硝化/脲酶抑制剂和生物质炭联合施用对养殖肥液滴灌土壤氮淋失及油菜品质的影响

时间：2024-05-24

赖睿特，杨涵博，张克强，沈丰菊，高文萱，赵迪，梁军锋，王风

（农业农村部环境保护科研监测所，天津300191）

传统施肥模式下组合施用硝化/脲酶抑制剂和生物质炭可以起到减少土壤硝态氮淋失、提高氮素利用率的作用。硝化抑制剂其作用是抑制土壤铵态氮转化为硝态氮，进而减少氮淋溶和气态损失[1]，对已有数百种硝化抑制剂研究发现[2-3]，只要抑制硝化过程中亚硝化反应或硝化反应，整个硝化过程就能被抑制[4]，如双氰胺就是通过抑制亚硝化细菌的活性[5]而阻止第一步氧化[6]。脲酶抑制剂主要有无机物和有机物两大类[7]，应用较广的氢醌通过抑制脲酶活性从而抑制尿素由氨基甲酸水解成。生物质炭是生物残体在缺氧情况下，经高温裂解产生的固体产物，其结构稳定、多孔、比表面积大，表面负电荷数量大、密度高，吸附阳离子能力强[9-10]。有机硅表面活性剂主要包括农用配方助剂和喷雾助剂，其成分主要是乙氧基改性三硅氧烷化合物，可有效降低水的表面张力，具有极强的展布性[11]，扩大水分下渗半径且有机硅材料属于生理惰性物质毒性小、对环境安全、成本较低、减少用水量，符合长期环保要求。张忠亮等研究了6 种有机硅表面活性剂对氟磺胺草醚的增效作用，测定了药液与有机硅助剂混匀后的扩展直径，比清水的扩展直径增大了45%～74%[12]。硝化/脲酶抑制剂和生物质炭提高化肥氮利用率的研究较多，施用7～10 kg·hm-2双氰胺土壤淋失降低10%～26%[13]，氮素利用率提高25%[14]，应用脲酶抑制剂氮素利用率也能提高5.65%～19.4%[15-16]。而硝化/脲酶抑制剂组合施用亦能有效延缓尿素水解、抑制硝化作用、减少N 素径流或渗漏损失[17]，硝化/脲酶抑制剂使化肥氮表观损失降低27.65%[18]，氮素利用率提高14.94%[19]。生物质炭的添加可以延缓淋溶速度[20]，从而提高氮肥利用率[21]。赖睿特等研究发现硝化/脲酶抑制剂及生物质炭组合施用更有利于防控养殖肥液灌溉过程土壤氮素的损失[22]，硝化抑制剂组合生物质炭小白菜鲜重和株高分别增加22.10%和84.00%[23]。

大量研究结果已经证实化肥施用下组合施用硝化/脲酶抑制剂和生物质炭可以抑制铵态氮转化、减少土壤氮素淋失，从而提高氮素利用率和作物产量。目前，以养殖肥液为主体的新型肥料得到越来越广泛的应用，其在农田灌溉过程中会因为高浓度的速效氮素而转化为硝态氮通过淋溶损失。本研究拟通过油菜盆栽滴灌模拟试验，研究硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭的组合施加对养殖肥液应用后土壤不同形态氮素淋失及油菜产量的影响，以揭示有效控制养殖肥液氮素损失的组合配施技术，为高效利用养殖肥液养分，减少氮素淋溶损失，提高作物利用效率提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试养殖肥液于2019年7月取自天津益利来养殖有限公司长期运行的塞流式厌氧反应器，肥液总氮浓度495.24 mg·L-1，浓度384.37 mg·L-1，浓度2.11 mg·L-1，pH值为8.30。供试土壤采自天津市西青区设施蔬菜大棚0～20 cm表层土壤，土壤类型为壤土质褐土，pH值8.61，含量8.61 mg·kg-1，含量3.85 mg·kg-1，总氮含量0.71 g·kg-1，土壤有机质24.13 g·kg-1。土样经风干、过2 mm筛、混匀后备用。

