土壤脲酶抑制剂和硝化抑制剂的研究进展

土壤脲酶抑制剂和硝化抑制剂的研究进展

欧锦琼

广东省广州生态环境监测中心站 广东广州 511436

摘要：本文从脲酶和硝化抑制剂的国内外研究现状进行综述，也对脲酶抑制剂和硝化抑制剂的作用机理进行了总结，为我国合理使用氮肥，提高氮肥利用效率提供了理论依据。

关键词：脲酶抑制剂；硝化抑制剂；研究进展；尿素氮肥

Advances in the research of soil urease inhibitor and nitrification inhibitor

Abstract: In this paper, the research status of urease and nitrification inhibitors at home and abroad were reviewed, and the mechanism of urease inhibitor and nitrification inhibitor were summarized, which provided a theoretical basis for the rational use of nitrogen fertilizer in China, and improve the efficiency of nitrogen use efficiency.

Key words: urease inhibitor; nitrification inhibitor; research progress; urea nitrogen fertilizer

氮素是农作物生长必不可少的元素，在促进农作物生长，提高产量方面起到了不可忽视的作用。所以，土壤中氮肥的施用成为控制高产的主要因素。但是随着氮肥施用量的增加，土壤过多累积的硝态氮又导致了环境污染方面的问题。为了解决这种污染问题，许多学者在对脲酶抑制剂和硝化抑制剂的研究上取得了很好的进展，利用脲酶抑制剂和硝化抑制剂可以很好的抑制土壤中铵态氮的硝化作用，控制硝态氮的大量积累所导致的环境污染。施入土壤中的尿素只有30% ～ 60%氮被作物吸收利用, 我国平均只有35%。施入土壤中的尿素主要通过氨挥发、硝化淋失与径流、反硝化作用等途径损失, 不仅造成了氮素肥料的大量浪费, 还成为环境氮污染的主要途径。因此, 有效提高氮肥肥效、氮素利用率是我国农业生产的首要问题。

1. 脲酶抑制剂及其研究现状

1.1.脲酶抑制剂

脲酶是在土壤中水解尿素的一种酶。当尿素施入土壤后，脲酶将其水解为铵态氮，才能被作物吸收利用。脲酶抑制剂可以抑制尿素的水解速度，减少铵态氮的挥发和硝化。

1.2.脲酶抑制剂的作用

脲酶抑制剂(Ureaseinhibitor)可以抑制土壤中脲酶活性, 减缓或延迟酰胺态氮水解为铵态氮。目前, N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)被公认为最有效而且经济的脲酶抑制剂。尿素表施时, NBPT用量为0.25%有利于减少NH₃的挥发, 提高尿素氮的有效性;尿素旁施时, NBPT用量为0.15%时就能促进作物对氮的吸收。在棕壤中, NBPT浓度在1%时, 可显著抑制脲酶活性;低浓度(0.1mg/mL)NBPT对细菌、放线菌生长有一定的促进作用。

能够抑制土壤脲酶活性的有机和无机化合物有许多种，其主要是对脲酶催化过程中起重要角色的巯基发生影响。据国内外资料报道，脲酶抑制剂的作用机理有5方面：

（1）脲酶抑制剂堵塞了土壤脲酶对尿素水解的活性位置，使脲酶的活性降低。

（2）脲酶抑制剂本身是还原剂，可以改变土壤中微生态环境的氧化还原条件，降低土壤脲酶的活性。

（3）疏水性物质作为脲酶抑制剂，可以降低尿素的水溶性，减慢尿素水解速率。

（4）抗代谢物质类脲酶抑制剂打乱了能产生脲酶的微生物的代谢途径，使合成脲酶的途径受阻，降低了脲酶在土壤中分布的密度，从而使尿素的分解速度降低。

（5）脲酶抑制剂本身是一些与尿素物理性质相似的化合物，在土壤中与尿素分子一起同步移动，保护尿素分子，使尿素分子免遭脲酶催化分解。在使用尿素的同时施加一定量的脲酶抑制剂，使脲酶的活性受到一定限制，尿素分解的速度变慢，就能减少尿素的无效降解。但是不能将土壤脲酶全部杀灭，应保持其一定的活性，否则，会影响土壤对植物的供氮。

