脲酶抑制剂NBPT对三种类型土壤中UAN氮溶液氮素转化和氨挥发的影响

徐丽萍，王 旭，侯晓娜，刘红芳，保万魁，孙蓟锋

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081）

我国农用氮肥以尿素为主，但是存在产能过剩且氮肥利用率低的问题[1-4]。为进一步提高我国的氮肥利用效率，促进氮肥产业升级，向液体氮肥发展是个趋势。UAN氮溶液，也称尿素硝酸铵溶液（UAN），是合成氨与硝酸中和形成的硝酸铵溶液按比例与尿素溶液混配而成的液体水溶肥料，非常适合水肥一体化施用，用UAN氮溶液替代一定量的传统尿素，可以实现传统氮肥的改性增效。UAN氮溶液采用尾液中和工艺，减少烘干造粒环节的耗能，节能减排；含有硝态氮、铵态氮和酰胺态氮3种形态氮，有利于植物高效吸收和土壤氮素转化；产品偏中性，不会导致土壤酸化，环境污染胁迫小[5-8]。UAN氮溶液在国外应用数量大、范围广，国外关于UAN氮溶液在农业上的研究很多，主要集中在UAN氮溶液施用后的农艺效益和UAN氮溶液表施氨挥发等方面[9-12]。国内研究主要集中在水稻、玉米、棉花、马铃薯、小麦、胶东卫矛等的增产试验[13-28]，徐卓等[29]研究了UAN氮溶液在黑钙土、黑土、白浆土中的氨挥发特性。

有研究表明，通过添加脲酶抑制剂可提高尿素类氮肥施肥效果[30-31]。N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是目前商业开发上较为成功和农业应用最广泛的脲酶抑制剂之一[32-33]，NBPT结构基团中的氨基可以和尿素竞争，与脲酶活性部位的巯基结合，从而抑制脲酶对尿素的分解作用[34]。尿素配施NBPT已有诸多研究，既能减少尿素对幼苗的毒害，也能减少尿素的损失，且能提高尿素氮的利用率。国内大多数试验NBPT的添加量参考值为1%[35-37]，周旋等[38]研究认为黄泥田土壤上尿素中添加NBPT的适用范围≤0.5%，串丽敏等[39]盆栽条件下研究得出尿素中0.5% NBPT为最佳用量；李君等[40]提出石灰性土壤上0.5%NBPT可抑制土壤尿素水解转化；王小彬等[35]发现，NBPT用量为0.25%更有利于减少尿素表施时的氨挥发并提高尿素氮的有效性。而美国、加拿大、澳大利亚、欧洲等国家和地区的试验中NBPT添加量为0.01%～0.25%[37]，Waston等[41]发现NBPT的临界浓度为0.1%，进一步增加浓度，将不能获取额外氨减排效应。国外已有研究表明，UAN氮溶液配施NBPT在增加作物产量、提高氮肥利用率以及减少氨挥发损失方面有显著效果[41-45]。国内研究相对较少，孙克刚等[46]研究发现，UAN氮溶液配施0.8‰NBPT与单施UAN氮溶液相比，可显著提高大蒜蒜薹和蒜头产量，分别增产6.7%和4.4%；杨俊刚等[47]研究表明。设施生菜上UAN氮溶液同时配施NBPT和硝化抑制剂氢醌（DCD），可提高生菜产量、降低叶片硝酸盐含量，同时土壤硝态氮残留量有下降趋势。在不同土壤理化性状和不同NBPT比例下的氨挥发特征和脲酶抑制效果如何尚未见公开报道。本研究通过室内培养探究NBPT与UAN氮溶液配施在我国灰漠土、潮土和红壤上的氨挥发和氮素转化特征，以及不同比例NBPT与UAN氮溶液配施的作用效果，为我国水肥一体化施用UAN氮溶液提供技术参考，为提高氮肥利用率、减肥增效提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为灰漠土、潮土和红壤。灰漠土采自新疆昌吉州玛纳斯县乐土驿镇塔西河村，潮土采自河南省郑州郊区农田，红壤采自中国农业科学院湖南祁阳试验基地。采样深度均为0～20 cm土层。土样风干后，过2 mm孔径筛。土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤基础性质