1.2 试验装置

淋溶模拟装置为PVC材质，内径19 cm，高30 cm。柱体内部下端铺有100 目的尼龙网，起到初步过滤作用，柱体底部的出水管内装满脱水棉花，深度过滤水样。将土柱固定在稳定的钢架上，所有土柱保持与地面垂直，柱体出水口处接有容器收集土壤淋溶液，收集容器与淋溶柱口紧密相连以隔绝空气。土壤填装高度设计为20 cm，柱体上部空间用于滴灌。滴灌带平铺在柱口，滴孔间距25 cm，使用功率为2 W 的潜水泵将养殖肥液均匀地输入到滴灌带中，保证滴孔滴灌高度、滴灌速率、水滴落点和滴灌量均匀一致。

1.3 试验设计

试验设6 组处理：单施养殖肥液（CK），养殖肥液+表面活性剂+2%生物质炭（YB），养殖肥液+10%双氰胺+1%氢醌（DH），养殖肥液+10%双氰胺+1%氢醌+表面活性剂（DHY），养殖肥液+10%双氰胺+1%氢醌+2%生物质炭（DHB），养殖肥液+10%双氰胺+1%氢醌+2%生物质炭+表面活性剂（DHBY）。其中，双氰胺和氢醌以养殖肥液施入铵态氮量作为基数。生物质炭是由玉米秸秆制备并研磨过2 mm 筛后备用，生物质炭施加量以土壤干质量为基数。表面活性剂1∶750优化稀释倍数应用。每个处理重复3次。

施氮总量设置为300 kg·hm-2，全部以养殖肥液滴灌追肥的方式投入，折算成等施氮量的养殖肥液共2800 mL，分7 次滴灌，每次滴灌400 mL，滴速为每秒2 滴，滴灌时长约为67 min。选用当地主栽的白菜型油菜品种傲绿101（Brassia CampestrisL.），于2019年6月27日播种，每盆10粒，定苗一周后开始滴灌养殖肥液，滴灌间隔为2 d，滴灌试验周期21 d，栽培周期为47 d，8月12日收获，收获后每个处理采集3株油菜进行品质指标测定。土壤淋溶液样品在滴灌当日采集，土壤样品在培养试验结束后进行采集。

1.4 测定方法

1.5 数据分析

式中：V1为滴定样品所用染料毫升数；V2为滴定空白所用染料毫升数；C为样品提取液的总毫升数；D为样品测定时所用滤液毫升数；T为1 mL染料所能氧化抗坏血酸的毫克数；W为样品质量。

式中：x为从回归方程求得糖的量；V1为吸取样品液的体积；V2为提取液量；t为稀释倍数；W为样品质量。

式中：x为由回归方程计算出的硝态氮浓度，μg·mL-1；V1为样品定容体积；W为样品质量；V2为测定取用的样品提取液体积。

1.6 数据处理

试验数据采用Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行处理和统计分析。

图1 硝化/脲酶抑制剂、生物质炭和表面活性剂联合施用土壤淋溶液浓度Figure 1 The concentration of in soil leaching solution applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant

2 结果与分析

2.1 土壤淋溶液浓度

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用土壤淋溶液浓度如图1所示。7次滴灌过程中CK处理淋溶液浓度均最低，而联用硝化/脲酶抑制剂处理（DH、DHY、DHB、DHBY）淋溶液浓度比CK 增加31.27%～42.53%，与CK 相比均达到显著水平；淋溶液浓度呈现DHBY＞DHB＞DHY＞DH的趋势，但处理间差异不显著；YB 处理淋溶液浓度平均比CK增加19.37%，处理间差异不显著。

