脲酶抑制剂与硝化抑制剂对稻田氨挥发的影响

张文学， 孙 刚， 何 萍， 梁国庆， 王秀斌， 刘光荣， 周 卫*

(1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点开放实验室，北京 100081；2 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200)

脲酶抑制剂与硝化抑制剂对稻田氨挥发的影响

张文学1, 2， 孙 刚2， 何 萍1， 梁国庆1， 王秀斌1， 刘光荣2， 周 卫1*

(1中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点开放实验室，北京 100081；2 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，南昌 330200)

采用密闭室间歇通气法和15N标记技术研究了尿素施入稻田后氨挥发损失特征以及脲酶抑制剂(N-丁基硫代磷酰三胺，NBPT)和硝化抑制剂(3, 4-二甲基吡唑磷酸盐，DMPP)对稻田氨挥发损失的影响。结果表明，稻田施用尿素后第4天氨挥发速率达到峰值，氨挥发损失主要发生在施肥后21天内。与单施尿素处理相比，添加NBPT处理的氨挥发速率峰值降低27.04%，累积氨挥发损失量降低21.65%；NBPT与DMPP配施时，氨挥发速率峰值降低12.95%，累积氨挥发损失量降低13.58%；而添加DMPP时，氨挥发速率峰值增加23.61%，累积氨挥发损失量与单施尿素的差异不显著。相关性分析表明，地表水中铵态氮浓度和pH值与氨挥发速率均达极显著正相关，说明二者是影响氨挥发速率的主要因素，而气温、 地温和水温与氨挥发速率的相关性不显著。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果较为理想，硝化抑制剂不宜单独添加。

脲酶抑制剂; 硝化抑制剂; 氨挥发; 氮素回收率； 稻田

Keywords: urease inhibitor; nitrification inhibitor; ammonia volatilization; N recovery; paddy field

我国是世界上最大的水稻生产国之一[1]。据统计，全国的水稻收获面积与产量分别占全世界相应的18.47%与28.04%[2]。研究表明，增施化肥，尤其是氮肥是提高水稻产量的有效途径。目前，我国已成为世界上最大的氮肥生产和消费国，而氮肥利用率却较低，导致氮素大量损失，进而带来经济、 生态、 社会的负面效应。在我国农业氮素损失中，就三大粮食作物小麦、 玉米、 水稻而言，稻田的氮损失率居首[3]，在稻田的氮损失中，氨挥发成为氮素损失的重要途径[4]。

尿素在农业生产中施用最广泛，占全部氮肥用量的50%以上[5]。与其它氮肥相比，尿素含氮量最高(46%)，且物理性状较好、 生产成本较低，因此应用最广。但是，尿素施入土壤后，只有少量以分子态的形式被土壤胶体吸附，而绝大部分被土壤中的脲酶催化迅速水解为碳酸铵，进一步导致氨挥发、 硝化反硝化等途径的损失。氨挥发不仅造成氮肥利用率降低，而且，氨挥发至大气与酸性物质结合引起酸雨、 地下水富营养化[6]等环境问题。近年来，许多研究报道，在农田运用尿素辅以脲酶抑制剂、 硝化抑制剂可以减少氮素损失[7-9]，但脲酶抑制剂、 硝化抑制剂的施用对我国南方稻田氨挥发的影响鲜见报道。本文研究南方红壤稻田在农民普遍采用的尿素一次性施肥模式下，其氨挥发损失特征以及添加脲酶抑制剂、 硝化抑制剂对氨挥发速率、 累积损失量的影响，为农业生产减少气态氮损失、 提高氮肥利用率提供科学依据，为稻田缓释氮肥的研制提供技术途径。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1.2 供试材料与试验设计

水稻供试品种为株两优30；脲酶抑制剂为NBPT(N-丁基硫代磷酰三胺)，硝化抑制剂为DMPP(3, 4-二甲基吡唑磷酸盐)；15N标记的尿素丰度为 10.3%；供试肥料氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为钙镁磷肥(含P2O512%)，钾肥为氯化钾(含K2O 60%)。

