壤氮残留

由表2可知，不同处理下标记尿素氮主要残留在0～15 cm土层。与U180和U180+CP相比，U300和U300+CP的0～15 cm土层土壤残留氮量显著增加，表明施氮量增加促进了氮素在表层土壤的累积。在15～30、30～45和45～60 cm土层，不同处理下标记尿素氮的土壤残留量分别仅为7.3～20.1、4.5～11.4和4.7～7.7 kg·hm-2。与U180和U300相比，相同施氮量下U180+CP和U300+CP各土层的土壤残留氮量均无显著差异，表明添加CP可能不会促进氮素的淋洗。

由图2可知，与U180和U300相比，相同施氮量下U180+CP和U300+CP土壤剖面中硝态氮含量无显著差异(P<0.05)。土壤硝态氮在0～15 cm土层大量累积，土壤硝态氮含量在59.2～110.6 mg·kg-1之间；然而在15 cm以下土层硝态氮含量显著降低(P<0.05)，15～60 cm土层中硝态氮含量仅在2.8～24.2 mg·kg-1之间。

2.4 氨挥发量

由图3可知，与U180和U300相比，U180+CP和U300+CP中设施番茄生长季标记尿素总的氨挥发量分别增加了178.6%和83.7%，其中，在基肥和第1次追肥后标记尿素氮的氨挥发量增加最明显，增加了5～15倍；在第2次追肥后，与U180相比，U180+CP该阶段的氨挥发量增加了24.5%，而U300+CP该阶段的氨挥发量较U300略有降低，但差异不显著。

表2 土壤剖面标记氮素残留氮量 Table 2 Residual nitrogen of labeled urea nitrogen in soil profile /(kg·hm-2)

图2 土壤剖面中硝态氮含量Fig.2 Nitrate nitrogen content in soil profile

注：图中不同小写字母分别表示基肥、第1次追肥和第2次追肥后不 同处理间氨挥发量差异显著(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.图3 标记尿素氮的氨挥发量Fig.3 The ammonia volatilization of labeled urea nitrogen

2.5 标记尿素氮去向和损失分析

由表3可知，与U180和U300相比，U180+CP和U300+CP对标记尿素的总回收分别提高了8.6和9.2个百分点；其地上部作物氮素吸收比例分别增加了0.9和3.6个百分点；标记尿素的土壤残留比例分别增加了7.7和5.6个百分点。在标记尿素的氮素损失上，施用硝化抑制剂增加了氨挥发排放，较单施尿素处理增加了1～2倍。

3 讨论

设施番茄施用添加CP的标记尿素(简称CP尿素)，分别在推荐施氮量(180 kg·hm-2)和习惯施氮量(300 kg·hm-2)条件下增产17.3%和31.4%(图1)。这与前人研究结果相近，有报道表明CP可使水稻增产15.2%[22]，玉米增产15%～23%[18]。从经济效益来看，CP尿素比普通尿素价格高约0.38元·kg-1， 每公顷成本仅增加100元左右，而施用CP后设施番茄果实产量可增加6.0～9.2 t·hm-2，每公顷增加收入1.2～1.8万元(按每千克番茄2.0元计)。

同位素15N示踪法能精确定量分析肥料氮的利用率[23-24]。本研究中，布设在各小区内的15N同位素示踪微区试验结果表明，与单施尿素相比，施用CP尿素后设施番茄茎和叶中标记尿素氮占总标记氮素施用量的比例分别减少了3.5、3.6和6.9、1.8个百分点，设施番茄果实中则增加了10.4和5.4个百分点。水稻盆栽试验结果表明，基肥施用CP尿素，水稻后期增施穗肥能促进基肥氮素从茎叶向籽粒转移[9]；春小麦的盆栽试验也表明，施用CP可促进氮素由小麦茎叶向籽粒转移[19]。由此推测，施用CP改变了设施番茄地上部各器官中的氮素分配，促使氮素由茎和叶片向果实转移，增加氮肥对果实的贡献，这可能是其在设施番茄上增效的机制之一。

表3 标记尿素氮的去向(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，减少氮素损失(表3)。设施番茄生长季在推荐施氮量和习惯施氮量下，与单施尿素处理相比，施用CP尿素使标记尿素氮的总回收率分别从75%和77.6%增加至83.6%和86.8%。这与Freney等[25]报道的增施CP可使棉花对肥料氮的回收率由57%提高至74%的结论相似。在推荐施氮量和习惯施氮量下，CP的施用使设施番茄标记尿素氮的利用率分别从10.2%和3.7%增加至11.1%和7.3%。在该试验区相同施氮量下通过差减法计算得到的设施番茄氮素利用率分别为19.0%和15.4%。示踪法测得的氮肥利用率一般低于差减法，因为前者仅包括作物吸收的15N标记化肥氮，而未计入作物对通过交换作用所释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营养水平的提高程度[26-27]。本研究结果表明，0～60 cm土层中残留的标记尿素氮有80.9%～85.8%残留在0～15 cm土层。这可能与施肥方式有关，该试验区设施番茄追肥一般为表施。有研究表明，施用硝化抑制剂可降低土壤硝态氮含量，提高土壤氨态氮含量[15, 28-29]。在本研究中，CP的施用未显著增加标记尿素氮在土壤中的残留量，这可能是因为加入15N标记尿素氮后发生“激发效应”，即土壤氮与加入15N标记尿素氮之间发生了微生物交换作用，增加了土壤氮素的矿化量，而通过示踪法未能检测到这部分增加量。与普通尿素相比，施用CP尿素显著增加了氨挥发排放，在施氮量为180和300 kg·hm-2处理下分别增加了2.47和3.65 kg·hm-2的氨排放，占总N投入量的1.4%和1.2%(表3)，该结果与应用在水稻上的效果类似[10，30]。氨挥发和N2O排放均会影响环境的增温潜势(global warming potentials，GWPs)，大量研究已表明，CP与氮肥配施可抑制玉米[31]、棉花[32]、小麦玉米轮作[15]以及菜地[14]的N2O排放。氨挥发的GWPs计算系数约为N2O的1/100[2]， 因此根据文献调研的结果估算，综合氨挥发和N2O排放的影响，氮肥配施CP相比单施化肥可能会降低环境总体的GWPs。此外，通过平衡帐法计算15N标记尿素的其他损失量，施用CP尿素后在推荐施氮量和习惯施氮量下氮素损失分别减少了10.0和10.4个百分点(表3)，这与其他硝化抑制剂研究结果相似[33-34]。

综上所述，CP的施用通过提高番茄氮素吸收效率，减少N损失，从而提高了蔬菜种植体系的效率，这也可能是其增效的机制之一。

4 结论

设施番茄施用磷化抑制剂(CP)可显著提高果实产量，可增加约12%的肥料氮回收率，土壤标记尿素残留氮量无显著增加。添加CP改变了地上部各器官中的氮素分配，促进氮素由茎和叶向果实转移。与单施尿素处理相比，添加CP后氨挥发排放增加，但其他途径的氮素损失合计数减少。综合分析表明，CP的应用有助于设施蔬菜维持高产，并可实现环境减排，在蔬菜生产上值得广泛推广。