脲酶硝化抑制劑綜述

1.2緩控釋肥料1.2.1緩控釋肥料分類(lèi)緩控釋肥料重要分為三類(lèi)：1)通過(guò)化學(xué)辦法變化肥料的構(gòu)造而產(chǎn)生的緩控釋肥料，重要有難溶性有機(jī)化合物(脲甲醛等)、水溶性化合物(異丁叉二脲等)、低溶解性無(wú)機(jī)鹽(磷酸鎂銨等)，現(xiàn)在這類(lèi)肥料在國(guó)外研究較多，但是成本的增加巨大。2)通過(guò)在肥料的表面包裹一層其它的材料生產(chǎn)的包膜肥料，使得養(yǎng)分釋放變緩，高水平的產(chǎn)品能夠通過(guò)調(diào)控與作物的需肥規(guī)律大致符合。3)添加克制劑(脲酶克制劑、硝化克制劑)生產(chǎn)的長(zhǎng)效緩釋肥料，通過(guò)脲酶克制劑和硝化克制劑調(diào)控土壤中酶和微生物的活性，使得速效肥料在土壤中殘留更長(zhǎng)時(shí)間。1.2.2國(guó)內(nèi)外緩控釋肥料研究進(jìn)展緩控釋肥料在國(guó)外研究較早，美國(guó)、日本、歐洲等是世界上重要的緩控釋肥料的生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。1961年美國(guó)TVA首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和小規(guī)模實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)出來(lái)的包硫尿素，后續(xù)又開(kāi)發(fā)出了以熱固性聚合物包膜復(fù)合肥料，90年代中期，美國(guó)的包硫尿素的年產(chǎn)量與消費(fèi)量約為10萬(wàn)t、聚合物包膜肥料產(chǎn)量約4萬(wàn)t，消費(fèi)量約為4.5萬(wàn)t。緩控釋肥以包硫尿素為主，并大多與速效肥摻混使用，重要應(yīng)用于高爾夫球場(chǎng)、專(zhuān)業(yè)養(yǎng)護(hù)草坪等非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域；在添加克制劑方面，美國(guó)道化公司開(kāi)發(fā)的西吡[2-氯-6(三氯甲基)-吡啶]商品名為N-serve重要應(yīng)用于美國(guó)的農(nóng)場(chǎng)，重要因素是時(shí)間管理的需要；70年代末，日本多家公司開(kāi)發(fā)了熱塑性聚合物包膜肥料，最出名的為以聚烯烴和乙烯乙酸酯共聚物為包膜層的包膜復(fù)合肥料，90年代中期，日本聚合物包膜肥料年消費(fèi)量為7.2萬(wàn)t，而包硫尿素僅為0.6萬(wàn)t，日本緩控釋肥料以聚合物包膜復(fù)合肥為主，并大多是幾個(gè)不同釋放速率的包膜肥摻混，用于大田作物，重要用于水稻新耕作法栽培，在添加克制劑方面，硫脲是日本最早使用的硝化克制劑，由于其受影響的因素太多，使用量并不大；歐洲傳統(tǒng)使用微溶性含氮化合物作為緩控釋肥料，德國(guó)早在1924年就獲得了制造脲醛肥料的專(zhuān)利，并與1955年實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。90年代中期，歐洲的緩控釋肥料中的微溶性含氮肥料6.5萬(wàn)t，聚合物包膜肥料2.2萬(wàn)t，歐洲的緩控釋肥料與美國(guó)相似，重要用于非農(nóng)業(yè)市場(chǎng)。另外，德國(guó)的BASF開(kāi)發(fā)出以硝化克制劑為添加材料的緩控釋肥料已經(jīng)應(yīng)用于大田，硝化克制劑由早期使用的DCD逐步轉(zhuǎn)換了到效果更加好的DMPP等吡唑類(lèi)克制劑。我國(guó)的緩控釋肥料始于20世紀(jì)60年代，中國(guó)科學(xué)院南京土壤所在李慶逵院士領(lǐng)導(dǎo)下，開(kāi)始研制鈣鎂磷肥包裹碳酸氫銨的無(wú)機(jī)包裹型肥料。他們首先將碳銨造粒，然后在碳銨顆粒表面撲上鈣鎂磷肥粉，通過(guò)添加硫酸使鈣鎂磷粉末與碳銨顆粒粘結(jié)在一起。鄭州大學(xué)工學(xué)院許秀成專(zhuān)家領(lǐng)導(dǎo)小組開(kāi)發(fā)了枸溶磷包裹復(fù)混肥的無(wú)機(jī)包裹型肥料，在花卉及國(guó)外市場(chǎng)得到了應(yīng)用。