氮肥增效劑的應用與展望*

胡佳玉, 張 晶, 孔 波, 王慶彬, 胡承孝

(1.新型肥料湖北省工程實驗室/華中農業大學微量元素研究中心 湖北武漢 430070; 2.華中農業大學理學院 湖北武漢 430070; 3.山東蓬勃生物科技有限公司 山東泰安 271099)

我國是世界氮肥生產和施用的第一大國,尤其在蔬菜、果樹、花卉等經濟效益較高的作物生產中,氮肥用量是普通大田作物的數倍甚至數十倍[1],氮肥超量施用現象十分普遍,但我國氮肥表觀利用率僅為30%～35%,遠低于世界平均水平[2]。 氮肥增效劑一直被認為是提高氮肥利用率的重要手段之一,主要包括硝化抑制劑、脲酶抑制劑、氨穩定劑及其他新型增效劑[3]。 本文通過文獻分析,比較不同氮肥增效劑在提高作物氮肥利用率、生物量和產量及改善農產品品質、減少溫室氣體排放等方面的效果,為高效、合理利用氮肥增效劑提供參考。

1 氮肥增效劑的作用

1.1 硝化抑制劑

硝化抑制劑是能夠抑制土壤中硝化細菌、亞硝化細菌等微生物活性的物質的總稱,適宜配合銨態氮肥或尿素施用[4]。 現已發現有數百種化合物具有硝化抑制效應,主要有氰胺類、含氮雜環化合物、含硫化合物、烴類及其衍生物等四大類[5],其中雙氰胺(DCD)、3,4-甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)、1-甲基吡唑-1-羧酰胺(CMP)、2-氯-6-三氯甲基吡啶(CP)、乙炔(C2H2)等已在農業生產上得到應用[6]。 但DCD 需達到氮肥用量的10%才有顯著的硝化抑制效果,且作為水溶性制劑易淋溶流失,存在環境污染風險[7-8]。

硝化抑制劑通過抑制土壤中發生的硝化、亞硝化及反硝化過程,延緩土壤中銨態氮向硝態氮轉化,延長作物吸收、利用礦化態氮的時間。 土壤中參與亞硝化反應的細菌主要有亞硝化單胞菌屬、亞硝化螺菌屬、亞硝化球菌屬和亞硝化葉菌屬;參與硝化反應的細菌主要有硝化桿菌屬、硝化刺菌屬和硝化球菌屬[9]。 反硝化作用一般發生在嫌氣或低氧的環境,在硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、一氧化氮還原酶、氧化亞氮還原酶的催化作用下依次還原為、NO、N2O、N2,參與反應的細菌主要有假單胞菌屬、產堿桿菌屬[10]。

DCD 的氨基(—NH2)和亞氨基(＝NH)與NH3結構相似,以底物競爭形式干擾氨氧化細菌(AOB)對底物的利用[11];Nuti 等[12]認為,DCD 能抑制AOB 呼吸作用的電子轉移并干擾細胞色素氧化酶的功能。 DMPP 僅抑制氨氧化過程中向NH2OH 的轉化[13];Kong 等[14]發現DMPP 抑制了氨氧化古菌(AOA)和AOB 的細胞特異性活性。 CP 是氨單加氧酶(AMO)的一種催化底物,但對AMO 的親和能力弱,通過氧化產物6-氯吡啶甲酸螯合AMO 活性位點上的Cu2+產生抑制作用[15]。 乙炔作為AMO 的底物,參與催化氧化生成高活性不飽和環氧化物,并與催化氧化反應的蛋白質發生共價結合使其失活而抑制硝化作用[16]。

1.2 脲酶抑制劑

脲酶抑制劑是一類能抑制土壤中脲酶活性的物質的總稱,在減緩尿素氮轉化、抑制氨揮發、延長氮供應時間等方面有突出作用。 國際上已開發了70 多種脲酶抑制劑,主要包括重金屬離子類(如陰離子、過渡金屬離子)、羥肟酸類(如乙酰氧肟酸)、磷酰胺類[如正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)、環乙基磷酸三酰胺(CNPT)、硫代磷酰三胺(TPT)、磷酰三胺(PT)、正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)等]、磷酸鹽類、雜環類化合物、金屬配合物等,其中應用較為廣泛的主要有NBPT/n-(正丁基)硫代磷酰三胺(nBTPT)、對苯二酚(HQ)和苯基磷酰二胺/苯基磷酸二酰胺(PPD/PPDA)等3 種[17]。