试验共设5个处理： 1) 不施氮肥(CK)； 2) 尿素(U)； 3) 尿素+脲酶抑制剂(U+UI)； 4) 尿素+硝化抑制剂(U+NI)； 5) 尿素+脲酶抑制剂+硝化抑制剂(U+UI+NI)。设3次重复，各小区随机区组排列，每个小区面积30 m2(5 m × 6 m)，各小区以50 cm的分隔行隔开，且保持小区间的田埂高出地面40 cm，并用塑料薄膜包裹田埂以防止相互串水串肥，实现各小区单灌单排的管理目的。在各小区内设计微区，由3 mm厚钢板围成正方形，面积1.0 m2(1 m × 1 m)，高度60 cm，在施肥前埋入地下30 cm。试验中氮(N)、 磷(P2O5)、 钾(K2O)的用量分别为135 kg/hm2、 75 kg/hm2和150 kg/hm2，微区施入对应氮量的15N标记尿素，其它肥料及用量同大区；抑制剂与尿素混匀施入，抑制剂用量为尿素的1%。氮肥和磷肥作基肥于移栽前一次性施入；钾肥分3次施入，40%作基肥，30%作分蘖肥，30%作孕穗肥。试验于2012年3月10日播种，4月23日移栽，7月20日收获，水稻种植密度以及各项栽培管理措施同当地农民的常规管理保持一致。

1.3 测定项目与计算方法

在水稻整个生育期，对微区土壤的氨挥发速率以及大区地表水(在苗期、 分蘖期、 孕穗期、 灌浆期水层厚度保持5—10 cm，对各小区的水层厚度采取单排单灌的方式及时调控，在成熟期，停止灌水和采集水样)的pH、 铵态氮浓度的动态变化进行监测。在施氮肥后第一周监测加密，直到氨挥发速率痕量为止， 于施肥后第1、 2、 3、 4、 5、 7、 10、 14、 21、 28、 35、 49、 63天监测氨挥发速率，并采集地表水测定相关指标。

1.3.3 铵态氮测定 地表水中的铵态氮用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer(West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 仪器测定。

1.3.4 氨挥发的计算[11]

差减法：

式中：M为测定施肥处理的吸收液中铵态氮总含量(mg)；M0为不施肥的吸收液中铵态氮总含量(mg)；S为密闭室覆盖地表的面积(m2)；t为连续抽气时间(h)； 24为时间换算系数；Vi为第i次测定的氨挥发速率；Ti第i次测定的天数，(Ti-Ti-1)为相邻两次测定间隔天数(d)。

15N标记法[12]：

吸收液(或肥料)15N的原子百分超=吸收液(或肥料)15N丰度-15N自然丰度

1.3.5 氮素回收率的计算

差减法： 作物吸收肥料氮量=施肥处理的作物吸氮量-不施肥处理的作物吸氮量

标记法[12]： 作物吸收肥料氮量Ndff =作物含氮量×作物Ndff%

作物Ndff% = 作物中的15N原子百分超/肥料中15N原子百分超×100

植株氮素含量的测定： 取植株粉碎样，用浓H2SO4-H2O2消化，后用SmartchemTM200 discrete chemistry analyzer(West-Co Scientific Instruments, Brookfiel, CT, USA) 仪器测定。

1.3.6 数据处理 所有数据采用Microsoft Excel 2007、 SAS9.1软件进行统计分析，运用Sigmaplot10.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对氨挥发损失的影响

