硝化抑制剂和脲酶抑制剂在高温堆肥中的应用研究进展

张 芳，屈素斋

（濮阳市农业农村局，河南 濮阳 457000）

0 引言

高温好氧堆肥因其环境友好和可持续发展等优点，成为处理有机废弃物的有效手段，目前已在畜禽粪便、城镇生活污泥以及生活垃圾等处理中得到广泛应用［1-3］。然而，高温堆肥过程中存在着严重的氮素损失，不仅降低了堆肥品质，而且造成了严重的环境污染。堆肥过程既存在高温、高pH 带来的NH3挥发损失，又有硝化和反硝化作用产生的氮氧化物挥发损失，以及渗滤液或雨水造成的氮素淋溶损失［4］。一般情况下，通过控制通风和初始物料水含量就能避免渗滤液造成的氮损失。因此，NH3和N2O是堆肥过程中主要的氮损失途径，其氮损失量可占堆肥物料初始总氮的40% ～80%［5］和0 ～9.8%［6］，如果堆肥过程控制不当，N2O排放量会超过NH3。NH3的排放不仅对大气中气溶胶的形成及参与二次反应形成细颗粒物（PM2.5）有重要贡献［7］，而且NH3可部分转化为N2O，造成间接温室效应，其分子增温潜势为CO2的3.86 倍［8］；N2O 作为重要的温室气体，其分子增温潜势为CO2的296 倍，且会引起臭氧层损耗［9］。因此，减少堆肥过程中NH3和N2O的排放对于降低氮素损失、减轻雾霾以及减缓温室效应具有重要意义。

NH3和N2O 也是农业生态系统中氮素损失的重要途径［10-11］，其减排控制研究相对较为成熟，常用且有效的措施是加入氮肥增效剂。氮肥增效剂进入土壤后能够改善农田土壤环境，调控酶活性，影响微生物对含氮物质的分解，从而减少NH3和N2O的排放［12-13］。同农业生态系统一样，堆肥也是在微生物作用下的碳氮循环过程。因此，将氮肥增效剂作为调理剂用于有机废弃物好氧堆肥的研究也日趋增多［2，14］。以下介绍氮肥增效剂的种类和作用机制，以及在农田生态系统中的应用，着重从气态氮损失方面总结氮肥增效剂对好氧堆肥过程氮素转化和堆肥进程的影响，并展望未来的发展方向，旨在为氮肥增效剂在堆肥系统中应用提供参考。

1 氮肥增效剂的主要种类和作用机制

氮肥增效剂（NFS）的概念在1995年首次被美国植物养分管理联合会（AAPFCO）提出［15］。据统计，国内外氮肥增效剂的种类有上百种，按其作用方式主要分为硝化抑制剂（NI）和脲酶抑制剂（UI）。

1.1 硝化抑制剂

硝化抑制剂主要是通过抑制亚硝化细菌的活性，阻止NH4+-N 的第一步氧化，从而减少NO3--N的累积，使氮肥长时间以NH4+-N 的形式保持在土壤中，供农作物吸收，进而减少NO3--N 的淋溶和反硝化造成的气态氮损失［16］，适合与各种铵态氮肥或尿素配合使用。目前，大多数研究集中于控制温室气体排放和提高农作物产量2个方面。硝化抑制剂能够使N2O 排放降低8%～57%［13］，而且由于其能有效降低氮素损失，延长肥效，可以使玉米、小麦、水稻产量分别增加15% ～20%［17］、15% ～20%［18］和8.6%［19］。然而，硝化抑制剂对NH3排放的影响尚未取得共识［20-22］。

1.2 脲酶抑制剂

脲酶抑制剂可以抑制脲酶活性，减缓尿素水解速率，减少土壤中NH4+-N 含量，从而降低NH3排放，降低幅度为22%～89%［23-24］。此外，脲酶抑制剂由于减少了土壤硝化作用的底物含量，N2O排放降低了10% ～35%［25］。硝化抑制剂的存在增加了NH3排放的潜在风险［26］，因此目前较多研究关注硝化抑制剂和脲酶抑制剂联合施用对NH3和N2O排放的影响，并取得了较好的效果［24，27-28］。