供试尿素为白色颗粒，总氮含量为46%；UAN氮溶液为无色透明液体，总氮含量为32%，其中酰胺态氮为16.0%，铵态氮为7.9%，硝态氮为7.8%。供试NBPT为白色粉末，含量≥97.0%，由浙江今晖新材料股份有限公司提供。

1.2 试验设计

1.2.1 氮素转化试验

采用好氧恒温培养下动态测定氮素转化的方法[48]，试 验 设5个 处 理，（1）CK：空 白；（2）Urea：尿素；（3）UAN：UAN氮溶液；（4）UAN+0.8‰NBPT：UAN氮溶液+0.8‰NBPT；（5）UAN+1.5‰NBPT：UAN氮溶液+1.5‰NBPT。每个处理设24次重复。处理2～5氮肥用量（以N计）为纯氮0.15 g/kg。

准确称取40 g风干土壤于玻璃烧杯中，按试验设计加入相应肥料，其中尿素颗粒和UAN氮溶液均采用先溶于水再施入的方式，调节土壤含水量为田间持水量的60%，用Parafilm封口膜封口保证通气，置于（25±2）℃培养箱中培养，4～5 d根据重量法补水。于培养第6 h以及1、3、5、7、14、21和28 d破坏性采样，每个处理采集3个重复，混匀，称鲜土10 g，加入50 mL 2 mol/L的KCl 溶液浸提，德国SEAL连续流动分析仪（AA3）测定土壤中铵态氮和硝态氮含量，同时采用烘干法测定土壤含水量。

1.2.2 氨挥发试验

氨挥发采用静态吸收法[49]进行收集，处理同氮素转化试验，每个处理设3次重复。处理2～5的氮肥用量（以N计）为纯氮0.15 g/kg。

准确称取200 g风干土壤于1 L培养容器中，于各处理肥料溶于水后加入，并调节土壤含水量为田间持水量的60%，培养容器内放入装有10 mL 0.01 mol/L H2SO4的称量瓶接收氨气[50]，然后将培养容器密封，置于（25±2）℃恒温条件下开始培养，于培养第1、3、5、7、14、21、28和35 d更换硫酸接收液。采用连续流动分析仪（AA3）测定硫酸接收液中铵态氮的含量。

1.3 数据分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0进行统计分析，采用Origin 9.2作图。脲酶抑制率、表观硝化抑制率和无机氮含量计算公式如下：脲酶抑制率（%）=（单施氮肥的土壤铵态氮含量-氮肥配施NBPT的土壤铵态氮含量）/单施氮肥的铵态氮含量×100；

表观硝化抑制率（%）=（单施氮肥的土壤硝态氮含量-氮肥配施NBPT的土壤硝态氮含量）/单施氮肥的硝态氮含量×100。

2 结果与分析

2.1 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的氮素动态变化和氨挥发特征

2.1.1 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的氮素动态变化

酰胺态氮施入土壤后在土壤脲酶的作用下水解为铵态氮，导致土壤中NH4+-N含量升高。有研究表明，酰胺态氮水解越快，NH4+-N的积累量越大[38]，铵态氮可能以氨挥发的形式挥发，也可能转化为NO3--N。灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的铵态氮、硝态氮和无机氮含量的动态变化如图1所示。第6 h～7 d铵态氮含量先升高后下降，培养7 d后各处理的铵态氮含量均在5 mg/kg以下；与CK相比，培养第6 h～1 d，灰漠土中NO3--N含量基本变化不大，第1～7 d的NO3--N含量快速上升，7 d后波动较小。因此，灰漠土上第6 h～1 d的氮素转化以酰胺态氮向铵态氮转化为主，1～7 d酰胺态氮水解和铵态氮向硝态氮转化同步进行，7 d后氮素转化基本完成。

