脲酶抑制剂对植物生产力与土壤环境的影响

Effects of Urease Inhibitors on Plant Productivity and Soil Environment

摘要

为明确脲酶抑制剂（NBPT）对植物生产力与土壤环境的影响，探究最佳施氮量与NBPT含量，选用公开发表的105篇文献为研究对象，采用Meta分析方法定量分析NBPT对植物产量、生物量、氮素吸收量、氮肥利用率、农学利用率、肥料偏生产力、土壤铵态氮（NH₄⁺-N）含量、硝态氮（NO₃^--N）含量、NH₃挥发量、CO₂、CH₄、N₂O排放通量的影响。结果表明，与单施尿素相比，在尿素中添加NBPT可显著提高种植区域作物的产量，增产率达11.1%，生物量增幅为12.6%，作物氮素吸收量提升5.7%，氮肥利用率提高18.8%，土壤NH₄⁺-N含量增长5.9%，可显著减少NH₃和温室气体的排放。NBPT对氨挥发的抑制效果受土壤pH条件的显著影响，在中性至弱碱性（pH值为6~8）条件下NH₃挥发量和NH₃挥发损失率分别显著降低68.8%和63.6%；而在极端酸碱性条件下抑制效果较弱或不存在。NBPT的减排效率与施氮水平呈非线性关系，仅在中等氮投入水平（150~300 kg/hm²）下对NH₃挥发损失率产生显著抑制，降低32.2%，在较低或较高施氮条件下则无显著影响。综上，施氮量为180~225 kg/hm²、NBPT含量为1.0%~2.5%的优化施肥管理可较大程度提升植物生产力，改善土壤环境。

Abstract

In order to clarify the effects of urease inhibitors(NBPT) on plant productivity and soil environment, and to explore the optimal nitrogen application rate and NBPT content, in this study, 105 papers published in public were selected as research objects. The effects of NBPT on plant yield, biomass, nitrogen uptake, nitrogen use efficiency, agricultural utilization rate, fertilizer partial productivity, soil NH₄⁺-N content, NO₃^--N content, NH₃ volatiles, CO₂, CH₄ and N₂O emission fluxes were quantitatively discussed by Meta-analysis. The results showed that compared with urea application alone, urea with addition of urease inhibitor NBPT could significantly increase crop yield in planting areas, with a yield increase rate of 11.1%, a biomass increase of 12.6%, a 5.7% increase in crop nitrogen uptake, a 18.8% increase in nitrogen use efficiency, and a 5.9% increase in soil NH₄⁺-N content. It could significantly reduce NH₃ and greenhouse gas emissions. The inhibitory effect of NBPT on ammonia volatilization was significantly affected by soil pH conditions. Under neutral to weakly alkaline(pH 6-8) conditions, the reduction effects on NH₃ volatiles and NH₃ volatilization and loss rate were 68.8% and 63.6%, respectively. While, under extreme acidic and alkaline conditions, the inhibitory effect was weak or absent. The emission reduction efficiency of NBPT showed a non-linear relationship with nitrogen application level, with only a significant inhibition of NH₃ volatilization loss rate at moderate nitrogen input levels(150-300 kg/ha), reducing it by 32.2%. There was no significant effect under lower or higher nitrogen application conditions. In conclusion, the optimized fertilization management with nitrogen application rate of 180-225 kg/ha and NBPT content of 1%-2.5% could greatly increase plant productivity and improve soil environment.

Graphical abstract

关键词

NBPT / 植物生产力 / 土壤环境 / 氮素吸收量 / 氮肥利用率 / 温室气体

Key words

NBPT / plant productivity / soil environment / nitrogen uptake / nitrogen use efficiency / greenhouse gas

近年来，随着全球人口的持续增长，粮食安全和经济增长已成为全球性重大挑战问题^[1-2]。在这一背景下，由于集约化农业生态系统的生产在很大程度上依赖于氮肥的施用，全世界对氮的需求同步增加，这对于增加全球粮食产量至关重要^[3-4]。在全球范围内，农业对氮肥的需求迅速增加，多项策略主张找出氮肥的替代品解决氮肥（尿素）使用中遇到的问题。这些问题主要是由于土壤脲酶（NH₂CONH₂+H₂O→2NH₃+CO₂）将尿素快速水解为氨（NH₃）和二氧化碳（CO₂），导致土壤pH值升高和铵离子积累。土壤中的脲酶通过催化水解尿素，转化为植物生长发育所需的氮素^[5]，为农业生产带来十分重要的影响。而不合理或过量施用脲酶也会造成不利影响，如尿素由于水解过快，造成大量NH₃挥发损失，过量NH₃产生也会引起植物幼苗的毒害现象，从而造成经济损失、环境污染等问题^[6]。

