缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花光合特征的影响

李淑贤，鲍锦辉，姜兰，朱娜，秦成，曾路生，柳新伟，崔德杰

（青岛农业大学，山东青岛 266109）

棉花在国民经济中占有重要地位，是人民生活的必需品，也是重要的战略物资[1]，其产量的稳定性直接影响国民经济的稳定。肥料在棉花生产中发挥不可替代的作用[2]。 但是在棉花生产过程中过量使用肥料，不仅不会提高产量，还会对周围环境产生一定的影响，尤其是影响土壤和地下水[3-4]。 缓释肥料（简称“缓释肥”）是一种改性肥料，释放养分慢、释放时间长[5]，其释放特性与棉花生长的营养需求规律相符合，从而能提高棉花产量及肥料利用率。前人研究表明棉花施用缓释肥具有明显的增产增收效果，不但可以减少施肥次数和施肥量，最大限度地提高肥料利用率，而且具有环境友好、资源节约的特点， 对农业可持续发展具有重要意义[6-9]。脲酶抑制剂是指能够有效抑制土壤中的脲酶活性，延缓尿素分解的一类化学制剂[10]。施用脲酶抑制剂不仅能够延缓肥料中的氮素释放[11]，还能够提高尿素氮的利用率，减少尿素在土壤中的损失率[12]。

综上所述，我国对于缓释肥及脲酶抑制剂对棉花等农作物产量的影响已有一定的研究，但是对两者配合施用效果的研究并不多。故本研究通过分析缓释氮肥配施脲酶抑制剂对土壤理化性质、叶绿素荧光、冠层光谱特征、光合指标、生理指标等的影响，为提高棉花产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

2019 年4―11 月在山东省滨州市博兴县纯化镇杨家村（118°35′E，37°27′N）进行田间试验。 该地区地处黄泛平原， 属于温带大陆性季风气候区，多年平均降水量为665.4 mm，年平均气温为14 ℃。该试验地土壤类型为滨海盐碱土， 土壤全盐含量为0.4%，碱解氮含量为74.4 mg·kg－1，速效磷含量为13.1 mg·kg－1，速效钾含量为68.3 mg·kg－1，有机质含量为13.5 g·kg－1，pH 为8.45。

1.2 供试材料与种植模式

缓释肥：使用包膜厚度不同的缓释肥，释放周期因其包膜厚度不同分为2 个月和4 个月，氮含量均为42%（质量分数），由山东农大肥业科技有限公司提供； 脲酶抑制剂：N- 丁基硫代磷酰三胺（nBPT），由中国科学院沈阳应用生态研究所提供；尿素、过磷酸钙、硫酸钾均采购自金正大公司。供试棉花品种为鲁棉研37 号[13]。 4 月28 日进行棉花播种，采取机播后覆膜的播种方式，播种行距75 cm，株距25 cm。

1.3 试验设计

试验设计原则是控制各施肥处理的氮有效养分相同。 田间试验处理和施肥量：（1）不施肥（NF）；（2）常规施肥（TF），尿素375 kg·hm－2，过磷酸钙625 kg·hm－2， 钾肥225 kg·hm－2；（3） 施缓释肥（CF），尿素130 kg·hm－2，过磷酸钙625 kg·hm－2，钾肥225 kg·hm－2，2 个月缓释氮肥140 kg·hm－2，4个月缓释氮肥140 kg·hm－2；（4）缓释肥配施脲酶抑制剂（CN），施肥量与CF 处理相同，另添加脲酶抑制剂，添加量为总氮量的0.7%；（5）不同量缓释肥配比搭配脲酶抑制剂（CNt），尿素190 kg·hm－2，过磷酸钙625 kg·hm－2， 钾肥225 kg·hm－2，2 个月缓释氮肥140 kg·hm－2，4 个月缓释氮肥70 kg·hm－2，另添加脲酶抑制剂，添加量为总氮量的0.7%。 每个处理重复3 次，随机区组排列，小区面积24 m2（4 m×6 m），小区内棉花共2 垄4 行，行长6 m。尿素、过磷酸钙、硫酸钾、缓释氮肥和脲酶抑制剂掺匀后施用， 除追肥外其他肥料作基肥一次性施入，田间管理同当地大田。

1.4 土壤样品采集及测定

10 月5 日（棉花首次收获日），采用五点采样法采集土壤样品， 采集区域为0～20 cm 的表层土壤，采集的5 个样品混合均匀。 采集的新鲜土壤去除杂质风干后过孔径1 mm 的尼龙筛，风干后的土壤保存在密闭、干燥、通风、无阳光直射、无污染的环境中。