2 氮肥增效剂在堆肥中的应用

2.1 硝化抑制剂

固体废弃物处理中，应用较多的硝化抑制剂主要有双氰胺（DCD） 和3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）。双氰胺在农田施用后，能够降解产生CO2和NH4+［29］，对农作物无毒害作用；3,4-二甲基吡唑磷酸盐也具有对土壤无污染、对人无刺激性等优点［30］。

2.1.1 硝化抑制剂研究现状

硝化抑制剂能有效降低堆肥中氮素损失。硝化抑制剂不仅可以有效减少尿素中氮的损失，而且可以显著控制有机肥，甚至是畜禽粪便中氮素损失。WELTEN 等［31］在牛粪尿混合物中发现，添加双氰胺能有效降低混合物中硝态氮的淋失量，而且双氰胺添加量越大，其效果越明显。随后更多的研究者把硝化抑制剂直接应用于高温堆肥过程中，并取得了很好的效果。

陈耀宁等［14］在秸秆等农业废物高温堆肥初期加入双氰胺，堆肥结束后堆肥中NH4+-N 和NO3--N质量分数都显著高于对照，尤其是NH4+-N，较对照高400 mg/kg，而对水溶性有机碳的浓度基本没有影响。ZHANG等［32］发现堆肥初期添加3,4-二甲基吡唑磷酸盐，可使污泥堆肥中w（总氮）增加23%，其原因可能是3,4-二甲基吡唑磷酸盐抑制了氨氧化细菌的活性，降低了反硝化底物的浓度，减少了N2和N2O 的排放。齐鲁等［33］研究发现3,4-二甲基吡唑磷酸盐的添加虽然可以减少污泥和蘑菇渣堆肥中N2O 的排放，但会显著增加CH4以及NH3的排放，从而导致温室气体排放和氮素损失增加。

研究发现土壤中硝化抑制剂的硝化抑制率在20 ～30 ℃时随温度的升高而降低［34］，在堆肥高温时期（50 ～60 ℃）硝化抑制剂会快速分解，失去抑制硝化作用的能力。因此，研究者通过分次加入硝化抑制剂来提高其抑制硝化作用的能力。LUO等［35］发现在猪粪堆肥初期和高温期结束时加入物料干质量0.2%的双氰胺，N2O 排放量能够减少33% ～55%；随后其课题组又分别研究了在堆肥初期、高温末期、降温期和腐熟期添加双氰胺，发现在腐熟期添加物料总氮量2.5%的双氰胺能使N2O 排放降低77.6%，效果最优［2］。其原因可能是由于前者添加时堆体温度较高，双氰胺分解，降低了抑制效果；也有可能前者添加量本身就低于后者，由于其数据信息不足，无法确定二者的大小关系。

另外研究发现，硝化抑制剂使NH4+-N在土壤中的存留时间变长，因此有可能会增加NH3的排放［13］，在堆肥中也已有类似的发现［32-33］。JIANG等［2］发现双氰胺的添加能有效降低堆肥中N2O的排放，但是对NH3排放无明显影响，因而对堆肥中氮素的保持效果不是很明显，只有在联合添加鸟粪石结晶（主要成分为MgNH4PO4）时，由于减少了45% ～53%的NH3排放，最终有效保持了氮素。陈是吏等［36］也发现过磷酸钙和双氰胺联合添加能减少13%的氮素损失和30.6%的NH3排放，而且整个过程中基本没有N2O排放。

