生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对滨海盐渍土土壤盐分及作物氮素吸收利用的影响①

唐 冲，杨劲松，姚荣江，王 胜，王相平，谢文萍

(1 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中国科学院大学，北京 100049；3山东胜伟盐碱地科技有限公司，山东潍坊 261000)

土壤盐渍化是全世界范围内的一个难题，已经成为农业可持续发展的主要障碍[1]。江苏省海岸线长，沿着海岸线分布着大面积的滩涂，且滩涂面积还在不断增加，根据2009年《江苏沿海地区发展规划》，截至2020年，共新增18万hm2滩涂，其中 60% 用于农业[2]。新围垦的滩涂具有盐碱程度高、地下水矿化度高、养分含量低以及淡水资源稀缺等特点。滩涂盐渍土壤中含有的大量可溶性盐以及交换性离子，对土壤的物理性质、化学性质和生物学性质都有影响[3]，例如过多的Na+，会减少土壤颗粒的絮凝以及土壤养分的保持[4]，对土壤及作物都有不利的影响[5]。

氮作为大量营养元素之一，在作物生长与产量形成中有着不可替代的作用，作物吸收利用的氮素主要是铵态氮和硝态氮[6]。化学氮肥的施用，是促进作物丰产的重要措施，但是不合理的氮肥施用一方面导致经济效益低，另一方面会增加氮肥在土壤中的残留以及大气和水体中的损失，污染环境[7]。盐渍土壤由于特殊的环境，对土壤中氮素有效性与作物氮素吸收有着不利的影响。在滨海盐渍土中，Cl–在阴离子中占据着主导地位，而过多的Cl–会和形成竞争量官能团以及各种矿质元素的特性，在土壤改良中被广泛利用[15-16]。尿素中添加硝化/脲酶抑制剂通过降低尿素水解和随后发生的硝化作用，从而可以提高氮肥利用率和减少氮素气态损失。已有学者将生物质炭和硝化/脲酶抑制剂配合施用，对氮肥的气态损失、作物产量和氮利用率开展了相关研究[17]，但是在盐渍土中的应用却鲜有报道。因此，本研究以苏北滨海盐渍土为研究对象，采用盆栽试验研究生物质炭及脲酶抑制剂 N-丁基硫代磷酰三胺 (NBPT) 和硝化抑制剂双氰胺 (DCD) 对滨海盐渍土土壤盐分、氮素转化及作物氮素吸收利用的影响，验证硝化/脲酶抑制剂在盐渍土壤上应用的可能性，以期为滨海盐渍农田氮肥高效利用提供新的思路。

1 材料与方法

作用，减少植物对NO–3的吸收利用[8]。也有学者认为，Cl–会干扰膜转运系统，导致氮的吸收同化减少[9]。另外，大量的通过固定和氨挥发的形式损失[10]。因此，在盐渍土壤中，作物氮素利用率往往较低，且随着盐分含量的增加而降低[11]。

目前，对土壤氮素有效性提升的研究主要着眼于有机无机配合施用[12-13]、氮肥调控剂(硝化/脲酶抑制剂)施用及改良材料(生物质炭、腐殖酸等)添加[14]等。生物质炭是一种在无氧或者低氧的条件下经高温裂解形成的含碳固体残渣，由于其富碳、多孔、含有大

1.1 供试材料

供试盆栽土壤采自江苏省东台市弶港镇沿海经济 开 发区条 子 泥垦区(32°38′42.01′′N, 120°54′8.04′′E)，是于2015年新围垦的滩涂土壤。该地区土壤质地为粉砂壤土，其中砂粒(2 ~ 0.02 mm)、粉砂(0.02 ~0.002 mm)、黏粒<0.002 mm)的质量分数分别为3.48%、75.76%、20.76%，土壤类型为冲积盐土类，潮盐土亚类，是典型的淤泥质海岸带盐渍土[18]。

供试作物为大麦，由上海海丰大丰种业有限公司提供。试验所用生物质炭由江苏华丰农业生物工程有限公司提供(原材料为秸秆稻壳，炭化温度600℃，炭化时间20 s)。供试土壤和生物质炭的基本性质如表1所示。

供试硝化抑制剂为双氰胺(DCD)，由上海麦克林生化科技有限公司提供；脲酶抑制剂为N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)，由山东千贝化工有限公司提供。

表1 供试土壤和生物质炭基本性质Table 1 Basic properties of tested soil and biochar in pot experiment

