抑制剂包膜尿素对石灰性土壤硝化及相关酶活性的影响

胡丹 李培楚 康丽霞 张淑英 刘涛

摘要：通过研究硝化抑制剂包膜尿素施入3种质地的石灰性土壤后铵、硝含量动态以及相关酶活性的变化，明确其对石灰性土壤氮转化及生物学活性的影响。采用室内模拟培养试验，设置不施氮肥（CK）、施用尿素（U）和抑制剂包膜尿素（CPCU）3个处理，每个处理4次重复。尿素与沙、壤、黏3种质地的石灰性土壤以500 mg（N）/kg（干土）混施后在32 d内基本完成硝化作用；同等含氮量的抑制剂包膜尿素与以上3种质地土壤混施后硝化时间延长至64 d，且土壤铵态氮（NH+4-N）含量明显高于尿素处理，硝化抑制率达74.02%～75.96%，不同质地土壤的硝化抑制作用表现为黏土>壤土>沙土，但差异不明显。施用尿素增加了土壤氮转化相关酶的活性，施用抑制剂包膜尿素则降低了部分处理的土壤蛋白酶、脲酶及羟胺还原酶活性，提高了土壤亚硝酸还原酶和硝酸还原酶活性。土壤铵、硝态氮含量与土壤氮转化相关酶活性存在一定的关联，其中，铵态氮含量与蛋白酶活性呈极显著负相关关系（P<0.01），硝态氮含量与蛋白酶活性相关性不显著；土壤铵、硝态氮含量与土壤羟胺还原酶活性相关性不显著，与土壤亚硝酸还原酶和硝酸还原酶活性呈极显著正相关關系。抑制剂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，从而间接抑制了有机氮矿化和尿素水解，提高了土壤亚硝酸还原酶和硝酸还原酶活性，从而减少氮淋失。

关键词：硝化抑制剂；铵态氮；硝态氮；土壤酶；硝化；石灰性土壤；酶活性

中图分类号：S151.9；S158.5 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）15-0231-07

基金项目：国家自然科学基金（编号：42067021）；石河子大学高层次人才科研启动项目（编号：RCZK201927）。

作者简介：胡 丹（1996—），女，新疆塔城人，硕士研究生，主要从事土壤肥力调控研究。E-mail：1478751139@qq.com。

通信作者：刘 涛，博士，高级实验师，主要从事土壤养分循环与微生物调控研究。E-mail：liutao20029@163.com。

现代农业的发展离不开肥料的使用，作物吸收利用的氮仅占农田氮肥施入总量的40%～60%，其余部分以氮淋溶、气态氮排放等途径损失，导致氮肥利用率降低，生产成本增加，甚至污染水体，破坏臭氧层［1］。尿素或铵态氮肥施入石灰性土壤后会在较短时间内完成硝化作用，如果作物不及时吸收就会造成一定的氮损失［2］。缓释氮肥能有效延迟硝化，提高作物固氮能力和氮肥利用率，进而增加作物产量［3-5］。包膜尿素作为一种缓释氮肥，氮的释放率高且释放期较长，可持续满足作物对氮的需求，从而达到“氮肥后移”的效果，且能减少氮流失［6-7］。硝化抑制剂能够通过抑制土壤与氮转化相关微生物以减缓铵态氮向硝态氮转化，进而减少氮损失，提高土壤供氮能力。但是，硝化抑制剂施入土壤后会因固定和降解而导致抑制时间缩短，抑制效应降低［8-11］。硝化抑制剂包膜尿素采用抑制剂进行包膜，既可有效控制尿素溶出，又能抑制土壤硝化，降低农田铵硝径流和气态氮排放损失，保障氮的持续供应，提高旱地农田氮肥利用效率，改善农田土壤质量和增加作物产量［12-14］。有研究显示，抑制剂包膜控释尿素的控释期可长达60 d，降低土壤氨挥发速率73%～81%，提高作物产量16.96%～25.90%，土壤铵态氮含量超过施用尿素土壤的1.6～2.5倍，氮肥利用率较不包膜尿素能提高43.08%［15-18］。可见，抑制剂包膜尿素对于降低土壤氮损失、延长有效氮的释放以及提高氮肥利用等方面均具有较强作用。2-氯-6（三氯甲基）吡啶（简称氯甲基吡啶）作为一种商用硝化抑制剂与尿素混合施用对抑制土壤硝化、减少氮淋失以及气体氮排放损失均具有显著的效果，尤其是在硝化作用比较强烈的石灰性土壤中，但抑制剂包膜尿素在石灰性土壤中作用效应的相关报道却并不多见［19-24］。本研究采用土壤模拟培养试验，通过分析抑制剂包膜尿素施入沙、壤、黏3种质地石灰性土壤后的土壤铵态氮含量、硝态氮含量动态变化以及土壤酶活性变化，揭示石灰性土壤施用抑制剂包膜尿素后的氮转化特征及相关酶的作用效应，以期为包膜缓释类氮肥在干旱区农田推广应用提供一定理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤取自新疆维吾尔自治区北疆滴灌农田0～20 cm 土层的石灰性沙土、壤土和黏土3种质地土壤，土壤基础理化性质见表1。供试氮肥为尿素（纯度为98.0%，氮含量为46.6%），供试抑制剂包膜尿素由浙江奥复托化工有限公司提供［硝化抑制剂2-氯-6（三氯甲基）吡啶的含量为尿素的0.5%］。

