硝化/脲酶抑制剂和生物炭对设施农业土壤微生物及碳氮循环影响的研究进展

郭延轲　赵长盛　刘伟　高新国　李鲁震　刘绪振　董亚男

摘要：在我国设施农业生产快速发展的形势下，肥料的高投入量和低利用率的问题亟待解决。氮肥以硝态氮淋溶、温室气体排放的方式释放到自然环境中，在影响土壤微生物环境和碳氮循环过程的同时，加剧生态污染。针对氮肥高投入量带来的设施农业土壤养分流失问题，了解硝化/脲酶抑制剂和生物炭对设施土壤微生物及碳氮循环的影响机制，对维持微生物群落动态平衡、温室气体减排、提高设施农业生产力具有重要指导意义。本文综述硝化/脲酶抑制剂、生物炭影响土壤养分循环的作用机制，对多种抑制剂的现存优缺点和生物炭特性进行系统分析，总结三者近年来在设施农业中的研究应用进展，包括硝化/脲酶抑制剂和生物炭的单独施用与联合施用对微生物活性、温室气体排放、土壤质量、作物产量的影响，探究3种物质在田间的最佳施用方式及施用量。考虑到硝化/脲酶抑制剂和生物炭在现阶段的应用仍存在局限性，本文在讨论新型硝化/脲酶抑制剂发展现状的同时，对3种物质未来发展趋势和使用方法进行展望，以期为硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭在设施农业中的合理应用提供科学依据。

关键词：微生物；碳氮排放；硝化抑制剂；脲酶抑制剂；生物炭；设施土壤

中图分类号：S153.6+1；S154.3文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）09-0001-11

我国是农业大国，耕地面积经过数十年发展已达到1.28亿hm2，截至2020年温室大棚栽培面积已有370万hm2［1］；设施农业总面积超过400万hm2，

设施土壤种植面积逐年递增，设施蔬菜产值占全国蔬菜总产值的半数以上［2］。作为农业生产过程中的重要一环，施肥对于作物增产增收十分重要，但种植者通常会因为追求高产而大大增加肥料的使用量。20世纪90年代，我国肥料高投入量低利用率的问题开始显现，多年来农业生产增长率只有33%，肥料使用量增长率高达77%，氮素利用率仅在30%左右［3-4］。

作为土壤系统中的重要组成部分，微生物在维持土壤结构稳定、促进生物化学过程中起到关键作用［5］。促进土壤养分循环、温室气体排放的硝化和反硝化过程也与微生物密切相关。碳氮作为土壤系统中最主要的组成元素，对土壤养分保持、温室气体排放、内部物质循环、作物产量都有直接影响［6］。土壤中氮、碳循环的过程分别如图1、图2所示。设施土壤长期的氮肥高投入量和低利用率导致土壤养分大量积累，进而破坏微生物群落结构［7］。累积的碳氮元素经微生物矿化作用，以NH3、CO2、CH4等形式排入空气中，引发碳氮比例失衡［8］。土壤硝态氮积累过多，还会以硝态氮淋溶、NH+4、氮氧化物等不同形式进入环境，不仅污染地下水，更会导致温室气体N2O排放量增多［9-10］，造成的环境问题不容忽视。已有研究表明，在40～50年内过量施肥，会导致土壤有机碳出现0.9～5.9 g/kg

的净损失，这种现象在深层土壤更加明显［11］。1979年开始的第2次全国土壤普查结果表明，我国耕地表层超过50%的面积出现无机碳损失现象［12］。此外，设施土壤过量施肥在提高生产成本的同时，还带来土壤养分失衡、肥力严重下降、板结现象增多、作物产量降低等各种危害，极大制约了设施农业的可持续健康发展。