有機小分子類脲酶抑制劑控制尿素水解的作用機制主要有:①非競爭性抑制,即醌類和酚類脲酶抑制劑與脲酶的巰基(—SH)發生作用,形成硫橋(—S—S—)抑制脲酶活性;②競爭性抑制,即酰胺類脲酶抑制劑含有的N、O 原子與脲酶的Ni原子對接形成配位體(Ni—O、Ni—N),降低尿素與脲酶活性中心結合的概率;③部分脲酶抑制劑通過微生物活性抑制或延緩脲酶的形成,間接抑制尿素的水解作用;④重金屬離子(如Ag+、Hg2+)與脲酶結合改變了脲酶活性中心和結構,導致喪失分解尿素的能力。

NBPT 結構基團中的硫基(—S)和正丁胺基[—NH(CH2)3CH3]增加了NBPT 與脲酶結合的概率,—NH2易與脲酶活性部位—SH 結合[18]。 HQ通過氧化還原作用使4 ～8 個—SH 變成—S—S—而降低脲酶活性[19]。 PPD 與尿素分子結構非常相似且親和力極高,其本身及其水解產物磷酰二胺(DAP)能占據酶活性中心或引起酶蛋白三級結構改變產生位阻效應,阻礙酶活性中心與尿素底物結合,抑制尿素分解[20]。

1.3 氨穩定劑

氨穩定劑是一類可以減少氨揮發損失的物質的總稱,主要包括無機酸、有機酸、無機鹽類及具有吸附性能的天然物質等,其中農業生產上應用較多的有沸石、腐殖酸和麥飯石。 氨穩定劑較少單獨使用,通常與抑制劑類增效劑混合或與肥料混合,用于開發基質復合與膠黏型緩/控釋肥料[9]。

1.3.1 沸石

天然沸石是一種鋁硅酸鹽礦物,因Al3+替代Si4+使鋁氧四面體出現負電荷點且需陽離子來補償;沸石內部具有較多的孔隙和通道,比表面積大,易與土壤中的陽離子發生交換和吸附作用[21-22]。 因此,沸石可以增強土壤對的吸附能力從而提高有效性[23-24]。

1.3.2 腐殖酸

腐殖酸調節植物-土壤體系氮素利用的機制:①促進植物根系硝酸鹽吸收同化相關基因的表達,如腐殖酸使玉米根系硝酸鹽吸收相關的基因(ZmNRT2.1 和MHA2) 及硝酸鹽同化基因(NR1)均顯著上調表達[25-26];②驅動植物根系內硝酸鹽轉運,2 種高親和力硝酸鹽轉運系統,即組成型高親和力轉運系統(cHATS)和誘導型高親和力轉運系統(iHATS),均因腐殖酸刺激H+-ATP 酶活性產生質子驅動硝酸鹽的轉運[27];③抑制AOA、AOB 等微生物群落組成和數量變化,延緩、的生成[28];④腐殖酸的官能團與脲酶的—SH 作用形成較大粒徑的絡合物從而抑制脲酶的活性[29],尤其是腐殖酸能長時間穩定脲酶活性,使尿素緩慢分解并提高氮肥利用率[30]。 因此,腐殖酸既能夠促進氮素吸收、同化、轉運,又能夠抑制脲酶轉化。

2 氮肥增效劑的應用

2.1 硝化抑制劑

2.1.1 提高氮肥利用率

不同硝化抑制劑可提高氮肥利用率(NUE)4.19% ～69.9%,平均增幅為17.1%,其中CaC2、DMPP、 DCD 的NUE 提高幅度均高于30%,見表1[31-39]。

表1 不同硝化抑制劑提高作物NUE 的效果

2.1.2 提高作物產量

不同硝化抑制劑可提高作物產量-0.5%～134.4%,平均增產16.4%,其中DCD 的增產效果大多在10% 以上, 優于其他硝化抑制劑,見表2[38,40-53]。

表2 不同硝化抑制劑提高作物產量的效果

2.1.3 改善農產品品質

各種硝化抑制劑均可降低作物產品器官中硝態氮含量,并提高可溶性糖、可溶性蛋白、抗氧化物(如維生素C)的含量,顯著改善農產品品質(見表3)[51,54-57]。

表3 不同硝化抑制劑改善農產品品質的效果

2.1.4 減少土壤溫室氣體排放

N2O 是一種能破壞大氣臭氧層的溫室氣體,土壤中發生的硝化和反硝化過程是N2O 產生的主要途徑,菜地因施用氮肥產生的N2O 排放量占中國農田總排放量的20%左右[58-59]。 硝化抑制劑可使施入土壤的氮素更多的以銨態氮的形式存在,進而減少N2O 的排放。 硝化抑制劑在不同氮肥水平下均能減少N2O 的排放,減排效果隨施氮量的增加而增大[60]。 硝化抑制劑一般可減少N2O 排放量10.0%～98.0%,平均為28.1%;可減少CO2排放量26.9%～56.4%,平均為42.5%;可減少NO 累積排放量25.0% ～77.0%,平均為51.0%[47,50,52,58-69]。 硝化抑制劑減少土壤溫室氣體排放的效果見表4。

