氮肥稳定剂对滴灌棉田土壤有效氮供应、棉花氮素吸收及利用的影响

胡 丹 康丽霞 李培楚 张淑英 刘 涛

（石河子大学农学院，新疆 石河子 832003）

作物产量的提高依赖于肥料的供应，其中化学氮肥因增产效果明显而在农业生产中被广泛施用。但过量的化学氮肥施入农田后可通过气态氮排放和硝酸盐淋洗等途径流失，这不仅会导致氮肥利用率降低，土壤质地变差，作物产量和品质下降，还会造成一定的环境污染［1-2］。尿素是我国广泛使用的化学氮肥，其在石灰性土壤中具有较快的水解和硝化速率，若无法被作物及时吸收就会造成一定的氮损失［3］。为确保作物增产的同时维持氮肥的高利用和低损失，需要使土壤有效氮的供应与作物对氮的吸收保持协同。

氮肥稳定剂（nitrogen fertilizer stabilizers，NFSs）可调控氮在土壤中的转化，使释放的有效氮能适时被作物吸收，在提高作物产量和氮肥利用率的同时减少氮损失及其引起的环境问题［4-7］。常用的氮肥稳定剂有脲酶抑制剂（urease inhibitor，UI）和硝化抑制剂（nitrification inhibitor，NI），UI通过抑制土壤脲酶活性来延缓尿素水解，NI则通过抑制氨单加氧酶（ammonia monooxygenase，AMO）的活性来抑制铵硝化，进而延缓硝化进程，维持土壤中有效氮的持续供应［8-10］。以往研究表明，氮肥配施NI可在一定程度上降低棉田土壤NO-3-N 含量，减少氮淋失，提高棉花的氮素吸收量和产量［6，11-13］；氮肥配施UI既能延缓尿素水解也能间接抑制硝化，减少尿素水解和硝化过程的氮损失，提高棉花光合速率、氮素利用率和产量［14-17］。

棉花在新疆种植广泛，据统计，2022年的种植面积为2 496.89千公顷，产量达539.06万吨［18］。在所有增产措施中，施氮对新疆棉花增产的贡献率可达31.89%［19］。滴灌施肥是干旱区常用的灌水施肥方式，化学氮肥通常作为追肥在作物生长季内通过滴灌系统随水滴施。与漫灌施肥相比，滴灌施肥能有效降低肥料氮的气态排放和淋洗损失，提高作物产量和水分利用效率［20-21］。在新疆，滴灌施肥虽然在一定程度上提高了氮肥利用率，提升了棉花产量，但依然面临着棉田土壤长期供氮能力下降、氮肥利用率无法进一步提高等问题。在滴灌施肥条件下，应用NFSs能显著降低农田土壤气态氮排放损失，但鲜见NFSs对作物生长发育、氮素吸收及利用等影响的相关报道［6，22-24］。鉴于此，本研究通过滴灌施肥的田间试验，研究尿素与两种氮肥稳定剂（NI和UI）随水滴施后对滴灌棉田土壤有效氮供应、棉花干物质积累、氮素吸收、产量及氮肥利用的影响，以期探明尿素配施氮肥稳定剂对滴灌棉田的有益效果，并为应用复合氮肥稳定剂实现干旱区滴灌农田氮肥增效提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2017年在新疆石河子市石河子大学农学院试验站（44°18′N，86°02′E）进行，试验地土壤为灌耕灰漠土，土壤肥力均匀，质地为中壤土，耕层土壤有机质含量为15.92 g·kg-1，全氮含量为0.96 g·kg-1，铵态氮含量为10.30 mg·kg-1，硝态氮含量为18.76 mg·kg-1，有效磷含量为15.43 mg·kg-1，有效钾含量为221.35 mg·kg-1，土壤容重1.35，pH值为7.85。

1.2 试验设计

采用单因素随机区组设计，设置不施氮肥（CK）、单施尿素（U）、尿素添加单一氮肥稳定剂（UNI）和尿素添加复合氮肥稳定剂（UNIUI）共4个处理，每个处理重复3次。添加的单一氮肥稳定剂为硝化抑制剂（NI），复合氮肥稳定剂为硝化抑制剂（NI）和脲酶抑制剂（UI），NI 选用2-氯-6-（三氯甲基）吡啶水溶性乳油（纯度为24.0%），UI 选用正丁基硫代磷酰三胺水溶性粉末（纯度为98.0%），均由浙江奥复托化工有限公司提供。供试氮肥为尿素（纯度为98.0%，N含量为46.6%），磷、钾肥选用滴灌专用磷酸二氢钾（纯度为98.0%，其中P2O5和K2O含量分别为51.5%和34.0%）。种植的棉花品种为新疆自育早熟品种新陆早45号（Gossypium hirsutum）。

