减氮施肥及氮肥添加脲酶抑制剂对凉州灌区春玉米产量和氮肥利用的影响

李春玲，李国山，于亦忠，毛文明，马林山

(1.甘肃省武威市农业技术推广中心，甘肃 武威 733000；2.武威金仓生物科技有限公司，甘肃 武威 733000)

氮肥对于保障作物产量发挥着至关重要的作用。但是，随着氮肥施用量的增加，其增产效应正在逐渐减缓，氮肥的利用效率也在不断降低[1]，例如我国三大粮食作物水稻、小麦、玉米的氮肥利用率仅为27.3%、38.2%和31.0%[2]，远低于46%、57%、65%的世界平均水平[3]。氮肥利用水平的降低造成了土壤酸化的加剧[4]、土壤无机氮的过量积累[5]、环境污染的风险增加[6]等一系列问题，所以，如何在保证作物产量的同时提高氮肥的利用效率，一直成为农业科学领域研究的重点。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地点位于甘肃省武威市黄羊镇黄羊村七组(102°81′E、37°65′N)，海拔1 632 m，多年平均降雨量为160 mm，年均蒸发量为2 020 mm，平均气温为7.8℃，无霜期150 d，日照时数2 873.4 h，属温带大陆干旱气候，土壤为沙质壤土，2018年试验开始前土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验共设5个处理：(1)对照(CK)，不施氮肥；(2)农户施肥(CF)，根据对当地35个农户的春玉米施肥调查结果，施氮肥267 kg·hm-2，其中基施氮肥186.9 kg·hm-2，拔节期追施氮肥80.1 kg·hm-2；(3)减氮施肥，氮肥施用量较农户施肥减少20%，其中基施氮肥149.5 kg·hm-2，拔节期追施氮肥64.1 kg·hm-2(80% CF)；(4)农户施肥处理的基础上添加脲酶抑制剂(CF+NBPT)；(5)减氮施肥处理的基础上添加脲酶抑制剂(80% CF+NBPT)。脲酶抑制剂(NBPT)按照尿素施入量的1%与尿素配合施入。磷肥为过磷酸钙，含P2O5180 kg·hm-2，钾肥为硫酸钾，含K2O 180 kg·hm-2，全部基施，追施氮肥采用滚动鸭嘴式穴播机在膜上破膜追施。玉米品种为先玉335，采用全膜平作栽培，春季顶凌全地面140 cm地膜覆盖，行距46 cm、株距28 cm，播种密度77 640株·hm-2。第1年为2018年4月26日播种，10月8日机械收获，第2年为2019年4月25日播种，10月6日收获。全生育期灌水3次，每次灌水量1 125 m3·hm-2。田间采用完全随机区组试验设计，小区面积40 m2，小区长10 m，宽4 m，重复4次。

1.3 样品采集与测定

表1 供试土壤基本理化性质

春玉米产量采用全区收获法确定，用烘干质量表示。成熟期每小区取20穗调查穗部性状与产量构成因素，同时取具有代表性的植株5株，分为秸秆和籽粒，采用浓H2SO4-H2O2消化法测定含氮量。

1.4 数据计算与统计分析

氮肥表观利用率(%)=(施氮肥区植株地上部氮素积累量(kg·hm-2)-不施氮肥区植株地上部氮素积累量)/施氮量(kg·hm-2)×100%[11]

氮肥农学效率(kg·kg-1)=(施氮区产量(kg·hm-2)-不施氮区产量)/施氮量[12]

氮素收获指数(%)=籽粒中氮积累量/成熟期地上部分总吸氮量(kg·hm-2)×100[11]

土壤硝态氮残留量(kg·hm-2)=土层厚度(cm)×土壤面积(m2)×土壤容重(g·cm-3)×土壤硝态氮含量(mg·kg-1)/10[13]

数据整理及图表制作采用Microsoft Excel 2007，统计分析采用DPS 7.05软件(Duncan新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 不同处理下春玉米产量和收获指数的变化