2.1.1 氨挥发速率与累积氨挥发损失量 在水稻生育期，监测各处理的氨挥发速率动态变化(图1)，并计算得到累积氨挥发损失量(图2)。由图1可以看出，在施肥后2周内，氨挥发速率较大，在施肥后第4天达到最高峰，此后逐渐下降，在21天后可忽略不计；在第4天，峰值最高的是处理U+NI，最低的是处理U+UI，峰值分别为N 5.79 kg/(hm2·d)和3.42 kg/(hm2·d)；与处理U[4.68 kg/(hm2·d)]相比，处理U+NI的峰值增加了23.61%，处理U+UI的则降低了27.04%，而U+UI+NI处理则降低了12.95%。可知U+NI的挥发速率在施肥后第一周高于其他处理，说明NI处理在前期对氨挥发速率有一定促进作用，可能由于硝化抑制剂减缓了铵态氮的硝化反应，使得土壤与地表水中的铵态氮含量升高，促进了氨挥发。

图2表明， 在施入尿素后21天内累积氨挥发损失量增加较快，21天后累积量增加缓慢，表明在稻田施入尿素后，氨挥发损失主要发生在施肥后21天内。U处理与U+NI处理的累积损失量较高，而处理U+UI与U+UI+NI的较低；与处理U(N 42.74 kg/hm2)相比，处理U+NI的累积氨挥发损失量增加了7.23%，高达N 45.83 kg/hm2，而U+UI处理与U+UI+NI处理的累积损失量则分别降低了21.65%和13.58%，N损失量分别为33.49 kg/hm2和36.93 kg/hm2，说明硝化抑制剂DMPP与脲酶抑制剂NBPT对氨挥发损失的影响表现相反，前者为增加了损失量，而后者则为减少。

图1 肥料氮的氨挥发速率变化Fig.1 NH3 volatilization rate from applied N

图2 肥料氮的氨挥发损失累积量Fig.2 Cumulative losses of NH3 from applied N

2.1.2 氨挥发累计损失量的两种方法比较 从表1可以看出，采用差减法和示踪法计算得到的累计氨挥发损失量存在明显差异，由前者得到的结果均高于后者得到的。累计量最低的是处理U+UI的，分别为N 33.49 kg/hm2和26.10 kg/hm2，占施氮量的24.80%和19.33%；其次是U+UI+NI处理的，分别为N 36.93 kg/hm2和28.41 kg/hm2，占施氮量的27.36%和21.04%；处理U+UI、 U+UI+NI 与处理U累计损失量的差异达显著水平(P=0.05)，而处理U+NI与U之间的差异不显著。运用两种方法计算的结果均表明，与单施尿素相比，添加脲酶抑制剂NBPT以及NBPT与DMPP配施均显著减少了累积氨挥发损失量，而添加DMPP对氨挥发损失影响不显著。因此，在稻田中施入尿素时辅以脲酶抑制剂对减少氨挥发损失效果显著，而加入硝化抑制剂则效果欠佳。

表1 肥料氮的氨挥发累计损失量

注(Note)： 同列数值后不同字母表示差异达到5%的显著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different at the 5% level.

2.2 与氨挥发相关的影响因子

比较氨挥发速率(图1)与温度的变化(图3)发现，三种温度与氨挥发速率的变化具有相似性，但并非完全同步。在施肥后的21天内，氨挥发速率的峰值出现在第4天，4天后逐渐下降，在第14天有小幅上升，而三种温度在第4天时出现较小峰值，第14天达到最高峰，说明温度的峰值与氨挥发速率的峰值不一致，但第14天温度的急剧升高伴随着氨挥发速率的小幅升高，表明氨挥发速率对温度变化有一定响应，但不明显；由此推测，温度升高对氨挥发速率有一定的促进作用，但不是主导因子。在施肥21天后，氨挥发速率可忽略不计，而平均气温呈现上升趋势，地温与水温保持平稳，进一步说明温度对氨挥发速率的影响较小，不是主要影响因子。

图3 施肥后田间的平均气温、 地温与水温变化Fig.3 Changes of air-, soil- and floodwater temperatures after the fertilization

2.2.2稻田地表水铵态氮含量动态变化 由图4和图5可知，施入氮肥处理的地表水铵态氮含量与地表水pH值变化趋势基本一致，在施肥后第4天达到最高峰，与氨挥发速率峰值同步，之后逐渐下降。

图4 施肥后地表水中铵态氮含量变化Fig.4 N-N concentrations in the floodwater after the fertilization

图5 施肥后地表水pH变化Fig.5 pH changes in floodwater after the fertilization

由图4可以看出， 除CK外，在施肥后第4天，U+NI处理的铵态氮含量最高，浓度为34.54 mg/L，其次是U和U+UI+NI处理，处理U+UI的浓度最低为24.14 mg/L；21天后各处理无明显差异。

表2 氨挥发影响因子与氨挥发速率的相关性

注(Note): **与***分别表示P<0.01与P<0.001的极显著相关 Indicate statistical differences atP<0.01 and 0.001levels, respectively.

