全 文 ：脲酶2硝化抑制剂对减缓尿素转化产物
氧化及淋溶的作用 3
陈振华1 ,2 　陈利军1 3 3 　武志杰1
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016 ;2 中国科学院研究生院 ,北京 100039)
【摘要】　利用原状土柱模拟试验 ,研究了脲酶抑制剂氢醌 ( HQ) ,硝化抑制剂包被碳化钙 ( ECC) 和双氰胺
(DCD)以及它们的不同组合对尿素转化产物土壤持留、氧化以及淋溶的影响. 结果表明 ,与其它抑制剂处
理相比 ,HQ + DCD 组合能有效抑制尿素水解产物的氧化 ,使其以交换态 NH4 + 的形式在土壤中长时间持
留 ;氧化作用的抑制不仅减少了氧化产物 NO3 - 的累积 ,也降低了 NO3 - 淋溶潜势 ,使其淋入下层土壤的深
度仅限在 5～10 cm 范围内 ,且淋溶量显著降低.
关键词 　脲酶抑制剂 　硝化抑制剂 　铵态氮 　硝态氮 　NO32淋溶
文章编号 　1001 - 9332 (2005) 02 - 0238 - 05 　中图分类号 　S143112 　文献标识码 　A
Effects of urease and nitrif ication inhibitors on alleviating the oxidation and leaching of soil urea’s hydrolyzed
product ammonium. CHEN Zhenhua1 ,2 ,CHEN Lijun1 ,WU Zhijie1 (1 Institute of A pplied Ecology , Chinese A2
cademy of Sciences , S henyang 110016 , China ; 2 Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing
100039 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2005 ,16 (2) :238～242.
With simulation test of in2situ soil column ,this paper studied the effects of urease inhibitor hydroquinone ( HQ) ,
nitrification inhibitors coated calcium carbide ( ECC) and dicyandiamide (DCD) ,and their different combinations
on the persistence ,oxidation ,and leaching of soil urea’s hydrolyzed product ammonium. The results showed that
compared with other treatments ,the combination of HQ and DCD could effectively inhibit the oxidation of the
ammonium ,and make it as exchangeable form reserve in soil in a larger amount and a longer period. The inhibi2
tion of this oxidation not only decreased the accumulation of oxidized product NO3 - in soil ,but also decreased the
potential of NO3 - leaching ,making the NO3 - only leach to 5～10 cm in depth ,and the leached amount signifi2
cantly decreased.
Key words 　Urease inhibitor , Nitrification inhibitor , NH4 + 2N , NO3 - 2N , NO3 - leaching.
3 中国科学院知识创新工程重大资助项目 ( KZCX22413) .3 3 通讯联系人.
2004 - 07 - 26 收稿 ,2004 - 10 - 19 接受.
1 　引 　　言
脲酶抑制剂和硝化抑制剂是分别用来减缓土壤
中尿素酰胺态氮至氨态氮的水解以及 N H4 +2N 至
NO3 - 2N 的氧化 ,以减少 N H3 挥发、NO32淋溶及 N2
与 N2O 等气态损失的元素或化合物[5 ,12 ,13 ] . 二者分
别对尿素 N 转化的某一特定过程产生作用 ,但脲酶
抑制剂的作用时间一般较短 ,对尿素 N 转化成氨以
后的行为影响较少 ,甚至还有可能促进其它途径如
硝化和反硝化作用的 N 损失[25 ] ;而硝化抑制剂的
作用效果取决于土壤条件和抑制剂自身特性 ,它在
减少硝化、反硝化的同时也加剧了氨挥发的潜在几
率 ,单独使用不能对尿素氮转化的全过程进行有效
调控. 我们曾对脲酶抑制剂和硝化抑制剂配合使用
对尿素 N 转化、温室气体 CH4 及 N2O 排放、作物 N
吸收 和 籽 粒 产 量 等 的 影 响 进 行 过 系 统 研
究[6～8 ,22 ,23 ,25 ] ,但未涉及其对 NO3 - 淋溶影响的探
讨. 国内外关于抑制剂对 NO3 - 淋溶影响的报道 ,也
主要 是 依 据 硝 化 抑 制 剂 对 硝 化 作 用 的 抑
制[10 ,14 ,18 ,20 ]或作物产量和含氮量的提高[9 ] ,做出能
降低淋溶的推测 ,对淋溶量影响的研究相对缺乏 ,两
种抑制剂配合使用的研究多集中于对气体释放、产
量、硝化抑制程度的影响几个方面. 本研究以田间原
状土柱为供试对象 ,研究脲酶抑制剂、硝化抑制剂及
其不同组合对尿素水解产物土壤持留、氧化及氧化
产物 NO3 - 淋溶的影响 ,以期为合理使用这两类抑
制剂提高尿素利用率、减少 NO3 - 面源污染提供理
论依据.
