NBPT和DMPP对氮肥在喀斯特土壤中迁移规律的影响

Effects of NBPT and DMPP on the Migration of Nitrogen Fertilizer in Karst Soil

摘要: 为了明确不同抑制剂对氮肥在喀斯特土壤迁移规律的影响，通过室内模拟土柱实验，在常温、30%水分条件下，本试验研究了尿素、氯化铵、硝酸钾与脲酶抑制剂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)的不同组合配施下，土壤中可溶性氮含量和可溶性氮含量转换率的变化。结果表明：尿素 + NBPT、尿素 + DMPP、尿素 + NBPT + DMPP可溶性氮曲线分别在8 cm、11.5 cm、8.5 cm处开始下降，在可溶性氮含量上90天 > 30天 > 15天；氯化铵 + NBPT、氯化铵 + DMPP、氯化铵 + NBPT + DMPP相比与单施氯化铵可溶性氮含量分别增加14.7%、21.9%、1.9%；可溶性氮转换率尿素 + NBPT + DMPP最高达到13%，较单施尿素平均增加2%、氯化铵 + DMPP较单施氯化铵平均增加12.8%、单施硝酸钾可溶性氮转换率最高为16%。通过该试验结果可明确，施用一定量的抑制剂可以使土壤中可溶性氮的含量增加，延长氮素在土壤中分解的时间，增加迁移距离。

Abstract: In order to understand the effect of different inhibitors on the migration of nitrogen fertilizer in karst soil, the indoor simulated soil column experiment was conducted, this experiment studied the changes in soluble nitrogen content and its conversion rate in soil under different combinations of urea, ammonium chloride, potassium nitrate and N-Butylthiophosphoryl Triamide (NBPT), a urease inhibitor, and 3,4-Dimethylpyrazole Phosphate (DMPP), a nitrification inhibitor. The results showed that the soluble nitrogen curves of urea + NBPT, urea + DMPP and urea + NBPT + DMPP began to decline at 8cm, 11.5cm and 8.5cm respectively, 90 days > 30 days > 15 days in soluble nitrogen con-tent; the soluble nitrogen content of ammonium chloride + NBPT, ammonium chloride + DMPP and ammonium chloride + NBPT + DMPP increased by 14.7%, 21.9% and 1.9% respectively compared with that of ammonium chloride alone; the highest soluble nitrogen conversion rate of urea + NBPT + DMPP was 13%, which was 2% higher than that of urea alone, 12.8% higher than that of ammo-nium chloride alone, and 16% higher than that of potassium nitrate alone. The results of this ex-periment can be clear that the application of a certain amount of inhibitors can increase the content of soluble nitrogen in the soil, prolong the decomposition time of nitrogen in the soil, and increase the migration distance.

1. 引言

我国氮肥施用增速加快，已成为世界上氮素化肥生产和消费大国 [1]。据资料研究统计，从2000年以来，我国氮肥的使用率每年都呈现逐步增长态势，消耗量已经达到每年3000万吨，占世界氮肥总消费量的30%左右 [2] [3]。氮肥在施入土壤中之后，会通过水解、氨挥发、淋溶、硝化和反硝化作用 [4] 等途径流失，不仅会带来水体污染、大气污染 [5] 等环境问题，而且会降低氮肥的利用率。