图1 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的铵态氮和硝态氮动态变化

对比NBPT的抑制效果，0.8‰和1.5‰NBPT均显著降低了第6 h～3 d施UAN氮溶液后土壤中的铵态氮含量，故灰漠土中两个用量NBPT均显著抑制了第6 h～3 d UAN氮溶液中酰胺态氮的水解，且0.8‰和1.5‰NBPT的抑制效果无显著差异（图1）。

UAN氮溶液中含一部分铵态氮和硝态氮，培养第6 h～1 d，UAN处理的铵态氮显著高于Urea处理17～37 mg/kg；培养第6 h～7 d，UAN处理的硝态氮整体显著高于Urea处理8～51 mg/kg（图1）。将铵态氮和硝态氮含量进行叠加，结果显示培养第6 h～7 d，UAN处理无机氮含量显著高于Urea处理0～60 mg/kg（图2）。

图2 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的无机氮动态变化

2.1.2 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的脲酶抑制率

灰漠土中，因为第3 d各施UAN氮溶液处理的铵态氮含量显著低于第1 d（图1），可知UAN氮溶液中的酰胺态氮水解高峰已经结束，故脲酶抑制剂的作用效果主要在前3 d。0.8‰和1.5‰NBPT的脲酶抑制率如图3所示，第1～3 d，0.8‰NBPT已有显著抑制作用，且其脲酶抑制率大小与1.5‰NBPT无显著差异，故0.8‰NBPT和1.5‰NBPT对UAN氮溶液中酰胺态氮水解的抑制作用无显著差异，脲酶抑制率为5.20%～34.29%。

图3 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的脲酶抑制率

2.1.3 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发特征

氨挥发速率变化如图4所示，施氮引起氨挥发速率升高，因7 d后铵态氮基本向硝态氮转化，14 d后氨挥发速率几乎降为零。NBPT显著降低了UAN氮溶液第6 h～3 d的氨挥发速率，0.8‰NBPT对UAN氮溶液氨挥发速率的抑制作用显著高于1.5‰NBPT。

图4 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发速率

相比CK，施氮后氨挥发量显著增加，UAN氮溶液和Urea的氨挥发总量分别占施氮量的0.23%和0.16%。由于UAN氮溶液含铵态氮，UAN氮溶液及其与0.8‰和1.5‰NBPT配施处理的氨挥发累积量和总量均显著高于Urea处理，与氨挥发速率一致。0.8‰NBPT显著降低了UAN氮溶液的氨挥发累积量和总量，氨挥发总量比单施UAN氮溶液降低14.89%；1.5‰NBPT对UAN氮溶液的氨挥发总量影响不显著（表2）。

表2 灰漠土上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发累积量 （mg/kg）

2.2 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的氮素动态变化和氨挥发特征

2.2.1 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的氮素动态变化

前7 d铵态氮含量逐渐升高，7～14 d下降，28 d铵态氮含量基本为零；硝态氮含量前7 d基本保持不变，7～14 d上升，28 d硝态氮基本稳定。由此可知，第6 h～7 d氮转化过程主要是酰胺态氮水解为铵态氮，7～28 d酰胺态氮水解和硝化作用同时进行（图5）。

图5 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的铵态氮和硝态氮动态变化

NBPT显著降低了UAN氮溶液第6 h～7 d铵态氮含量和第14～21 d的硝态氮含量，将UAN氮溶液的硝态氮峰值延迟了7～14 d。第6 h～7 d，UAN+1.5‰NBPT处理的铵态氮含量整体低于UAN+0.8‰NBPT处理1.5～3.0 mg/kg，因此1.5‰NBPT对UAN氮溶液酰胺态氮水解的抑制作用显著大于0.8‰NBPT；第14～28 d，0.8‰NBPT和1.5‰NBPT对UAN氮溶液硝化作用的抑制作用差异不显著。