土壤的测定项目包括pH、 电导率（Electrical conductance，EC），以及碱解氮、速效磷、速效钾和有机质含量。 土壤pH 采用pH 计（Sartorius PB-10，德国）测定；EC 采用电导率仪（DDS-307A，中国）测定，水土质量比为5∶1；土壤碱解氮含量采用碱解扩散法测定； 土壤速效钾含量采用乙酸铵浸提- 原子吸收分光光度法测定； 土壤速效磷含量采用Olsen 法测定； 土壤有机质含量采用重铬酸钾外加热法测定。

1.5 棉花样品的采集和测定

8 月15 日进行棉花花铃期样品的采集。 从试验区内随机选取10 株长势均匀的棉花， 用米尺测量其整株高度（地表至植株自然最高点的长度），然后将棉花根系与地上部分一同挖出， 装入尼龙袋，用清水冲洗棉花根系以去除残留土壤及杂质，将棉花各部分用剪刀拆分，调查铃数，分别测定棉花根长、叶面积及鲜物质质量。棉花共分3 次收获，时间分别是10 月5 日、10 月17 日、10 月24 日。在棉花收获期测定试验区内籽棉产量，并计算肥料偏生产力及氮农学利用效率， 公式如下： 肥料偏生产力（kg·kg－1）＝施肥区籽棉产量/ 肥料总施入量；氮农学利用效率（kg·kg－1）＝（施肥处理籽棉产量－不施肥对照处理籽棉产量）/施氮量。

不同处理下的棉花叶片SPAD 选用便携式叶绿素测定仪（SPAD-502，Konica Minolta，中国）测定。在使用时，最好不要直接在太阳光下测定，可以用身体遮住阳光， 从而提高测量结果的精确度；在测量过程中，如果测量值出现小数点闪现和没有小数的情况，说明测量精度不能保证，需要重新测量。不同处理下的棉花叶片叶绿素荧光参数选用M-PEA 多功能植物效率分析仪 （Hansha Scientific Instruments，中国）测定。 在使用该分析仪时，要注意连接电源时仪器处于关机状态，测定过程中要保持平稳，避免震动。在棉花花铃期，选取棉花顶部第5 片功能叶进行测定， 每个小区随机测定20 株。测定前在暗环境中适应20 min 以上。 测定的棉花叶片叶绿素荧光参数包括初始荧光（F0）、最大荧光（Fm）、可变荧光（Fv，Fv＝Fm－Fo）、反应中心性能指数（PIABS）、最大光化学量子产量（Fv/Fm）、电子传递光量子产量（ETo/ABS）、激发能电子转化效率（Ψo）。

不同处理下的棉花叶片光合参数选用CIRAD-3 便携式光合仪（Hansatech，英国），在棉花花铃期晴朗、少云的天气，选取棉花顶部第5 片功能叶，于上午09：00―11：00 进行测定，每个小区随机测定20 株。测量指标包括胞间CO2浓度（Ci）、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）。 使用CIRAD-3 便携式光合仪时， 注意保持叶室干净和良好的透光性，避免阳光直射。

不同处理下的棉花冠层光谱选用AvaSpec-ULS2048 光纤光谱仪（Avantes，荷兰），在晴朗、无风、少云天气，于11：00－14：00 测定。 每次测量时采用白板进行校正。 红边归一化植被指数（NDVI705）计算方法为近红外波段的反射值（NIR）与红光波段的反射值（R）之差比上两者之和，即（NIR－R）/（NIR＋R）。

1.5 数据处理

数据采用Microsoft Excel 2019 和SPSS 26.0进行统计分析， 采用Microsoft Excel 2019 绘制图表。 采用单因素方差分析比较处理间的效应差异，最小显著差数法（Least significant difference，LSD）比较平均数之间的差异显著性。使用Canoco 4.5 软件进行冗余分析（Redundancy analysis，RDA）。