1985年，北京化工學(xué)院開(kāi)始篩選可降解樹(shù)脂的包膜材料，研制了以脲醛樹(shù)脂為包膜劑的緩釋肥。1986年，廣州氮肥廠研制了涂層尿素。中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所實(shí)驗(yàn)用生物可降解高分子材料(聚乙烯醇磷酸脲、聚乙烯醇縮脲等)作包膜材料制成了包衣尿素。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，以高分子聚合物材料作為包膜材料的研究更加廣泛。這些研究重要集中在對(duì)熱塑性包膜材料的篩選和包膜工藝上。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)張民開(kāi)發(fā)出的熱塑性硫包膜尿素在減少了成本之后已經(jīng)在山東金正大公司實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)品現(xiàn)在已經(jīng)在農(nóng)業(yè)上有了初步的應(yīng)用。在克制劑方面，我國(guó)添加克制劑型肥料的研究始于20世紀(jì)70年代中期，通過(guò)幾代科學(xué)家的努力，添加克制劑型肥料有了較大的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為我國(guó)長(zhǎng)效肥料的主流。20世紀(jì)80年代中期已有第一代產(chǎn)品—長(zhǎng)效尿素問(wèn)世，初次在我國(guó)將脲酶克制劑應(yīng)用到肥料生產(chǎn)中。20世紀(jì)80年代中后期，中國(guó)科學(xué)院等單位針對(duì)我國(guó)小氮肥生產(chǎn)中碳酸氫銨存在的問(wèn)題，在碳酸氫銨改性中應(yīng)用了硝化克制劑，解決了碳酸氫銨易揮發(fā)、結(jié)塊及施用后肥效短等問(wèn)題；90年代廣州氮肥廠與中國(guó)科學(xué)院石家莊當(dāng)代化研究所開(kāi)發(fā)了涂層尿素。20世紀(jì)末，21世紀(jì)初我國(guó)，由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所研制開(kāi)發(fā)的“長(zhǎng)效復(fù)合肥”使穩(wěn)定肥料由單質(zhì)發(fā)展到復(fù)合，“長(zhǎng)效復(fù)合肥”使添加克制劑肥料由單質(zhì)發(fā)展到復(fù)合，使我國(guó)添加克制劑型肥料走上了復(fù)合與協(xié)同克制劑應(yīng)用階段，并且使復(fù)合肥由基礎(chǔ)型轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯统蔀榭赡埽瑢?shí)現(xiàn)了一次性基施免追肥，含有理論與技術(shù)創(chuàng)新。1.2.3緩控釋肥料的發(fā)展前景我國(guó)現(xiàn)在面臨著人口增加和可耕地面積減少的巨大問(wèn)題，使得糧食問(wèn)題始終是關(guān)注的重點(diǎn)。既要增加產(chǎn)量又要提高品質(zhì)，肥料扮演著不可替代的作用。如果人均糧食生產(chǎn)量定為每年400公斤，之后我國(guó)人口將達(dá)成14.3億，糧食總產(chǎn)量應(yīng)達(dá)成5.72億噸，比糧食總產(chǎn)4.84億噸約增加0.88億噸，增加18%?？紤]到播種面積不可避免的減少，事實(shí)上糧食單位面積產(chǎn)量須有更大幅度的提高，可能需要提高20%以上(朱兆良，)。另首先我國(guó)還面臨著肥料不合理使用帶來(lái)的越來(lái)越大的環(huán)境壓力和經(jīng)濟(jì)損失(朱兆良，)。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在緩控釋肥料的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用上已經(jīng)獲得了較大的進(jìn)展，但是仍然有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究。