2.2 土壤淋溶液浓度

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用土壤淋溶液浓度如图2 所示。7 次滴灌过程中CK 处理土壤淋溶液浓度均最高，其他处理浓度呈现YB＞DH＞DHY＞DHBY＞DHB 趋势，与CK 相比分别降低8.33%、16.58%、16.88%、27.07%和27.62%。CK 和YB 处理随滴灌次数增加土壤淋溶液浓度逐渐增加。联用硝化/脲酶抑制剂处理（DHBY、DHB、DH 和DHY）在灌溉第4 次后有浓度开始增加。

2.3 土壤淋溶液TN浓度

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用土壤淋溶液TN 浓度如图3 所示。土壤淋溶液TN浓度的变化趋势与土壤淋溶液趋势基本一致。7 次滴灌过程中CK 处理土壤淋溶液TN 浓度均最高，其他处理TN 浓度呈现YB＞DH＞DHY＞DHBY＞DHB 的趋势，与CK 相比分别降低6.41%、15.51%、15.81%、25.91%和26.42%。CK 和YB 处理随滴灌次数增加土壤淋溶液TN 浓度逐渐增加。联用硝化/脲酶抑制剂处理（DHBY、DHB、DH 和DHY）在灌溉第四次后有浓度开始增加。

2.4 淋溶液累计量与收获后土壤含量

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用土壤淋溶液累计量如图4 所示。土壤淋溶液累计量总体呈现CK＞YB、DH＞DHY、DHB、DHBY 的趋势，联用硝化/脲酶抑制剂处理（DH、DHB、DHY 和DHBY）与CK相比差异显著。油菜收获后土壤含量如图5 所示。土壤含量呈现DHBY＞DH＞DHY＞DHB＞CK＞YB 的趋势，且硝化/脲酶抑制剂处理（DH、DHB、DHY和DHBY）间差异不显著。

2.5 土壤氮素淋失量

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用对土壤氮素淋失量见表1。土壤和TN 淋失量总体呈现CK＞YB＞DH、DHY＞DHBY、DHB 的趋势，处理间差异达到显著水平。各处理中占TN 淋失量的76.78%～82.33%。土壤淋失量总体呈现DHBY、DHY、DH、DHB＞YB、CK 的趋势，各处理间差异不显著，淋溶液中铵态氮占总氮比率极低。

2.6 油菜生长和品质指标

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用对油菜生长的影响见表2。油菜的鲜质量、叶宽均在DHB 处理达到最大，分别比CK 增加142.67%和98.65%，均达到显著水平；油菜的株高、叶片数均在DHBY 处理达到最大，分别比CK 增加131.69%和48.45%。其他处理鲜质量比CK 处理增加13.34%～56.01%，株高增加27.28%～113.33%，叶宽增加9.12%～79.39%。

硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用对油菜品质的影响见表3，不同处理间油菜维生素C和可溶性糖含量差异不显著；油菜硝酸盐含量呈现CK＞YB、DHY＞DH、DHBY、DHB 的趋势，CK 与联用硝化/脲酶抑制剂处理间差异显著。

图2 硝化/脲酶抑制剂、生物质炭和表面活性剂联合施用土壤淋溶液浓度Figure 2 The concentration of n soil leaching solution applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant

图3 硝化/脲酶抑制剂、生物质炭和表面活性剂联合施用土壤淋溶液TN含量Figure 3 The concentration of TN in soil leaching solution applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant

3 讨论

3.1 硝化/脲酶抑制剂和生物质炭联合施用对土壤氮素淋失的影响

与CK 处理相比，硝化/脲酶抑制剂、表面活性剂和生物质炭联合施用对养殖肥液滴灌后土壤转化均起到了抑制作用，施加硝化/脲酶抑制剂的处理（DH、DHB、DHY 和DHBY）间差异均不显著，但YB的抑制效果较差，原因是表面活性剂和生物质炭都无法将养殖肥液中的氮素以的形式长时间存在于土壤中。生物质炭是通过物理吸附养殖肥液中的，减少参与硝化反应的底物来间接减缓硝化反应的速率，张斌等证实生物质炭的添加使土壤溶液中无机氮减少抑制了硝化过程进行[25]。表面活性剂可以扩大养殖肥液滴灌后的渗透半径，有利于作物更好地吸收利用，但不能减缓的转化。生物质炭对减缓养殖肥液滴灌后土壤的转化效果优于表面活性剂。DHBY 和DH 分别比YB 处理显著增加，表明硝化/脲酶抑制剂组合施用抑制转化效果更好。相比传统化学氮肥，养殖肥液中氮素主要形态是，部分有机态氮和少量Wu 等实验证明猪场肥水中TN 的含量是903.4 mg·L-1，肥水中占TN 的72.2%[26]；杨涵博等试验证明猪场肥水中占TN 的67.11%[27]；赖睿特等试验证明养殖肥液中占TN 的72.89%[22]。试验养殖肥液TN 含量为495.2 mg·L-1浓度384.4 mg·L-1，占TN 的77.61%。养殖肥液滴灌到土壤后氮素的主要存在形态仍为，硝化/脲酶抑制剂组合相较于表面活性剂和生物质炭组合作用更加明显。李思平等[23]也证实硝化/脲酶抑制剂与生物质炭组合添加相比单一添加生物质炭的抑制效果更优。

图4 土壤淋溶液累计量Figure 4 Accumulation of soil leaching

表1 土壤氮素淋失量（kg·hm-2）Table 1 Soil nitrogen loss applied by nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant（kg·hm-2）

图5 收获后土壤含量Figure 5 content in soil after harvest

表2 硝化/脲酶抑制剂、生物质炭和表面活性剂联合施用对油菜生长的影响Table 2 Effects of nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant on the growth of rapeseed

研究表明，作物鲜质量越大对水分的吸收利用率越高[33]，导致各处理下累计土壤淋溶液体积差异显著。与CK 相比，硝化/脲酶抑制剂、生物质炭和表面活性剂联合施用增加土壤含量。硝化/脲酶抑制剂的抑制效果取决于抑制剂的有效抑制时间，DCD的抑制效果为14 d[23]；HQ 的抑制效果在7 d 内有抑制效果，14 d后基本失效[34]。

表3 硝化/脲酶抑制剂、生物质炭和表面活性剂联合施用对油菜品质的影响Table 3 Effects of nitrification/urease inhibitors，biochar and surfactant on the quality of rapeseed

3.2 表面活性剂对土壤氮素淋失

3.3 硝化/脲酶抑制剂和生物质炭联合施用对油菜生长和品质的影响

油菜的鲜质量、叶宽均在DHB 处理下最大，较CK 分别提高1.43倍和0.99倍；油菜的株高、叶片数均在DHBY 处理下最大，较CK 分别提高1.32 倍和0.48倍。原因是在硝化/脲酶抑制剂和生物质炭的联合作用下，养殖肥液滴灌到土壤后氮素的主要存在形态仍为且保持一段时间供作物吸收利用，速效氮素供应充足有利于作物生长。

油菜中维生素C 含量和可溶性糖含量在6 组处理间差异均不显著。作物中硝酸盐含量是衡量蔬菜品质优劣的一个重要指标。施加硝化/脲酶抑制剂处理的油菜硝酸盐含量最少。研究表明作物积累硝酸盐的根本在于其吸收量超过还原同化的量[35]。硝化/脲酶抑制剂和生物质炭的组合施用抑制的转化，养殖肥液滴灌到土壤后氮素的主要存在形态仍为且保持一段时间供作物吸收利用；未施加硝化/脲酶制剂处理会快速地进行硝化反应，待硝化反应底物耗尽，作物只能吸收利用硝化产物，导致作物中硝酸盐积累。有研究表明应用硝化抑制剂使生菜硝酸盐含量降低24%[36]，小青菜硝酸盐降低7.90%[37]，油菜降低30.51%[38]。所有处理均未超过《农产品安全质量无公害蔬菜安全要求》（GB 18406.1—2001）规定的限值，油菜硝酸盐含量较低可能与养殖肥液输入的氮素形态以铵态氮为主有关。