抑制劑包膜尿素對石灰性土壤硝化及相關酶活性的影響

胡丹 李培楚 康麗霞 張淑英 劉濤

摘要：通過研究硝化抑制劑包膜尿素施入3種質地的石灰性土壤后銨、硝含量動態以及相關酶活性的變化，明確其對石灰性土壤氮轉化及生物學活性的影響。采用室內模擬培養試驗，設置不施氮肥（CK）、施用尿素（U）和抑制劑包膜尿素（CPCU）3個處理，每個處理4次重復。尿素與沙、壤、黏3種質地的石灰性土壤以500 mg（N）/kg（干土）混施后在32 d內基本完成硝化作用；同等含氮量的抑制劑包膜尿素與以上3種質地土壤混施后硝化時間延長至64 d，且土壤銨態氮（NH+4-N）含量明顯高于尿素處理，硝化抑制率達74.02%～75.96%，不同質地土壤的硝化抑制作用表現為黏土>壤土>沙土，但差異不明顯。施用尿素增加了土壤氮轉化相關酶的活性，施用抑制劑包膜尿素則降低了部分處理的土壤蛋白酶、脲酶及羥胺還原酶活性，提高了土壤亞硝酸還原酶和硝酸還原酶活性。土壤銨、硝態氮含量與土壤氮轉化相關酶活性存在一定的關聯，其中，銨態氮含量與蛋白酶活性呈極顯著負相關關系（P<0.01），硝態氮含量與蛋白酶活性相關性不顯著；土壤銨、硝態氮含量與土壤羥胺還原酶活性相關性不顯著，與土壤亞硝酸還原酶和硝酸還原酶活性呈極顯著正相關關系。抑制劑包膜尿素的施用抑制了石灰性土壤的硝化作用，在一定程度上降低了土壤蛋白酶和脲酶活性，從而間接抑制了有機氮礦化和尿素水解，提高了土壤亞硝酸還原酶和硝酸還原酶活性，從而減少氮淋失。

關鍵詞：硝化抑制劑；銨態氮；硝態氮；土壤酶；硝化；石灰性土壤；酶活性

中圖分類號：S151.9；S158.5 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）15-0231-07

基金項目：國家自然科學基金（編號：42067021）；石河子大學高層次人才科研啟動項目（編號：RCZK201927）。

作者簡介：胡 丹（1996—），女，新疆塔城人，碩士研究生，主要從事土壤肥力調控研究。E-mail：1478751139@qq.com。

通信作者：劉 濤，博士，高級實驗師，主要從事土壤養分循環與微生物調控研究。E-mail：liutao20029@163.com。

現代農業的發展離不開肥料的使用，作物吸收利用的氮僅占農田氮肥施入總量的40%～60%，其余部分以氮淋溶、氣態氮排放等途徑損失，導致氮肥利用率降低，生產成本增加，甚至污染水體，破壞臭氧層［1］。尿素或銨態氮肥施入石灰性土壤后會在較短時間內完成硝化作用，如果作物不及時吸收就會造成一定的氮損失［2］。緩釋氮肥能有效延遲硝化，提高作物固氮能力和氮肥利用率，進而增加作物產量［3-5］。包膜尿素作為一種緩釋氮肥，氮的釋放率高且釋放期較長，可持續滿足作物對氮的需求，從而達到“氮肥后移”的效果，且能減少氮流失［6-7］。硝化抑制劑能夠通過抑制土壤與氮轉化相關微生物以減緩銨態氮向硝態氮轉化，進而減少氮損失，提高土壤供氮能力。但是，硝化抑制劑施入土壤后會因固定和降解而導致抑制時間縮短，抑制效應降低［8-11］。硝化抑制劑包膜尿素采用抑制劑進行包膜，既可有效控制尿素溶出，又能抑制土壤硝化，降低農田銨硝徑流和氣態氮排放損失，保障氮的持續供應，提高旱地農田氮肥利用效率，改善農田土壤質量和增加作物產量［12-14］。有研究顯示，抑制劑包膜控釋尿素的控釋期可長達60 d，降低土壤氨揮發速率73%～81%，提高作物產量16.96%～25.90%，土壤銨態氮含量超過施用尿素土壤的1.6～2.5倍，氮肥利用率較不包膜尿素能提高43.08%［15-18］。可見，抑制劑包膜尿素對于降低土壤氮損失、延長有效氮的釋放以及提高氮肥利用等方面均具有較強作用。2-氯-6（三氯甲基）吡啶（簡稱氯甲基吡啶）作為一種商用硝化抑制劑與尿素混合施用對抑制土壤硝化、減少氮淋失以及氣體氮排放損失均具有顯著的效果，尤其是在硝化作用比較強烈的石灰性土壤中，但抑制劑包膜尿素在石灰性土壤中作用效應的相關報道卻并不多見［19-24］。本研究采用土壤模擬培養試驗，通過分析抑制劑包膜尿素施入沙、壤、黏3種質地石灰性土壤后的土壤銨態氮含量、硝態氮含量動態變化以及土壤酶活性變化，揭示石灰性土壤施用抑制劑包膜尿素后的氮轉化特征及相關酶的作用效應，以期為包膜緩釋類氮肥在干旱區農田推廣應用提供一定理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤取自新疆維吾爾自治區北疆滴灌農田0～20 cm 土層的石灰性沙土、壤土和黏土3種質地土壤，土壤基礎理化性質見表1。供試氮肥為尿素（純度為98.0%，氮含量為46.6%），供試抑制劑包膜尿素由浙江奧復托化工有限公司提供［硝化抑制劑2-氯-6（三氯甲基）吡啶的含量為尿素的0.5%］。