在我國(guó)，隨著化肥用量的不停增加，農(nóng)產(chǎn)品追求產(chǎn)量與質(zhì)量并重以及環(huán)境和諧的多重目的規(guī)定下，肥料的改性問(wèn)題就顯得更為重要。開(kāi)發(fā)緩控釋肥料，提高肥料運(yùn)用率，減少環(huán)境污染，是簡(jiǎn)樸易行的方法，特別適合中國(guó)國(guó)情。并且，我國(guó)農(nóng)民教育水平低，農(nóng)戶土地面積小并且分散，種植體系復(fù)雜，機(jī)械化程度低，農(nóng)化服務(wù)體系難以建立和到位，配方施肥和其它技術(shù)方法很難為農(nóng)民提供方便的服務(wù)。另外，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，農(nóng)民已不樂(lè)旨在追肥等農(nóng)藝方法上耗費(fèi)更多的時(shí)間。值得注意的是大部分緩控釋肥料的價(jià)格太高，限制了它的應(yīng)用和推廣，減少成本便成了核心問(wèn)題。尚有，緩控釋肥的養(yǎng)分釋放速率和模式與作物吸取養(yǎng)分模式之間還缺少系統(tǒng)進(jìn)一步的研究。隨著著世界肥料朝著專(zhuān)業(yè)化、高效化、長(zhǎng)效化的趨勢(shì)，其生產(chǎn)和使用經(jīng)歷了三次變革：第一階段是60年代之前，生產(chǎn)的化肥為單質(zhì)低濃度肥料；第二階段是60年代至80年代，生產(chǎn)的化肥為高濃度化肥和復(fù)合肥；第三階段就是80年代到現(xiàn)在，各個(gè)國(guó)家開(kāi)始重點(diǎn)研究緩控釋肥料、生物肥料、有機(jī)復(fù)合化肥、功效性肥料等新型肥料。確保糧食安全和減少施肥過(guò)量及不合理使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展新型肥料，增加科研投入，快速把科研成果產(chǎn)業(yè)化，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中推廣普及新型肥料(趙秉強(qiáng)，)。新型肥料含有運(yùn)用率高、肥效期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)際上在這一領(lǐng)域的研究已有較大進(jìn)展與國(guó)際同類(lèi)研究相比，我國(guó)緩控釋肥料研究水平參差不齊，在高端技術(shù)上總體上不及國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)應(yīng)加強(qiáng)研究開(kāi)發(fā)，篩選新型高效克制劑和促釋劑；研究環(huán)境和諧控釋材料和緩釋肥料的生產(chǎn)工藝；運(yùn)用緩控釋肥料的優(yōu)勢(shì)來(lái)提高作物對(duì)肥料運(yùn)用率。1.3脲酶克制劑1.3.1脲酶克制劑及其作用原理脲酶克制劑是對(duì)土壤脲酶活性有克制作用的化合物或元素的總稱(chēng)(BremnerandDouglas,1971)。它通過(guò)對(duì)脲酶催化過(guò)程中扮重要角色的巰基發(fā)生作用，從而延緩?fù)寥乐心蛩氐乃馑俣?，減少氨向大氣中揮發(fā)損失。普通來(lái)說(shuō)，土壤脲酶的活性都比較強(qiáng)，因此尿素一經(jīng)施入土壤，普通只需1~7天就可全部轉(zhuǎn)化。當(dāng)酰胺態(tài)氮尿素施入土壤后，它們?cè)谕寥离迕缸饔孟罗D(zhuǎn)化為氨，二氧化碳和水。尿素的肥效很大程度上取決于土壤脲酶活性的強(qiáng)弱。前人的研究表明：脲酶是一種分子量約為48萬(wàn)的含鎳金屬酶，它約有77個(gè)甲硫氨酰基，129個(gè)半胱氨基，47個(gè)巰基(半胱氨酰殘基)，其中有4~8個(gè)巰基對(duì)酶的活性有重要作用。醌類(lèi)脲酶克制劑通過(guò)對(duì)巰基發(fā)生作用，有效的克制脲酶的活性。70年代以來(lái)，人們對(duì)醌類(lèi)脲酶克制劑做了大量研究，實(shí)驗(yàn)表明，醌類(lèi)脲酶克制劑對(duì)于延緩尿素水解，克制或減少氨氣揮發(fā)效果較好(陳舉鳴，1987；李雙霖等，1991；陸欣等，1997)。