2 结果与分析

2.1 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对土壤理化性质的影响

由表1 可知，缓释氮肥配施脲酶抑制剂对土壤pH 并无显著影响，各处理之间并无显著性差异。与不施肥NF 比较，施肥后土壤EC 都有一定增加，说明施用化肥会造成一定量的盐分积累。速效钾含量最高的是CF 处理，CN 和CNt 处理较CF 处理分别低17.8%、23.3%。 CN、CNt 处理的速效磷含量较CF 处理分别低7.9%、4.8%， 并且CN 和CNt 处理之间并无显著性差异。 然而，CF 和CN 处理的差别在于CN 处理中添加了脲酶抑制剂，由此推断缓释肥配施脲酶抑制剂能够促进植株对磷和钾的吸收，从而使得土壤中速效钾和速效磷含量降低。碱解氮含量表现为CN＞CF＞CNt＞TF＞NF，含量最高的CN 处理较TF、CNt 和CF 处理分别增加35.3%、22.7%和7.7%。 土壤有机质含量也表现为CN＞CF＞CNt＞TF＞NF，添加缓释氮肥的处理（CF、CN和CNt） 显著高于TF 和NF 处理，CN 处理较CF、CNt 处理分别增加1.7%、8.5%。 由此看出，缓释肥配施脲酶抑制剂能够显著提高土壤中氮素和有机质含量。

表1 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对土壤理化性质的影响

2.2 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花花铃期叶绿素荧光的影响

由表2 可以看出，TF、CF、CN、CNt 4 个处理中棉花叶片SPAD、PIABS、Ψo均显著高于NF 处理。 并且棉花的SPAD、Fv/Fm、PIABS、ETo/ABS、Ψo均表现为CN＞CNt ＞CF＞TF＞NF。 相较于TF 处理，CN 和CNt 处理的SPAD 分别增加23.5%和7.5%，PIABS分别增加66.3%和40.6%，Fv/Fm分别增加14.5%和7.9%，Ψo分别增加14.5%和7.2%。 相较于CF 处理，CN 处理的SPAD 增加15.3%，PIABS增加25.0%，Fv/Fm增加10.1%，Ψo增加11.3%。 虽然F0和ETo/ABS在4 个施肥处理之间并无显著性差异， 但根据整体数据可以看出缓释肥配施脲酶抑制剂对该指标有一定程度的影响。总体而言，缓释氮肥配施脲酶抑制剂能够提高棉花叶片叶绿素的功能水平。

表2 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花SPAD 和叶绿素荧光参数的影响

2.3 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花叶片冠层光谱特征的影响

在棉花花铃期比较棉花叶片冠层光谱特征的变化趋势。 由图1A 可以看出，不同试验处理下棉花叶片光谱反射率的变化趋势大体一致， 即在500 nm蓝光处和675 nm 红光处形成2 个反射谷， 主要是由于叶绿素的强吸收引起； 在550 nm 左右形成1个反射峰， 主要是由于叶绿素的强反射引起；在750 nm 左右的反射率达到最大，775～950 nm 波段形成近红外反射平台，主要是由于叶片内部组织结构多次反射、散射引起，在此波段内反射率越高，说明叶片内部组织结构越完好。但在不同试验处理下棉花叶片的光谱反射率存在一定的差异，不同处理在可见光波段（400～760 nm）的反射率整体平均值表现为TF＞CF＞NF＞CNt＞CN； 在近红外波段（775～950 nm） 的反射率整体平均值表现为TF＞CN＞CF＞CNt＞NF。 红边归一化植被指数（NDVI705）是NDVI的改进型，对叶片冠层的微小变化非常灵敏，可用于植被胁迫性探测，NDVI705值的范围是－1～1， 一般绿色植被区的范围是0.2～0.9。由图1B 可知， 棉花叶片的NDVI705整体表现为CN＞TF＞CF＞CNt＞NF，CN、TF、CF、CNt 较NF处理均显著提高，其中CN 处理较NF 提高128.1%，由此推测，CN 处理较其他处理更有利于提高棉花的抗胁迫能力。 总体来说，CN 处理能够显著改善棉花的生长状态。

图1 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花叶片冠层光谱特征（A）和红边归一化指数（B）的影响

2.4 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花光合指标的影响

从图2 可以看出，NF、TF、CF、CN、CNt 处理对Ci、Pn、Gs和Tr的影响大同小异， 影响程度都是CN＞CNt＞CF＞TF＞NF。 CN 处理的棉花Ci分别比NF、TF、CF、CNt 处理增加32.9%、30.1%、24.9%、20.3%。Pn最高的也是CN 处理， 其中CN 处理较NF、TF 处理分别增加87.3%、36.6%，较CF 处理增加17.1%，较CNt 处理只增加10.4%，但CN 处理与其他4 个处理均具有显著性差异。 CN 处理的Gs较NF、TF、CF、CNt 分别增加159.1%、66.9%、53.3%、37.6%，CN 处理与其他处理均有显著差异，CF 与TF 处理间差异不显著。 CN 处理的Tr较NF、TF、CF、CNt 处理分别增加62.5%、27.0%、20.7%、14.0%，CN 处理同其他处理相比均差异显著。 由此可知，缓释肥配施脲酶抑制剂能够显著提高棉花的光合作用，且CN 处理较CNt 处理更有利于棉花的光合作用。