1.2 试验设计

试验于2018年12月至2019年6月在中国科学院南京土壤研究所温室进行。共设：不施氮肥(CK)、常规化肥(F)、生物质炭＋常规化肥(BF)、常规化肥＋硝化抑制剂DCD(FD)、常规化肥＋脲酶抑制剂NBPT(FN)、常规化肥＋DCD＋NBPT(FDN)、生物质炭＋常规化肥＋DCD(BFD)、生物质炭＋常规化肥＋NBPT(BFN)、生物质炭＋常规化肥＋DCD＋NBPT(BFDN)9个处理，每个处理3次重复。不施氮肥处理指仅施用磷肥，且施用量和施氮肥处理相同，常规化肥处理指施用氮肥和磷肥，其中氮肥为尿素，施用量为N 0.15 g/kg，每盆施用1.65 g，按基追比为4∶3∶3施用；磷肥为过磷酸钙，施用量为P2O50.1 g/kg，每盆施用1.1 g，作为基肥一次性全部施用。生物质炭的用量为1% 干土重，硝化/脲酶抑制剂的用量均为尿素用量的1%。试验用土经自然风干后过10目筛混匀。试验用盆直径25 cm、高25 cm。试验时，将土壤、生物质炭、化肥及硝化/脲酶抑制剂混匀后再装盆，每盆装土11 kg，按田间持水量的60% 浇水，放置2 d，然后按照28株/盆的用量播种大麦。大麦生育期间，定期定量浇水，试验用水为自来水，电导率为330.7 μS/cm，pH为7.99。

1.3 样品的采集与测定

大麦收获后，按0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土层分层进行取样，每层取3个点混合为一个样品，经自然风干、研磨、过筛后用于土壤pH、电导率、铵态氮和硝态氮的测定。大麦植株收获后，进行籽粒和秸秆的分离，将秸秆和籽粒放于烘箱中105℃杀青后再70℃恒温烘干至恒重，粉碎、过0.5 mm筛后用于植株样全氮的测定。

采用1∶5的土水质量比浸提土壤，用电导率仪和pH计分别进行土壤电导率和pH的测定。土壤铵态氮和硝态氮采用2 mol/L KCl溶液(1∶10土水质量比)浸提，其中铵态氮采用靛酚蓝比色法测定，硝态氮采用紫外分光双波长法测定。植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮，靛酚蓝比色法测定。

1.4 相关指标计算方法[19]

籽粒氮吸收量 (kg/hm2) = 籽粒量 × 籽粒氮含量；秸秆氮吸收量 (kg/hm2) = 秸秆量 × 秸秆氮含量；地上部氮吸收量 (kg/hm2) = 籽粒氮吸收量+秸秆氮吸收量；

氮肥表观利用率 (%) = (施氮区地上部氮吸收量 – 对照区地上部氮吸收量)/施氮量 × 100；

氮肥农学效率 (kg/kg) = (施氮区籽粒产量 – 对照区籽粒产量)/施氮量；

氮肥偏生产力 (kg/kg) = 施氮区籽粒产量/施氮量；

植株氮素吸收效率 (%) = 施氮区地上部氮吸收量/施氮量 ×100；

氮收获指数 (%) =籽粒氮吸收量/地上部氮吸收量 × 100；

土壤氮素净矿化量 (kg/hm2) = 不施氮肥区地上部氮吸收量 + 不施氮肥区土壤无机氮残留量– 不施氮肥区起始无机氮积累量；

氮素表观损失量 (kg/hm2) = 施氮量 + 土壤起始无机氮积累量+ 土壤氮素净矿化量 – 作物收获带走氮量 – 收获后土壤无机氮残留量；

土壤残留硝态氮/铵态氮(kg/hm2)=硝态氮/铵态氮含量×每层土重；

土壤残留无机氮(kg/hm2)=土壤残留硝态氮+土壤残留铵态氮。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016进行数据处理及作图，IBM SPSS Statistics 24对数据进行方差分析，并用最小显著性差异LSD法进行多重比较，显著水平为5%。