1999年，B.Manunza等人解釋了尿素、氧肟酸、磷酰類(lèi)脲酶克制劑(NBPT)競(jìng)爭(zhēng)脲酶活性部位的機(jī)制，認(rèn)為脲酶克制劑是通過(guò)與尿素競(jìng)爭(zhēng)脲酶活性部位，使脲酶失去與尿素作用來(lái)減緩尿素水解。1.3.2脲酶克制劑的種類(lèi)表1脲酶克制劑的種類(lèi)及化學(xué)名稱(chēng)Table1Categoryandchemicalnameofureaseinhibitors脲酶克制劑化學(xué)名HQ氫醌NBPT/NBTPTN-丁基硫代磷酰三胺NBPTO/NBPON-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硫代硫酸銨P-benzoquinoneP-苯醌CHTPT環(huán)已基硫代磷酸三酰胺CNPT環(huán)已基磷酰三酰胺HACTP六酰氨基環(huán)三磷*N-halo-2-oxaxolidinoneN-鹵-2-唑艾杜烯NN-dihdo-2-imidazolidineNN-二鹵-2-咪唑艾杜烯硫代吡唑類(lèi)硫代吡啶類(lèi)等脲酶克制劑重要有無(wú)機(jī)物和有機(jī)物兩大類(lèi)(BremnerandDouglas,1971)。無(wú)機(jī)物重要是分子量不不大于50的重金屬化合物如Cu、Ag、Co、Ni等元素的不同價(jià)態(tài)離子；有機(jī)化合物涉及對(duì)氨基苯磺酰胺、酚類(lèi)、醌及取代醌類(lèi)、酰胺類(lèi)化合物及其轉(zhuǎn)化物等(BremnerandDouglas,1971;BundyandBremner,1973;MartensandBremner,1984;MaCartyetal.,1990)。1.3.3國(guó)內(nèi)外脲酶克制劑的研究進(jìn)展20世紀(jì)30年代，Rotini報(bào)道了土壤脲酶的存在，40年代Cornad指出將某些物質(zhì)施入土壤能夠克制脲酶活性，延長(zhǎng)氮肥的使用期。到60年代對(duì)與脲酶克制劑的研究開(kāi)始，到1971年Bromner等人從130多個(gè)化合物中篩選出效果較好的脲酶克制劑為苯醌和氫醌類(lèi)化合物。Bundy等(1973)的實(shí)驗(yàn)表明苯醌的效果最佳。進(jìn)入80年代，國(guó)際上已開(kāi)發(fā)了近70種有實(shí)用意義的脲酶克制劑，重要涉及醌類(lèi)、多羥酚類(lèi)、磷酰胺類(lèi)、重金屬類(lèi)以及五氯硝基苯等。1996年春，美國(guó)IMC-Agrotain公司以Agrotain商標(biāo)在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。Agrotain是固體尿素和硝銨尿素液體肥料的添加劑，其活性成分是NBPT(濃度25%以上)，溶劑是含10%N-甲基吡咯烷酮及無(wú)毒害的惰性緩沖溶液(PedrazziniandFillery)。在土壤中該產(chǎn)品降解成N、P、S等多個(gè)營(yíng)養(yǎng)成分,其推薦使用量是0.45kg.hm2。該產(chǎn)品重要應(yīng)用于播種前，尿素或其它含尿素肥料表施,也可用于追施、側(cè)施、噴施和其它播種后施用。但是，該產(chǎn)品不能雨前施用,一旦降雨超出20mm，克制劑的作用將大大減少。NBPT在那些作物產(chǎn)量潛力高、土壤氮的水平低、土壤和環(huán)境條件都對(duì)氨的揮發(fā)損失有利的土壤上與氮肥配合施用將達(dá)成最佳的效果(HendricksonLL,1987;Keerthisinghe,1995)。脲酶克制劑NBPT能夠有效的減少表施尿素或含尿素肥料的揮發(fā)損失，但是在作物增產(chǎn)上體現(xiàn)并不穩(wěn)定(LeeJaeHong,1999,Grant,1999)現(xiàn)在Agrotain的使用重要集中在美國(guó),其中施用作物重要為玉米。HQ(氫醌)的研究和應(yīng)用重要集中在我國(guó)，80年代初，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所首先進(jìn)行了系統(tǒng)研究。