脲酶、硝化抑制剂

脲酶抑制剂1.1脲酶抑制剂及其作用原理脲酶抑制剂是对土壤脲酶活性有抑制作用的化合物或元素的总称(Bremner and Douglas, 1971)。

它通过对脲酶催化过程中扮主要角色的巯基发生作用，从而延缓土壤中尿素的水解速度，减少氨向大气中挥发损失。

一般来说，土壤脲酶的活性都比较强，因此尿素一经施入土壤，通常只需1~7天就可全部转化。

当酰胺态氮尿素施入土壤后，它们在土壤脲酶作用下转化为氨，二氧化碳和水。

尿素的肥效很大程度上取决于土壤脲酶活性的强弱。

前人的研究表明：脲酶是一种分子量约为48万的含镍金属酶，它约有77个甲硫氨酰基，129个半胱氨基，47个巯基(半胱氨酰残基)，其中有4~8个巯基对酶的活性有重要作用。

醌类脲酶抑制剂通过对巯基发生作用，有效的抑制脲酶的活性。

70年代以来，人们对醌类脲酶抑制剂做了大量研究，实验表明，醌类脲酶抑制剂对于延缓尿素水解，抑制或减少氨气挥发效果很好(举鸣，1987；双霖等，1991；陆欣等，1997)。

1999年，B.Manunza等人解释了尿素、氧肟酸、磷酰类脲酶抑制剂(NBPT)竞争脲酶活性部位的机制，认为脲酶抑制剂是通过与尿素竞争脲酶活性部位，使脲酶失去与尿素作用来减缓尿素水解。

1.2脲酶抑制剂的种类表1脲酶抑制剂的种类及化学名称Table 1 Category and chemical name of urease inhibitors脲酶抑制剂化学名HQ 氢醌NBPT/NBTPT N-丁基硫代磷酰三胺NBPTO/NBPO N-丁基硫代磷酰胺NBPO 硫代磷酸三酰胺PPD/PPA 苯基磷酰二胺TPT 硫代磷酰三胺PT 磷酰三胺ATS 硫代硫酸铵P-benzoquinone P-苯醌CHTPT 环已基硫代磷酸三酰胺CNPT 环已基磷酰三酰胺HACTP 六酰氨基环三磷*N-halo-2-oxaxolidinone N-卤-2-唑艾杜烯NN-dihdo-2-imidazolidine NN-二卤-2-咪唑艾杜烯硫代吡唑类硫代吡啶类等脲酶抑制剂主要有无机物和有机物两大类(Bremner and Douglas, 1971)。

无机物主要是分子量大于50的重金属化合物如Cu、Ag、Co、Ni等元素的不同价态离子；有机化合物包括对氨基苯磺酰胺、酚类、醌及取代醌类、酰胺类化合物及其转化物等(Bremner and Douglas, 1971; Bundy and Bremner,1973; Martens and Bremner, 1984; MaCarty et al., 1990)。

1.3国外脲酶抑制剂的研究进展20世纪30年代，Rotini报道了土壤脲酶的存在，40年代Cornad指出将某些物质施入土壤可以抑制脲酶活性，延长氮肥的有效期。

到60年代对与脲酶抑制剂的研究开始，到1971年Bromner等人从130多种化合物中筛选出效果较好的脲酶抑制剂为苯醌和氢醌类化合物。

Bundy等(1973)的实验表明苯醌的效果最好。

进入80年代，国际上已开发了近70种有实用意义的脲酶抑制剂，主要包括醌类、多羟酚类、磷酰胺类、重金属类以及五氯硝基苯等。

1996年春，美国IMC-Agrotain公司以Agrotain商标在市场上销售。

Agrotain是固体尿素和硝铵尿素液体肥料的添加剂，其活性成份是NBPT(浓度25%以上)，溶剂是含10%N-甲基吡咯烷酮及无毒害的惰性缓冲溶液(Pedrazzini and Fillery )。