2 　材料与方法
211 　供试材料
供试土壤为砂壤土 ,采自比利时根特大学农业试验站 ,
理化性质见表1 . 供试肥料为常规农用尿素 . 脲酶抑制剂选
应 用 生 态 学 报 　2005 年 2 月 　第 16 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2005 ,16 (2)∶238～242
表 1 　供试土壤基本理化性质
Table 1 Basic soil properties of test soil
粘粒
Clay
( %)
粉粒
Silt
( %)
砂粒
Sand
( %)
CaCO3
( %)
有机碳
Organic C
(g·kg - 1)
全氮
Total N
(g·kg - 1)
速效 P
Available P
(mg·kg - 1)
pH(水浸)
pH( H2O)
(1 :215)
913 1415 7612 6195 1719 1100 1610 712
用经广泛研究并证明经济有效的氢醌 ( HQ) [24 ,26 ] ;硝化抑制
剂为国内外普遍施用的双氰胺 ( DCD) [1 ] 和包被碳化钙
( ECC) [3 ] .
212 　研究方法
本试验设置 CK(尿素) 、HQ (尿素 + HQ) 、ECC (尿素 +
ECC) 、DCD (尿素 + DCD) 、HQ + ECC (尿素 + HQ + ECC) 和
HQ + DCD (尿素 + HQ + DCD) 6 个处理. 用直径 7 cm、长度
为 25 cm 的聚四氟乙烯管采集田间原状土柱 ,取出 0～5 cm
土层鲜土 ,除去草根、砂石等杂质 ,与 0148 %干土重的尿素
及一定量抑制剂混匀 ,还回土柱 ,在实验室条件下培养. 抑制
剂氢醌、包被碳化钙、双氰胺用量分别为尿素用量的 013 %、
20 %、1 % ;每次室外自然降雨后 ,培养试验按自然降雨量的
比例淋入去离子水模拟淋溶状况 ,培养后每周以 3 次重复破
坏土柱分 5 个层次 (每层 5 cm)取样 ,用 2 M KCl 浸提、MgO2
德氏合金还原蒸馏法测定不同土层中 NH4 + 2N 和 NO3 - 2N
含量. 培养期间土体没有开裂现象 ,土柱也没有渗漏出液体.
采用 SPSS 1010 进行数据处理和相关分析.
3 　结果与讨论
311 　抑制剂对 0～5 cm 土壤交换性 N H4 +2N 含量
的影响
尿素施入土壤后 ,在土壤脲酶的作用下 ,经由氨
基 甲 酸 水 解 成 N H3 , 再 经 质 子 化 转 变 为
N H4 + [4 ,26～28 ] ,部分吸附于土壤粘粒上 ,多以交换性
N H4 + 存在[29 ] ,随后发生氧化 ,其贮量变化主要取决
于施入尿素的量、土壤阳离子交换量、p H 和硝化作
用强弱. 本试验中 ,土柱培养初期 ,各处理土壤交换
性 N 含量均较高 ,随时间推移逐渐减少 ,第 4 周出
现明显下降 (图 1) ,可能是由 N H4 +的硝化作用所引
起的. 在添加抑制剂处理中 ,前 4 周土壤交换性
N H4 + 含量都高于对照 ,其中 HQ + DCD 处理又显著
高于其它几个抑制剂处理 ( P < 0101) ,其余抑制剂
处理间差异不显著 ; HQ + ECC 未表现出与 HQ +
DCD 一样明显的效果 (图 1) ,这与先前试验证明的
其抑制效果不稳定的结论一致[6～8 ] . 第 5～8 周 ,HQ
+ DCD 处理依然保持了较多的土壤交换性 N H4 +
( P < 0101) ;其它处理中 DCD 效果较好 , HQ 次之 ,
均比对照高 ,但 ECC 和 HQ + ECC 处理的 N H4 +2N
含量低于对照. Macadam 等[17 ]研究表明 ,在高 DCD
用量 (25 kg·hm - 2)情况下 ,30 天可使 N H4 +2N 含量
降到与对照相近的水平 ; ECC 和 HQ + ECC 处理的
N H4 +2N 含量比对照低 ,其原因可能是 CaC2 与土壤
水反应 ,其本身失去抑制作用 ,同时使土壤 p H 升
高 ,引起氨挥发增多[4 ,27 ,28 ]引起的.
图 1 　0～5 cm 土层交换性 NH4 +2N 和土柱总 NO -3 2N 含量变化
Fig. 1 Variation of soil exchangeable NH4 +2N at 0～5 cm depth and to2
tal NO -3 2N content of soil column.