以周禮愷、張志明為代表的土壤酶學(xué)工作者對(duì)氫醌對(duì)尿素的水解、氨的釋出和揮發(fā)、硝化、反硝化、生物固持作用以及HQ和硝化克制劑DCD在尿素氮行為的協(xié)同作用、作物產(chǎn)量、環(huán)境效益評(píng)價(jià)等方面做了大量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和田間實(shí)驗(yàn)(Zhao1993，Chen,1998，陳利軍等，1995.徐星凱，)。90年代初，開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)效碳酸氫銨、長(zhǎng)效尿素和一系列含尿素長(zhǎng)效復(fù)合肥料，并申請(qǐng)了專(zhuān)利?，F(xiàn)在含有HQ、DCD和其它克制劑的長(zhǎng)效氮肥增效劑“肥隆”、長(zhǎng)效復(fù)合肥添加劑NAM等、多個(gè)專(zhuān)用肥、沖施肥已經(jīng)投入生產(chǎn)并大面積推廣應(yīng)用。進(jìn)入90年代，研究方向由純化合物或無(wú)機(jī)鹽轉(zhuǎn)向了天然物質(zhì)，如腐植酸類(lèi)。現(xiàn)在，世界肥料市場(chǎng)上已經(jīng)申請(qǐng)專(zhuān)利并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的脲酶克制劑有幾十種，但只有NBPT和HQ已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。1.3.4脲酶克制劑對(duì)尿素水解的影響脲酶克制劑通過(guò)克制脲酶的活性，克制了尿素的水解，減少氨的揮發(fā)損失。實(shí)驗(yàn)表明，尿素在使用后自然揮發(fā)速率與土壤的脲酶活性、尿素施用量、溫度、土壤水分和土壤pH有關(guān)。研究表明，在非酸性土壤中，通氣性良好的條件下，脲酶克制劑對(duì)尿素水解的克制作用依次是N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)>苯基磷酰二胺(PPD)>氫醌(HQ)(VanCleemputandWang,1991)。在施用1%脲酶克制劑的HQ、PPD和NBPT分別使尿素水解推遲1天、2天和5天以上(Wangetal.,1991)，而在非酸性土壤中差別并不明顯。PPD在酸性土壤(pH5.6)上比在堿性土壤(pH7.4)上效果好，而NBPT在堿性土壤上比PPD更有效(Beyroutyatal.,1998)。NBPT受土壤pH的影響較小，表明NBPT不僅合用于酸性還合用于堿性土壤(王小彬等，1998)。Byrnes和Amberger的實(shí)驗(yàn)表明，NBPT能有效的克制土壤中尿素的水解。NBPT在旱田作用效果明顯優(yōu)于水田，這是由于旱田條件下NBPT轉(zhuǎn)化為它的氧化產(chǎn)物(NBPTO)。田間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PPD用量較高(占尿素的0.027%~0.05%)時(shí)，脲酶的水解明顯受到克制；當(dāng)用量較低(占尿素的0~0.013%)時(shí)，脲酶的水解幾乎不受影響。1.3.5脲酶克制劑對(duì)氨揮發(fā)的影響氨揮發(fā)是由于尿素的快速水解，土壤中NH4+-N的濃度過(guò)高，植物來(lái)不及吸取或者土壤沒(méi)來(lái)得及固定，特別是當(dāng)pH較高時(shí)氨揮發(fā)損失非常嚴(yán)重。Oconnor的研究表明，NBPT和PPD對(duì)于克制氨的揮發(fā)損失效果很明顯，但它們對(duì)氨的揮發(fā)很大程度與土壤類(lèi)型有關(guān)；當(dāng)NBPT用量很低(占尿素用量的0.01%)就顯示了效果，當(dāng)NBPT用量超出0.1%時(shí)就不再有附加效益，在氨易于揮發(fā)的條件下，NBPT的效果等同于或好于PPD。在通氣條件下NBPT可使氨的揮發(fā)損失從20%減少到3%。Buresh-RJ等人在菲律賓的水田實(shí)驗(yàn)表明，PPD只有在高N水平下才會(huì)延緩氨的揮發(fā)，而NBPT在各個(gè)水平和時(shí)期內(nèi)效果均明顯。Bronson-KF等在玉米上的實(shí)驗(yàn)顯示在施用12天后NBPT(0.5%w/w)減少氨揮發(fā)95%~97%，PPD為19%~30%。多個(gè)實(shí)驗(yàn)都顯示，NBPT對(duì)于玉米尿素表施狀況下減少氨揮發(fā)造成的氮肥損失很故意義。