脲酶抑制剂能够有效地降低土壤中脲酶的活性，从而显著延缓酰胺态氮转化为NH₄⁺-N的转化速率，进而抑制NH₄⁺-N向NO₃^--N的转化，有效减少土壤中硝酸盐的积累，最终降低N₂O的排放^[7]。目前研究普遍认为，NBPT（N-丁基硫代磷酰三胺）因其显著的抑制效果和多次检测的可靠性，被广泛认为是优质的脲酶抑制剂，在农业应用及商业开发上取得重大的突破，并成为当前使用最为广泛的脲酶抑制剂。其商品名称为Agrotain，并于1996年由美国的IMC-Agrico公司投放市场^[8]。当前，国内外学者对于NBPT的施用效果已做了大量深入的研究，王薇等^[9]研究结果显示，NBPT的施用能够显著提高水稻的产量，增产2.79%，同时提高了土壤硝态氮含量和氮肥利用率，有效减少了土壤氮的损耗，促进了土壤养分的保持；SUTER等^[10]研究同样表明，NBPT施用能够为植物氮吸收提供更多机会，从而减少氮的损失，提高氮肥利用效率；叶会财等^[11]研究了脲酶抑制剂（NBPT）与尿素的配比对作物产量的影响，发现在每季135 kg/hm²尿素施肥水平下，配施0.75%尿素含量的NBPT具有明显的增产效果，氮肥农学利用率得到显著提高；辛苏宁等^[12]研究表明，添加NBPT能够显著提高土壤中肥料氮的残留量，并减少了累积NH₃挥发量和N₂O累积排放量；彭玉净等^[13]研究发现，添加NBPT可以使稻田氨挥发损失降低53%。此外，脲酶抑制剂在降低NH₃挥发的同时，也会对土壤中的硝化和反硝化速率产生影响^[14]。MARTINS等^[15]研究表明，NBPT能够通过抑制NH₃挥发来降低N₂O的间接排放；李君等^[16]通过研究施用脲酶抑制剂对石灰性土壤的影响，结果表明，NBPT可抑制土壤尿素水解转化，有效降低土壤N₂O浓度。上述研究结果仅仅是针对某一区域施用NBPT对植物生产力与土壤环境的影响，且对于施氮量与NBPT含量的优化施肥策略研究多集中于单个区域。

本研究通过Meta的方法探求NBPT对植物生产力（产量、生物量、氮素吸收量、氮肥利用率、农学利用率、肥料偏生产力）和土壤环境（土壤NH₄⁺-N与NO₃^--N、NH₃挥发量、CO₂、CH₄和N₂O排放通量）的影响，同时考虑氮施用量与NBPT含量对稳定性肥料施用效应的影响，通过提取相关性研究试验数据，进行整合分析，以期明确NBPT对植物生产力与土壤环境的影响，为优化含NBPT的稳定性肥料施肥策略提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 数据搜集

本研究数据来源于中国知网（CNKI）和Web of Science数据库，检索收录截至2024年6月25日国内外公开发表的添加NBPT对田间作物生产力及土壤环境因子影响的相关文献，中文检索词包括稳定性肥料、肥料抑制剂、脲酶抑制剂、NBPT，英文检索词包括Stable fertilizer、Fertilizer inhibitor、Urease inhibitor、NBPT。