我国设施菜地每年因反硝化过程产生的氮损失量可达45.8 kg/hm2［13］。硝化抑制剂在设施土壤中通过抑制硝化细菌活性，降低硝态氮累积，达到减少硝态氮淋溶和反硝化过程氮损失的目的。脲酶抑制剂对脲酶活性产生抑制作用，延缓尿素水解，进而降低铵态氮含量，减少设施土壤中NH3、N2O的排放。生物炭是原材料经高温热解而成的一类吸附能力较强的富碳物质，在设施土壤中作为改良剂使用，可以产生改善土壤微生物群落结构、增加碳氮养分含量、提高作物养分利用率的效果［14］。鉴于硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭对设施土壤微生物群落和碳氮减排的积极作用，近年来这3种物质在农业应用中备受重视，但也存在有效期短、成本高、效果不稳定、具有毒副作用等多种问题。本文总结硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭单施或配施对设施土壤微生物活性、碳氮循环及作物生长的影响，分析其在土壤中的作用机理，旨在为其在设施农业中的合理应用提供科学参考。

1 设施土壤氮肥利用现状及影响

氮素作为植物发育不可或缺的元素之一［15］，也是植物内部蛋白质、核酸、激素的主要组成成分，具有促进植物进行生理代谢的作用，是现代农业生产中最重要的营养元素。尽管土壤和空气中存在大量的氮，但其本身具有非常强的稳定性，只有少数植物可以将氮转化为自身可利用的形式［16］。我国农田肥料的施用主要以氮肥为主，氮肥的合理施用是增加作物产量和提高土壤肥力的重要举措之一［17］。由于在生产过程中过于追求产量的提升，氮肥的过度使用现象随之出现。据统计，我国2015年耕地养分平均投入量为446 kg/hm2，是世界平均水平的3.6倍［18］，其中设施菜地的氮肥施入量更是达到 1 500 kg/hm2［19］。有研究表明，温室菜地氮肥用量是露天菜地的2～5倍［20］。氮肥的高施用量会增加氮素损失的风险。在北京郊区的设施菜地，氮素损失量高达施肥量的82%［21］。氮素流失会造成农业面源或点源污染。调查表明，在丹麦的270条河流中有超过80%的氮来自于农业面源污染［22］。此外，地下水和大气也因氮素流失而受到不同程度的污染。相对于传统露天土壤，设施土壤具有高施肥量、高灌溉量、多茬轮作等特点，特殊的种植模式导致土壤的理化性质发生巨大改变。土壤中未被利用的氮肥经过硝化作用被转化成硝酸盐，因此硝态氮大量积累，导致土壤质量下降进而发生酸化、盐渍化问题。较高的设施土壤温度也会增加氮素的流失。Keshavarz等研究发现，当天气比较温暖时，50%～60%的氨氮会通过淋溶、挥发、分解等方式从土壤中流失［23］。

微生物作为土壤生态系统的重要组成部分，其群落动态平衡对于养分循环和植物生长发育至关重要［24］。由于设施土壤独特的耕作施肥方式加上常年多茬轮作，土壤微生物会随之产生一系列变化。She等的研究结果表明，长期连作会使土壤微生物种类、群落结构、丰度发生改变，有益菌减少，病原菌增加，微生物种类、丰度出现失衡，制约设施农业的健康发展［25］。氨氧化作为土壤硝化作用的基本过程，对设施土壤氮循环有着重要意义。卞碧云在研究氮肥用量对设施菜地氨氧化微生物影响时发现，氮肥高用量导致AOA、AOB中的amoA基因丰度显著降低［26］。土壤微生物量虽然在土壤有机质中占比很低，但其对土壤碳氮养分循环有着重要作用。通常来说，微生物生物量碳和氮含量较高时，土壤质量也相应较好。王静等研究发现，在黄棕壤土中长期施用氮肥会降低微生物的生物量碳和氮含量［27］。但也有研究表明，氮肥施用会增加碱性土壤中微生物生物量碳和氮的含量［28］。