图2 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花胞间CO2 浓度（A）、净光合速率（B）、气孔导度（C）、蒸腾速率（D）的影响

2.5 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对花铃期棉花生长指标的影响

由表3 可知，缓释氮肥配施脲酶抑制剂对花铃期棉花生长具有较明显的影响。 CF、CN、CNt 处理的棉花鲜物质质量均显著高于NF 处理， 较NF 分别增加46.3%、47.3%、32.8%。 CF、CN 处理的株高显著高于NF 和TF 处理， 其中CN 处理的株高较NF 和TF 处理的增幅最大， 分别增加63.9%、26.7%。 CN 处理的根长显著高于NF、TF 处理。 CN处理的叶面积显著高于NF、TF、CF 处理。 CN 处理的单株结铃数显著高于其他4 个处理。 由此可知，缓释氮肥配施脲酶抑制剂能够优化花铃期棉花生长指标，且CN 处理较CNt 处理更有利于花铃期棉花的生长。

表3 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花花铃期生长指标的影响

2.6 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花产量、 氮农学利用效率和肥料偏生产力的影响

由图3 可知，4 个施肥处理的籽棉产量、 氮农学利用效率、 肥料偏生产力均表现为CN＞CNt＞CF＞TF，其中CN 处理的籽棉产量、氮农学利用效率与肥料偏生产力均为最高。 相较于TF 处理，CN与CNt 处理的肥料偏生产力分别显著增加163.5%和142.7%， 氮农学利用效率分别显著增加96.4%和37.3%，籽棉产量分别增加21.5%和3.80%。结果表明，缓释氮肥配施脲酶抑制剂可以促进棉花生长，提高氮农学利用效率和肥料偏生产力，从而增加棉花产量。

图3 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花产量（A）、肥料偏生产力（B）和氮农学利用效率（C）的影响

2.7 缓释氮肥配施脲酶抑制剂与棉花生长指标、光合效率和产量相关性分析

由图4 可以看出，CN 处理与棉花根长、 结铃数、叶面积、Fv/Fm、SPAD、籽棉产量的相关性最高，说明CN 处理对以上指标的增加最有利。还可以看出，CN 处理和CF 处理对叶绿素荧光以及光合作用相关参数的影响非常相似，但CN 处理对叶绿素荧光以及光合作用有关指标的影响程度远小于CF处理。 而CN 处理较CF 处理仅额外添加了脲酶抑制剂，由此推断，在供氮能力相同的情况下，脲酶抑制剂能够显著提升棉花的抗胁迫能力和光合能力。

图4 棉花生长指标、光合效率和产量之间的RDA 分析

3 讨论

3.1 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对土壤理化性质的影响

在棉花生长发育过程中，氮素是必不可少的营养元素，而且棉花生长期较长，对氮素需求量较大。它在促进棉花生长、提高产量等方面起到了不可忽视的作用[14]。 但棉农常常过量施用氮肥，造成氮素的淋溶和挥发， 反而会降低棉花对氮素的利用率，增加生产成本[15-16]。 所以，正确的施用时机、合适的施用量和降低氮素损失是增加棉花产量的关键。研究表明包膜氮素能大幅提高氮素利用率，减少施肥对环境的负面影响[17-19]。 向土壤中加入脲酶抑制剂可以抑制脲酶活性并减缓尿素分解，以减少氨的挥发，提高土壤中氮素含量[20-21]。而在本研究中缓释氮肥配施脲酶抑制剂的处理（CN）中碱解氮含量较NF、TF、CF 和CNt 处理分别增加了67.0%、35.3%、7.7%、22.7%， 有机质含量分别增加了29.7%、26.1%、1.7%、8.5%， 说明了CN 处理对土壤中氮素和有机质含量的增加较为有利。