第6 h～3 d，UAN处理的铵态氮含量显著高出Urea处理10～30 mg/kg；第6 h～7 d，UAN处理的硝态氮含量显著高出Urea处理约40 mg/kg，28 d铵态氮基本转化为硝态氮，两处理间的铵态氮和硝态氮含量无显著差异（图5）。从无机氮含量变化可知，培养第6 h～7 d，UAN处理的无机氮含量显著高于Urea处理0～60 mg/kg（图6）。

图6 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的无机氮动态变化

2.2.2 潮土上NBPT与UAN氮溶液的脲酶抑制率

潮土中，因为第14 d各施UAN氮溶液处理的铵态氮含量显著低于第7 d，可知UAN氮溶液中的酰胺态氮水解高峰已经结束，故脲酶抑制剂的作用效果主要在前7 d（图7）。图7为第6 h～7 d NBPT配施UAN氮溶液的脲酶抑制率，0.8‰NBPT有显著抑制作用，UAN+1.5‰NBPT处理的脲酶抑制率整体大于UAN+0.8‰NBPT处理1%～6%，其中第6 h、5 d和7 d差异显著，因此，1.5‰NBPT对UAN氮溶液酰胺态氮水解的抑制作用大于0.8‰NBPT。

图7 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的脲酶抑制率

2.2.3 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的表观硝化抑制率

图8为第14～21 d NBPT配施UAN氮溶液的表观硝化抑制率，0.8‰NBPT与1.5‰NBPT对UAN氮溶液硝化作用的抑制作用无显著差异。

图8 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的表观硝化抑制率

2.2.4 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发特征

氨挥发速率变化如图9所示，第1 d施氮已经引起氨挥发速率升高，因21 d后铵态氮基本向硝态氮转化，氨挥发速率几乎降为零。NBPT均显著降低了UAN氮溶液在潮土上的氨挥发速率，且0.8‰NBPT和1.5‰NBPT对氮肥氨挥发速率的影响差异不显著。

图9 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发速率

施氮后潮土上氨挥发量显著增加，UAN氮溶液处理的氨挥发量显著大于Urea处理，氨挥发总量分别占施氮量的0.35%和1.02%。NBPT显著降低了UAN氮溶液施用后氨挥发累积量和总量，0.8‰NBPT和1.5‰NBPT配施氮肥处理间氨挥发量均无显著差异，氨挥发总量对比单施氮肥分别降低了21.20%和48.47%（表3）。

表3 潮土上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发累积量 （mg/kg）

2.3 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的氮素动态变化和氨挥发特征

2.3.1 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的氮素动态变化

图10为红壤上NBPT与UAN氮溶液的铵态氮、硝态氮和无机氮含量的动态变化。前7 d铵态氮含量逐渐升高，7 d后变化速率在5%以下。红壤上硝化作用很弱，各处理的硝态氮含量均无显著变化，与CK相比略微呈下降趋势，波动值为0.1～16 mg/kg，可能由于后期补充水分以控制含水量误差所致。

NBPT降低了UAN氮溶液和尿素施用后第6 h～7 d土壤中铵态氮的含量。第6 h～3 d，UAN氮溶液配施NBPT的铵态氮含量显著低于UAN处理，第3～7 d，UAN氮溶液配施NBPT处理与UAN氮溶液处理无显著差异；第6 h～7 d，0.8‰NBPT和1.5‰NBPT配施UAN氮溶液处理的铵态氮含量无显著差异；因此，两个比例NBPT对UAN氮溶液酰胺态氮水解的抑制作用无显著差异（图10）。

图10 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的铵态氮和硝态氮动态变化

培养前3 d，UAN氮溶液处理的铵态氮含量显著高于Urea处理6～48 mg/kg，第5 d至培养结束，Urea中酰胺态氮基本水解为铵态氮，两者铵态氮含量的差异基本稳定；培养期内，UAN处理的硝态氮含量显著高于Urea处理30～40 mg/kg；培养第6 h～7 d，UAN处理无机氮含量高于Urea处理0～70 mg/kg，其中第6 h～5 d差异显著（图11）。