土壤温室气体排放与施肥量息息相关。目前有关氮肥对温室气体CH4排放量影响的研究较为复杂，以稻田生态系统为例，加入氮肥有利于作物生长发育，提升作物CH4运输速率，抑制土壤中CH4氧化，进而增加CH4排放；相反的是，CH4、铵态氮的存在可能会促进CH4氧化菌生长和CH4氧化，进而降低CH4排放［29］。已有研究表明，N2O的排放量与氮肥施用量之间存在指数关系［30］。何闪闪等的研究结论与该看法一致，发现设施菜地N2O的排放量随施肥量的增加而提升［31］。为此，减少氮肥用量或者配施硝化抑制剂、脲酶抑制剂，可以降低土壤硝化和反硝化过程中N2O的产生量［32］。近年来施用生物炭也被认为是温室气体减排的一种有效手段，许多学者将生物炭与氮肥联合使用，应用于设施土壤以研究对硝化和反硝化微生物群落的影响。

2 硝化抑制剂对设施土壤微生物及碳氮循环的影响

2.1 硝化抑制剂概念及作用机理

硝化抑制剂是一类能够对土壤硝化细菌等微生物活性产生抑制作用的化合物，进而抑制土壤硝化、反硝化过程，延长铵态氮在土壤中停留的时间，提高肥料氮利用效率，降低施氮对气候和环境的不利影响［33］。自从20世纪50年代美国开始研究人工合成硝化抑制剂以来，到以吡唑、吡啶、嘧啶、酰胺类化合物为主的化学合成硝化抑制剂的开发应用［34］，发现具有氮肥增效作用的物质已超过百种［35］。然而在实际农业生产过程中，仅有双氰胺（DCD）、2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）、3，4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）这3种硝化抑制剂得到了广泛应用［36-37］。常见硝化/脲酶抑制剂的主要特点见表1。

2.2 硝化抑制剂应用于设施农业的研究进展

鉴于硝化抑制剂具有延缓土壤中铵态氮向硝态氮转化的作用，国内外学者已经开始将硝化抑制剂应用于设施土壤，来减轻土壤氮素流失和肥力下降的现状，探讨其在土壤中的作用机理。Duff等研究发现，尿素和DCD共同使用，氮循环微生物功能和群落丰度不受肥料和抑制剂影响，当DCD抑制尿素时，amoA基因丰度降低［45］。Li等研究指出，相比于单独使用尿素，在尿素中加入1%施氮量的DMPP，可使氨氧化菌群的数量、硝酸盐还原酶及亚硝酸盐还原酶的活性明显降低，但亚硝酸盐氧化细菌数量、羟胺还原酶活性几乎不受DMPP影响［46］。

农业生产过程中产出的温室气体主要包括N2O、CO2、CH4，在集约化种植的设施土壤中，3种气体的排放更为突出。王凌等对设施菜地氮源气体排放的研究结果表明，相比于只进行常规施肥，增施DCD可以使氮氧化物排放量减少76.5%，N2O排放量减少28.4%［47］。Zhang等的研究则与之相反，指出DCD的添加不影响集约化农业N2O的排放，但另一种硝化抑制剂CP对N2O的排放量有明显抑制作用［48］。李宝石等在研究施用DMPP对日光温室黄瓜根区N2O、CO2排放的影响时发现，加入DMPP可以明显降低黄瓜根区N2O的累积排放量，并在土垄配施DMPP试验中表现出比单独土垄试验设计更低的CO2排放量，后者是前者排放量的1.4倍［49］。Weiske等的研究也同样表明，施用DMPP会降低CO2、CH4的排放量［50］。NH3作为大气中仅有的碱性气体，对雾霾、酸雨的形成起到重要作用［51］。Asing等的研究表明，相较于无DCD，添加DCD处理的NH3排放量增加58%［52］。许纪元等研究发现，在氮肥不同施加量基础上添加CP，设施番茄土壤氨挥发量分别增加178.6%、83.7%［53］，这表明氨挥发的风险有所增加，同时氮素的损失量减少。