2 结果与分析

2.1 生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对大麦收获后土壤EC和pH的影响

从图1可以看出，不施氮肥处理的0 ~ 10 cm土层电导率高于10 ~ 20 cm土层，而各施氮肥处理的0 ~ 10 cm土层电导率低于10 ~ 20 cm土层，这是由于不施氮肥处理植株矮小且早熟，土壤蒸发强烈，在作物生长后期造成盐分的表聚；而施氮肥处理植株茂密，土壤蒸发相对较弱，且在盆栽条件下缺乏排水影响，在多次的灌水后，土壤表层的盐分逐渐淋洗至底层。生物质炭由于自身含有较高的盐分，在大麦收获后增加了土壤的电导率。0 ~ 10 cm土层，施氮肥处理相比不施氮肥处理显著降低了土壤电导率，各施氮肥处理间差异不显著，硝化/脲酶抑制剂对该土层电导率无显著影响。10 ~ 20 cm土层，生物质炭处理显著增加了土壤电导率，硝化/脲酶抑制剂对该层土壤电导率无明显影响。

由图2所示，各施氮肥处理土壤pH大致表现为0 ~ 10 cm土层高于10 ~ 20 cm土层，不施氮肥处理土壤pH为0 ~ 10 cm土层低于10 ~ 20 cm土层，添加NBPT处理相比添加DCD处理略微降低了土壤pH。对于0 ~ 10 cm土层，各施氮肥处理的土壤pH均高于不施氮肥处理，各氮肥处理间差异不显著。10~ 20 cm土层，则大致表现为生物质炭处理土壤pH低于非生物质炭处理。

2.2 生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对大麦产量的影响

由表2所示，尿素中添加硝化/脲酶抑制剂可以提高大麦籽粒产量，但生物质炭处理增产效果更明显，BFDN处理增产最多，相较F处理增产了35.02%。各施氮肥处理均显著增加了秸秆的产量和生物量。各抑制剂处理相比F处理对秸秆产量均有一定程度的降低，其中BFDN处理降低幅度最大，达到了12.92%。对于大麦生物量，BFN、BF、BFD、FD、BFDN处理相比F处理生物量分别增加了8.24%、7.47%、6.19%、3.23%、0.66%。各氮肥处理相比不施氮肥处理均增加了大麦的千粒重，BF处理增加最多为9.6%，尿素加硝化/脲酶抑制剂处理相比F处理降低了大麦的千粒重，其中FN处理降低最多为5.3%。

表2 不同处理对大麦产量的影响Table 2 Barley yields under different treatments

2.3 生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对大麦氮素吸收和氮肥利用率的影响

2.3.1 氮素吸收利用 施氮肥可以增加大麦对氮素的吸收，且籽粒的全氮含量高于秸秆的全氮含量。从表3可以看出，各氮肥处理的秸秆和籽粒全氮含量均高于不施氮肥处理，各氮肥处理间差异不显著，除FDN、FN处理的秸秆全氮和FN处理的籽粒全氮含量较F处理有所增加外，其他施氮肥处理的秸秆和籽粒全氮含量对比F处理均有所下降，BFN处理降低最多，秸秆和籽粒全氮含量分别下降16.42%和6.87%。对于大麦植株的氮素吸收量，各氮肥处理相比不施氮肥处理均显著增加，各氮肥处理间差异不显著，生物质炭及各抑制剂处理相比F处理均有所增加，BFD处理相比F处理增加最多为7.7%。

2.3.2 氮肥利用效率 尿素添加硝化/脲酶抑制剂对大麦氮肥利用效率相关指标均有提高。从表4可以看出，由于生物质炭处理对大麦籽粒产量的提高最明显，因此生物质炭配合硝化/脲酶抑制剂对氮肥农学效率、氮肥偏生产力和氮收获指数提升最多。对于氮肥表观利用率和氮素吸收效率，BFD处理相比F处理增加最多。不施氮肥处理的氮收获指数高于各施氮肥处理，这可能是由于当植物响应到缺氮时，养分氮会从植株基部或老叶转移到新器官，满足生殖器官的生长，因此造成籽粒的产量和吸氮量明显高于秸秆。

表3 不同处理对大麦氮素含量及吸氮量的影响Table 3 Nitrogen contents and uptake of barleys under different treatments

表4 不同处理对大麦氮肥利用效率的影响Table 4 Nitrogen use efficiencies of barleys under different treatments

2.4 生物质炭及硝化/脲酶抑制剂对土壤无机氮及氮素养分平衡的影响

2.4.1 土壤无机氮 如表5所示，土壤无机氮以硝态氮为主，施氮肥可以显著增加土壤无机氮含量，且10 ~ 20 cm土层高于0 ~ 10 cm土层。随着灌水次数的增加，硝态氮逐渐淋溶至10 ~ 20 cm土层，造成10 ~ 20 cm土层的硝态氮含量高于0 ~ 10 cm土层。对比F处理，添加DCD处理增加了土壤0 ~ 20 cm土层铵态氮含量，降低了10 ~ 20 cm土层硝态氮的含量，因此10 ~ 20 cm土层无机氮含量相比F处理也有降低。添加NBPT处理相比F处理降低了0 ~ 20 cm土层铵态氮含量，但增加了硝态氮的含量。同时添加DCD和NBPT相比单独添加DCD和NBPT，既可以避免硝化抑制剂对铵态氮含量的增加，又降低了脲酶抑制剂对硝态氮含量的增加。