图11 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的无机氮动态变化

2.3.2 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的脲酶抑制率

从第14 d开始红壤中UAN处理的铵态氮含量无显著变化，因其硝化作用弱，可知第14 d土壤中酰胺态氮水解高峰已经结束（图10），故脲酶抑制剂的作用效果主要在第14 d之前。第6 h，0.8‰NBPT的脲酶抑制率显著大于1.5‰NBPT；第1 d，1.5‰NBPT的脲酶抑制率显著大于0.8‰NBPT；第3、5和7 d，0.8‰NBPT与1.5‰NBPT的脲酶抑制率均无显著差异；因此，整体上可认为0.8‰NBPT和1.5‰NBPT对 UAN氮溶液酰胺态氮水解的抑制作用无显著差异，脲酶抑制率为3.27%～33.96%（图12）。

图12 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的脲酶抑制率

2.3.3 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发特征

图13为红壤氨挥发速率动态变化，受土壤自身性质的影响，施用氮肥后氨挥发速率整体较小。第1 d，施氮处理的氨挥发速率被土壤自身氨挥发所掩盖；之后，氨挥发速率整体呈逐渐降低的趋势，第7 d小幅度上升后随即降低，即UAN氮溶液施用后在0～2和5～14 d出现氨挥发速率峰值。0.8‰NBPT和1.5‰NBPT与UAN氮溶液配施氨挥发速率变化规律与UAN处理整体一致，但在第7 d显著降低了UAN氮溶液的氨挥发速率，UAN+0.8‰NBPT与UAN+1.5‰NBPT处理间氨挥发速率无显著差异。

图13 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发速率

密闭培养条件的红壤中氨挥发量较少，UAN氮溶液处理的氨挥发累积量和总量与Urea处理无显著差异，氨挥发总量约占施氮量的0.07%。配施0.8‰NBPT和1.5‰NBPT均显著降低了UAN氮溶液的氨挥发累积量和总量，且0.8‰NBPT与1.5‰NBPT的作用效果无显著差异，氨挥发总量分别降低了19.67%和17.02%（表4）。

表4 红壤上NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发累积量 （mg/kg）

3 讨论

3.1 UAN氮溶液和Urea的氨挥发特征

徐卓[14]研究表明，相同水分条件下，与颗粒尿素相比，UAN氮溶液在黑钙土（pH为8.1）、黑土（pH为6.0）、白浆土（pH为5.6）3种土壤上的氨挥发损失均相对较低，尤其在黑土及白浆土中表现更为显著。本试验中，红壤上UAN氮溶液与尿素的氨挥发量无显著差异，灰漠土和潮土上UAN氮溶液处理的氨挥发量显著大于尿素，可以看出，在不同土壤上UAN氮溶液与尿素的氨挥发表现不一样。本试验中，将不同时间点测定的氨挥发量与铵态氮含量做相关性分析，结果表明，氨挥发与铵态氮相关分析均为极显著正相关，因此，在碱性的灰漠土和潮土上，UAN氮溶液本身带入土壤一部分铵态氮，导致UAN氮溶液的氨挥发量显著大于尿素，而在酸性的红壤上UAN氮溶液氨挥发降低与尿素无显著差异。