表4 硝化抑制劑減少土壤溫室氣體排放的效果

2.2 脲酶抑制劑

2.2.1 提高NUE

脲酶抑制劑可以提高NUE 7.1%～54.9%,平均為10.1%,見表5[70-74]。

表5 脲酶抑制劑提高NUE 的效果

2.2.2 提高作物產量

脲酶抑制劑能夠延長氮肥供應時間,提高作物根系活力和固氮酶活性,促進作物生長[20];增產效果顯著,可提高作物產量1.83%～50.4%,平均為9.5%,見表6[49,70,75-79]。

表6 脲酶抑制劑提高作物產量的效果

2.2.3 減少溫室氣體排放

脲酶抑制劑可以減少氨揮發11.8% ～78.0%,平均為37.0%;此外,還可以分別減少CH4、N2O 排放7.8%～58.2%、11.7%～62.3%,平均分別為25.8%、35.9%。 脲酶抑制劑減少溫室氣體排放的效果見表7[79-86]。

表7 脲酶抑制劑減少溫室氣體排放的效果

2.3 氨穩定劑

2.3.1 提高NUE 和產量

氨穩定劑沸石、生物炭、腐殖酸依次提高NUE 0.63% ～85.2%、8.0% ～35.9%、1.87% ～93%,平均分別為17.4%、4.7%、24.0%;依次平均提高作物產量42.3%、12.6%、13.2%。 氨穩定劑提高NUE 和作物產量的效果見表8[22,84,87-99]。

表8 氨穩定劑提高NUE 和作物產量的效果

2.3.2 改善農產品品質

氨穩定劑可降低農產品的硝酸鹽含量,提高維生素C、可溶性糖、蛋白質含量,進而顯著改善農產品品質。 氨穩定劑改善農產品品質的效果見表9[95-98,100-101]。

表9 氨穩定劑改善農產品品質的效果

2.3.3 減少氮損失

表10 結果[84,102-110]表明:氨穩定劑沸石既降低了氨揮發累積速率,減少氨揮發損失6% ～48.7%(平均為30.7%),又減少 了氮淋失-7.7%～36.7%(平均為22.7%);生物炭具有吸附或NH3的能力,可減少NH3、N2O 揮發損失20%左右;腐殖酸進入土壤后能抑制施肥區尿素的水解,減少氨揮發損失13.39% ～40.9% (平均為26.1%)、氮淋失52.1%,但也有報道腐殖酸會提高土壤脲酶活性,促進NH3揮發[111-112]。

表10 氨穩定劑減少氨揮發或氮淋失的效果

3 新型肥料增效劑

3.1 內生菌提取物ZNC

內生菌提取物ZNC 的商品名為“智能聰”,來源于沙棘內生菌宛氏擬青霉。 ZNC 的田間施用量很少,效果卻非常明顯,一方面可提高NUE 或氮含量,增加作物產量或生物量-22.1%～64.2%(平均18.1%);另一方面可提高植株超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)的活性,促進新生器官(如根、芽)發育,降低病害發生率0.70%～74.4%(平均為20.5%)。ZNC 是通過激發植物自身代謝活力,促進養分吸收利用和植株生長發育,增強抗性,提高產量(見表11)[113-122]。

表11 內生菌提取物ZNC 的作用及效果

ZNC 的田間高效施用技術和作用機制都亟需進一步的研究。

3.2 植物源硝化抑制劑

植物源硝化抑制劑(BNIs)是一種環境友好型抑制劑,是由植物根系產生和分泌,現已發現濕生臂形草[123]、高粱[124]、水稻[125]、苦楝樹[126]、楊梅[127]等能夠釋放生物硝化抑制劑。 BNIs 主要通過抑制氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶來抑制硝化作用, 不同來源BNIs 的抑制方式不同, 見表12[124-131]。

表12 植物源硝化抑制劑的來源和作用機制

BNIs 通過抑制土壤硝化細菌和反硝化細菌的活性,減少因硝化和反硝化作用引起的氮素損失及溫室氣體排放。 已有研究發現,BNIs 可提高NUE 2.6%～6.7%(平均4.5%),增加產量5.6%～39.4%(平均10.3%),減少N2O 排放18.1% ～96%(平均40.0%),表明植物源硝化抑制劑在減少N2O 排放方面的潛力巨大。 植物源硝化抑制劑的作用和效果見表13[128,132-137]。