从图1可以看出，减氮施肥处理虽然在农户施肥处理的基础上氮肥施用量减少了20%，但春玉米产量和收获指数与农户施肥处理相比没有明显降低。农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理与农户施肥处理相比，春玉米产量和收获指数显著增加，2018年和2019年平均增加了15.5%和9.46%，与减氮施肥处理相比，春玉米产量和收获指数亦显著增加，2018年和2019年平均增加了17.3%和9.93%。减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理与农户施肥和减氮施肥处理相比，春玉米产量和收获指数2018年显著增加，2019年却差异不明显，与农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理相比，产量和收获指数2018年差异不明显，2019年却显著降低。说明在凉州灌区春玉米实际生产过程中，在现行的农户氮肥施用量基础上，适当比例降低氮肥施用量可以保证春玉米产量，农户施肥的基础上添加脲酶抑制剂(NBPT)能够显著增加春玉米产量，效果更明显。

2.2 不同处理对春玉米产量构成因素的影响

从春玉米产量构成因素来看(表2)，减氮施肥春玉米穗粒数、百粒重、秃顶长与农户施肥处理差异不明显；农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理与农户施肥处理相比，穗粒数差异不明显，但2018年百粒重显著增加了8.36%，2019年也有明显的增加趋势，2018年秃顶长显著降低了21.5%， 2019年也有明显的降低趋势；减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理与农户施肥处理相比，2018年穗粒数和百粒重差异不明显，秃顶长显著降低，2019年百粒重和秃顶长之间差异不明显，但穗粒数又显著降低。综合分析2 a春玉米产量，农户施肥的基础上添加脲酶抑制剂(NBPT)可以增加春玉米百粒重，降低秃顶长，从而提高春玉米产量。

2.3 不同处理下春玉米氮肥利用效率的变化

分析春玉米氮肥利用效率(表3)，减氮施肥处理氮肥农学效率和氮素收获指数与农户施肥处理差异不明显，但氮肥利用率较农户施肥处理2018年和2019年平均显著增加了24.6%。农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理的氮肥农学效率、氮肥利用率、氮素收获指数较农户施肥处理2018年和2019年平均显著增加了120.3%、33.54%、9.06%，氮肥农学效率和氮素收获指数较减氮施肥处理2018年和2019年平均显著增加了137.8%和8.29%。减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理氮肥农学效率、氮肥利用率较农户施肥处理2018年显著增加，2019年却差异不明显，氮肥利用效率较减氮施肥处理2018年和2019年平均显著降低了12.9%。可见，减氮施肥及农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理能够提高春玉米对氮肥的吸收利用，农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理更有利于氮素向春玉米籽粒的转移，但减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)后却影响了春玉米对氮素的吸收利用。

表3 不同处理对春玉米氮肥利用效率的影响

2.4 各处理春玉米收获期0～100 cm土壤硝态氮的残留量

春玉米收获后，不同处理0～100 cm土层均出现了明显的硝态氮残留(表4)，其中农户施肥、减氮施肥、农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)、减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理2018年和2019年0～100 cm土层硝态氮残留量平均达到152.2、113.1、111.6 kg·hm-2和82.2 kg·hm-2，减氮施肥、农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)、减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理分别较农户施肥处理平均降低了25.7%、26.7%和46.0%；进一步分析各处理不同土层硝态氮残留量，农户施肥、减氮施肥、农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)、减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理2018年和2019年60～100 cm土层硝态氮残留量平均达到69.7、43.5、37.3 kg·hm-2和27.8 kg·hm-2，减氮施肥、农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)、减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理分别较农户施肥处理平均降低了37.5%、46.4%和60.1%。可见，减氮施肥及农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理均能够明显降低春玉米收获后0～100 cm土层硝态氮残留量，且深层60～100 cm土层硝态氮残留量降低更为明显，从而有效降低了土层硝态氮淋溶损失的风险。

表4 不同处理对春玉米0～100 cm土层硝态氮残留量的影响/(kg·hm -2)