1.3.脲酶抑制剂的研究现状

因为尿素是在土壤中广泛施用的氮肥，脲酶将其水解为铵态氮才能被作物吸收利用，为了延缓脲酶的水解作用，人们已经在脲酶抑制剂上做了许多研究。有研究报道，脲酶抑制剂与尿素一起施用可以延缓酰胺态氮向铵态氮的转化进程 7 ～14 天，从而减少氮素损失，提高氮肥利用率。

N-丁基硫代磷酰三胺（n BPT）和氢醌（HQ）是研究较多的两种脲酶抑制剂。

早在1992年周礼恺等人就研究了HQ对尿素的水解，氮的释放、硝化、反硝化作用以及生物固持的影响。结果表明，HQ 的作用不仅在于延缓尿素的水解和随之而来的铵的挥发，更重要的是影响了尿素水解产物进一步的进程，增强了尿素氮对作物的有效持续供应和减少了它的损失。

王小彬等研究发现，当尿素表施时，NBPT用量为0.25%更有利于减少NH3的挥发损失和提高尿素氮的有效性；当尿素种旁施用时，由于NH₃的挥发已受到抑制，因而NBPT用量为0.15%时对促进作物氮吸收效果较好。张文学等有关研究表明^[17]，与单施尿素相比，添加脲酶抑制剂可显著增加稻谷产量，脲酶抑制剂与硝化抑制剂配合施用可更有效地提高氮肥的回收率。综合降低氨挥发，提高水稻产量及地上部氮肥回收率的效果，添加脲酶抑制剂以及脲酶抑制剂与硝化抑制剂配施的两个处理效较为理想，硝化抑制剂不宜单独添加。华建峰等研究结果表明^[6]，脲酶抑制剂能使土壤脲酶的活性在较长时间内保持在较低水平，从而延缓尿素在土中的水解，降低土壤溶液中NH₄⁺-N和NO₃--N的浓度，减少尿素对幼苗的毒害和NH₃的挥发损失。李华等研究表明，田面水中氨氮/总氮的比值与脲酶活性之间存在显著的正相关关系，说明土壤脲酶活性是氮素在水土界面迁移转化的关键指标，因此，抑制脲酶活性可能是降低稻田氮素损失的主要途径之一。

2.硝化抑制剂及其研究现状

2.1.硝化抑制剂

硝化抑制剂可以抑制土壤铵态氮向硝态氮的转化，减少硝态氮在土壤中的累积，从而减少铵态氮硝化所造成的各种污染问题。在硝化作用的两个阶段中，有些硝化抑制剂对铵氧化细菌产生毒性，导致NH₄⁺氧化为NO₂^-过程被抑制；有些硝化抑制剂可抑制硝化杆菌属细菌的活动，即抑制硝化反应过程中NO₂^-氧化为NO₃^-这一步；有些还可以抑制反硝化作用。

2.2.硝化抑制剂的作用

硝化抑制剂(Nitrificationinhibitor)可以很好的抑制土壤中铵态氮氧化为硝态氮, 进而减少硝酸盐的淋溶及以氮氧化物等气态形式损失。硝化抑制剂作为氮肥增效剂的一种，在国内外几十年的研究中，农业上应用氮肥增效剂已经收到了多方面的效果：（1）减少氮肥损失，提高氮肥利用率。据了解，日本在肥料中添加硝化抑制剂，大约占肥料含氮量的0.5%-5%左右，可以提高大概20%的利用率。