1.2 试验设计

试验在石河子大学农学院绿洲生态农业重点实验室进行，设置不施氮肥（CK）、施用尿素（U）、施用抑制剂包膜尿素（CPCU）3个处理，每个处理重复4次。将尿素和抑制剂包膜尿素分别加入600 g沙、壤、黏3种质地的风干土中充分混匀后装入培养钵内［尿素用量为500 mg（N）/kg（干土），抑制剂包膜尿素用量按照500 mg（N）/kg（干土）进行换算］，压实土壤使其与农田土壤容重保持一致，加入去离子水使土壤含水量保持在田间持水量的60%。将培养钵放入培养箱内，采用好气培养法在25 ℃黑暗条件下恒温恒湿培养，每天用称重法补水1次。在培养开始的1、8、16、24、32、40、48、56、64、80 d分别取50 g土样过2 mm筛，用于土壤含水量、铵态氮和硝态氮含量的测定，取40、80 d土样进行酶学指标测定。

1.3 测定指标与测定方法

1.3.1 土壤养分指标测定

土壤有机质含量用重铬酸钾容量法-外加热法测定；土壤pH值用pH计测定；土壤全氮、速效磷、速效钾的含量分别采用凯氏定氮法、碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法、醋酸铵浸提火焰光度法测定；土壤含水量用烘干法测定［25］。土壤铵态氮、硝态氮的含量用2 mol/L KCL溶液浸提，全自动连续流动分析仪测定。

1.3.2 土壤酶活性指标测定

土壤蛋白酶活性采用茚三酮比色法测定［26］；脲酶活性的测定采用苯酚-次氯酸钠比色法［27］；硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性的测定参照武志杰等的方法［28-29］；羟胺还原酶活性的测定采用硫酸铁铵-邻菲罗啉法［30］。

1.4 计算方法

土壤表观硝化率=硝态氮（NO-3-N）含量/［NO-3-N含量+铵态氮（NH+4-N）含量］×100%；

硝化抑制率=（A-B）/A×100%。

式中：A为不加硝化抑制剂处理的土壤培养前后NO-3-N含量之差，mg/kg；B为添加硝化抑制剂处理培养前后NO-3-N含量之差，mg/kg。

1.5 数据处理与分析

所获数据用Excel进行初步分析后用Origin 2023进行图形制作，用SPSS 19.0进行方差分析、差异显著性检验及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 抑制剂包膜尿素对不同质地土壤铵、硝含量动态变化的影响

如图1所示，不施尿素处理（CK）的沙土、壤土、黏土铵态氮含量最低，平均为11.74、11.41、13.27 mg/kg（图1-A、图1-C、图1-E）。施用尿素 （U） 处理土壤NH+4-N含量随培养进程而不断增加，8 d时达到最大值，之后迅速降低，至32 d时与CK差异不明显，培养期内沙土、壤土、黏土的平均NH+4-N含量较CK分别高183.89%、191.12%、172.52%。抑制剂包膜尿素 （CPCU） 处理的沙土NH+4-N含量在培养8 d时达到最大值，壤土和黏土NH+4-N含量最大值则推后至16 d，之后相比于U处理下降速度较缓，在整个培养期间明显高于U处理，直至培养64 d时与CK、U处理相当，培养期内CPCU处理沙土、壤土、黏土平均NH+4-N含量较U处理分别高173.47%、171.32%、198.66%。CK的3种土壤硝态氮含量最低，平均为47.22、52.28、52.80 mg/kg（图1-B、图1-D、图1-F）。U处理沙土、壤土、黏土的NO-3-N含量随培养进程而迅速增加，培养期间平均含量较CK分别高779.88%、699.37%、709.94%。CPCU处理土壤NO-3-N含量增速慢于U处理，在64 d之前一直明显低于U处理。培养期内CPCU处理沙土、壤土、黏土的平均NO-3-N含量较U处理分别低43.99%、45.56%、48.54%。