1.2 試驗設計

試驗在石河子大學農學院綠洲生態農業重點實驗室進行，設置不施氮肥（CK）、施用尿素（U）、施用抑制劑包膜尿素（CPCU）3個處理，每個處理重復4次。將尿素和抑制劑包膜尿素分別加入600 g沙、壤、黏3種質地的風干土中充分混勻后裝入培養缽內［尿素用量為500 mg（N）/kg（干土），抑制劑包膜尿素用量按照500 mg（N）/kg（干土）進行換算］，壓實土壤使其與農田土壤容重保持一致，加入去離子水使土壤含水量保持在田間持水量的60%。將培養缽放入培養箱內，采用好氣培養法在25 ℃黑暗條件下恒溫恒濕培養，每天用稱重法補水1次。在培養開始的1、8、16、24、32、40、48、56、64、80 d分別取50 g土樣過2 mm篩，用于土壤含水量、銨態氮和硝態氮含量的測定，取40、80 d土樣進行酶學指標測定。

1.3 測定指標與測定方法

1.3.1 土壤養分指標測定

土壤有機質含量用重鉻酸鉀容量法-外加熱法測定；土壤pH值用pH計測定；土壤全氮、速效磷、速效鉀的含量分別采用凱氏定氮法、碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法、醋酸銨浸提火焰光度法測定；土壤含水量用烘干法測定［25］。土壤銨態氮、硝態氮的含量用2 mol/L KCL溶液浸提，全自動連續流動分析儀測定。

1.3.2 土壤酶活性指標測定

土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法測定［26］；脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法［27］；硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性的測定參照武志杰等的方法［28-29］；羥胺還原酶活性的測定采用硫酸鐵銨-鄰菲羅啉法［30］。

1.4 計算方法

土壤表觀硝化率=硝態氮（NO-3-N）含量/［NO-3-N含量+銨態氮（NH+4-N）含量］×100%；

硝化抑制率=（A-B）/A×100%。

式中：A為不加硝化抑制劑處理的土壤培養前后NO-3-N含量之差，mg/kg；B為添加硝化抑制劑處理培養前后NO-3-N含量之差，mg/kg。

1.5 數據處理與分析

所獲數據用Excel進行初步分析后用Origin 2023進行圖形制作，用SPSS 19.0進行方差分析、差異顯著性檢驗及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 抑制劑包膜尿素對不同質地土壤銨、硝含量動態變化的影響

如圖1所示，不施尿素處理（CK）的沙土、壤土、黏土銨態氮含量最低，平均為11.74、11.41、13.27 mg/kg（圖1-A、圖1-C、圖1-E）。施用尿素 （U） 處理土壤NH+4-N含量隨培養進程而不斷增加，8 d時達到最大值，之后迅速降低，至32 d時與CK差異不明顯，培養期內沙土、壤土、黏土的平均NH+4-N含量較CK分別高183.89%、191.12%、172.52%。抑制劑包膜尿素 （CPCU） 處理的沙土NH+4-N含量在培養8 d時達到最大值，壤土和黏土NH+4-N含量最大值則推后至16 d，之后相比于U處理下降速度較緩，在整個培養期間明顯高于U處理，直至培養64 d時與CK、U處理相當，培養期內CPCU處理沙土、壤土、黏土平均NH+4-N含量較U處理分別高173.47%、171.32%、198.66%。CK的3種土壤硝態氮含量最低，平均為47.22、52.28、52.80 mg/kg（圖1-B、圖1-D、圖1-F）。U處理沙土、壤土、黏土的NO-3-N含量隨培養進程而迅速增加，培養期間平均含量較CK分別高779.88%、699.37%、709.94%。CPCU處理土壤NO-3-N含量增速慢于U處理，在64 d之前一直明顯低于U處理。培養期內CPCU處理沙土、壤土、黏土的平均NO-3-N含量較U處理分別低43.99%、45.56%、48.54%。