为了提高氮肥利用率，在农业生产过程中向氮肥中添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂成为了一项非常重要的措施 [6]。脲酶抑制剂主要通过抑制土壤中脲酶的活性来延缓尿素的水解，从而降低铵态氮的挥发和硝化 [7] [8] [9]。郑福丽等在非酸性土壤中用1%的不同品种抑制剂与尿素混施实验表明，NBPT可以使尿素水解时间推迟最长达5 d；赵略等测试在NBPT的不同浓度下土壤脲酶的活性，表明NBPT抑制土壤脲酶的有效浓度为0.1%~1%，且施用浓度增大，抑制作用增强。硝化抑制剂主要通过抑制氮肥在土壤中的硝化作用 [10] [11] [12] [13] 来降低硝酸盐的淋溶和N₂O的损失。许超等用好气培养法证明DMPP可以使土壤中铵态氮和硝态氮的含量随时间而变化，铵态氮含量先减少后略升高，硝态氮含量先增高后减少。大量研究结果表明，脲酶抑制剂和硝化抑制剂同时施用 [14] [15] [16] [17] 时，可以延缓尿素的水解，使土壤中的氮素以铵态氮的形式存留较长的时间，增加土壤肥力和作物对养分的吸收 [18] [19] [20]。根据于光辉的研究，表明施加抑制剂可以降低农作物体内的硝酸盐含量 [21] [22]，对发展绿色无公害食品有重要意义。因此，如何减少氮肥施用量，降低氮素在土壤中的损失，并且保证农产品的产量和品质，已成为生产过程中迫切需要解决的问题之一。石宁等通过添加控释肥试验得出，减少20%施氮量不仅可以降低土壤中硝态氮的累积和迁移，同时可以减少氮肥损失；鲁艳红等通过用减少氮肥施用量和添加抑制剂的研究得出，在氮肥减少20%的条件下添加抑制剂，可以有效提高氮素利用率 [23]；刁金根等使用室内土柱实验总结出，氮肥在土壤中的移动性硝态氮肥 > 尿素 > 铵态氮肥。这些均为单一肥料的氮素迁移率的研究，但针对多种肥料与抑制剂混施在喀斯特土壤中氮素迁移与可溶性氮迁移距离对比的相关研究尚未见报道。本文为了明确氮肥在喀斯特土壤中的迁移规律，通过氮肥和抑制剂混施的方式，选择我国西南地区的喀斯特土壤，了解土壤中可溶性氮含量转换率的规律，综合分析出氮肥在土壤中的迁移速率，以便为氮肥在喀斯特土壤寻找最合适的施肥位点。

2. 材料与方法

2.1. 试供土壤

广西壮族自治区百色市田阳区距地面深度2 cm~3 cm的喀斯特土壤，其特征是具有富钙、偏碱的化学环境 [24] [25]，土壤的生成速率缓慢、土层覆盖浅薄且厚度不均一，生态环境脆弱，耕种条件不佳，土壤养分极易流失。

2.2. 实验设计

2.2.1. 土柱制作

将采集土壤经风干、过筛、研磨等处理；装入土壤样品袋(高25 cm，宽10 cm)；装入土壤850 g (高度21 cm)，对土壤进行注水处理，保持土壤湿度为30%，静止24 h。将3种肥料(尿素、硝酸钾、氯化铵)各12 g，分别与NBPT (2 g)、DMPP (2 g)、NBPT (1 g) + DMPP (1 g)进行组合配施。加入肥料后覆土层135 g (高度3 cm)，注水使土壤湿度达到30% (模拟添加肥料后经过雨水或人工加水后土壤湿度情况)。为确保湿度，防止水分散失，进行扎带捆绑，并扎孔保证土壤通气。常温下分别培养15天、30天、90天，每份不同处理土柱为3组重复。

2.2.2. 实验处理和采样方法

土壤样品到达处理时间后，对土柱进行水平垂直切割。在袋口下2 cm处开始切割，每隔1 cm采集共8份土样，后每隔2.5 cm采集共4份土样，余下不做处理(如图1所示)。土样分装后进行风干、研磨、过筛(20目筛网)，最终得到12份土样，标记后进行测定。

Figure 1. Schematic diagram of soil column cutting

图1. 土柱切割示意图

2.2.3. 分析方法

可溶性无机氮分为铵态氮(NH₃-N和 ${\text{NH}}_4^{+}-\text{N}$ )、硝态氮( ${\text{NO}}_3^{-}-\text{N}$ 和 ${\text{NO}}_2^{-}-\text{N}$ )。

铵态氮：采用钠氏试剂比色法测定 [26]，每份称取1 g土样，加入2 mol/L氯化钾溶液10 ml浸提过滤，取0.3 ml加入100 g/L酒石酸钾钠溶液1 ml、1.5 ml纳氏试剂，定容至50 ml，混匀，放置30 min后，在420 nm处比色记录数据。