2.3 不同处理对水稻产量及生物量的影响

各处理的产量及生物量结果见表3。由表3可知，处理间差异达显著水平(P=0.05)；处理U+UI、 U+UI+NI的子粒、 秸秆产量与地上部生物量与处理U的差异达显著水平(P=0.05)，且表现为显著增产；而处理U+NI对产量无明显影响。与处理U相比，处理U+UI与U+UI+NI的子粒分别增产6.56%与8.24%，总生物量增产分别为7.19%与9.87%。这些结果说明添加脲酶抑制剂对水稻增产效果显著，而添加硝化抑制剂效果不显著。

表3 不同处理的水稻生物量

注(Note)： 同列数值后不同字母表示差异达5%的显著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different at the 5% level. CK的生物量， 子粒为4041.91 kg/hm2、 秸秆 2122.43 kg/hm2、 地上部 6164.34 kg/hm2. Yield of CK, Grain 4041.91 kg/ha, Stem 2122.43 kg/ha, Above-ground parts 6164.34 kg/ha.

2.4 氮素回收率

对水稻不同部位的氮素回收率进行分析，结果见表4。由表4可知，对水稻不同部位的氮素回收率运用差减法与15N示踪法计算结果略有不同，但两种方法得出的结论一致。对于地上部氮素回收率而言，处理U回收率最小，分别为31.82%(差减法)和29.15%(15N示踪法)；处理U+UI+NI的回收率最高，分别较处理U的增加7.53个百分点(差减法)和7.42个百分点(15N示踪法)，两个处理的差异达显著水平(P=0.05)。结果说明，NBPT与DMPP配施对提高水稻地上部氮素回收率效果显著。

表4 水稻不同部位的氮素回收率(%)

注(Note)： 同列数值后不同字母表示差异达5%的显著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different at the 5% level.

3 讨论与结论

有许多报道指出[7, 13-14, 18-19]，添加脲酶抑制剂、 脲酶抑制剂与硝化抑制剂配施推迟了氨挥发高峰期，本试验发现，添加脲酶抑制剂并未影响到氨挥发速率高峰期出现的时间，所有处理在施入尿素后第4天达到高峰期，可能由于NBPT转化为NBPTO的氧化结构受到较多因素影响造成的不一致(NBPT本身不是有效的脲酶抑制剂，需要转化为其氧化物NBPTO结构才具有抑制脲酶的活性[20])，如： 土壤质地、 湿度、 温度、 微生物活性、 抑制剂浓度等[7, 21]因素，因此，试验地的具体生态环境可能导致脲酶抑制剂效果的差异。