2.2 抑制劑包膜尿素對不同質地土壤表觀硝化率及硝化抑制率的影響

由圖2可知，培養期間U處理土壤表觀硝化率隨培養進程增加迅速，平均表觀硝化率分別為79.99%（沙土）、79.49%（壤土）、80.45%（黏土）。CPCU處理的土壤的表觀硝化率隨培養進程增速較緩（尤其在培養的24 d內），平均表觀硝化率分別為57.02%（沙土）、55.10%（壤土）、54.81%（黏土），并且64 d內一直低于U處理。U處理3種質地土壤平均表觀硝化率基本無差異，CPCU處理沙土平均表觀硝化率最高且較壤土和黏土分別高3.48%和4.03%，即3種質地土壤的硝化作用表現為沙土>壤土>黏土，但差異不明顯。

由圖3可知，施用抑制劑包膜尿素處理3種土壤的硝化抑制率隨培養進程均呈現先上升后降低的趨勢，沙土和壤土的硝化抑制率在培養16 d時達到最大值，分別為74.02%和75.96%，黏土的硝化抑制率則在培養8 d時達到最大值（74.35%）。在80 d培養期內，3種土壤平均硝化抑制率分別為34.47%（沙土）、36.31%（壤土）、37.28%（黏土）。可以看出，硝化抑制劑對3種土壤硝化過程的抑制作用表現為為黏土>壤土>沙土。

2.3 抑制劑包膜尿素對石灰性土壤氮轉化相關酶活性的影響

由圖4-A可知，培養末期（80 d）土壤蛋白酶活性顯著（P<0.05）大于培養中期（40 d），可見，土壤蛋白酶活性隨培養進程而增加，并且不同質地土壤蛋白酶活性表現為黏土>壤土>沙土。同一質地土壤CK的蛋白酶活性多數保持較低水平，U處理蛋白酶活性高于CK和CPCU處理，但3個處理間差異均不顯著，表明尿素的施用增加了土壤蛋白酶活性，而施用抑制劑包膜尿素會在一定程度上降低土壤蛋白酶活性。

沙土和壤土的U和CPCU處理土壤脲酶活性均隨培養進程有所下降，黏土CK和U處理脲酶活性則均隨培養進程升高，U處理3種質地土壤脲酶活性均顯著高于CK（80 d黏土除外），CPCU處理土壤脲酶活性始終低于U處理（圖4-B）。各處理土壤羥胺還原酶活性隨著培養進程的變化不明顯，在 80 d 時3種質地土壤羥胺還原酶活性表現為黏土>壤土>沙土；在同種質地土壤中，CPCU處理的土壤羥胺還原酶活性雖小于U處理（40 d的壤土除外），但差異不顯著（圖4-C）。

培養期間，各處理3種質地土壤亞硝酸還原酶活性隨培養時間的增加有所下降（圖4-D）。其中，U和CPCU處理土壤亞硝酸還原酶活性均大于CK且沙土、壤土差異顯著；CPCU處理壤土與黏土亞硝酸還原酶活性均大于U處理且差異顯著，但CPCU處理沙土亞硝酸還原酶活性與U處理差異不顯著。不同質地土壤硝酸還原酶活性不同，在沙、壤、黏3種土壤質地中，土壤硝酸還原酶活性依次增高，黏土中有機質含量最高，因為黏土的土壤環境更有利于反硝化的進行。CK的硝酸還原酶活性水平始終保持較低，U和CPCU處理硝酸還原酶活性均高于CK且差異顯著，CPCU處理硝酸還原酶活性顯著高于U處理。沙土、壤土和黏土中，各處理土壤硝酸還原酶活性隨培養進程均有所降低，U處理土壤硝酸還原酶活性隨培養進程降幅相對較小，而CPCU處理硝酸還原酶活性隨培養進程降幅大于U處理。說明施用抑制劑包膜尿素的土壤與單施尿素土壤相比保持了更高的還原能力（圖4-E）。

2.4 土壤銨態氮、硝態氮含量與土壤酶活性的相關性

由表2可知，銨態氮含量與蛋白酶活性呈極顯著負相關關系，表明蛋白酶活性高時，銨態氮含量則會減少。硝態氮含量與土壤脲酶活性呈極顯著正相關關系。土壤銨態氮、硝態氮含量與土壤亞硝酸還原酶和硝酸還原酶活性均呈極顯著正相關關系。