硝态氮：采用紫外分光光度法测定 [27]，每份土样称取1 g，加入2 mol/L氯化钾溶液10 mL浸提过滤，取3 mL稀释定容至50 ml，在220 nm和275 nm处比色记录数据。

2.2.4. 数据处理

使用Microsoft Excel 2021统计分析数据，根据每克土壤中铵态氮、硝态氮含量，计算出可溶性氮含量和可溶性氮含量的转换率，用SPSS统计软件进行数据分析，采用LSD、S-N-K、Duncan法多重比较，显著性水平设定为α = 0.05，采用Microsoft Power Point 2021软件作图。

3. 结果与分析

3.1. 可溶性氮的含量

3.1.1. 不施肥条件下土壤中可溶性氮的含量

Note: (A) NBPT + blank; (B) DMPP + blank; (C) NBPT + DMPP + blank.注：(A) NBPT + 空白；(B) DMPP + 空白；(C) NBPT + DMPP + 空白。

Figure 2. Content of soluble nitrogen in soil without fertilization

图2. 不施肥条件下土壤中可溶性氮的含量

不施肥条件下土壤可溶性氮含量曲线总体呈下降趋势，其变化是土壤中有机氮矿化、硝化、反硝化及生物固定作用的综合表现。图2(A)中，根据含量曲线高低可知，含量最高为90天，开始升高至第2点为0.545 mg/g，3~5点开始下降，6~12点保持在0.3 mg/g左右。图2(B)培养15天含量变化最大，第2点最高为1.316 mg/g，2~5点大幅度下降至0.18 mg/g；培养90天最高点3为0.853，在第6点0.265后基本保持平缓，1~4点15天含量曲线最高，5~12点90天最高，原因可能为DMPP在短时间内分解较快且移动距离短，长时间移动距离加长但效果变差。图2(C)的可溶性氮含量较低，原因可能是土壤固定态铵吸附–解吸作用的影响。综上所述，DMPP作用于不加肥料的土壤中效果较好，其中培养90天最佳。

3.1.2. 施用尿素条件下土壤中可溶性氮的含量

Note: (A) Urea; (B) Urea + NBPT; (C) Urea + DMPP; (D) Urea + NBPT + DMPP.注：(A) 尿素；(B) 尿素 + NBPT；(C) 尿素 + DMPP；(D) 尿素 + NBPT + DMPP。

Figure 3. Content of soluble nitrogen in soil under the condition of applying urea

图3. 施用尿素条件下土壤中可溶性氮的含量

在施用尿素曲线图中(图3)，加入抑制剂可以使可溶性氮含量的下降点后移，延长氮素迁移距离。单施尿素其可溶性氮含量缓慢下降，最高0.6 mg/g左右之至最低0.35 mg/g，总体变化较小。尿素与NBPT配施可增加土壤中可溶性氮的含量，1~8点平均含量为0.72 mg/g左右，较单施氮肥增加0.18 mg/g，8~9点快速下降至0.2 mg/g；尿素与DMPP配施，总体平均含量90天最高，1~5升最高至0.952 mg/g，较单施尿素最高点增加了0.274 mg/g，5~9点缓慢下降至0.767 mg/g，第9点下降加剧；尿素与NBRT和DMPP配施，和单施尿素相比30天、90天含量相差极小而15天含量远低于单施尿素。总体可知，加入抑制剂DMPP培养90天效果最佳，含氮量最高，且随着培养时间的延长，迁移前期与后期可溶性氮含量差距在减少。

3.1.3. 施用氯化铵条件下土壤中可溶性氮的含量

单施氯化铵土壤中可溶性氮含量总体呈下降趋势，根据含量高低可知培养15天效果最佳，从第2点含量最高2.967 mg/g开始下降至第10点0.225 mg/g后平缓。因NBPT只对土壤中脲酶有抑制作用，所以氯化铵和NBPT配施与单施氯化铵无明显差距。氯化铵和DMPP混施与单施氯化铵相比，前期(1~5点)平均每点增加0.5 mg/g，中期(6~8点)平均每点增加0.2 mg/g，后期(9~12点)平均增加0.45 mg/g；且图4(A)可溶性氮含量曲线在第10点后趋于平缓；图4(B)中15天曲线在第11点后平缓，30、90天在第10点后平缓；图4(D)中曲线在第11点后平缓；说明DMPP不仅可以增加可溶性氮含量还可以延长可溶性氮的迁移距离。