3.2 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花叶绿素荧光、光合作用的影响

由本研究数据可知，CN 处理的SPAD 较CF处理增加了15.3%。在叶绿素荧光参数中，CN 处理较CF 处理的PIABS增加了25.0%，Fv/Fm增加10.1%，ETo/ABS增加了9.1%，Ψo增加了11.3%。在光合参数中， 相较于CF 处理，CN 处理的Tr提高了20.7%，Pn提高了17.1%。 而本研究中CN 处理和CF 处理不同之处就在CN 处理中添加了脲酶抑制剂。 根据上述结果可以判断：在供氮能力相同的情况下，脲酶抑制剂可以提高叶片的叶绿素含量和叶绿素荧光参数值，从而提高叶片潜在的光合作用活力和光能转化效率，增强棉花叶片的光合能力。 王玉琪等[22]研究表明土壤中添加脲酶抑制剂可以提高叶绿素的含量和Fv/Fm，从而提高蕹菜的光合作用。 王伟[23]研究表明包裹脲酶抑制剂的尿素能够提高生育后期玉米叶片的叶绿素含量，从而能够保证后期玉米的光合作用，达到提高玉米产量的目的。

3.3 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花冠层光谱和生长状态的影响

作物的冠层光谱能够反映出作物的营养水平和生长状况。 棉花在550 nm 左右会形成1 个反射峰，称为“绿峰”；在660 nm 左右形成1 个反射谷，称为 “红谷”。 本研究数据显示， 在可见光波段（400～760 nm）， 棉花冠层反射率整体平均值表现为TF＞CF＞NF＞CNt＞CN，而在可见光范围内植物反射率主要受氮素含量和叶绿素含量的影响。该结果表明，CN 处理和CNt 处理可在一定程度上增加棉花对氮的吸收，从而增加叶片的叶绿素含量及其对可见光的吸收，从而使得其“绿峰”和“红谷”较其他处理下降。 朱艳等[24]研究表明，随着施氮量的增加，小麦和水稻叶片在可见光波段（460～710 nm）的光谱反射率降低。 本研究中， 在近红外波段（775～950 nm）， 棉花叶片的光谱反射率整体平均值表现为TF＞CN＞CF＞CNt＞NF。叶片的光谱反射率越高证明植物内部细胞结构完好程度越高。由此说明CN、TF 处理的棉花内部结构较其他处理更完好。 潘文超等[25]研究表明，在棉花的整个生育阶段，棉花叶片的可见光波段光谱反射率与土壤中的全氮含量呈负相关， 而在近红外波段两者呈正相关。并且由不同处理棉花的生理指标可以看出，CN处理的各项生理指标均高于其他处理。 综上所述，从可见光波段反射光谱看，CN、CNt 处理较佳；从近红外波段反射光谱看，CN、TF 处理较佳； 结合CN 处理的各项生理指标来看，CN 处理棉花生长状况佳。

3.4 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花产量、 氮农学利用效率和肥料偏生产力的影响

通过RDA 分析可以看出， 棉花产量与土壤中速效氮含量、鲜物质质量显著相关，且各组处理中与籽棉产量相关性最高的是CN 处理。 由此可知，CN 处理有利于增加棉花产量。 缓释氮肥释放时间较长，能够有效减少氮肥养分的流失，提高棉花对氮肥的利用率，从而达到增产的效果。有研究表明，用含脲酶抑制剂的尿素处理土壤后，在收获后土壤中无机氮含量明显高于普通尿素处理[26]，这说明脲酶抑制剂能减少氮肥养分流失。脲酶抑制剂能够从一定程度上抑制尿素态氮向氨态氮的转化，从而有利于氮肥养分被棉花吸收或者通过硝化过程转化为硝态氮进入土壤，提升氮农学利用效率。 对蕹菜的研究表明，与常规尿素处理相比，基质型缓释尿素可降低氮素淋溶（9.2%）和氮素挥发损失（8.7%），提高土壤矿质氮含量（6.7%以上），提高蕹菜的生物量（18.4%以上）和氮肥表观利用率（7.3%以上）[27]。综上所述， 缓释氮肥配施脲酶抑制剂对棉花产量、氮农学利用效率和肥料偏生产力的影响主要通过抑制脲酶的活性，减少氮肥的流失，增加肥料养分含量来实现。

4 结论

本研究结果初步表明，缓释肥配施脲酶抑制剂能够显著促进棉花生长，提高棉花产量。 在各组处理中，CN 处理与籽棉产量相关性最高。 脲酶抑制剂能够降低脲酶的活性， 提高氮农学利用效率。RDA 分析表明， 使用脲酶抑制剂与土壤中速效养分含量以及棉花产量呈正相关。 CN 处理与TF 处理相比，NDVI705和Pn分别增加13.5%和36.6%，Fv/Fm增加14.5%，籽棉产量增加21.5%，肥料偏生产力增加163.5%。 综合分析，CN 处理为本研究中的最优处理。