设施土壤长期高量施加氮肥，迫使土壤出现酸化和盐渍化，并导致作物产量降低。张昊青等研究发现，在酸性红壤中添加石灰并增施DCD，可以提高土壤的pH值，减缓土壤酸化，由于在酸性条件下DCD对AOA、AOB有抑制作用，DCD和石灰结合使用还可以抑制硝化过程进行［54］。乔国庆等在次生盐渍化农田添加硝化抑制剂后，发现棉花抗盐性增强，硝酸盐含量降低，各处理的产量平均增加5.6%［55］。黄东风等的研究表明，添加硝化抑制剂白菜产量的增幅为6.1%～28.6%［56］。Ren等研究发现，在淹水夏玉米种植期间，CP的加入最高可使夏玉米产量提升33.0%，有效缓解水分过多对氮积累、干物质积累量的负面影响［57］。这或许可为高灌溉量设施农业增产提效提供参考。但目前应用硝化抑制剂之后，作物的增产效果并不稳定。Frye等研究则认为，DCD的加入对于美国小麦产量没有影响，而施用DCD后棉花的产量有时增多有时减少［58］。因此，不同种类抑制剂在不同环境下的应用效果还需进一步研究。

2.3 生物硝化抑制剂

在设施土壤中，由于较高的温度和灌溉水量，会缩短硝化抑制剂半衰期从而降低其有效性［59］，对于作物增产效果难以保证。在农业生产实际应用中，化学合成硝化抑制剂受温度、pH值等环境因子以及施肥、灌溉等农业管理措施影响较大，存在难以规模应用、威胁环境和食品安全、具有毒性、农业生产成本高等缺点［38，60-61］，限制硝化抑制剂的进一步应用。为此需要研发有效抑制硝化作用且环境友好的产品，比如生物硝化抑制剂。

从1966年研究者发现草地、森林土壤可以减缓硝化速率［62］，到2006年提出生物硝化抑制剂概念［63］，这期间陆续发现十字花科植物、云杉、石榴种子等均可以提取出在硝化抑制过程中起关键作用的成分［64-66］。精准释放和环境友好，是生物硝化抑制剂相比于传统硝化抑制剂所体现出的优点，同时具备氮素增效、碳氮减排、作物增产的应用潜力［40］。虽然生物硝化抑制剂的研究仍处于起步阶段，但已有研究者从水稻根系中提取出脂肪醇类化合物 1，9-癸二醇，且其试验效果要优于常用的化学硝化抑制剂DCD［39］。除1，9-癸二醇之外，关于对羟基苯丙酸甲酯、高粱醌、水黄皮素等从植物中分离提取出的生物硝化抑制剂的研究已逐步开始。在硝化抑制剂未来的研究过程中，应积极探索重要作物可提取出的生物硝化抑制剂类型，发挥生物硝化抑制剂来源广泛的优势，深入探究生物硝化抑制剂的作用机理，尽早展开规模化设施农田应用研究。

3 脲酶抑制剂对设施土壤微生物及碳氮循环的影响

3.1 脲酶抑制剂概念及作用机理

土壤脲酶对尿素具有水解作用，可以将土壤中酰胺态氮转化为铵［67］，导致土壤pH值升高的同时产生NH3，造成氮损失。脲酶抑制剂能够降低土壤中脲酶的活性，延缓酰胺态氮转化为NH+4-N的速度，抑制NH+4-N向NO-3-N转化，降低土壤中硝酸盐的积累，进而减少N2O的排放［68］。在众多脲酶抑制剂类型中，N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是唯一一个商业规模化应用且效率较高的脲酶抑制剂。NBPT对脲酶活性没有直接抑制作用，脲酶的活性位点由氨基甲酸酯桥相连接的2个Ni原子组成，NBPT则是通过在有氧条件下转化为NBPTO，通过NBPTO这种氧化产物来阻断脲酶活性位点，降低尿素水解速率［69］，提高尿素的利用率。除NBPT外，脲酶抑制剂还有苯二酚（HQ）、苯基磷酰二胺（PPD）等多种类型，但这些硝化抑制剂受土壤pH值和脲酶活性的影响较大，亦或者本身存在易分解等缺点［43］，难以同NBPT一样形成规模化应用。