表5 不同处理对大麦收获后土壤铵态氮和硝态氮的影响Table 5 Soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents under different treatments after barley harvest

2.4.2 土壤氮素养分平衡 根据氮输入及氮输出，计算出在盆栽条件下土壤–大麦体系的氮素养分平衡(表6)。施氮量在氮输入中占据主导地位，且显著增加了作物的吸氮量和土壤残留无机氮。在氮输出项中，主要以作物吸收和氮表观损失为主。尿素中添加脲酶抑制剂可以增加土壤残留无机氮含量，FN、BFN、FDN、BFDN、BF处理相比F处理分别增加了10.18%、10.16%、9.11%、3.62%、1.73%；硝化抑制剂降低了土壤残留无机氮含量，FD、BFD处理相对F处理分别降低了1.77%、6.90%。尿素中添加硝化/脲酶抑制剂均降低了氮表观损失量，FDN、BFD、BF、FN、BFN、BFDN、FD处理分别相比F处理降低了6.02%、5.37%、5.07%、4.78%、3.53%、2.38%、0.39%。

表6 不同处理下盆栽大麦氮素平衡Table 6 Nitrogen balances of potted barleys under different treatments

3 讨论

生物质炭可以提高土壤孔隙度和导水率，因此可以加速盐分的淋洗[20]。但是也有学者发现，高灰分的生物质炭增加了土壤的电导率[21]。因此在盐渍土中应用生物质炭也应考虑其自身的盐分。本研究结果表明，各施氮肥处理均增加了土壤盐分的淋洗，由于缺乏排水措施，导致底层土壤积聚大量盐分，此外生物质炭本身含有较多的盐分，因此生物质炭处理的电导率高于不加生物质炭处理，且掩盖了生物质炭对盐分的淋洗作用。对于土壤pH，土壤电导率较低的处理土壤pH反而较高，可能是因为试验用土为苏北滨海盐渍土，盐分组成中Na+的含量占阳离子的60% ~88%，随着土壤积盐和返盐的频繁进行，土壤碱化程度也在发生变化；此外HCO–3含量虽然很低，但是其相对含量随着土壤全盐含量的下降反而升高，故土壤pH随着盐分的降低而略有增加[22]。10 ~ 20 cm土层的土壤pH大致表现为生物质炭处理低于非生物质炭处理，可能和盐分的淋洗有关。

许多学者针对不同土壤类型及不同作物进行了硝化/脲酶抑制剂对作物产量及氮素吸收利用的研究。有的研究表明硝化/脲酶抑制剂可以提高作物产量及氮素吸收利用[23]，但也有研究发现硝化/脲酶抑制剂没有提高产量[24]，这可能取决于抑制剂及作物的种类、土壤类型等因素。生物质炭对产量的影响也有不同的研究结果，Zhang等[25]研究结果表明，生物质炭用量20 t/hm2和40 t/hm2分别增产了8.8% 和12.1%；然而Rajkovich等[26]研究结果表明，26 t/hm2的生物质炭用量降低了产量，这可能和生物质炭及土壤的性质有关。盐渍土含有过量的可溶性盐和其高pH，严重抑制了土壤氮素的有效性和植物对氮素的吸收利用。本研究结果表明，尿素中添加硝化/脲酶抑制剂可以增加大麦籽粒的产量，配合使用生物质炭增产更多，这和He等[17]的研究结果一致；除NBPT添加增加了秸秆和籽粒的全氮含量外，其余抑制剂处理皆降低了大麦籽粒和秸秆的全氮含量。大麦为喜硝态氮作物，DCD及DCD加NBPT处理大麦生育期内土壤硝态氮含量较低，因此相比F处理降低了大麦秸秆和籽粒的全氮含量；FN处理增加了秸秆和籽粒的全氮含量，这是由于脲酶抑制剂处理铵态氮含量较低，有利于硝化作用的进行，增加了土壤中硝态氮的含量[27]，从而增加了大麦对氮素的吸收利用；生物质炭由于高的pH会增加氮素的氨挥发损失，以及可能吸附硝态氮和铵态氮，降低土壤有机质的分解[28]，因此降低了土壤中无机氮的含量，故BFN处理也降低了大麦的全氮含量。硝化/脲酶抑制剂促进了大麦籽粒产量的增加，却降低了大麦秸秆的产量，可能由于抑制剂增加了氮素的供应时间，使土壤无机氮含量在作物生育期内保持在较低的水平，而盐渍土含有较多的可溶性盐，造成土壤渗透势降低[29]，导致作物吸收养分困难，从而作物吸收的养分会优先满足生殖器官的生长，这和本试验中不施氮肥处理的籽粒产量高于秸秆一致。此外，本研究中添加DCD和NBPT处理相比F处理均增加了氮肥的利用效率，由于生物质炭对大麦籽粒的产量增加更多，因此生物质炭配合尿素加抑制剂处理相比尿素单加抑制剂处理，对氮肥农学效率、氮肥偏生产力及氮收获指数增加更多。