PPD對(duì)減少稻田作物尿素撒施時(shí)氨揮發(fā)損失效果明顯。Antisar-LV(1996)等的實(shí)驗(yàn)表明尿素表施狀況下，克制劑NBPT和PPD的用量越高克制氨揮發(fā)的效果越好。Bremner和Chai證明，NBPT和環(huán)丙烷甲醛(CPCA)對(duì)NH3揮發(fā)的克制效果較好，HQ解決的NH3揮發(fā)基本與對(duì)攝影稱(chēng)，克制效果最佳的NBPT分別比CPCA、PPD和HQ減少NH3揮發(fā)6%、3%、45%(BundyandBremner，1974)。據(jù)研究，在正常水分條件下，HQ推遲了氨揮發(fā)的高峰時(shí)間，并在培養(yǎng)前期減少了氨揮發(fā)數(shù)量，這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于尿素水解有所延緩和吸附氨量有所增多造成的。1.3.6脲酶克制劑對(duì)硝化和反硝化作用的影響尿素水解的另一種成果是由于土壤pH和NH4+-N濃度的上升引發(fā)的NO2--N的累積。NO2--N的累積可能是因施用尿素造成pH升高，使硝化細(xì)菌受到克制而引發(fā)的(Bremeneetal，1989；李榮華等，1996)。土壤中將NO2--N氧化為NO3--N的硝化細(xì)菌在NH4+-N濃度較高的堿性條件下比亞硝化細(xì)菌更為敏感(Bremeneetal，1986)。嫌氣條件下因缺氧而難以檢測(cè)出NO2--N。在通氣良好的條件下，NBPT和PPD能減少土壤中NO2--N的累積，增加NO3--N的積累增加。在嫌氣條件下，NO2--N的含量相稱(chēng)低(Wang,1991)。Bremener(1990)報(bào)道，NBPT不僅對(duì)尿素水解和減少氨揮發(fā)有影響，并且明顯影響NO2--N的累積。NBPT用量為尿素的0.47%時(shí)，土壤中NO2--N的累積從11%減少到1%。SamaterAH等(1994,1996)在9種比利時(shí)土壤上有關(guān)NO2--N積累做了實(shí)驗(yàn)，成果表明，當(dāng)pH>7時(shí)土壤顯示較高的NH4+-N和NO3--N累積。王小彬等的實(shí)驗(yàn)顯示，克制劑與尿素表施時(shí)，因減少了氨的揮發(fā)，土壤中NO3--N含量有所增加，而尿素種旁施用時(shí)，脲酶克制劑的有無(wú)對(duì)土壤NO3--N的含量影響不大。中國(guó)南方酸性水稻土，尿素作為基肥時(shí)氮的損失在氣溫較低的月份以反硝化為主，在溫度較高的月份，氨的揮發(fā)與反硝化作用同等重要。在石灰性土壤上，尿素的損失重要是氨揮發(fā)與反硝化損失。Phongan和Freney等在淹水田的研究表明，NBPT、PPD、NBPT+PPD解決，第9天當(dāng)不加克制劑的尿素完全水解時(shí)，各解決分別以尿素形態(tài)保存約42%、38%和46%。由此認(rèn)為，如果脲酶克制劑有效，氮將以尿素形態(tài)保存，氮的反硝化會(huì)對(duì)應(yīng)的減少。對(duì)氫醌的研究表明，氫醌在4mg.kg-1時(shí)，能減少土壤中反硝化細(xì)菌的數(shù)目，從而減少氣態(tài)損失，并且隨氫醌施用量增加而增強(qiáng)。但也有研究表明，NBPT和PPD用量為0.47%時(shí)，對(duì)硝化或反硝化作用無(wú)克制效果。證明盡管加入PPD使尿素的氨揮發(fā)損失明顯減少，但卻增進(jìn)反硝化作用增強(qiáng)(Bremneretal.,1986)，特別是15N的示蹤實(shí)驗(yàn)成果表明，不加克制劑解決的表觀反硝化引發(fā)的N損失遠(yuǎn)不大于氨的揮發(fā)損失，證明大部分被保存的氮并未被反硝化而是被保存在土壤中。1.3.7脲酶克制劑對(duì)氮肥運(yùn)用率的影響施用脲酶克制劑的重要目的就是提高氮肥的運(yùn)用率。Rao等報(bào)道PPD不僅對(duì)尿素的水解，氨揮發(fā)和水稻產(chǎn)量有一定的影響，并且提高氮的運(yùn)用率6.8%。Buresh等(1988)在水稻田上的實(shí)驗(yàn)也表明NBPT和PPD都能提高氮肥的運(yùn)用率，Joo等在草坪和牧草也得出了相似的結(jié)論。