3.2 脲酶抑制剂应用于设施农业的研究进展

作为氮素损失的重要途径，土壤硝化和反硝化作用是紧密相连的2个过程。在硝化和反硝化过程中，AOA、AOB等微生物起到关键作用。国内外许多学者对微生物与脲酶抑制剂之间交互响应作用进行了研究，但没有得出相一致的结论。Duff等的研究均表明，没有发现NBPT对土壤中细菌、真菌等微生物群落结构、丰度或者原核生物的组成、多样性产生影响［45，70］。Xi等研究也同样认为，脲酶抑制剂对土壤微生物群落结构、丰度没有明显影响［71］。Li等的研究结果则与之相反，认为添加NBPT的处理其ureC基因丰度显著高于对照［72］。张文学等研究发现，在尿素基础上施加1%NBPT，对AOA、AOB、反硝化细菌群落结构、丰度没有明显影响［73］。这说明NBPT在延缓尿素水解的同时对土壤生态环境是相对安全的，可为设施农业减氮增效提供有益参考。Castellano-Hinojosa等研究则发现，相比于单独使用尿素，尿素配施NBPT处理下细菌、古菌的丰度有所下降，但与不施肥控制相比没有变化，并且没有观察到NBPT对微生物群落功能的影响，包括微生物参与硝化或反硝化过程的能力［74］。

作为当前较热门的脲酶抑制剂，NBPT对于尿素利用率的提升、土壤温室气体的减排、作物生长的帮助，是评价其实际作用效果的重要标准。杨梦远在研究尿素配施NBPT对设施菜地N2O、NH3排放强度的影响时发现，尿素配施NBPT处理下设施菜地累计活性气态氮排放量减少24.0%（P＜0.05），小白菜生长期NH3的累计排放量显著降低（P＜0.05），但对其产量没有明显促进作用［75］。据统计，相较于单一使用尿素，添加NBPT可以减少53% 的NH3损失，作物约增产6%［76］。刘灿玉等在研究氮肥减量配施NBPT对大蒜产量的影响时发现，在氮肥减量20%的情况下，配施总氮用量0.5% NBPT比常规施肥增产15.1%［41］。串丽敏等通过温室内盆栽试验，发现当NBPT添加量为纯氮用量的0.5%～2.5%范围内时，可以降低油菜体内 4.2%～32.6%的硝酸盐含量，并且油菜的生物产量提升 28.3%～33.7%［77］。Rawluk等的研究表明，当脲酶抑制剂NBPT用量小于0.5%时，氨挥发量与NBPT用量呈负相关［42］。因此，为保证设施农业可持续发展，应进一步在设施农田中展开NBPT使用方法与施用量的研究，从而提高肥料利用率，减少氮损失。

3.3 新型脲酶抑制剂的发展趋势

尽管NBPT得到广泛应用，但其毒副作用存在争议、成本高昂等劣势已经阻碍了NBPT更大规模的应用［78］。针对这些问题，众多学者掀起研发新型脲酶抑制剂的热潮，主要研究思路是借助Schiff碱有机小分子、无机金属盐等作为分子建筑块单元，凭借多种协同配体的基团修饰、灵活调控、活性筛选等方法，构造出具有2个活性位点的新型脲酶抑制剂［44，79］，又称第4类脲酶抑制剂。现阶段新型脲酶抑制剂已经具备良好的抗癌抗菌能力、较强的金属离子配位能力、毒副作用小等优势。陈仙仙等利用新型脲酶抑制剂Schiff碱铜配合物与肥料配施，研究其对油菜生长及土壤氮素转化的影响，结论表明这类新型脲酶抑制剂可以抑制土壤中铵态氮向硝态氮转化，氮肥利用率平均提升68.0%，可降低油菜体内38.8%～50.8%硝酸盐含量；研究同时表明，这类新型脲酶抑制剂施入量占纯氮施入量1%时，效果最佳［80］。当前新型脲酶抑制剂已经有硫脲类、磷酰胺类、磺酰胺类、金属配合物等多种类型［81］，但总体来看有关新型脲酶抑制剂的研究报道较少，其使用后对土壤环境和肥力的影响暂无统一定论，在设施土壤中的应用也亟待进一步探究。