312 　抑制剂对土壤 N H4 + 氧化的影响
土壤 N H4 +氧化产物 NO3 - 含量呈现出先升高
后降低的趋势 (图 1) ,其中 HQ + DCD 与 DCD 比其
它处理更能在整个培养期间减少 NO3 - 的累积 ( P <
0105) ,HQ + DCD 处理效果最好 ,这可能是 HQ 减
少了可被氧化的 N H4 + 量 ,而 DCD 又影响了硝化微
生物活动的结果. NO3 - 2N 含量在第 4 周、第 6 周有
两个跃升 ,分别在第 28 天和 42 天出现峰值. 与同是
使用硝化抑制剂 DCD 的另一试验比较 ,本试验
NO3 - 2N 含量的峰值的出现提早 20 多天[20 ] ,这种
差异可能是土壤本身性质和不同抑制剂用量造成
的. 本试验中一些处理出现两个 NO3 - 2N 含量峰
值 ,可能由于供试土壤为沙壤土 ,被土壤固持和吸附
的 N H4 + 较易解吸、释放 ,不断提供能被氧化的
N H4 +的缘故 ;添加 ECC 的两个处理土壤 NO3 - 2N
含量变化趋势和其它处理不同 ,可能是初期从氨挥
发途径损失掉的 N H4 +2N 过多 ,没有出现第一次的
硝化峰值. 硝化率的计算结果及其显著性检验表明 ,
HQ + DCD 与 DCD 处理 0～5 cm 的表观硝化率显
著低于其它处理 ( P < 0101) ,说明这两个处理降低
的 NO3 - 2N 累积是由于抑制剂有效抑制土壤 N H4 +
氧化的结果 (表 2) .
9322 期 　　　　　　　　　　陈振华等 :脲酶2硝化抑制剂对减缓尿素转化产物氧化及淋溶的作用 　　　　　　　　　　　
表 2 　各处理 0～5 cm土壤 NH4 +的表观硝化率
Table 2 Apparent nitrif ication rate of 0～5 cm soil NH4 + ( %)
处理
Treatment
培养天数 Incubation time (d)
7 21 28 35 42 49 56
CK 1197a 6181b 45198a 57189b 68126b 62147bc 57116c
HQ 1184a 13123a 47176a 52171b 60140bc 59177c 70151b
ECC 0159b 5124b 43121a 58103b 70107ab 69175b 69175b
DCD 0160b 4137b 34149b 41123c 55159c 52153c 51124c
HQ + ECC 0182b 17115a 48128a 67176a 78167a 80123a 81134a
HQ + DCD 0138c 3142c 25152c 31138d 42113d 44142d 43127d
注 :硝化率 ( %) = NO3 - 2N/ (NH4 +2N + NO3 - 2N) ×100 ,同一列中不同字母
表示多重比较差异显著 ( P < 0101) . Note : Nitrification rate ( %) = NO3 - 2N/
(NH4 +2N + NO3 - 2N) ×100 ,data with different letters within a column are si g2
nificantly different ( P < 0101) using Duncan’s multiple range test.
313 　抑制剂对土壤 NO3 - 淋溶的影响
NO3 - 不存在专性吸附 ,p H 较低时 ,其扩散系数
较大、可能随水移动而从土壤2植物系统中损失掉和
污染地下水[29 ] . 图 2 是不同培养时间各处理原状土
柱不同土层 NO3 - 2N 含量的变化情况 ,培养 1 周内
(图 2a) ,主要发生 N H3 挥发、N H4 + 的土壤吸附、固
定[20 ]和微生物固持[16 ] ,各土层中 NO3 - 2N 含量变
化不大. 从第 3 周起 ,表层 NO3 - 2N 含量明显增加 ,
但 HQ + DCD 和 DCD 处理表层 NO3 - 2N 含量显著
低于其它处理 (图 2b) ,故淋至 5～10 cm 土层的
NO3 - 2N 也较少. 培养第 4 周 ,各处理表层 NO3 - 2N
含量急剧增加 ,使 NO3 - 2N 在 10～15 cm 开始有所
累积 ,以 HQ + DCD 处理 NO3 - 2N 含量最少 ,不到
350 mg·kg - 1 ;此时 , HQ + DCD 处理虽使 5～10 cm
的 NO3 - 2N 积累有所减少 ,但与其它处理间差异不
显著 (图 2c) . 5 周以后 ,表层 NO3 - 2N 含量持续增长
到高峰并开始减少 ,向下淋溶的 NO3 - 仍以 5～10
cm 土层居多 ,该土层的 NO3 - 2N 含量和前期大致相
当 ,没有达到 200 mg·kg - 1 ,但各处理间已稍有差
别 ,HQ + DCD 处理始终低于其他处理 ,第 6 周开始
各处理 10～15 cm 土层中 NO3 - 2N 含量比前期略有
增加 (图 2d～g) .