(Lietal,1993)的研究報(bào)道，黑麥草的尿素氮吸取總量因加入NBPT而提高，但卻隨使用氫醌而減少。氫醌解決的尿素氮損失再生長(zhǎng)后期的增加預(yù)計(jì)與氫醌對(duì)硝化作用的克制有關(guān)，還可能由于氫醌在土壤中的快速分解。然而，據(jù)周禮愷報(bào)道，氫醌用量為0.01%和0.02%時(shí)，可提高春小麥對(duì)尿素的運(yùn)用率。國(guó)內(nèi)的陳葦?shù)鹊膶?shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，施用添加PPD、NBPT和HQ三種脲酶克制劑的肥料的運(yùn)用率均在30%以上，比不加脲酶克制劑的尿素氮運(yùn)用率的24.8%提高了5.2%左右。1.3.8脲酶克制劑對(duì)作物發(fā)芽與出苗的影響當(dāng)尿素施用過(guò)量或者不當(dāng)，會(huì)引發(fā)作物“燒苗”，實(shí)驗(yàn)表明添加脲酶克制劑能夠減少尿素施用過(guò)量或者部位不當(dāng)造成的出苗率低和苗期生長(zhǎng)毒害的影響，有助于作物苗期生長(zhǎng)。研究表明，在不加脲酶克制劑NBPT的狀況下，小麥的出苗率隨種旁施用尿素氮量的增加而明顯下降。然而使用種旁施用尿素對(duì)幼苗的危害隨加入0.15%或0.25%(w/w)NBPT用量而減小(wangetal1995;frency1992)。Bremner等人研究了10種脲酶克制劑對(duì)種子出苗的影響，NBPT和PPD有效的減輕尿素溶液對(duì)種子出苗的負(fù)效應(yīng)，當(dāng)NBPT的用量為尿素施用量的0.01%，尿素對(duì)種子萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)和植株早期生長(zhǎng)的負(fù)效應(yīng)都對(duì)應(yīng)較少。以小麥、燕麥和黑麥為材料的實(shí)驗(yàn)表明，加入0.01%的NBPT可消除或明顯減小尿素肥料對(duì)種子出苗和苗期生長(zhǎng)的負(fù)效用。。Grant等研究表明，尿素種旁配施NBPT較不加克制劑的解決，出苗率提高了13%左右。NBPT與尿素表施時(shí)，對(duì)出苗影響不大，NBPT的用量0.15%和0.25%之間差別不明顯。1.3.9脲酶克制劑對(duì)作物產(chǎn)量的影響由于土壤環(huán)境的多變，脲酶克制劑對(duì)田間實(shí)驗(yàn)中未體現(xiàn)穩(wěn)定的增產(chǎn)效果。Grant等綜合了NBPT通過(guò)減少尿素或含尿素肥料的揮發(fā)損失而增加產(chǎn)量的多個(gè)情形，得出結(jié)論：在那些作物產(chǎn)量潛力大，土壤氮的水平低，土壤和環(huán)境條件都對(duì)氨揮發(fā)有利的地區(qū)，施用NBPT將有最大收益。1993-1994年全美國(guó)脲酶克制劑NBPT(Agrotain)在玉米上使用成果顯示，NBPT平均增加玉米籽粒產(chǎn)量10蒲式耳/英畝。國(guó)內(nèi)的盧婉芳等(1990)的實(shí)驗(yàn)中研究了NBPT對(duì)水稻產(chǎn)量的影響表明每畝可增加23.8-41.2kg。Phongpan等(1995)在為期三年的實(shí)驗(yàn)中研究了NBPT對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，通過(guò)使用NBPT，玉米籽粒產(chǎn)量可增加20%左右。但是也有實(shí)驗(yàn)未得出添加脲酶克制劑的肥料增加作物產(chǎn)量。王小彬等(1994)對(duì)小麥田施用脲酶克制劑NBPT的效果研究表明，0.15%與0.25%尿素量的NBPT僅增加了作物對(duì)氮的吸取，但是產(chǎn)量與無(wú)克制劑解決沒(méi)有明顯差別。LiLiantie等報(bào)道，NBPT和PPD對(duì)黑麥草干物質(zhì)重的影響并不明顯。Schlegel和Tomar等人研究也顯示玉米大田實(shí)驗(yàn)中加入NBPT和PPD產(chǎn)量并不是始終增加。徐星凱等報(bào)道HQ用量為0.01%和0.02%時(shí)，僅提高了春小麥對(duì)尿素氮的運(yùn)用率。