1.2 数据筛选

为减小分析偏差，采用以下标准进行文献筛选。第一，试验必须是大田试验，且标明试验地地点（经纬度）、土壤基础理化性质、作物类型、作物品种等田间试验的基本信息；第二，试验的对照组和试验组必须在同一实验条件下进行，采用相同的管理措施，以单施尿素作为对照组，尿素+NBPT处理作为试验组；第三，研究中的每组数据必须包含试验重复次数，准确的氮肥施用量和NBPT施用量；第四，试验所测试指标包括农作物产量、生物量、氮素吸收量、氮肥利用率、农学利用率、肥料偏生产力、土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量、NH₃挥发量、CO₂、CH₄、N₂O排放通量。所筛文献至少包括其中一项指标。基于以上标准，共筛选出105篇文献，按照试验地点、作物种类、土壤类型、氮素形态、氮肥施用量、抑制剂用量等进行数据提取、录入与整理，数据统计描述见表1。

使用GetData Graph Digitizer 2.25软件来提取文献中以图形式表示的数据，对于试验数据只提供标准误差（SE）的研究，使用公式（1）转化为标准差（SD）。

SD=SE×\sqrt[]{n}（1）

1.3 数据分析

使用MetaWin 2.1进行Meta分析，采用对数反应比lnR表示NBPT对植物生产力和土壤环境因子影响的效应值。

lnR=ln（X_t /X_c ）（2）

式中，R为响应比，X_t 为添加NBPT的植物生产力或土壤环境因子指标，X_c 为对照植物生产力或土壤环境因子指标。

通过Meta分析得到综合效应值，为便于理解和展示，通过公式（3）计算变化百分数。

lnR_R =（elnR-1）×100%（3）

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2021软件进行录入和整合试验数据，并建立Meta分析数据库，分析数据前对每组数据的效应值进行柯尔莫戈洛夫-斯米诺夫（K-S）检验。用IBM SPSS Statistics 27软件中的单因素方差分析（One-way ANOVA）和P<0.05水平下的最小显著差异法（LSD）对数据进行统计分析。用Origin 2021软件进行绘图。

2 结果与分析

2.1 植物生产力及土壤环境的偏倚性分析

对数据的效应值进行K-S检验，结果表明（图1），农作物产量、生物量、氮素吸收量、肥料氮肥利用率、农学利用率、偏生产力、土壤全氮、NH₄⁺-N、NO₃^--N、NH₃挥发量、CO₂、N₂O排放量的效应值频率分布均不服从正态分布，因此，采用非参数估计方法（Bootstrapping）生成的综合效应值（lnR'）和95% Bootstrap CI（64 999次迭代次数）进行数据分析。

2.2 脲酶抑制剂对植物生产力及土壤环境效应分析

从图2可以看出，添加NBPT对植物生产力和土壤环境效应存在显著差异。从土壤环境效应来看，NBPT的施用显著提高了土壤中NH₄⁺-N的含量（P<0.05），平均提高5.9%，而对于土壤全氮、NO₃^--N含量无显著性变化；NBPT抑制剂的添加下气体排放有明显的减少，与单施尿素相比，NH₃挥发量显著降低（P<0.05），降幅为56.0%，温室气体CO₂、CH₄、N₂O排放量分别显著减少16.9%、16.2%和34.6%（P<0.05）；从NBPT抑制剂对植物生产力的效应可见，NBPT可显著提升作物产量11.1%（P<0.05），植物的生物量平均提高12.6%，同时，氮素吸收量显著增长5.7%（P<0.05）；NBPT的施用显著提高了肥料利用率（P<0.05），其中，肥料氮素利用率显著提高18.8%（P<0.05），农学利用率提高51.2%，肥料偏生产力显著提高9.4%（P<0.05）。综上，在尿素中添加NBPT可提高土壤中NH₄⁺-N含量，降低NH₃挥发量，减少温室气体CO₂、CH₄、N₂O排放量，提升作物产量。

2.3 脲酶抑制剂对NH₃挥发及损失率效应分析

NBPT在不同土壤pH值与氮投入条件下对NH₃挥发量和NH₃挥发损失率存在显著性差异（图3），在不同土壤pH值时，NBPT减少NH₃挥发量与损失率程度不同，当土壤pH≤6时，NBPT对NH₃挥发损失率和NH₃挥发量的变化无显著性影响，土壤pH值在6~8时，NH₃挥发量和NH₃挥发损失率分别显著降低68.8%和63.6%（P<0.05），土壤pH值≥8时，NH₃挥发量显著降低55.9%，且NH₃挥发损失率显著减少83.1%（P<0.05）；当氮投入≤150 kg/hm²或≥300 kg/hm²时，NBPT对NH₃挥发量无显著性影响，NH₃挥发损失率分别减少了25.4%和65.7%，当氮投入在150~300 kg/hm²时，NH₃挥发量和NH₃挥发损失率分别显著降低61.0%和32.2%（P<0.05）。