3 討論

施用包膜尿素對土壤銨、硝態氮含量會產生一定的影響，李博凝等研究發現，包膜尿素施于不同類型土壤中，NO-3-N含量在80 d內持續穩定上升，NH+4-N含量變化呈現先增加后下降趨勢，可見包膜的方式能在一定程度上延緩尿素的水解和硝化［31］。氯甲基吡啶可抑制土壤銨態氮硝化，顯著降低NO-3-N含量，使肥料中的氮以NH+4的形式存在較長時間［32］。本研究采用抑制劑包膜尿素與3種質地的石灰性土壤混施后，土壤NH+4-N含量可持續增加到8～16 d才開始下降，說明氯甲基吡啶包膜間接延緩了尿素水解，且較單施尿素土壤保持更高的NH+4含量和更低的表觀硝化率，這與前人對氯甲基吡啶硝化抑制效果的相關報道［33］基本一致。楊柳青等研究發現，尿素添加含氮0.8%的氯甲基吡啶與石灰性潮土混施，土壤NH+4-N含量緩慢降低至40 d后才完全轉化為NO-3-N［34］。本研究中抑制劑包膜尿素在施入石灰性土壤后抑制作用可長達64 d，其效應期明顯長于氯甲基吡啶與尿素混施的硝化抑制效應期，表明抑制劑包膜的方式進一步延長了尿素水解和硝化時間，進而提高了土壤的持續供氮能力，盡管其在64 d內的硝化抑制率（6.62%～75.96%）小于混施條件下的抑制率（9.42%～99.9%）［13，18，35-36］。

土壤酶是土壤物質循環、能量流動和新陳代謝的參與者，其活性水平能反映土壤微生物的活性以及土壤養分循環狀況［37-39］。蛋白酶參與有機氮的礦化，將蛋白質和肽類物質轉化為氨基酸，脲酶活性大小能反映尿素的水解速度，硝酸還原酶、亞硝酸還原酶則參與反硝化過程產生羥胺（NH2OH），NH2OH再經羥胺還原酶進一步還原成NH+4［40-41］。施肥在一定程度上會改變土壤酶的活性，有報道指出，施用氮肥能提高土壤脲酶和蛋白酶活性以及反硝化酶活性［41-46］。施用硝化抑制劑和緩釋尿素能降低蛋白酶和脲酶活性，增加反硝化酶活性［47-50］。本研究中，抑制劑包膜尿素與土壤混施后土壤脲酶和蛋白酶活性較單施尿素有所降低，表明硝化抑制劑包膜尿素既間接減緩了尿素的水解，又間接抑制了土壤原有有機氮的礦化。陳利軍等研究發現，硝化抑制劑可提高土壤硝酸還原酶活性，而對脲酶活性有一定抑制作用［48］，本研究與其結果一致。由于氯甲基吡啶主要抑制氨氧化過程降低羥胺濃度，進而降低了羥胺還原酶活性，羥胺濃度的降低可能會刺激反硝化的進行，致使硝酸還原酶和亞硝酸還原酶活性有所提高，但這種影響是間接的。本研究中，土壤銨態氮含量與蛋白酶活性呈極顯著負相關關系，表明較高的銨態氮含量在一定程度上會抑制土壤有機氮的礦化。土壤銨態氮、硝態氮含量均與脲酶、羥胺還原酶、亞硝酸還原酶和硝酸還原酶的活性呈正相關關系，說明土壤有效氮的增加會加速水解、硝化和反硝化過程，激發相關酶的活性［51-52］。

4 結論

尿素以500 mg（N）/kg（干土）與3種質地的石灰性土壤混施后，在60%田間持水量條件下完全硝化需要32 d，同等氮含量的抑制劑包膜尿素施入土壤后，硝化過程可延緩至64 d。抑制劑包膜尿素與3種質地的石灰性土壤混施后，硝化抑制率最高可達74.02%～75.96%，抑制強弱為黏土>壤土>沙土。尿素的施用提高了土壤氮轉化相關酶活性，抑制劑包膜尿素的施用則在部分處理降低了土壤蛋白酶、土壤脲酶和羥胺還原酶的活性，增加了亞硝酸還原酶活性和硝酸還原酶活性。抑制劑包膜尿素與土壤混施的方式極大延緩了硝化進程，并且間接抑制了尿素水解和土壤原有有機氮的礦化，使氮素養分在土壤中得以緩慢釋放。本研究可為干旱區石灰性農田土壤利用硝化抑制劑包膜緩釋肥調控氮轉化，促進作物氮肥高效利用提供一定的理論依據。

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