Note: (A) Ammonium chloride; (B) Ammonium chloride + NBPT; (C) Ammonium chloride + DMPP; (D) Ammonium chloride + NBPT + DMPP.注：(A) 氯化铵；(B) 氯化铵 + NBPT；(C) 氯化铵 + DMPP；(D) 氯化铵 + NBPT + DMPP。

Figure 4. Content of soluble nitrogen in soil under the condition of applying ammonium chloride

图4. 施用氯化铵条件下土壤中可溶性氮的含量

3.1.4. 施用硝酸钾条件下土壤中可溶性氮的含量

从图5可看出，单施硝酸钾时15天与30天折线平缓下降，最高点1点是最低点12点的2.5倍，90天因硝酸钾时间久挥发失效，土壤中可溶性氮含量较少。在加入抑制剂后前三点曲线有上升趋势，可能为抑制剂影响了原本土壤中可溶性氮的转换，第4点后均呈下降趋势，且含量明显低于不施加抑制剂，可知NBPT和DMPP对硝酸钾的分解无影响。

Note: (A) Potassium nitrate; (B) Potassium nitrate + NBPT; (C) Potassium nitrate + DMPP; (D) Potassium nitrate + NBPT + DMPP.注：(A) 硝酸钾；(B) 硝酸钾 + NBPT；(C) 硝酸钾 + DMPP；(D) 硝酸钾 + NBPT + DMPP硝制剂。

Figure 5. Content of soluble nitrogen in soil under the condition of applying potassium nitrate

图5. 施用硝酸钾条件下土壤中可溶性氮的含量

3.2. 不同肥料的dN-N转换率

Note: (A) Fertilizer; (B) Fertilizer + NBPT; (C) Fertilizer + DMPP; (D) Fertilizer + NBPT + DMPP.注：(A) 肥料；(B) 肥料 + NBPT；(C) 肥料 + DMPP；(D) 肥料 + NBPT + DMPP。

Figure 6. DN-N conversion rate under different fertilizer conditions

图6. 施加不同肥料条件下的dN-N转换率

从图6可看出，单施氮肥条件下，可溶性氮转换率分别平均为氯化铵36.3%、尿素9.3%、硝酸钾13.7%，且因氯化铵与硝酸钾易分解，所以转换率随时间增加而减少。在加肥料氯化铵中，DMPP施用平均转换率最高，15天转换率最大为47%，因为铵态氮无法进行硝化，可溶性氮累积加多。尿素在加两种抑制剂后平均转换率最高，随着时间增加转化率增大，最高90天为13%，因为时间增长，抑制剂的作用降低，无法有效抑制铵态氮、硝态氮的转换。因为硝酸钾分解后只含有硝态氮，两种抑制剂对硝态氮无作用，且硝酸钾极易分解，培养15天可溶性氮的转换率最高为16%。

4. 讨论

本研究通过土柱实验模拟喀斯特土壤在施用不同肥料情况下计算出土壤中可溶性氮的含量和可溶性氮含量的转换率 [28]，对喀斯特地区水土界面的氮循环转化机制 [29] 有进一步的认识，也对西南喀斯特地区农业耕作施肥方式的改进措施提供理论依据。在氮肥与不同抑制剂组合配施处理中，合理配施NBPT和DMPP能够显著提高土壤中可溶性氮的含量，减少氮素淋溶损失 [30]。但由于影响土壤氮素变化的因素 [31] [32] 众多，部分结果仍需进行进一步研究与验证。

本实验研究结果表明，不同氮肥处理间土柱整体土壤中可溶性氮含量差异明显。其中，不施氮肥对照可溶性氮含量整体变化不大，但施加DMPP后土壤中前三点可溶性氮含量明显高于施加NBPT，第4点后与其他两条曲线无明显差异。DMPP抑制土壤中硝态氮的生成与积累，前三点可溶性氮含量较高是因为土壤中的铵态氮不能转化为硝态氮，且铵态氮不易流失易被吸附；后期可能因为DMPP效果减弱，无法强烈抑制硝化作用。