试验于4月20日覆膜播种，每小区3膜12行，每条膜下铺设2 条滴灌带，膜上行距（30+50+30） cm，膜间距50 cm，株距12 cm，每小区面积30.1 m2，种植密度为21 万株·hm-2。生育期内施用尿素折合纯N 量为225 kg·hm-2，氮肥稳定剂2-氯-6-（三氯甲基）吡啶和正丁基硫代磷酰三胺用量分别为纯N用量的1%［22，24］，磷酸二氢钾用量为180 kg·hm-2。在棉花生育期内滴水9次，总量为460 mm。尿素、氮肥稳定剂和磷酸二氢钾均作为追肥在棉花现蕾期（6 月中旬）开始分8 次通过滴灌系统随水滴施，单次灌水量为45～60 mm。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 土壤取样与测定 在棉株生长发育的主要时期，即盛蕾期（6 月15 日）、盛花期（7 月8 日）、盛铃期（8 月13 日）和吐絮期（9 月19 日），每小区分别采集0～15 cm土层3点混合土样用于土壤含水量、尿素态氮（urea-N）、铵态氮（NH+4-N）和硝态氮（NO-3-N）含量的测定。其中，用烘干法测定土壤含水量，用KCl-PMA 溶液浸提--比色法测定土壤urea-N 含量［25］；土样经2 mol·L-1的KCl水溶液浸提过滤后用AA3-HR型全自动连续流动分析仪（SEAL 分析仪器有限公司，德国）测定土壤NH+4-N和NO-3-N含量。

1.3.2 植株取样与测定 在土壤取样同期，每小区随机选取长势均匀的3 株棉株，按照茎、叶、蕾花铃分器官，105 ℃杀青后再以80 ℃烘干测定各器官干物质重；烘干的植株样粉碎过80 目筛经浓H2SO4-H2O2消解后用Kjeltec 8400型全自动凯氏定氮仪（福斯分析仪器有限公司，丹麦）测定植株氮素含量。

1.3.3 产量测定 在吐絮期每小区采用实收计产。

1.4 数据分析

所测数据用Excel 2010 进行整理和计算，用SPSS 19.0 软件进行统计分析，采用最小显著差异法（least significant difference，LSD）和Duncan 法进行方差分析和多重比较（P<0.05）。

氮的相关指标计算公式如下：

2 结果与分析

2.1 氮肥稳定剂对滴灌棉田土壤有效氮含量的影响

在棉花各生育时期，棉田土壤尿素态氮（urea-N）、铵态氮（NH+4-N）和硝态氮（NO-3-N）含量如图1 所示。单施尿素处理（U）和尿素添加氮肥稳定剂处理（UNI和UNIUI）土壤urea-N 含量在各生育时期均高于不施尿素处理（CK），且在盛花期与CK 差异显著，UNI 处理土壤urea-N 含量与U 处理无显著差异，UNIUI 处理土壤urea-N 含量从盛花期开始高于U 和UNI 处理，且在盛花期与U处理差异显著（图1-A）。

不同生育时期U 处理土壤NH+4-N 含量与CK 处理无显著差异，而UNI 和UNIUI 处理土壤NH+4-N 含量则整体始终高于CK 和U 处理，在吐絮期较U 处理分别高17.36%（P<0.05）和12.49%（P>0.05），但UNI和UNIUI处理间差异不显著（图1-B）。U处理土壤NO-3-N含量始终高于CK 处理且在盛花期和盛铃期与CK 差异显著，UNI和UNIUI处理土壤NO-3-N 含量则从盛花期开始始终显著高于CK，在盛花期和盛铃期低于U 处理，吐絮期则显著高于U 处理且较U 处理提高了22.23%和24.84%（P<0.05，图1-C）。

U处理土壤有效氮总含量（urea-N、NH+4-N 和NO-3-N总和）从盛花期开始高于CK 处理且在盛花期和盛铃期差异显著，UNI和UNIUI处理土壤有效氮总含量则从盛花期开始始终显著高于CK，较U 处理有所提高且在吐絮期分别提高了15.76%和16.24%（P<0.05），但UNI和UNIUI处理间差异不显著（图1-D）。

上述结果表明，由于单一和复合氮肥稳定剂的添加，尿素的水解和硝化受到一定的抑制，使吐絮期棉田土壤保留了更多的有效态氮。

2.2 氮肥稳定剂对棉株干物质积累与分配的影响

2.2.1 氮肥稳定剂对棉株干物质积累的影响 由图2可知，U、UNI 和UNIUI 处理各器官和地上部分干物质质量从盛花期开始显著高于CK 处理，吐絮期地上部分干物质质量分别较CK 高35.07%、39.56% 和41.43%（P<0.05）。不同生育时期UNI 和UNIUI 处理棉株各器官干物质质量较U处理均有所提高，其中，叶片的干物质质量在盛铃期显著高于U 处理（P<0.05）；吐絮期，UNI 和UNIUI 处理棉株各器官干物质质量虽高于U 处理但不显著（P>0.05）。不同生育时期UNIUI处理植株各器官干物质质量虽高于UNI 处理，但差异也不显著（P>0.05）。可见，氮肥稳定剂的添加在一定程度上促进了棉株各器官尤其是叶片的干物质积累，但并未引起显著改变。