从各处理土柱中 NO3 - 2N 总量占总有效态氮
(N H4 +2N + NO3 - 2N) 的比例即总硝化率可以得出
NO3 - 2N 的淋溶损失潜势. 各处理的总硝化率随培
养时间而增加 (图 3) ,除 HQ + DCD 处理外 ,其它各
处理在培养后期总硝化率保持在 50～80 % ,甚至更
多. HQ + DCD 处理只是在后期总硝化率接近 50 % ,
与其它处理相比差异极显著 ( P < 0101) . 由此可知 ,
在相同环境条件下 , HQ + DCD 处理具有较小的淋
溶潜势. 与对照相比 ,各处理均减少了 NO3 - 向下层
土壤淋失 , HQ + DCD处理效果最显著 ,主要减少了
图 2 　各处理土柱不同土层 NO3 - 2N 含量的变化 (a、b、c、d、e、f、g :培
养 1、3、4、5、6、7、8 周)
Fig. 2 Variation of NO3 - 2N content at different depth of soil column (a、
b、c、d、e、f、g :1 ,3 ,4 ,5 ,6 ,7 ,8 week (s) after incubation) .
图 3 　各处理土壤 NH4 +2N 表观硝化率变化
Fig. 3 Variation of apparent nitrification rate of soil total NH4 +2N.
表层淋溶至 5～10 cm 土层的量 ,高达 49136 mg·
kg - 1 (表 3) . Ball2Coelho 和 Roy[2 ]证明将尿素 - 硝酸
铵与 5 %DCD 共同施用 9 周后可减少 715～15 cm
土层土壤 NO3 - 416 mg·kg - 1 . 本试验 HQ + DCD 处
理显著减少 NO3 - 由表层淋至 5～10 cm 土层的效
果可能与添加有脲酶抑制剂 HQ、供试土壤质地不
同以及土壤水分条件等的差异有关 . Francis等[11 ]
042　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷
表 3 　培养结束与对照相比各处理减少淋溶至下层土壤 NO3 - 的量
Table 3 Reduction of NO3 - leaching to subsoil compared with control
( mg·kg - 1)
处理
Treatment
层次 Depth (cm)
5～10 10～15 15～20 20～25
HQ 12129 19156 21162 12187
ECC - 11131 18135 6128
DCD 19185 16111 14177 -
HQ + ECC 15135 21107 23104 4166
HQ + DCD 49136 22119 20168 11169
曾在流体起动装置里添加 DCD ,研究表明种植作物
4 周后绝大多数标记 N H4 +2N 还保留在 0～30 cm
土层中 ,并且这部分 N 的四分之三仍保留在 13 cm
以上土层中 ; 而不加 DCD 时有一半以上的标记
N H4 +2N 从 30 cm 土层中淋失. 这些说明硝化抑制
剂 DCD 在减少土壤 NO3 - 淋失中起了重要作用. 本
试验中单独使用 DCD 未明显减少 NO3 - 的淋失量 ,
Davies 和 Williams 也曾报道 DCD 只是在某些时期
可以显著减少 NO3 - 淋溶 ,并没有减少总的 NO3 - 淋
溶损失[9 ] . 另外 ,研究尿素同时配施脲酶抑制剂
NBPT 和硝化抑制剂 DCD 对土壤 NO3 - 淋溶的影
响时发现 ,该种使用模式并不能减少肥料来源氮的
淋失 , 反而显著增加了来源于土壤部分的氮淋
溶[15 ] . 这些不同结论的得出可能是受不同具体试验
条件的影响 ,因为功效多变是许多抑制剂固有的性
质[19 ,21 ] ,而它们发挥作用的过程也会受诸如温度、
降雨量、土壤质地等诸多环境和土壤因子的影
响[21 ] ,而这些因子均具有时间和地域差别 ,使得不
同地点和不同年份抑制剂减缓 NO3 - 淋溶的情况存
在很大差别.
4 　结 　　论
　　脲酶抑制剂 HQ 和硝化抑制剂 DCD 组合使用
与其它抑制剂单独或配合使用相比 ,能使尿素水解
来源的 N H4 +2N 在土壤中得到更多的持留 ,并能显
著抑制其氧化作用 ,这和我们在扰动土壤情况下进
行培养试验得到的结论一致. HQ 和 DCD 配合使用
有效降低了尿素水解产物 N H4 + 的硝化率 ,使得
NO3 - 向下层土壤淋溶的量明显减少 ,淋出耕层土壤
的机会降低 ,这一作用在降水多、质地较轻的农业土
壤上尤其意义重大. 这次模拟试验的结果还需要在
田间原位条件下做进一步验证.
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242　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　16 卷