表13 植物源硝化抑制劑的作用及效果

4 討論與展望

基于文獻數據,對NUE 的提高,硝化抑制劑平均為17.1%,脲酶抑制劑平均為10.1%,氨穩定劑沸石、生物炭、腐殖酸依次為17.4%、4.7%、24.0%,ZNC 和BNIs 平均在7.0%左右,表明硝化抑制劑的效果較為突出和顯著。 硝化抑制劑平均減少N2O、CO2、NO 排放分別為28.1%、42.5%、51.0%;脲酶抑制劑平均減少氨揮發37.0%,平均減少CH4、N2O 排放分別為25.8%、35.9%;沸石和腐殖酸平均減少氨揮發分別為30.7%、26.1%,BNIs 平均減少N2O 排放40.0%;即在減少溫室氣體排放方面,硝化抑制劑的效果較好,脲酶抑制劑的效果較廣,BNIs 的潛力巨大。在作物增產方面,硝化抑制劑、脲酶抑制劑平均增產分別為16.4%、9.5%,氨穩定劑沸石、生物炭、腐殖酸平均增產依次為42.3%、12.6%、13.2%,ZNC 和BNIs 平均增產分別為18.1%、10.3%,各增效劑大多增產15%左右。 在改善作物品質方面,硝化抑制劑尤其是DCD 可以顯著降低農產品中硝酸鹽的積累量,并提高可溶性糖、可溶性蛋白、維生素C 的含量,氨穩定劑尤其是腐殖酸能夠顯著提高維生素C、可溶性糖的含量及糖酸比,ZNC 能增強植物抗性、降低病害發生率。 總體而言,硝化抑制劑、脲酶抑制劑、氨穩定劑在提高NUE、產量、產品品質和減少溫室氣體排放、氮損失等方面都有顯著的作用和效果;ZNC 和BNIs 分別在氮肥增效、溫室氣體減排等方面具有特殊作用。

硝化抑制劑、脲酶抑制劑大多為化學合成,既存在用量大、價格貴的問題,又存在環境污染和生態安全風險,如醌類化合物易傷害土壤微生物、作物,CP 施用量為8.0 ～14.0 mg/kg 時可使大豆地上部和地下部生物量減少50%[138]。 氨穩定劑主要通過吸附等物理過程以及促進作物利用來提高NUE,環境污染、生態安全風險不大,但也存在用量過大及資源不足的問題。 為此,相關研究人員通過實施新的策略以達到提高NUE 和減少氮環境污染的目的:①氮肥減量與增效配合,如氮肥減量20% 配合增效劑使玉米增產10.24% ～17.05%,實現減氮不減產[139];②配合增效,即2 種或2 種以上的氮肥增效劑配合使用,如HQ 配合DCD 可減少CH4排放量58%[140],DMPP 配合生物炭顯著降低了中性水稻土的AOB 豐度并分別提高水稻籽粒產量、NUE 為8.5%、10.6%[102];③開發新型多功能產品,如湖南泰谷生態工程有限公司開發了一種由多種植物粉末、黃腐酸、植物生長調節劑等配制而成的氮肥有機增效劑[141]。

《“十四五”全國農業綠色發展規劃》中提出:以化肥減量增效為重點,集成推廣科學施肥技術;開發農業生態價值,落實2030 年前力爭實現碳達峰的要求,研發種養業生產過程溫室氣體減排技術。 這意味著氮肥增效劑在化肥減量增效、溫室氣體減排中的作用將得到進一步的重視和充分發揮。 基于氮肥增效劑已有的研究和應用,以推動農業綠色發展為主導,圍繞投入品綠色、減量,建議按照減量增效、內生增效、整合增效深入推進氮肥增效劑的研究和應用:①減量增效,即基于作物養分科學定量以減少肥料尤其氮肥用量的條件下,研究和評價增效劑的作用和效果,避免增效劑屏蔽過量施肥的低效;②內生增效,即基于作物自身代謝活力、能力,在促進養分吸收利用和生長發育的前提下,研究和揭示增效劑的作用和機制,避免增效劑遮擋化學過程的負效;③整合增效,即基于作物生長環境因子、過程,在保障植株健康和生態安全的基礎上,整合和發揮增效劑的作用和功能。 因此,應全鏈條研究和設計肥料增效劑,即以生物源(如ZNC 和BNIs)增效劑的“促生”作用為主導,以物理性(如腐殖酸)增效劑的“載體”作用為支撐,以化學性(如HQ、DCD 等)增效劑的“靶向”作用為輔助,積極推進增效劑向綠色、少量、高效轉變。