2.2 抑制剂包膜尿素对不同质地土壤表观硝化率及硝化抑制率的影响

由图2可知，培养期间U处理土壤表观硝化率随培养进程增加迅速，平均表观硝化率分别为79.99%（沙土）、79.49%（壤土）、80.45%（黏土）。CPCU处理的土壤的表观硝化率随培养进程增速较缓（尤其在培养的24 d内），平均表观硝化率分别为57.02%（沙土）、55.10%（壤土）、54.81%（黏土），并且64 d内一直低于U处理。U处理3种质地土壤平均表观硝化率基本无差异，CPCU处理沙土平均表观硝化率最高且较壤土和黏土分别高3.48%和4.03%，即3种质地土壤的硝化作用表现为沙土>壤土>黏土，但差异不明显。

由图3可知，施用抑制剂包膜尿素处理3种土壤的硝化抑制率随培养进程均呈现先上升后降低的趋势，沙土和壤土的硝化抑制率在培养16 d时达到最大值，分别为74.02%和75.96%，黏土的硝化抑制率则在培养8 d时达到最大值（74.35%）。在80 d培养期内，3种土壤平均硝化抑制率分别为34.47%（沙土）、36.31%（壤土）、37.28%（黏土）。可以看出，硝化抑制剂对3种土壤硝化过程的抑制作用表现为为黏土>壤土>沙土。

2.3 抑制剂包膜尿素对石灰性土壤氮转化相关酶活性的影响

由图4-A可知，培养末期（80 d）土壤蛋白酶活性显著（P<0.05）大于培养中期（40 d），可见，土壤蛋白酶活性随培养进程而增加，并且不同质地土壤蛋白酶活性表现为黏土>壤土>沙土。同一质地土壤CK的蛋白酶活性多数保持较低水平，U处理蛋白酶活性高于CK和CPCU处理，但3个处理间差异均不显著，表明尿素的施用增加了土壤蛋白酶活性，而施用抑制剂包膜尿素会在一定程度上降低土壤蛋白酶活性。

沙土和壤土的U和CPCU处理土壤脲酶活性均随培养进程有所下降，黏土CK和U处理脲酶活性则均随培养进程升高，U处理3种质地土壤脲酶活性均显著高于CK（80 d黏土除外），CPCU处理土壤脲酶活性始终低于U处理（图4-B）。各处理土壤羟胺还原酶活性随着培养进程的变化不明显，在 80 d 时3种质地土壤羟胺还原酶活性表现为黏土>壤土>沙土；在同种质地土壤中，CPCU处理的土壤羟胺还原酶活性虽小于U处理（40 d的壤土除外），但差异不显著（图4-C）。

培養期间，各处理3种质地土壤亚硝酸还原酶活性随培养时间的增加有所下降（图4-D）。其中，U和CPCU处理土壤亚硝酸还原酶活性均大于CK且沙土、壤土差异显著；CPCU处理壤土与黏土亚硝酸还原酶活性均大于U处理且差异显著，但CPCU处理沙土亚硝酸还原酶活性与U处理差异不显著。不同质地土壤硝酸还原酶活性不同，在沙、壤、黏3种土壤质地中，土壤硝酸还原酶活性依次增高，黏土中有机质含量最高，因为黏土的土壤环境更有利于反硝化的进行。CK的硝酸还原酶活性水平始终保持较低，U和CPCU处理硝酸还原酶活性均高于CK且差异显著，CPCU处理硝酸还原酶活性显著高于U处理。沙土、壤土和黏土中，各处理土壤硝酸还原酶活性随培养进程均有所降低，U处理土壤硝酸还原酶活性随培养进程降幅相对较小，而CPCU处理硝酸还原酶活性随培养进程降幅大于U处理。说明施用抑制剂包膜尿素的土壤与单施尿素土壤相比保持了更高的还原能力（图4-E）。

2.4 土壤铵态氮、硝态氮含量与土壤酶活性的相关性

由表2可知，铵态氮含量与蛋白酶活性呈极显著负相关关系，表明蛋白酶活性高时，铵态氮含量则会减少。硝态氮含量与土壤脲酶活性呈极显著正相关关系。土壤铵态氮、硝态氮含量与土壤亚硝酸还原酶和硝酸还原酶活性均呈极显著正相关关系。