2.4 施氮量与NBPT含量对植物生产力及土壤环境的影响

不同施氮量下的农作物产量与生物量、氮肥利用率、土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量、NH₃挥发量的变化关系如图4所示。当施肥量在100~300 kg/hm²时，添加NBPT对作物产量呈现显著的积极影响，当施氮量达到180 kg/hm²时，添加NBPT对作物的产量影响最大；生物量随着施氮量的增加呈现先降低后升高的趋势，当施氮量≥200 kg/hm²，作物生物量趋于增加趋势；氮肥利用率随着施氮量的增加则呈现先升高后降低的趋势，当施氮量达到225 kg/hm²时，氮肥利用率最高；对于土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量的显著性影响，施氮量多集中于100~250 kg/hm²，当施氮量达到180 kg/hm²时，对土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量产生积极影响；NH₃挥发效应随施氮量的增加呈现先下降后升高的趋势。

尿素结合NBPT处理对农作物产量、生物量、氮肥利用率、土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N含量、NH₃挥发量的影响如图5所示。当NBPT含量达到1%时，对农作物产量产生积极影响；农作物生物量随着NBPT含量的增加呈现下降趋势，当NBPT含量达到1%时，农作物生物量达到最大值；氮肥利用率随着NBPT含量的增加呈现先升高后下降的趋势，当NBPT含量达到2.5%时，氮肥利用率呈现降低的趋势；土壤NO₃^--N含量随着NBPT含量的增加呈现较小幅度的下降趋势，而土壤NH₄⁺-N含量随着NBPT含量的增加呈现先升高后降低的趋势，当NBPT含量达到1%时，对土壤NH₄⁺-N含量的影响最大；NH₃挥发量随着NBPT含量的增加呈现先升高后降低的趋势。

3 结论与讨论

3.1 添加NBPT对植物生产力与土壤无机氮的影响

本研究发现，添加NBPT后对作物产量、生物量、氮素吸收和土壤NH₄⁺-N积累具有显著正效应，不同的氮施用量和NBPT含量对植物生产力与土壤无机氮的影响效果不同。张文学等^[17]研究发现，当NBPT的添加量为尿素用量的1%时，在双季稻田中，早、晚稻的产量分别增长了8.54%和12.87%，氮素吸收量也分别提高6.78%和9.46%，土壤中NH₄⁺-N含量对农作物产量影响显著，同样本研究结果也表明，NBPT可显著提升作物产量11.1%，同时氮素吸收量显著增加5.7%，土壤中NH₄⁺-N含量平均提高5.9%，土壤总体氮素水平无显著提升，这可能与NBPT有效作用时间持续较短有关。然而，王静等^[18]研究则指出，单添加NBPT对于作物产量的提升并不明显，而硝化/脲酶组合施用可以有效提高作物产量，提高氮素吸收量。这一差异可能源于NBPT并不直接抑制脲酶，而需要先转化为其氧类似物NBPTO后才能发挥抑制作用。因此，NBPT的效果主要取决于其施用后转化为NBPTO的速率^[19-20]。此外，NBPT转化为NBPTO的速度会受到土壤的理化特性、土壤水分、土壤温度、脲酶活性以及NBPT浓度等因素的影响^[21]。在氮施用量与NBPT添加量上，本研究结果表明，当施氮量达到180 kg/hm²时，对作物的产量影响最大，且对土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量产生积极影响，而万年鑫等^[22]的研究则表明，NBPT在120 kg/hm²氮水平下，农作物产量显著提高，但在30~60 kg/hm²低氮水平下，其作用并不显著；当NBPT含量达到1%时，对作物产量和土壤NH₄⁺-N产生最大积极影响，这与张文学等^[23]研究结果相似。添加NBPT能够保持作物生育期内土壤NH₄⁺-N含量的高水平，这可能是其增产与提高氮素吸收的主要原因。