此外，硝化抑制剂还对氮功能基因以及抗生素因素有一定影响。nirK、nirS 和nosZ 基因作为编码反硝化酶的主要功能基因，经常被作为分子标记物来研究不同环境中反硝化微生物的群落［37］。研究发现，双氰胺能显著抑制堆肥中nirK基因丰度，而对nirS和nosZ基因丰度的影响不显著，但由于双氰胺的使用引起堆肥其他理化性质的改变，从而对nirS 和nosZ 基因丰度有一定的影响［14］。此外，ZHANG等［38］研究发现3,4-二甲基吡唑磷酸盐能够增加污泥堆肥过程中抗性基因的丰度，在固体废弃物处理中存有一定的风险。

2.1.2研究中存在的问题

堆肥中产生的N2O可同时来源于堆肥堆体表面的硝化途径和堆肥堆体内部的反硝化途径［39］，目前尚无法确定2 种作用对N2O 排放的贡献。而且目前有关硝化抑制剂的研究中，大多都是硝化抑制剂与堆肥物料混合施用，并无表面施用的研究。此外，升温期、降温期和腐熟期是好氧堆肥过程中N2O 产生和排放的主要时期［39］，但各堆肥阶段对N2O 排放的贡献尚无一致的结论［2，40-41］。这些都限制了硝化抑制剂在堆肥中的应用及发展。

2.2 脲酶抑制剂

2.2.1脲酶抑制剂研究现状

VAREL 等［42］1999 年发现2 种脲酶抑制剂环己基磷酰三胺（CHPT） 和正丁基硫代磷酰三胺（NBPT）能有效抑制牛粪放置过程中NH3的挥发。随后研究又得出NBPT 能有效抑制牛粪放置过程中尿素态氮的水解，减少氮素损失，同时也减少了堆肥中挥发性气体的产生，并杀死了牛粪中的病原菌［43-44］。脲酶抑制剂在畜禽养殖中有一定的应用，其不仅能够增加畜禽的生产性能，而且在饲料中添加脲酶抑制剂或在畜禽舍内喷洒脲酶抑制剂溶液可降低粪尿中NH4+-N 的分解速率，减少畜禽舍内环境中氨含量［45-46］。

此外，在鸡粪堆肥中加入NBPT 能延缓鸡粪中的尿素态氮向NH4+-N转化，使氮素以NO3--N的形式保留［47］；然而黄灿等［48］在猪粪秸秆堆肥中发现，添加NBPT 使得堆肥中NH4+-N 含量增加了26%，氮素大多以NH4+-N的形式保留。

2.2.2研究中存在的问题

脲酶抑制剂在堆肥中应用的研究较少，主要原因是脲酶抑制剂是化学试剂，存在着不可避免的缺点，如价格昂贵、毒性和污染。另外，因脲酶抑制剂受环境影响比较大，堆肥中温度、水含量以及营养成分都跟土壤有很大的差别，在选择脲酶抑制剂时有一定的局限性。所以，需要寻找一种既可以起到抑制脲酶活性的作用（抑制堆肥中尿素态氮水解），又无毒性、对环境友好的物质。

3 结论与展望

综上所述，脲酶抑制剂和硝化抑制剂在土壤中的应用已经得到了较为系统的研究，虽然，其在堆肥中研究还相对有限，但理论可行，而且已有研究证明了其在堆肥中优异的控制气态氮损失的效果。然而由于堆肥中N2O的排放途径和排放时间尚无一致的定论，因此优化堆肥中硝化抑制剂的添加时间、添加方式和添加量的相关研究有待加强。相对于土壤中氮肥增效剂的研究，堆肥中氮肥增效剂控制气态氮损失的机制尚不清楚，后续工作有望从功能菌群（氨化菌、硝化菌和反硝化菌）、功能基因（amoA、nirK、nirS 和nosZ） 和关键酶活性（脲酶、蛋白酶和硝酸还原酶）的变化，揭示基于氮肥增效剂调控堆肥过程中NH3和N2O的减排机制。此外，应借鉴土壤中脲酶抑制剂和硝化抑制剂联合添加控制气态氮损失的经验，开展堆肥中氮肥增效剂联合控制气态氮损失的研究。