4 生物炭对设施土壤微生物及碳氮循环的影响

4.1 生物炭概念及作用机理

生物炭是指在缺氧或无氧条件下，通过热裂解而形成的一类富碳物质［82］，生物炭具有比表面积较大、孔隙较大、官能团多样、含碳量丰富等特质［83-84］，同时含有植物生长所需的氮、磷、钾等养分。这些理化性质可以帮助土壤持水保肥，提高营养物质利用率从而减少土壤的氮素损失，改善土壤微生物生存环境，进而提高作物品质和产量，并有缓解连作障碍的效果［85］。当前生物炭常用制备材料有小麦、水稻、玉米等农田作物秸秆，果木、花生壳、核桃壳等农林废弃物，以及动物粪便等有机物质［86］，其性质详见表2。总体来说，生物炭的使用对绿色农业发展意义重大，未来对于缓解设施农业连作障碍及固碳减排的应用前景十分广阔。

4.2 生物炭应用于设施农业的研究进展

Chen等研究认为，菜地土壤常年处于干湿交替状态，对于硝化作用的促进将会更加明显［94］，这与施振香的研究结果一致，设施菜地土壤中硝化细菌数量明显高于传统露天土壤，故硝化作用更加强烈［95］。王先芳在研究花生壳生物炭对设施土壤硝化作用[JP+1]及微生物的影响时发现，在施加200 kg/hm2尿素的基础上分别添加0.5%、1.5%、4.0%生物炭，土壤中AOA amoA基因的丰度增加26.3%～40.2%，AOB amoA基因的丰度增加48.9%～53.3%，AOB群落发生改变，微生物生存环境得到改善［88］。真菌作为在土壤中广泛存在的微生物，对土壤中碳循环发挥重要作用。王雪玉等在日光温室内研究发现，不同年限的连作土壤加入玉米秸秆生物炭后，土壤中真菌菌群的丰度和多样性得到提升；在种植1年的土壤中，生物炭处理后真菌物种等级最高，在连续种植20年的土壤中，物种数量和丰度最高［96］。亚硝酸盐氧化作为硝化作用的重要步骤，硝化杆菌、硝化螺菌在其中发挥着重要作用。Wang等研究发现，氮肥配施生物炭之后，硝化杆菌的群落结构和丰度得到改善［97］。

氮素流失、碳氮排放是设施土壤较为严重的问题，研究生物炭使用后对土壤氮转移、碳循环的影响至关重要。王耀等研究发现，0～20 cm土层施加生物炭后，设施大棚内土壤硝态氮的含量显著高于常规施肥处理，添加生物炭能够有效抑制不同土层硝态氮、铵态氮的淋失，但效果会随着土层深入而逐渐减弱［98］。Wang等研究发现，生物炭能够提升土壤大团聚体中的碳储存量，增强对土壤有机质的保护，抑制有机碳矿化作用进而减少CO2排放［99］。相反的是，另有研究指出生物炭会促进土壤有机物分解、提高土壤微生物活性进而增加CO2排放［100］。设施土壤常年连作及过量施肥，引发土壤盐渍化现象不断出现，盐渍化会破坏土壤团聚体结构，导致土壤出现耕作层变浅、板结现象严重等一系列问题。She等的研究表明，生物炭拥有出色的吸附和离子交换能力，可以让其在设施土壤盐渍化改善过程中发挥重要作用［100］。农明英等在探究外源有机物质对次生盐渍化大棚土壤改良效果时发现，生物炭单独使用时能够最大程度地降低土壤容重，提高土壤孔隙度进而对盐渍化大棚土壤产生改良效果［101］。