3 讨论

施用包膜尿素对土壤铵、硝态氮含量会产生一定的影响，李博凝等研究发现，包膜尿素施于不同类型土壤中，NO-3-N含量在80 d内持续稳定上升，NH+4-N含量变化呈现先增加后下降趋势，可见包膜的方式能在一定程度上延缓尿素的水解和硝化［31］。氯甲基吡啶可抑制土壤铵态氮硝化，显著降低NO-3-N含量，使肥料中的氮以NH+4的形式存在较长时间［32］。本研究采用抑制剂包膜尿素与3种质地的石灰性土壤混施后，土壤NH+4-N含量可持续增加到8～16 d才开始下降，说明氯甲基吡啶包膜间接延缓了尿素水解，且较单施尿素土壤保持更高的NH+4含量和更低的表观硝化率，这与前人对氯甲基吡啶硝化抑制效果的相关报道［33］基本一致。杨柳青等研究发现，尿素添加含氮0.8%的氯甲基吡啶与石灰性潮土混施，土壤NH+4-N含量缓慢降低至40 d后才完全转化为NO-3-N［34］。本研究中抑制剂包膜尿素在施入石灰性土壤后抑制作用可长达64 d，其效应期明显长于氯甲基吡啶与尿素混施的硝化抑制效应期，表明抑制剂包膜的方式进一步延长了尿素水解和硝化时间，进而提高了土壤的持续供氮能力，尽管其在64 d内的硝化抑制率（6.62%～75.96%）小于混施条件下的抑制率（9.42%～99.9%）［13，18，35-36］。

土壤酶是土壤物质循环、能量流动和新陈代谢的参与者，其活性水平能反映土壤微生物的活性以及土壤养分循环状况［37-39］。蛋白酶参与有机氮的矿化，将蛋白质和肽类物质转化为氨基酸，脲酶活性大小能反映尿素的水解速度，硝酸还原酶、亚硝酸还原酶则参与反硝化过程产生羟胺（NH2OH），NH2OH再经羟胺还原酶进一步还原成NH+4［40-41］。施肥在一定程度上会改变土壤酶的活性，有报道指出，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］。施用硝化抑制剂和缓释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，抑制剂包膜尿素与土壤混施后土壤脲酶和蛋白酶活性较单施尿素有所降低，表明硝化抑制剂包膜尿素既间接减缓了尿素的水解，又间接抑制了土壤原有有机氮的矿化。陈利军等研究发现，硝化抑制剂可提高土壤硝酸还原酶活性，而对脲酶活性有一定抑制作用［48］，本研究与其结果一致。由于氯甲基吡啶主要抑制氨氧化过程降低羟胺浓度，进而降低了羟胺还原酶活性，羟胺浓度的降低可能会刺激反硝化的进行，致使硝酸还原酶和亚硝酸还原酶活性有所提高，但这种影响是间接的。本研究中，土壤铵态氮含量与蛋白酶活性呈极显著负相关关系，表明较高的铵态氮含量在一定程度上会抑制土壤有机氮的矿化。土壤铵态氮、硝态氮含量均与脲酶、羟胺还原酶、亚硝酸还原酶和硝酸还原酶的活性呈正相关关系，说明土壤有效氮的增加會加速水解、硝化和反硝化过程，激发相关酶的活性［51-52］。

4 结论

尿素以500 mg（N）/kg（干土）与3种质地的石灰性土壤混施后，在60%田间持水量条件下完全硝化需要32 d，同等氮含量的抑制剂包膜尿素施入土壤后，硝化过程可延缓至64 d。抑制剂包膜尿素与3种质地的石灰性土壤混施后，硝化抑制率最高可达74.02%～75.96%，抑制强弱为黏土>壤土>沙土。尿素的施用提高了土壤氮转化相关酶活性，抑制剂包膜尿素的施用则在部分处理降低了土壤蛋白酶、土壤脲酶和羟胺还原酶的活性，增加了亚硝酸还原酶活性和硝酸还原酶活性。抑制剂包膜尿素与土壤混施的方式极大延缓了硝化进程，并且间接抑制了尿素水解和土壤原有有机氮的矿化，使氮素养分在土壤中得以缓慢释放。本研究可为干旱区石灰性农田土壤利用硝化抑制剂包膜缓释肥调控氮转化，促进作物氮肥高效利用提供一定的理论依据。

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