有研究报道，添加硝化抑制剂会增加氨挥发损失量[6-7, 18, 22]，也有报道[6, 13]硝化抑制剂对氨挥发损失无显著影响。本研究表明，添加DMPP处理的氨挥发速率在第一周高于单施尿素处理，之后迅速降低，整个生育期的累积损失量与单施尿素处理无显著差异，说明DMPP在前期对氨挥发有一定的促进作用，但对累计损失量无明显影响。当脲酶抑制剂与硝化抑制剂配施时，氨挥发速率与累积损失量相对于只添加脲酶抑制剂的处理均有所提高[7]，也有报道[23, 24]NBPT与DCD(硝化抑制剂)配施，与单施NBPT相比，没有增加氨挥发损失，本研究证明，抑制剂配施处理的氨挥发累积量高于只添加脲酶抑制剂处理，可能由于DMPP抑制硝化作用的第一步，使得尿素水解后产生的铵态氮的氧化作用受阻，铵态氮浓度升高，促进了氨挥发，或者是由于硝化抑制剂影响了脲酶抑制剂的对脲酶的抑制效果，其中的机理尚未明确。由于硝化抑制剂对氨挥发有一定促进作用，尤其在施肥后第一周稻田铵态氮浓度较高的情况下，因此，在生产上可以考虑推迟施用硝化抑制剂的时间。目前，对于硝化抑制剂在稻田是否促进氨挥发损失的报道不一，这可能与土壤质地、 抑制剂添加浓度[13]、 气候等可能影响氨挥发的其他因素有关，硝化抑制剂是否对氨挥发有直接影响作用，或者通过稻田生态系统中的其他因素而间接影响氨挥发，或者硝化抑制剂是否对脲酶抑制剂有一定影响作用等机理尚不明确，有待进一步研究。

Byrnes[25]研究报道，添加NBPT可以延缓尿素水解、 减少氨挥发损失、 使得稻谷产量增加40%，增产显著，而Byrnes等[21]经多次试验表明，添加NBPT确实可以减少氨挥发损失，但最终的稻谷增产达显著水平的却很少[13]。本研究的结果表明，与没有添加抑制剂的处理相比，添加脲酶抑制剂、 脲酶抑制剂与硝化抑制剂组合的两个处理均可以显著减少氨挥发损失、 提高产量，与Byrnes[25]报道一致。Freney等[26]报道，添加脲酶抑制剂、 硝化抑制剂、 脲酶抑制剂与硝化抑制剂配施均可以提高氮素回收率，本研究的结果表明，添加脲酶抑制剂、 脲酶抑制剂与硝化抑制剂配施对提高氮素回收率效果显著。

Chein和Prochnow[13]报道，在淹水稻田中，脲酶抑制剂(NBPTO)配施杀藻剂或脲酶抑制剂(NBPTO)、 硝化抑制剂(苯乙炔)与杀藻剂配施可以有效地降低地表水的pH值，减缓施入尿素后的氨挥发，可以使稻谷增产达显著水平[7]， 但有人认为，在农田运用脲酶抑制剂、 硝化抑制剂与除藻剂配施的措施，考虑到经济因素，并不是一种行之有效的举措[6]。还有研究报道，由于脲酶抑制剂NBPT需转化为其氧化态(NBPTO)才具有脲酶活性，而PPD(脲酶抑制剂)易分解，因此将PPD与NBPT配施具有较强的抑制作用，可以有效地延缓尿素水解[27]， 减少氮素损失， 提高作物产量，本研究的结果表明，添加脲酶抑制剂增产效果显著，单独添加脲酶抑制剂与两种抑制剂配施的效果无显著差异，因此，在稻田如何科学合理地运用脲酶抑制剂与硝化抑制剂，更有效地提高产量与氮肥利用率仍需进一步研究。

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Effectsofureaseandnitrificationinhibitorsonammoniavolatilizationfrompaddyfields

ZHANG Wen-xue1, 2, SUN Gang2, HE Ping1, LIANG Guo-qing1, WANG Xiu-bin1, LIU Guang-rong2, ZHOU Wei1*

(1MinistryofAgricultureKeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizer,InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China. 2InstituteofSoilandFertilizer&ResourcesandEnvironment,JiangxiAcademyofAgriculturalSciences,Nanchang330200,China)

2013-04-02接受日期2013-06-28

现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-01-31)； 公益性行业(农业)科研专项(201003016)； 国家重点基础研究发展计划课题(2013CB127405)； 中国农业科学院基本科研业务费预算增量项目资助。

张文学(1979—)， 女， 山西洪洞人， 博士研究生， 主要从事养分循环方面的研究。E-mail： xuezi405@163.com * 通信作者 E-mail： zhouwei02@caas.cn

S143.1+4； X592

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1008-505X(2013)06-1411-09