干湿交替灌溉与硝化抑制剂对水稻产量及土壤性状的影响

韩丽君 薛张逸 谢 昊 顾骏飞

（1江苏省作物遗传生理重点实验室/江苏省作物栽培生理重点实验室/扬州大学农学院，225009，江苏扬州；2江苏省粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学，225009，江苏扬州）

我国是世界上最大的水稻生产国之一[1]，据统计，中国的水稻收获面积与产量分别占全世界的18.47%与28.04%。同时，水稻的生长离不开氮肥，为了确保水稻高产，施用氮肥对水稻生长发育起着关键性作用[2-3]。传统的水稻施氮方式存在诸多弊端，如施肥次数多、投入量大、污染重、氮肥利用率低等[4-5]。这与高产高效、资源节约和绿色可持续发展的现代水稻生产要求相悖。因此，施用硝化抑制剂具有增产潜力大、挥发和淋溶少以及硝化―反硝化损失少等优点，成为提高氮肥利用效率和减轻环境污染的有效途径之一。硝化抑制剂施入土壤，能够有效抑制硝化作用，减缓铵态氮（NH4+-N）向硝态氮（NO3−-N）转化的速率，从而减少 NO3−-N的淋溶和反硝化损失。如今，已有多种化合物具有硝化抑制特性，其中，硝化抑制剂3，4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和双氰胺（DCD）是研究和应用较为广泛的2类抑制剂。DMPP能有效抑制土壤铵氧化进程，通过延长土壤NH4+-N的停留时间，减少NO3−-N的地表径流流失，保护河流水体生态环境等[6-8]。DCD是胍的氨基衍生物，同时也是氰胺的二聚体，硝化抑制作用明显。

近年来，在节水优先方针的指引下，我国稻作科学工作者以高产和水分高效利用为目标，研发了一批适合我国国情的现代农业节水技术。例如，干湿交替灌溉技术，该技术在水稻生育过程中保持土壤水层和自然落干相互交替。有研究[9-10]认为，干湿交替灌溉不仅可以改善土壤理化性状，而且可以增加水稻产量。但也有研究[11-12]表明，干湿交替灌溉会增加氮素硝化速率和淋溶损失，不利于水稻的产量形成以及水肥的高效利用。针对稻田施入硝化抑制剂能否在干湿交替灌溉条件下实现高产与水分高效利用的问题，目前并不清楚，有待进一步研究。因此，本研究在干湿交替灌溉下，施入硝化抑制剂DMPP和DCD进行盆栽试验，探讨硝化抑制剂的增效机理，为水稻生产中减少氮损失提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与材料

试验于2020年在扬州大学农学院实验农场盆栽场进行。供试材料为“金香玉1号”（JXY 1）和“扬稻6号”（YD 6）。于5月12日进行大田育秧，6月12日移栽至盆钵，每盆3穴，每穴2苗，每个处理20盆，共计160盆。盆钵高30cm，直径25cm，容积 14.72L。土壤类型为沙壤土，土壤含有机质22.7g/kg、速效氮96.5mg/kg、速效磷20.4mg/kg、速效钾120.0mg/kg、全氮1.96g/kg。于2020年10月20日收获。

1.2 试验设计

采用盆栽试验，每个水稻品种设置4个施肥处理，分别为尿素（CK）、尿素+DCD、尿素+DMPP、尿素+DCD+DMPP。供试硝化抑制剂 DCD含量98.00%，白色晶体，分析纯，由武威金仓有限公司生产；DMPP含量97.00%，白色粉末，分析纯，由上海源叶生物有限公司生产。移栽前每盆施用2.0g尿素和0.5g磷酸二氢钾作基肥，移栽后7d，于拔节期和穗分化期每盆施用1.0g尿素，硝化抑制剂DMPP和DCD（用量均按对应处理尿素纯氮量的1%和10%添加）与尿素混匀后施用。在移栽至返青期，盆栽内保持浅层水，其余时期采用干湿交替灌溉技术。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 植株干物质重 分别于分蘖中期（MT）、穗分化期（PI）、抽穗期（H）和成熟期（M）每个处理各取3盆水稻，将叶片（绿叶+黄叶）、茎+鞘、穗分开后在105℃杀青并在75℃烘干至恒重，测定植株干重。生长速率[g/（盆·d）]=（W2-W1）/（t2-t1），t1和t2分别为第1次和第2次测定的时间（d），W1和W2分别为第1次和第2次测定的植株地上部干重（g/盆）[13]。