本实验中氯化铵可溶性氮含量研究中，加入DMPP可提高可溶性氮的含量，加入两种抑制剂后反而含量降低，这与崔磊 [33] 的研究相一致，氯化铵中添加DMPP，硝化抑制率最高，显著提高土壤中铵态氮含量，降低硝态氮含量，而NBPT与DMPP一同使用会降低氮肥增效剂的效果。油伦成等 [34] 研究表明，氯化铵和DMPP培养60~90天，在碱性褐色土中硝化反应较显著；而本实验中平均培养15天可溶性氮含量最高，DMPP作用最明显，时间差距可能是因为本实验所用的喀斯特土壤偏酸性。

俞巧钢等 [35] 报道，DMPP能有效抑制土壤中铵氧化反应的发生，表层土壤水中铵态氮的含量明显增加，且主要集中在20 cm以上的耕作层土壤；应用DMPP抑制剂，40 d内能显著降低土壤水硝态氮浓度，减少硝态氮的淋溶迁移。本实验中尿素与DMPP混合配施下，可溶性氮含量在10.5 cm处开始下降，平均培养90天可溶性氮含量最高，这与其报道一致。李君 [36] 研究指出，尿素与10%脲酶抑制剂组合配施下，土壤铵态氮含量分别在第7、15、21天达到峰值，土壤铵态氮含量呈线性缓慢上升趋势。但本实验中，尿素与NBPT混施可溶性氮含量峰值在30天，其原因可能是NBPT添加剂量较少，抑制效果不明显。董怡华等 [37] [38] [39] 研究指出，尿素与NBPT、DMPP混施效果最佳，可以减少氨挥发，提高氮肥利用率。但本实验尿素与DMPP混施可以使可溶性氮含量1~9点平均提高0.2 mg/g，其产生差异的原因可能由于土壤孔隙度不同，通气情况受到影响，从而影响微生物对有机氮底料的活性作用；其次，土壤的粘粒含量也不同，从而导致抑制脲酶活性速率下降 [40]。

本实验研究表明，氯化铵与DMPP混施在培养15天情况下氮素转化率最高，达47%，而崔磊等 [41] 研究表明，氯化铵与DMPP处理红壤中铵态氮含量提高56%~62%，不仅促进作物对氮素的吸收，大大提高了作物产量和氮肥利用率。与其结果相差的原因可能是土壤的种类不同所含有机质不同，对硝化作用有一定影响。尿素与NBPT和DMPP一起作用转换率最高为13%，这与苏壮 [42] 的报道一致，NBPT和DMPP组合，能对尿素水解产物和铵态氮转化过程的双重抑制作用所致，抑制剂通过抑制土壤中尿素水解产物向铵态氮、硝态氮的转化，在降低铵态氮、硝态氮富集的同时，使铵态氮在土壤中较长时间里保持较高的水平，从而影响了土壤中有效态氮的动态变化。单施硝酸钾土壤中氮素转换率最高为16%，因为NBPT、DMPP对硝酸钾的分解无影响。尿素与硝酸钾的可溶性氮含量转换率平均较氯化铵低，其原因可能是氮素被土壤吸附，且硝酸钾分解会产生含氮气体挥发。

5. 结论

硝化抑制剂可以使加入氯化铵土壤中的可溶性氮含量增加，作用时间15天内效果最佳。

尿素与抑制剂配施可以延长可溶性氮在土壤中迁移的距离，硝化抑制剂 < 脲酶抑制剂 < 脲酶抑制剂 + 硝化抑制剂，时间越久，可溶性氮在土壤中迁移距离越长，且含量增加。

硝酸钾挥发转化速度快，施入土壤后短期内效果明显。两种抑制剂对硝酸钾可溶性氮含量的转化无明显影响。

基金项目

广西自然科学基金面上项目(2020GXNSFAA297123)；广西大学生创新创业训练计划项目(202110609060)；广西一流学科建设项目资助(农业资源与环境)。

NOTES

^*通讯作者。