3.2 NBPT与UAN氮溶液配施的氮素转化规律

NBPT与尿素配施能抑制土壤中的脲酶活性，减缓酰胺态氮的水解，使酰胺态氮缓慢地转化为铵态氮，降低铵态氮累积量，间接延缓NH4+氧化为NO3-，使土壤中的硝态氮累积量降低，从而减小硝态氮淋洗与反硝化损失的风险[51-52]。Murphy等[53]研究表明，NBPT能减缓UAN氮溶液中酰胺态氮的水解。本试验中，NBPT降低了UAN氮溶液酰胺态氮水解初期和硝化作用初期显著的铵态氮和硝态氮含量，且3种土壤上均有显著效果，受取样次数的影响，铵态氮和硝态氮含量高峰值显示不完整，但氮含量高峰值仍有明显延迟。脲酶抑制剂的有效性在很大程度上受环境条件影响，如土壤pH、水分状况、通气条件、加入的有机物质以及尿素态氮肥的浓度等[37]。研究表明NBPT延缓酰胺态氮在土壤中水解的有效性往往会随着土壤有机质含量的减少而增加[54-55]，本试验中有机质含量潮土＜红壤＜灰漠土，潮土上NBPT的抑制效果最显著，与前人研究基本一致，红壤因其硝化作用较弱增加了铵态氮在土壤中的累积量，使得红壤上的脲酶抑制率偏小。针对本试验中NBPT的两个用量，占酰胺态氮0.8‰的NBPT在3种土壤上均有显著作用效果，而NBPT比例增加至1.5‰后在3种土壤上的作用效果不一致。潮土上1.5‰NBPT的脲酶抑制率和表观硝化抑制率均显著大于0.8‰NBPT；红壤和灰漠土上1.5‰NBPT的脲酶抑制率均与0.8‰NBPT无显著差异。这可能主要与脲酶活性相关，当脲酶活性较低时，0.8‰NBPT对脲酶活性的抑制达到饱和，因此继续增加NBPT的用量可能没有必要，也可能与其他土壤环境条件有关，还可进一步进行探究。

3.3 NBPT与UAN氮溶液配施的氨挥发特征

NBPT可减缓脲酶对酰胺态氮的水解作用，进而减少氨挥发的底物，降低氨的挥发量[56]。目前认为NBPT在土壤氮的水平低、土壤和环境条件都对氨的挥发损失有利的土壤上，与氮肥配合施用将达到最好的效果，当作用于粘质土或有机质比较丰富的土壤时，其效果较差[55，57]。本试验中，在肥力较低的碱性潮土上，NBPT降低UAN氮溶液氨挥发量效果相对较好，氨挥发总量对比单施UAN氮溶液最高可降低48.47%，与前人研究结果一致。研究发现[58-61]，添加脲酶抑制剂推迟了氨挥发高峰期。本试验发现，NBPT显著降低了UAN氮溶液在灰漠土和潮土上的氨挥发速率，潮土上因UAN氮溶液本身含一部分铵态氮使得初期氨挥发量较大，致使UAN氮溶液处理氨挥发无明显峰值，也可能受取样次数的影响致使峰值不明显。针对0.8‰和1.5‰两个用量降低UAN氮溶液施用后土壤中氨挥发量的效果，3种土壤中，占UAN氮溶液中酰胺态氮量0.8‰的NBPT均有显著效果，远低于周旋等[38]和王小彬等[35]试验中的NBPT比例。本试验中，1.5‰NBPT的作用效果与0.8‰NBPT相比均无显著差异，Watson等[41]针对不同浓度梯度下（0.01%、0.05%、0.1%、0.25%、0.5%）NBPT对尿素在不同理化性状的土壤氨挥发抑制效果，得出NBPT的临界浓度为0.1%（w/w），进一步增加浓度将不能获得更多的减氨效果，这个临界浓度实际小于本试验中0.8‰的比例，因此本试验结果可能与此相关。另外，由于本试验施氮量较小，氨挥发总量较小，也可能因此导致1.5‰NBPT与0.8‰NBPT作用效果差异不显著。许多田间试验研究发现，NBPT在显著减少氨挥发损失的同时，有利于产量及氮肥利用率的提高[30，32-33]，本试验为室内恒温培养，在作物上的效果还需进一步研究。

4 结论

在灰漠土、潮土和红壤上，与尿素相比，施UAN氮溶液增加了施肥后6 h～7 d土壤中无机氮浓度，但同时也增加了氨挥发损失的风险。NBPT与UAN氮溶液配施，能抑制酰胺态氮的水解、降低氨挥发量，其中潮土上NBPT的抑制作用最显著，红壤上的抑制作用最弱。从应用效果和经济效益综合考虑NBPT的用量，0.8‰NBPT与UAN氮溶液配施效果最佳。