1.3.2 植株叶片SPAD值 自水稻移栽后7d开始，各处理取4盆，每隔1周用SPAD-502测定仪测定水稻叶片SPAD值，每盆选择20片剑叶，每片叶分别测量叶片尖部、中部和基部，并取其平均值。

1.3.3 土壤总氮含量 于分蘖中期、抽穗期和成熟期取 0～20cm的土壤样品，采用五点取土法取各处理样品并混匀，用凯氏定氮仪测定土壤总氮含量。

1.3.4 土壤NH4+-N、NO3−-N和有效氮含量 分别于分蘖中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期取 0～20cm的土壤样品，用液氮固定后放置于-80℃冰箱中保存，用于测定土壤NH4+-N和NO3−-N含量。采用靛酚蓝比色法测定土壤NH4+-N含量，即土壤中NH4+-N在强碱条件下与次氯酸盐和苯酚反应生成的靛酚蓝在625nm处有特征吸收峰，其吸光值与NH4+-N含量成正比。采用紫外双波段比色法测定NO3−-N含量，在浓硫酸条件下NO3−与水杨酸反应生成的硝基水杨酸遇碱（pH＞12）显黄色，在一定范围内与NO3−-N含量呈正比[14]。

有效氮含量（mg/g）=NH4+-N 含量+NO3−-N含量。

1.3.5 土壤pH 分别取分蘖中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期0～20cm的土壤样品，各处理中采用2.5:1水土比―酸度计测定土壤pH。

1.3.6 土壤酶活性 在分蘖中期、抽穗期及成熟期分别取土样并测量土壤的脲酶[15]、蔗糖酶和硝酸还原酶活性[16]。采用苯酚钠比色法测定土壤脲酶活性，采用3，5-二硝基水杨酸比色法测定土壤蔗糖酶活性，采用KNO3培养―KCl比色法测定土壤硝酸还原酶活性。

1.3.7 考种与计产 于成熟期对各处理取5盆，测定有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重，并测算每盆产量。采用水漂法测定结实率，将稻谷置于密度为1.1×103kg/m3的生理盐水中，沉入水底则是饱粒，其余为空粒或瘪粒[17]。

1.4 数据处理

采用Office 2016软件处理数据，用SigmaPlot 12.5绘图，用SPSS统计软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 硝化抑制剂对不同水稻品种产量及其构成因素的影响

由表1可知，在相同的灌溉条件下，水稻土壤中添加硝化抑制剂可以显著提高水稻的产量。与单施尿素（CK）相比，硝化抑制剂促进水稻增产在于显著增加穗粒数，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理下2个品种的平均产量分别提高4.3%、7.9%和10.2%。说明尿素添加DCD和DMPP对水稻产量的提高均有促进作用，且DMPP的效果优于DCD，DCD和DMPP联合施用效果最为显著。分析产量构成因素可知，添加硝化抑制剂可以协同提高水稻每盆穗数、穗粒数和结实率。

表1 硝化抑制剂对水稻产量及其构成因素的影响Table 1 Effects of nitrification inhibitors on rice yield and its constituent factors

2.2 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的干物质重及作物生长速率的影响

由表2可知，在相同灌溉条件下，随着生育期的推进水稻植株地上部分的累积量呈不断增加的趋势，在分蘖中期、拔节期、抽穗期和成熟期，与CK处理相比，其他处理的地上部干物质重都显著增加。相同的灌溉方式下各阶段 DCD、DMPP、DCD+DMPP处理的生长速率显著高于CK处理，其中DCD+DMPP处理生长速率最快。2个品种表现趋势相同。

表2 硝化抑制剂对水稻品种各生育期的干物质重及作物生长速率的影响Table 2 The effects of nitrification inhibitors on the dry matter weight and crop growth rate of rice varieties at each growth stage

2.3 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的叶片SPAD值的影响

由图1可知，在水稻生育过程中，最上部完全展开叶叶绿素含量在水稻移栽后21d达到最高值，随着生育进程的推进，叶绿素含量逐渐降低。在水稻生育期，DCD+DMPP处理的顶端完全展开叶SPAD值最高，说明氮肥全部基施后，其肥效在水稻生育期还可维持在较高的水平，足以供应水稻的生长发育。其中，DCD+DMPP和 DMPP处理的SPAD值均比CK处理高，二者配施可促进水稻生育期的生长，为分蘖期水稻生长提供更充足的氮素。因此，施用硝化抑制剂可有效延长氮肥的肥效持续时间，满足水稻生长所需。