图2 不同生育时期棉花植株各器官干物质质量Fig.2 Dry matter weight in organs at different growing stages of cotton plants

2.2.2 氮肥稳定剂对棉株干物质分配的影响 由表1可知，U、UNI 和UNIUI 处理棉株干物质在茎中的分配在盛蕾期和盛花期高于CK 处理，从盛铃期开始低于CK；在叶中的分配从盛花期开始整体始终高于CK；在蕾花铃中的分配在盛蕾期和盛铃期高于CK，在盛花期则低于CK。UNI 和UNIUI 处理棉株干物质在茎中的分配从盛铃期开始较U 处理有所降低，在叶中的分配始终高于U 处理，在蕾花铃中的分配则始终低于U 处理。可见，与单施尿素相比，单一和复合氮肥稳定剂的添加降低了干物质在茎和蕾花铃中的分配，提高了其在叶片中的分配，但差异未达显著水平。

表1 不同生育时期棉株各器官干物质分配率Table 1 Dry matter distribution rate in organs at different growing stages of cotton plants/%

2.3 氮肥稳定剂对棉株氮素吸收与分配的影响

2.3.1 氮肥稳定剂对棉株氮素吸收的影响 由图3可知，U、UNI 和UNIUI 处理棉株各器官的吸氮量在进入盛花期后开始整体显著高于CK处理，至吐絮期，地上部分总吸氮量较CK分别高48.45%、50.89%和52.98%（P<0.05）。UNI和UNIUI处理棉株各器官吸氮量在各时期较U处理均有所提高，其中，叶片吸氮量在盛铃期提高显著（P<0.05），吐絮期UNIUI 处理叶片吸氮量显著高于U处理（P<0.05）。不同生育时期UNIUI处理植株各器官吸氮量虽高于UNI处理，但差异均不显著（P>0.05）。可见，氮肥稳定剂的添加促进了棉株各器官尤其是叶片对氮素的吸收，而对茎和蕾花铃氮素吸收的影响较小。

图3 不同生育时期棉株各器官吸氮量Fig.3 N uptake in organs at different growing stages of cotton plants

2.3.2 氮肥稳定剂对棉株氮素分配的影响 由表2可知，不同生育时期U、UNI 和UNIUI 处理棉株氮素在茎中的分配总体高于CK 处理；在叶中的分配表现为盛蕾期低于CK，吐絮期显著高于CK；在蕾花铃中的分配表现为盛蕾期显著高于CK，吐絮期则整体显著低于CK。UNI和UNIUI处理棉株氮素在茎中的分配表现为盛蕾期至盛铃期整体低于U 处理，吐絮期略高于U 处理；在叶中的分配表现为从盛花期至吐絮期始终高于U 处理；在蕾花铃中的分配表现为从盛花期至吐絮期始终低于U处理。可见，与单施尿素相比，单一和复合氮肥稳定剂的添加提高了氮素在茎和叶中的分配，降低了其在蕾花铃中的分配，但整体差异不显著。

表2 不同生育时期棉株各器官氮素分配率Table 2 N distribution rate in organs at different growing stages of cotton plants/%

2.4 氮肥稳定剂对棉花产量、氮肥利用率及相关参数的影响

由表3 可知，本试验条件下，施用尿素和尿素添加氮肥稳定剂促进了棉花产量的提高，与CK 相比，U、UNI和UNIUI处理的皮棉产量分别显著提高了28.08%、33.70%和36.66%（P<0.05）。与U相比，UNI和UNIUI处理皮棉产量仅提高4.39%和6.70%（P>0.05），氮肥利用率却显著提高了6.54 和8.98 个百分点（P<0.05）。UNI 处理氮素农学利用率较U 处理虽有提高但不显著，而UNIUI 处理氮素农学利用率较U 处理则有显著提高。与CK 相比，U、UNI和UNIUI处理棉田氮素经济系数和氮素生产效率均有显著降低；与U 相比，UNI 和UNIUI 处理棉田氮素经济系数有所降低，氮素生产效率有所增加，但均不显著。可见，氮肥稳定剂的添加虽较单施尿素对棉花的增产效果不显著，对棉田氮素经济系数和氮素生产效率也未产生明显的影响，但能显著提升滴灌棉田的氮肥利用率。