2. 提高植株的分蘖数，增加株高，提高产量。国外研究显示，加入硝化抑制剂的氮肥在水稻土上施用，水稻产量最高提高 86.2%。

3. 改造土壤性能，调节土壤酸碱度，降低变酸速度，有利于农作物生长。

4. 化肥加入增效剂，可以减少盐类和毒气的生成，减轻对农作物的要害，因此，可防止烂秧根，促进农作物生长。

（5）氮肥增效剂除了能够抑制硝化作用以外，有些品种还有杀菌、杀虫等功效。

前人对于硝化抑制剂的考虑已经比较全面，但他们更重视硝化抑制剂在氮肥利用率上的作用，如何提高氮肥利用率以获得高产成为他们追求的目标。但是就目前而言，提高氮肥利用率是很重要，更重要的是不要对环境造成影响，所以在前面几条的基础上应该再增加一条就是环境友好型。

2.3.硝化抑制剂的研究现状

自从人们了解了硝化抑制剂的作用以后，人们在各种硝化抑制剂上做了大量的研究。赵劲松的研究结果表明：如果土壤中不加硝化抑制剂，(NH₄)₂SO₄的铵态氮(NH₄⁺)全部硝化。而加了MP 或其衍生物的，铵态氮仅硝化了10%，保留了90%。

有人也专门针对某种硝化抑制剂进行研究，比如DMPZP 在培养的第7天到第14天抑制效果高过DCD，且可以减缓土壤PH的降低速度^[22]。3,5-二甲基吡唑磷酸盐的硝化抑制效果在试验后期劣于 DMPP。室内培养试验 21天后，施加 3,5-二甲基吡唑磷酸盐的土壤中硝态氮含量明显高于施加DMPP 的土壤，铵态氮含量明显低于施加 DMPP 的土壤。DMPP抑制剂施入土壤具有显著的氨氧化抑制作用，延缓蔬菜地土壤氨氮向硝态氮的转化，减轻氮素向水体迁移的风险。Chim Weiske 等的研究表明，DCD 对 N₂O 扩散的抑制率平均为 26%，与 DCD 相比，DMPP 对 N₂O 扩散的抑制率平均49%。但是DCD应用相对比较广泛，这是因为其价格比较低，且毒性较小，在水中相对可溶性强一些。硝化抑制剂能抑制硝化作用，硝化反应过程被硝化抑制剂抑制后，氮肥将长时间以氮的形式保持在土壤中，避免高浓NO₂-和 NO₃-的出现。达到减少 NO₃-和NO₃^-的淋溶损失以及减少NO₃-释放的目的。

在硝化抑制机理上也有一定的研究。薛知文等在1985 年就曾研究到几种硝化抑制剂对亚硝化细菌的抑制作用，结果表明，2-氯-6-三氯甲基吡啶，2,3,5-三氯-三氯甲基吡啶，2-甲基-4,6-双（三氯甲基）均三嗪这3种硝化抑制剂在不同土壤中对硝化细菌均有不同程度的抑制作用。Li Hua等研究表明DMPP的加入使得氨氧化细菌的数量减少，硝化细菌和反硝化酶的活性降低，但对亚硝酸氧化细菌和羟氨还原酶活性没有影响。

DMPP 能够延缓硝化，有很好的硝化抑制作用，使土壤中NO₃-N 含量维持在较低水平，目前已经得到了大家的公认，不仅如此，许超等还研究出DMPP能够增加土壤无机氮含量，能在氮肥施入后较长时间内维持较高的可利用氮的供应强度，并能调节氮素供应形态；能减弱土壤因施氮造成的PH下降幅度；对土壤速效磷含量的影响不大；降低了土壤速效钾含量等的作用。

有些硝化抑制剂可以抑制反硝化作用，减少硝态氮转化为氮氧化物而污染环境，王改玲等研究表明，低水分时施用 N-Serve 可抑制硝化反应；高水分时施用砂子或砂子与N-Serve配合，可有效抑制N、O排放。

3.脲酶抑制剂和硝化抑制剂配合施用的效果

两者分别对尿素N转化某一特定过程产生作用, 其单独作用不能对尿素氮转化的全过程进行有效控制, 而配合施用可有效延缓尿素水解和水解产物NH₄⁺的进一步氧化, 并使水解产物NH₄⁺ 在土壤中存在相对较大的量和较长的时间。