图1 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的叶片SPAD值的影响Fig.1 The effects of nitrification inhibitors on the SPAD values of leaves of different rice varieties at each growth stage

2.4 硝化抑制剂对水稻各生育期土壤pH的影响

土壤pH是影响硝化作用的重要因素。由图2可知，随着硝化作用的进行，土壤pH呈下降趋势，所有处理变化趋势一致。在水稻整个生育期内，与CK处理相比，添加硝化抑制剂使土壤pH下降幅度显著减缓，并且DCD+DMPP处理土壤pH稍高于其他处理，可能是由于硝化抑制剂DCD及其与DMPP配合施用显著抑制了土壤的硝化作用，使土壤中较长时间保持较高的 NH4+-N浓度和较低的NO3−-N 含量。

图2 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的土壤pH的影响Fig.2 The effects of nitrification inhibitors on the soil pH of different rice varieties at each growth stage

2.5 硝化抑制剂对水稻各生育期土壤全氮含量的影响

由图3可知，随着生育期的推进，土壤全氮含量呈逐渐下降的趋势，在分蘖中期土壤全氮含量达到最大值，保证了作物前期营养生长对养分的需求。土壤全氮含量成熟期含量最低，在分蘖中期、穗分化始期、抽穗期和成熟期不同处理间全氮含量表现为 DCD+DMPP＞DMPP＞DCD＞CK，2个品种趋势相同。

图3 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的土壤全氮含量的影响Fig.3 The effects of nitrification inhibitors on the total nitrogen contents of the soil at each growth stage of different rice varieties

2.6 硝化抑制剂对水稻各生育期土壤 NH4+-N、NO3−-N和有效氮含量的影响

由图4可知，与土壤NH4+-N含量相比，土壤中NO3−-N含量较低。DCD、DMPP和DCD+DMPP处理有利于降低水稻各个生育时期土壤NO3−-N含量。在分蘖中期的土壤NO3−-N含量最高，成熟期各处理之间趋于平缓，2个品种趋势相同。

图4 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的土壤NO3−-N含量的影响Fig.4 The effects of nitrification inhibitors on the soil NO3−-N contents of different rice varieties at each growth stage

由图5可知，在水稻全生育期中，分蘖中期土壤NH4+-N含量最高，成熟期有所下降。与CK处理相比，DCD、DMPP以及 DCD+DMPP处理的NH4+-N含量大部分增高显著，硝化抑制剂各处理抑制了土壤NH4+-N向NO3−-N的转化，2个品种趋势相同。

图5 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的土壤NH4+-N含量的影响Fig.5 The effects of nitrification inhibitors on the soil NH4+-N contents of different rice varieties at each growth stage

由图6可知，在水稻整个生育期内，土壤有效氮含量在分蘖中期最高，随后降低。与CK处理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理均能减缓尿素水解，增加土壤有效氮含量。

图6 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的土壤有效氮含量的影响Fig.6 The effects of nitrification inhibitors on the soil available nitrogen content of different rice varieties at each growth stage

2.7 硝化抑制剂对水稻各生育期土壤脲酶、蔗糖酶和硝酸还原酶活性的影响

图7a、b显示了随着生育进程的推进，土壤脲酶活性呈逐渐下降的趋势。土壤脲酶活性受土壤中尿素的影响。自尿素施入土壤之后，脲酶活性在分蘖中期最高，随后下降，成熟期最低。不同生育期各处理趋势一致，与CK处理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理土壤脲酶活性均增加显著。

图7 硝化抑制剂对不同水稻品种各生育期的土壤脲酶、蔗糖酶和硝酸还原酶活性的影响Fig.7 Effects of nitrification inhibitors on the activities of soil urease, invertase and nitrate reductase in different rice varieties at various growth stages

由图7c、d可知，土壤蔗糖酶活性在全生育期呈现逐渐下降的趋势，分蘖中期活性最高，成熟期趋于稳定。在同一灌溉条件下，CK处理的蔗糖酶活性最低，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理土壤蔗糖酶活性增加，其中DCD+DMPP处理对蔗糖酶活性的促进效果较优。