DCD通过抑制亚硝化细菌的活性，阻止尿素水解成铵态氮后的进一步氧化，从而降低土壤的氮素损失[30]。NBPT通过抑制脲酶活性，延缓尿素的水解，从而降低土壤中的NH4+浓度，减少对作物的毒害作用以及氨挥发损失[31]。硝化抑制剂和脲酶抑制剂混合使用，既能延缓尿素的水解，减少氨挥发损失，又能减少N2O的损失[32]。旱作土壤中，土壤无机氮以硝态氮为主。本研究中，添加DCD处理增加了作物收获后土壤中铵态氮含量，降低了硝态氮含量，配合生物质炭处理对铵态氮含量增加更多、硝态氮含量降低更多，因此降低了土壤中残留无机氮含量，这可能是由于生物质炭会吸附NH4+[33]；添加NBPT处理降低了土壤中的铵态氮含量，但提高了硝态氮含量，配合生物质炭处理增加更多，导致土壤中残留无机氮含量增加，与鲁艳红等[19]的研究结果相反，可能是因为脲酶抑制剂抑制了尿素的水解，使土壤中铵态氮含量处在较低的水平，从而促进了硝化作用[27]。当DCD与NBPT同时添加时，相比单独添加DCD处理降低了土壤铵态氮含量，相比单独添加NBPT处理降低了土壤硝态氮含量。氮肥施入土壤后的去向主要为被作物吸收、残留在土壤中以及通过氨挥发、硝化和反硝化、淋洗和径流等途径损失[34]。本研究通过盆栽试验开展，缺乏排水设施，因此氮素的损失途径中缺乏淋洗损失。通过计算盆栽条件下的氮平衡发现，DCD和NBPT对氮表观损失均有降低作用。本研究中氮的表观损失较大，达到了160 ~ 170 kg/hm2，明显高于侯云鹏等[35]的研究结果，这是因为在盐渍土中，土壤盐分抑制了硝酸还原酶的活性从而增加了N2O排放[36]以及碱性环境下增加了氨挥发损失。此外，由于盆栽条件下施氮量偏多，通过对比朱海等[37]在本试验用土所属地区的田间试验，氮的表观损失也有增加。

4 结论

1)在盆栽条件下，由于缺乏排水设施，导致土壤盐分被淋洗至底层；生物质炭自身含有较高的盐分，因此其添加增加了土壤电导率。总体上，土壤电导率高的土壤pH较低。

2)DCD、NBPT添加可以增加大麦籽粒的产量、植株吸氮量，但是却降低了秸秆的产量；同时添加生物质炭处理增产更多，其中BFDN处理籽粒产量增加最多，相较于F处理增加了35.02%。DCD添加降低了大麦秸秆和籽粒的全氮含量；NBPT添加增加了大麦籽粒和秸秆的全氮含量，但是同时添加生物质炭条件下又有降低作用。DCD、NBPT添加可以提高氮肥利用效率，配合生物质炭使用对各指标的增加更多。

3)盆栽条件下较多的施氮量，导致氮的损失量也较大。对比常规化肥处理，DCD添加降低了土壤中残留的无机氮含量，NBPT添加增加了土壤中残留无机氮含量。DCD、NBPT及生物质炭配合施用，对盆栽条件下土壤–植物系统中氮素表观损失均有降低作用。

4)从作物产量、氮肥利用率及氮素表观损失3个方面考量，在滨海盐渍土中应用生物质炭加硝化/脲酶抑制剂较为理想。