表3 皮棉产量、氮肥利用率及相关参数Table 3 Lint yield，nitrogen use efficiency and related parameters

3 讨论

以往研究表明，无论是硝化抑制剂（NI）单独施用还是NI与脲酶抑制剂（UI）一起施用均可抑制黄沙土、水稻土、黑土、褐土等不同类型土壤的硝化，在不同程度上提高铵态氮含量，降低硝态氮含量［26-28］。本研究中，经8次随水滴施后，尿素添加复合氮肥稳定剂（UNIUI）处理土壤urea-N 含量较单施尿素处理（U）有所增加但不显著，可能是由于棉株对有效氮的吸收间接减弱了复合氮肥稳定剂中的UI 对尿素水解的抑制，致使urea-N含量增加不显著。前人研究发现，氮肥稳定剂可使土壤NH+4-N含量增加16.2%～22.8%，土壤NO-3-N含量降低13.7%～35.0%［28-30］。本研究中，氮肥稳定剂的添加在盛花期和盛铃期显著增加了土壤NH+4-N 含量，但复合氮肥稳定剂与单一氮肥稳定剂处理间差异不显著，说明复合氮肥稳定剂中的UI在田间条件下并未对尿素水解起到显著的抑制作用，而NI对硝化过程有明显的抑制。另外，最后一次施肥距棉花成熟期约15 d，氮肥稳定剂的抑制作用减弱，盛花期和盛铃期土壤累积的NH4+开始向NO-2、NO-3转化，致使UNI 和UNIUI 处理的土壤NO3--N 含量高于U 处理，说明氮肥稳定剂延缓了硝化进程，最终使土壤保存了更多的有效态氮。在滴灌施肥条件下，虽然UI 对尿素水解的抑制作用不显著，但UI 和NI 复合添加较NI 单独添加更能抑制土壤氮的转化，减少氮素损失，进一步提高土壤的持续供氮能力［31］。

施用氮肥可促进棉花的干物质积累、氮素吸收利用及产量提高［32-35］，本研究中，单施尿素处理的棉花植株地上部分干物质总量较不施氮处理可提高35.07%，与张宏等［36］的研究结果基本一致。有研究发现，氮肥稳定剂使禾本科作物（如水稻、玉米）各器官干物质积累提高2.1%～8.6%，吸氮量提高2.7%～14.2%，且能提高干物质和氮素在各器官的比重，其中茎秆干物质积累和吸氮量增加明显［30，37］。尿素配施氮肥稳定剂也能进一步促进棉花干物质的积累［12，38］，在本研究中主要表现为氮肥稳定剂促进了叶片的干物质积累，主要是由于氮肥稳定剂能够通过提高棉花叶片中的叶绿素含量进而促进光合作用，并促进棉花茎叶对氮素的吸收，为后期营养生长向生殖生长转化提供更多的氮素营养［39］。前人研究表明，氮肥稳定剂对作物增产和氮肥利用率的平均贡献率分别为7.50%和12.90%［5］；对棉花而言，氮肥配施正丁基硫代磷酰三胺［N-（N-butyl）thiophosphoric triamide，NBPT］、双氰胺（dicyandiamide，DCD）等氮肥稳定剂可使棉花产量提高5.40%～14.00%［16，40］。本试验中，NI 单独添加与NI 和UI 复合添加仅使棉花产量提高4.39%和6.70%，而氮肥利用率却显著提高了6.54和8.98 个百分点，与前人研究结果相近［5，16，40］，说明氮肥稳定剂主要通过调控土壤氮转化来提高土壤有效氮的持续供应，进而促进农田氮肥的高效利用［5，30］。

综上，氮肥稳定剂与尿素随水滴施后虽然能促进干旱区滴灌棉田棉花干物质积累和氮素吸收，提高产量，但仍以增加土壤有效氮库和提高氮肥利用率为主，并且复合氮肥稳定剂的效果优于单一氮肥稳定剂。本研究虽然探明了氮肥稳定剂提升滴灌棉田氮肥利用的机理，但仍需深入研究揭示氮肥稳定剂影响滴灌棉田吸收和转运无机氮的相关机制。

4 结论

尿素添加单一和复合氮肥稳定剂随水滴施可有效抑制尿素的水解和硝化，显著增加滴灌棉田土壤有效氮库，促进棉株的干物质积累和氮素吸收，改变干物质和氮素在各器官中的分配；添加氮肥稳定剂较单施尿素未能显著提高棉花产量，但能显著提升棉田氮肥利用率。综合比较，复合氮肥稳定剂的有益效果要优于单一氮肥稳定剂。因此，氮肥添加具有水解和硝化抑制作用的复合氮肥稳定剂随水滴施是滴灌农田氮肥增效的有效途径。