在土壤中该产品降解成N、P、S等各种营养成分,其推荐使用量是0.45kg. hm2。

该产品主要应用于播种前，尿素或其它含尿素肥料表施,也可用于追施、侧施、喷施和其它播种后施用。

但是，该产品不能雨前施用,一旦降雨超过20mm，抑制剂的作用将大大降低。

NBPT在那些作物产量潜力高、土壤氮的水平低、土壤和环境条件都对氨的挥发损失有利的土壤上与氮肥配合施用将达到最好的效果(HendricksonLL,1987; Keerthisinghe,1995)。

脲酶抑制剂NBPT能够有效的降低表施尿素或含尿素肥料的挥发损失，但是在作物增产上表现并不稳定(LeeJaeHong,1999,Grant,1999)目前Agrotain的使用主要集中在美国,其中施用作物主要为玉米。

HQ(氢醌)的研究和应用主要集中在我国，80年代初，中国科学院应用生态研究所首先进行了系统研究。

以周礼恺、志明为代表的土壤酶学工作者对氢醌对尿素的水解、氨的释出和挥发、硝化、反硝化、生物固持作用以及HQ和硝化抑制剂DCD在尿素氮行为的协同作用、作物产量、环境效益评价等方面做了大量系统的实验室培养和田间实验(Zhao 1993，Chen,1998，利军等，1995.徐星凯，2000)。

90年代初，开发出长效碳酸氢铵、长效尿素和一系列含尿素长效复料，并申请了专利。

目前含有HQ、DCD和其它抑制剂的长效氮肥增效剂“肥隆”、长效复添加剂NAM等、各种专用肥、冲施肥已经投入生产并大面积推广应用。

进入90年代，研究方向由纯化合物或无机盐转向了天然物质，如腐植酸类。

目前，世界肥料市场上已经申请专利并应用于农业生产的脲酶抑制剂有几十种，但只有NBPT和HQ已经得到了实际应用。

1.4脲酶抑制剂对尿素水解的影响脲酶抑制剂通过抑制脲酶的活性，抑制了尿素的水解，减少氨的挥发损失。

实验表明，尿素在使用后自然挥发速率与土壤的脲酶活性、尿素施用量、温度、土壤水分和土壤pH有关。

研究表明，在非酸性土壤中，通气性良好的条件下，脲酶抑制剂对尿素水解的抑制作用依次是N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)>苯基磷酰二胺(PPD)>氢醌(HQ)(VanCleemput and Wang,1991)。

在施用1%脲酶抑制剂的HQ、PPD和NBPT分别使尿素水解推迟1天、2天和5天以上(Wang et al.,1991)，而在非酸性土壤中差别并不明显。

PPD在酸性土壤(pH5.6)上比在碱性土壤(pH7.4)上效果好，而NBPT在碱性土壤上比PPD更有效(Beyrouty at al.,1998)。

NBPT受土壤pH的影响较小，表明NBPT不仅适用于酸性还适用于碱性土壤(王小彬等，1998)。

Byrnes和Amberger的试验表明，NBPT能有效的抑制土壤中尿素的水解。

NBPT在旱田作用效果显著优于水田，这是因为旱田条件下NBPT转化为它的氧化产物(NBPTO)。

田间试验发现，当PPD用量较高(占尿素的0.027%~0.05%)时，脲酶的水解明显受到抑制；当用量较低(占尿素的0~0.013%)时，脲酶的水解几乎不受影响。

1.5脲酶抑制剂对氨挥发的影响氨挥发是因为尿素的迅速水解，土壤中NH4+-N的浓度过高，植物来不及吸收或者土壤没来得及固定，尤其是当pH较高时氨挥发损失非常严重。

Oconnor 的研究表明，NBPT和PPD对于抑制氨的挥发损失效果很显著，但它们对氨的挥发很大程度与土壤类型有关；当NBPT用量很低(占尿素用量的0.01%)就显示了效果，当NBPT用量超过0.1%时就不再有附加效益，在氨易于挥发的条件下，NBPT的效果等同于或好于PPD。