目前，越来越多的研究侧重于脲酶抑制剂/硝化抑制剂配合使用。许多研究也表明二者配合使用在作物的整个生长季起到了很大的作用，脲酶抑制剂不仅能延缓尿素的水解，还能在一定程度上抑制尿素水解后的硝化过程。二者配合使用调节了尿素氮的转化过程，效果较单独使用要好。陈利军等早在1995年就得出配合使用氢醌和双氰胺既能延缓土壤中尿素的水解并使水解后释出的氨在土壤中得以更多和更长时间的保持，还能减少土壤中硝酸盐的累积，氨挥发的损失及 N₂O 的生成。Xu Xingkai 等研究表明 HQ 和DCD 配合施用，与单独施用相比，在植物和土壤中的氮的损失是最小的，而修复的能力是最大的。最近几年，也有很多研究报道脲酶抑制剂和硝化抑制剂配合施用在土壤中发挥了更大的作用^[39-40]。

3.脲酶抑制剂和硝化抑制剂的局限性

3.1.脲酶抑制剂的局限性

脲酶抑制剂是化学试剂，所以存在着不可避免的缺点，如价格昂贵、毒性和污染。氢醌不仅价格较贵，而且有毒，人食用5g即可致死。另外，因脲酶抑制剂受环境影响比较大，所以在选择合适的脲酶抑制剂时，需要了解土壤的状况和周围环境的情况，有一定的局限性。所以，寻找一种既可以起到抑制脲酶活性，抑制尿素水解，而又适用于任何土壤，对环境友好的物质成为一种需要。

3.2.硝化抑制剂的局限性

硝化抑制剂在减少氮素损失，提高氮肥利用率，保护环境方面确实起到了很大的作用，但虽然研究了许多的硝化抑制剂，实际应用于农业的还是少数几种，而且应用并不十分广泛。这大概有两方面的原因，其一是作为一种人工合成的化学试剂，硝化抑制剂本身存在着一些问题。硝化抑制剂抑制硝化细菌的活性，它们需要有较强的专一性，而且要对土壤中动物和微生物没有危害，能够随着肥料和水分移动。硝基吡啶用量过多就会对植物产生毒害作用，影响作物根系、叶片，不同的用量对不同的作物产生的毒害作用不同。C₂H₂虽是一种有效的硝化抑制剂，但 C₂H₂在常温常压下是气体，土壤对其吸附固持能力较弱，因此在土壤中的滞留时间很短，很难在农业生产的田间实际应用。2-氯-6-(三氯甲基)吡啶易于被土壤胶体吸附、易水解、光解和挥发，导致其硝化抑制效果降低。其二是因为外界环境的影响。

总之，硝化抑制剂这一方法的应用起到了很好的效果，但是，由于大多数硝化抑制剂在工艺、污染、价格等方面的原因而未能广泛应用。黄益宗等研究总结出硝化抑制剂未能得到广泛应用的几点原因，包括：（1）许多硝化抑制剂在试验研究阶段效果很好，但是在大田中应用的效果很低；（2）某些硝化抑制剂自身的特点使其在推广应用时受到限制，比如由于乙炔是一种气体，当其导入土壤后容易从土壤孔隙中逸出，从而影响其硝化抑制作用；（3）有些硝化抑制剂的毒性很大，会对土壤动物和土壤微生物产生毒害作用；（4）有些硝化抑制剂有残留，会污染土壤环境。因此，寻找一种在效果上对硝化作用有很好的抑制作用而又不至于对环境造成污染的物质成为提高氮素利用率和保护环境的必要。

5.总结

到目前为止，人们虽然对土壤脲酶抑制剂和硝化抑制剂进行了比较详细的研究，且在试验中也得到了很好的效果，但是在大田中却得不到广泛的应用。原因主要是这些抑制剂本身存在着不可避免的局限性，使用这些抑制剂能对土壤的硝化作用有很好的抑制效果，但同时也给环境增加了新的危害。所以，寻找一种既可以抑制硝化作用，又对环境无害甚至是有益的物质成为一种需要，在今后的工作中研究这种环境友好型物质将对改善环境有重大贡献。

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