3 讨论与结论

3.1 减氮施肥对春玉米产量及氮肥利用效率的影响

长期过量施用氮肥，不仅不能增加作物产量，反而会造成严重的氮肥资源浪费和环境污染[14-15]。适当比例降低氮肥施用量，既可以保证作物产量，同时可以提高氮肥利用效率，例如陈传永等[16]研究表明，玉米减施氮肥14.3%～28.6%，籽粒产量没有明显下降的情况下，随着施氮量的减少，玉米氮肥利用效率、氮肥农学效率反而升高。邹晓锦等[17]研究表明，玉米减施氮肥10%和20%，产量没有明显降低，但氮收获指数、氮肥利用率、氮肥农学效率却显著增加，且0～100 cm土层氮表观损失量和收获期残留无机氮明显降低。郑利芳等[18]研究也表明，春玉米减施氮肥20%，产量显著提高7.59%，收获期0～300 cm土层硝态氮残留量减少61.2%。本研究春玉米减施氮肥20%，产量没有明显降低的情况下，氮肥利用率显著增加，且收获期0～100 cm土层硝态氮残留量明显降低，深层60～100 cm土层硝态氮降低更为明显，残留氮素淋溶损失的风险也明显降低。

3.2 尿素添加脲酶抑制剂(NBPT)对春玉米产量及氮肥利用效率的影响

土壤中的脲酶在农业生产中具有非常重要的意义，其可以催化尿素水解，使尿素转化为无机氮供给植物吸收[19]，脲酶抑制剂可有效抑制土壤中脲酶的活性，缓解尿素的水解速率，长时间内维持土壤矿质态氮的稳定，从而提高氮肥利用效率，增加作物产量，例如张雪崧[20]、鲁艳红[11]、刘垚[21]、Muneer Ahmed[22]等研究表明脲酶抑制剂(NBPT)与尿素配施可以提高大豆、水稻、玉米的产量及氮肥利用效率，本研究农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)后，春玉米产量显著增加，氮肥利用效率显著提高，尤其是氮素收获指数显著增加了9.06%，收获期0～100 cm土层硝态氮残留量明显降低，其中春玉米产量增加的主要原因是百粒重的增加和秃顶长的降低，这与刘垚[21]等人的研究结论一致。但有研究却表明氮素添加脲酶抑制剂不一定能够增加作物产量，例如张文学等[23]研究表明当脲酶抑制剂(NBPT)的添加量小于1%时，对水稻产量无显著影响，王小彬等[24]研究也表明，脲酶抑制剂(NBPT)处理对春小麦产量无显著影响。本研究减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理，春玉米产量、氮肥利用率2018年显著增加，2019年却差异不明显，收获期0～100 cm土层硝态氮残留量明显降低。因为脲酶抑制剂(NBPT)不直接对脲酶产生抑制作用，需进一步转化为氧类似物NBPTO后才对脲酶产生抑制作用，而NBPT向NBPTO转化速率受到土壤理化性质、水分、温度、脲酶活性及NBPT浓度的影响[25]。所以，受土壤理化性质、水分、温度、脲酶活性及NBPT浓度等因素的影响，有关脲酶抑制剂对作物产量及氮肥利用效率的影响研究所得结论也会不一致。本研究减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理增产不明显，主要原因可能是减氮施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)后，2018年春玉米收获后0～100 cm土层硝态氮残留量降低太多，加之休闲期受灌水淋溶影响，导致2019年播前期0～100 cm土层硝态氮残留量太低，直接影响了2019年春玉米对氮素的吸收，进而影响了春玉米的增产。

综合考虑春玉米产量、氮肥利用效率及收获期土层硝态氮残留量，减氮施肥和农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理能够在保证春玉米产量的同时，提高氮肥利用效率，降低收获期0～100 cm土层氮素残留量，其中农户施肥添加脲酶抑制剂(NBPT)处理能够显著增加春玉米产量，效果更明显。