在通气条件下NBPT可使氨的挥发损失从20%减少到3%。

Buresh-RJ等人在菲律宾的水田试验表明，PPD只有在高N水平下才会延缓氨的挥发，而NBPT在各个水平和时期效果均显著。

Bronson-KF等在玉米上的实验显示在施用12天后NBPT(0.5%w/w)降低氨挥发95%~97%，PPD 为19%~30%。

多个试验都显示，NBPT对于玉米尿素表施情况下减少氨挥发造成的氮肥损失很有意义。

PPD对减少稻田作物尿素撒施时氨挥发损失效果显著。

Antisar-LV(1996)等的试验表明尿素表施情况下，抑制剂NBPT和PPD的用量越高抑制氨挥发的效果越好。

Bremner和Chai证明，NBPT和环丙烷甲醛(CPCA)对NH3挥发的抑制效果较好，HQ处理的NH3挥发基本与对照相当，抑制效果最好的NBPT分别比CPCA、PPD和HQ减少NH3挥发6%、3%、45%(Bundy and Bremner，1974)。

据研究，在正常水分条件下，HQ推迟了氨挥发的高峰时间，并在培养前期减少了氨挥发数量，这种现象的产生是由于尿素水解有所延缓和吸附氨量有所增多造成的。

1.6脲酶抑制剂对硝化和反硝化作用的影响尿素水解的另一个结果是由于土壤pH和NH4+-N浓度的上升引起的NO2--N 的累积。

NO2--N的累积可能是因施用尿素导致pH升高，使硝化细菌受到抑制而引起的(Bremene et al，1989；荣华等，1996)。

土壤中将NO2--N氧化为NO3--N 的硝化细菌在NH4+-N浓度较高的碱性条件下比亚硝化细菌更为敏感(Bremene et al，1986)。

嫌气条件下因缺氧而难以检测出NO2--N。

在通气良好的条件下，NBPT 和PPD能降低土壤中NO2--N的累积，增加NO3--N的积累增加。

在嫌气条件下，NO2--N的含量相当低(Wang,1991)。

Bremener(1990)报道，NBPT不仅对尿素水解和减少氨挥发有影响，而且显著影响NO2--N的累积。

NBPT用量为尿素的0.47%时，土壤中NO2--N的累积从11%降低到1%。

Samater A H等(1994,1996)在9种比利时土壤上关于NO2--N积累做了试验，结果表明，当pH>7时土壤显示较高的NH4+-N和NO3--N累积。

王小彬等的试验显示，抑制剂与尿素表施时，因降低了氨的挥发，土壤中NO3--N含量有所增加，而尿素种旁施用时，脲酶抑制剂的有无对土壤NO3--N的含量影响不大。

中国南方酸性水稻土，尿素作为基肥时氮的损失在气温较低的月份以反硝化为主，在温度较高的月份，氨的挥发与反硝化作用同等重要。

在石灰性土壤上，尿素的损失主要是氨挥发与反硝化损失。

Phongan和Freney等在淹水田的研究表明，NBPT、PPD、NBPT+PPD处理，第9天当不加抑制剂的尿素完全水解时，各处理分别以尿素形态保留约42%、38%和46%。

由此认为，如果脲酶抑制剂有效，氮将以尿素形态保留，氮的反硝化会相应的减少。

对氢醌的研究表明，氢醌在4mg. kg-1时，能降低土壤中反硝化细菌的数目，从而减少气态损失，并且随氢醌施用量增加而增强。

但也有研究表明，NBPT和PPD用量为0.47%时，对硝化或反硝化作用无抑制效果。

证明尽管加入PPD使尿素的氨挥发损失明显减少，但却促进反硝化作用增强(Bremner et al.,1986)，特别是15N的示踪试验结果表明，不加抑制剂处理的表观反硝化引起的N损失远小于氨的挥发损失，证明大部分被保留的氮并未被反硝化而是被保存在土壤中。