由图7e、f可知，土壤硝酸还原酶活性随着生育期的推进表现为逐渐下降的趋势，分蘖期最高，成熟期最低。在同一灌溉条件下硝化抑制剂处理的土壤硝酸还原酶活性大部分显著低于CK处理，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理之间差异不显著。硝化抑制剂对2个品种土壤脲酶、蔗糖酶和硝酸还原酶活性的影响趋势相同。

3 讨论

产量是水稻栽培的最终目标，氮肥是决定水稻产量重要因素，合理的氮肥运筹可以在施氮等量的情况下达到提高产量的目的。前人研究[18]表明，在干湿交替灌溉方式下，施入硝化抑制剂能显著改善作物的生长状况。本试验中，在该灌溉条件下，与CK处理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理的水稻均显著增产，其中DCD+DMPP处理最为显著。硝化抑制剂各处理提高水稻产量，可能是由于硝化抑制剂延缓了尿素水解，减少了水稻生长前期氮养分的损失，增加土壤中的全氮含量，保证水稻生长中后期的吸氮量，从而促进水稻生长。水稻为喜铵作物，从而也促进水稻产量形成及氮素养分的吸收利用。

本研究表明，施用硝化抑制剂能有效提高水稻叶片 SPAD值，减缓水稻后期由于叶片老化导致SPAD值不断下降的趋势，保证水稻氮素养分的供给，进而增加水稻产量。本研究还观察到在水稻整个生育期内，CK处理的pH低于DCD、DMPP及DCD+DMPP处理，并且pH和NH4+-N含量的变化趋势相同，说明与土壤中的氮素转化有关，尿素施入土壤后，在适宜条件下会迅速水解，转化成NH4+使土壤pH上升，随后发生硝化作用使NH4+氧化为NO3−，此过程释放H+导致土壤pH下降[19]。

有研究[20]表明，干湿交替灌溉会在一定程度上加强土壤硝化作用，而硝化抑制剂能够延缓硝化过程的进行，表现为NH4+-N含量缓慢下降或NO3−-N含量缓慢增加[21]。本研究结果表明，在该灌溉条件下，与CK处理相比，DCD、DMPP和DCD+DMPP处理均显著提高了水稻生育期土壤 NH4+-N的含量，降低了土壤NO3--N含量，说明添加硝化抑制剂明显抑制了水稻土壤NH4+-N向NO3−-N的氧化过程。相比之下，DCD+DMPP处理的抑制效果更为显著，可能是由于DCD通过对氨氧化细菌产生毒性作用抑制氨氧化过程的第1步反应，即NH4+-N向NO3−-N的转化[22]，而 DMPP的硝化抑制作用体现在氨氧化反应的第2步，即抑制硝化反应中NO2−-N向NO3−-N的转化[23-24]。因此，尿素配施DCD有利于抑制土壤NO2−-N的生成，配施DMPP则会导致NO2−-N的积累，而同时施用这2种抑制剂既可达到硝化抑制效果，又能避免NO2−-N积累对植物生长的不利影响。本研究还观察到，水稻各生育时期DCD、DMPP及DCD+DMPP处理土壤有效态氮含量显著高于CK处理。可见，硝化抑制剂处理不仅可以抑制尿素水解和硝化作用的发生，还能增加土壤有效态氮含量[25]。

土壤酶作为土壤生化反应中的高度催化剂，参与土壤微生态环境中各种生化反应过程，是物质交换和能量流动最为活跃的生物活性物质，是衡量土壤肥力的重要指标[26-27]。本研究发现，在相同灌溉条件下，硝化抑制剂处理对土壤脲酶和蔗糖酶活性的提高有一定促进作用，可能是抑制了NH4+-N向NO3−-N的氧化过程，使土壤中铵态氮含量增加，进而促进土壤脲酶和蔗糖酶活性增加，有利于促进水稻植株吸收土壤中的养分，从而达到增产增效的目的。

4 结论

在水稻干湿交替灌溉条件下，硝化抑制剂DCD和DMPP的添加能够有效提高水稻土壤氮肥的利用效率，提高土壤脲酶和蔗糖酶活性及土壤NH4+-N含量，降低土壤NO3−-N含量，减少氮肥损失，保持较高的土壤养分，促进水稻干物质积累量，提高作物生长速率，有利于提高水稻的穗粒数和结实率，最终增加产量。