生物炭除了对土壤碳氮循环和理化性质产生作用之外，适量施用还可以提升作物的品质和产量。Lu等研究指出，生物炭添加可以减小番茄青枯病的发生率，该效果的实现就是依靠生物炭对土壤青枯病病原菌的抑制作用［87］。孙向春等研究发现，当生物炭添加量为9 t/hm2时，玉米产量要比常规施肥增加2.50%［102］。Huang等的研究结果表明，生物炭可使小麦叶片维持较低钠钾比和较高含水量，促进小麦光合作用，达到增产效果［92］。Liu等研究指出，当生物炭添加量大于80 t/hm2时，将会导致作物减产［103］。

4.3 生物炭发展前景

生物炭具有绿色环保和可再生的优势，与设施农业健康发展的要求相适配；出于环境保护和降低成本角度考虑，未来应加大生物炭回收再利用力度。而当前生物炭的主要应用类型如前文所述，伴随着研究渐渐深入和不断实践，诸如生物炭负载纳米材料、含持久性自由基生物炭、改性生物炭等各种新型生物炭也相继问世。除此之外，今后还应继续研究开发以农林废弃物为制备材料的新型生物炭，依托各地特色农林废弃物，大力发展绿色农业。目前生物炭在农业生产中的应用多集中在短期试验研究，对于土壤理化性质和作物生长影响的研究较多，但关于对微生物群落和碳氮循环过程的影响研究较少。由于微生物群落和丰度的改变以及碳氮循环是一个长期作用过程，今后的研究应更多关注生物炭在田间生产中的长期作用效果，及其对土壤和作物产生影响的深层作用机理［104］。

5 硝化/脲酶抑制剂与生物炭联合施用的研究进展

鉴于硝化抑制剂单独使用会增加NH3的排放风险［105］，许多研究开始关注硝化抑制剂和脲酶抑制剂的配合使用效果。Zhang等的研究表明，在氮肥减量30%的基础上配施NBPT、DMPP，可增加土壤肥力、提高玉米产量、减少温室气体产出［106］。曾科等的研究也同样表明，在施氮量减少25%、50%肥料基施改深施的情况下配施NBPT、MHPP，可以显著减少稻田NH3的挥发和N2O的排放［107］。硝化抑制剂和脲酶抑制剂对于土壤微生物的影响也应纳入考察范围之中。Dong等通过6年研究发现，DCD、HQ联合使用对于土壤氨氧化微生物存在抑制效果，但长期使用下不会对反硝化基因丰度产生影响［108］。同为土壤中常用的外源添加物质，相比于2种抑制剂，生物炭具有更强的吸附能力；有研究表明生物炭可以在土壤中吸附硝化抑制剂，从而延长抑制剂作用效果［109］。刘钰莹等在研究酸性和中性水稻土中氮素转化和氮肥利用率时发现，DMPP和生物炭配施相比于单施DMPP降低了AOB的丰度，DMPP配施500 ℃玉米秸秆生物炭，明显提高了中性土壤中氮肥利用效率和籽粒产量［89］。关于硝化抑制剂、脲酶抑制剂与生物炭配施对土壤温室气体减排的影响，Kong等的研究发现，生物炭与硝化抑制剂DMPP配施可以减缓N2O排放［110］。对于脲酶抑制剂，Dawar等的研究表明，生物炭配施NBPT相比于单施生物炭，能够明显降低NO-3-N的含量，抑制反硝化菌活性，使得N2O排放量低于单施生物炭处理［111］。

硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭中单一物质对土壤微生物和碳氮排放的影响已有较多研究，为了形成优劣势互补，硝化抑制剂与脲酶抑制剂、硝化抑制剂与生物炭、脲酶抑制剂与生物炭的配施研究也已经逐步深入，但关于3种物质联合施用对设施土壤影响的研究仍相对较少，且研究结果没有形成统一结论。He等研究发现，生物炭与DCD、HQ联合使用，可以有效抑制CH4的排放［112］。但陶甄等通过CP、NBPT和生物炭联合施用试验，所得出的研究结论与之不同；虽然CP+NBPT的组合对温室气体排放产生了很好的抑制效果，但是3种物质联合施用对于抑制温室气体排放没有表现出协同抑制作用［90］。可能是因为所选抑制剂种类及当时当地试验条件的不同，造成了两者研究结果的差异。黄佳佳等在研究3种物质配施对亚热带水稻土的影响时发现，生物炭、DMPP、NBPT配施较单施尿素处理N2O累计排放量下降38.1%，但3种物质配施无论对于土壤理化性质，亦或是对于气体排放和微生物影响，相较于硝化和脲酶抑制剂，生物炭和抑制剂处理都显得效果不佳［91］。Lan等通过研究生物硝化抑制剂MHPP与NBPT、生物炭配施效果得出，3种物质共同使用可以减少钙质水稻土中氨挥发、N2O排放和氮损失，其中MHPP、NBPT双抑制剂共同使用时的作用效果最佳［113］。总体来说，研究硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭配施对土壤和作物的作用效果是未来发展趋势之一，尤其是在设施农业领域方面应扩大展开对于3种物质配施效果的研究，探求硝化抑制剂、脲酶抑制剂与生物炭配施的可能性和效果，从而助力设施农业可持续发展。

6 结语与展望

设施农业高温、高施肥、多茬轮作等特点，造就设施土壤酸化、氮素大量积累、微生物群落结构和丰度失调、温室气体排放量大的不利现状。此外，设施农业作为我国蔬菜供应的重要一环，氮肥的长期高量投入对其危害甚大，土壤连作障碍现象频发，阻碍设施农业可持续发展。提高氮肥利用效率，探究硝化抑制剂、脲酶抑制剂和生物炭在其中的合理应用，研发环境友好型氮肥增效剂是设施农业发展过程中的关键举措。

现阶段关于硝化抑制剂、脲酶抑制剂、生物炭在各类土壤中的应用研究较多，但主要形式是依靠短期田间试验或实验室盆栽培养，并且三者之间配施对设施土壤微生物活性和碳氮排放的影响研究较少。因此，未来研究应从以下3个方面展开：一是研究硝化抑制剂、脲酶抑制剂和生物炭配施对设施土壤微生物和碳氮循环影响的深层作用机理，以及3种物质在土壤中的交互响应作用；二是寻找3种物质与肥料在土壤中最佳施用量，提高肥料利用率的同时减少碳氮排放，实现降本增效，助力设施农业可持续发展建设与应用；三是加大新型抑制剂的研发力度，进一步提高硝化抑制剂、脲酶抑制剂和生物炭在设施农业中的实际作用。

参考文献：

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收稿日期：2023-06-18

基金项目：国家自然科学基金（编号：41877041）；山东省自然科学基金（编号：ZR2022MC204）；齐鲁工业大学（山东省科学院）科教产融合创新试点工程项目（编号：2020KJC-ZD13）；山东省科技型中小企业创新能力提升工程项目（编号：2022TSGC2199）；枣庄市科技型中小企业创新能力提升工程项目（编号：2023TSGC15）。

作者简介：郭延轲（2000—），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事土壤碳氮循环研究。E-mail：13355167762@163.com。

通信作者：赵长盛，博士，副研究员，主要从事农业面源污染研究。E-mail：zhaochsh1980@163.com。