3.2 添加NBPT对肥料利用率的影响

已有研究表明，尿素因其快速的水解速率，能在短时间内释放大量NH₄⁺-N，导致过量铵离子在土壤中迅速累积，由于作物无法立即吸收利用，往往引发NH₃挥发及反硝化损失^[24-25]。与此同时，土壤中的NO₃^--N易受雨水或其他形式的水分作用，发生淋溶现象，不仅造成氮素的无效损失，还可能对环境构成风险。NBPT通过抑制土壤中的脲酶活性，有效延缓了氮素的转化过程，从而调控土壤的供氮强度，减少氮素的损失^[26-27]，提高氮肥利用率。本研究结果表明，NBPT的施用显著提高了肥料利用率，其中，肥料氮素利用率显著提高18.8%，农学利用率增长51.2%，肥料偏生产力显著提高9.4%，且随着施氮量的增加而呈现先升高后降低的趋势，当施肥量达到225 kg/hm²时，肥料利用率最高，而当NBPT含量达到2.5%时，肥料利用率呈现降低的趋势。王静等^[28]研究结果与本研究结果相似，尿素单独配施NBPT显著提高了氮肥吸收利用率、氮肥农学利用率、氮素吸收效率和氮肥偏生产力（P<0.05）。此外，另有研究指出^[29]，尿素态氮在水解过程中，NBPT仅能抑制特定的转化步骤，而不能全面控制整个转化过程。因此，与硝化抑制剂协同施用，可以更有效地影响土壤氮素的转化机制，进一步提升氮素的吸收利用率。

3.3 添加NBPT对NH₃与温室气体减排的影响

本研究结果表明，在添加NBPT的条件下，气体排放有明显的减少。与单施尿素相比，NH₃挥发量显著降低，降幅为56.0%，当土壤pH值在6~8时，NH₃挥发量和NH₃挥发损失率分别显著降低68.8%和63.6%，当氮投入在150~300 kg/hm²时，NH₃挥发量和NH₃挥发损失率分别显著降低61.0%和32.2%。这与周旋等^[30]研究结果相似。张奇等^[31]研究表明，添加NBPT能够显著地减少氨挥发量，NBPT的用量从0.1%增加到0.5%，虽然能够减少氨挥发损失但是作用效果并不显著，而本研究结果发现随着NBPT含量的增加NH₃挥发量呈现先升高后降低的趋势，且NBPT含量为2.5%达到最大效应，这可能与温度较高有关，导致尿素的水解速度超过NBPT的抑制速度。针对N₂O排放量的研究表明^[32]，NBPT能有效延缓尿素的水解过程，从而降低NH₄⁺-N的浓度，在降低NH₃挥发的同时，会对硝化和反硝化速率产生影响，从而减少N₂O排放。DAWAR等^[33]研究也表明，尿素添加NBPT能减少N₂O排放。本研究结果同样显示，NBPT可减少N₂O排放通量34.6%。然而，有研究发现^[34]，通过大气沉降、硝化和反硝化过程，不断挥发损失的NH₃中有1%~5%会再次转化为N₂O，表示NBPT在减少N₂O排放方面的效果将会因NH₃排放量负面影响的加剧而相对减弱。因此，NBPT在温室气体减排方面的效果仍需进行更深入的研究。

在肥料中添加NBPT可显著提高种植区域作物的产量及生物量，促进作物氮素吸收，提高氮肥利用率，增加土壤NH₄⁺-N积累，抑制NH₄⁺-N转化，减少NH₃挥发和温室气体的排放，对保持植物生产力和维持土壤环境具有积极影响。在不同土壤pH值与肥料氮投入下NBPT均对NH₃挥发与损失率产生不同程度的影响，此外当施氮量在180~225 kg/hm²、NBPT含量在1%~2.5%时可最大程度提升植物生产力，改善土壤环境。通过适配合理的NBPT和肥料施用量可促进增产增收与培肥地力。添加NBPT的稳定性肥料对温室气体的减排效应有待进一步研究，未来可就含NBPT的稳定性肥料施用对主要粮食作物、土壤性质和环境效应的影响实施更全面的分析。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFD1700604)

湖北省重点研发计划(2024BBB070)

湖北省重点研发计划(2023BBB147)