1.4硝化克制劑1.4.1硝化克制劑及其原理硝化克制劑是能夠克制土壤中亞硝化細(xì)菌微生物活性的一類(lèi)物質(zhì)的總稱(chēng)。它進(jìn)入土壤后能夠克制土壤中亞硝化、硝化、和反硝化作用，從而制止NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化過(guò)程(AMBERGER,1989)。氮肥更長(zhǎng)時(shí)間以NH4+-N形式保存在土壤中，供作物吸取運(yùn)用，這不僅提高了肥效，還減少了NO3--N淋溶和反硝化造成的其它損失，同時(shí)許多研究表明，植物以NH4+-N形式吸取氮，尚有一種好處，即造成根際周邊pH下降，成果使土壤中固定的磷活化，增加了磷的吸取(孫愛(ài)文等，)。1.4.2硝化克制劑的種類(lèi)硝化克制劑從化學(xué)形態(tài)上講重要分為無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)化合物重要以重金屬鹽類(lèi)為主(武志杰和陳利軍，)，但由于重金屬的施用容易造成環(huán)境的二次污染，因此，其作為開(kāi)發(fā)和應(yīng)用受到了一定的限制。有機(jī)化合物重要分為含硫化合物、乙炔及乙炔基的取代物、氰胺類(lèi)化合物和雜環(huán)氮化合物。表2硝化克制劑種類(lèi)及化學(xué)名稱(chēng)Table2Categoryandchemicalnameofnitrificationinhibitors硝化克制劑化學(xué)名NitrapyrinN-西吡DCD雙氰胺CMP1-甲氨甲酰-3-甲基吡唑MP3-甲基吡唑C2H2乙炔Terrazole氯唑靈AM2-胺-4-氯-6-甲基嘧啶ST2-磺胺噻唑ATC4-胺-1，2，4-三氮作鹽酸鹽Sulfathiazole磺胺噻唑Thiourea硫脲Guanylthiourea脒基硫脲1-amidino-2-thiourea1-脒基-2-硫脲DMPP3，4-二甲基吡唑磷酸鹽Ammoniumthiosulfate硫代硫酸銨EthyleneUrea亞乙基脲Potassiumazide疊氮鉀Sodiumazide疊氮鈉Coatedcalciumcarbide包被碳化鈣2，5-dichloroaniline2，5-氯苯胺3-chloroacetaniline3-乙酰苯胺Toluene甲苯Carbondisulphide二硫化碳Phenylacetylene苯乙炔2-propyn-1-ol2-丙炔-1-醇DSCN-2，5二氯苯基琥珀酰胺MBT2-巰基苯并噻唑AOL氨氧化木質(zhì)素2-amino-4-chloro-6-methyl-pyrimidine2-氨基-4-氯-6-甲基嘧啶Propyne丙炔Methylfluoride氟代甲烷1.4.3國(guó)內(nèi)外硝化克制劑的研究進(jìn)展現(xiàn)在存在的硝化克制劑分為天然存在的和人工合成的兩種，天然存在的硝化克制劑重要來(lái)自根系分泌物和有機(jī)質(zhì)的分解產(chǎn)物，人造硝化克制劑重要開(kāi)始于美國(guó)、日本和德國(guó)。19初次報(bào)道了雙氰胺(DCD)硝化克制特性。1962年日本硫曹把硝化克制劑硫脲作為化肥申請(qǐng)專(zhuān)利，1965年日本農(nóng)林水產(chǎn)省認(rèn)定它為硝化克制劑。其它已經(jīng)注冊(cè)的克制劑產(chǎn)品有AM、MBT、ASU、DCS和ST等。美國(guó)也在60年代由道化公司開(kāi)發(fā)了西吡[2-氯-6(三氯甲基)-吡啶]，1975年美國(guó)環(huán)保局正式同意在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。到了80年代，德國(guó)的SKW公司和BASF公司分別以Didin和Alzon商標(biāo)將摻混DCD的肥料推廣到市場(chǎng)。我國(guó)的硝化克制劑始于60年代左右，科學(xué)家首先對(duì)美國(guó)的西吡進(jìn)行了研究，后來(lái)全國(guó)某些化工、農(nóng)業(yè)科研院所對(duì)其它十幾個(gè)硝化克制劑進(jìn)行了篩選，到1981年我國(guó)正式通過(guò)鑒定的硝化克制劑有西吡、脒基硫脲和雙氰胺三個(gè)品種。90年代中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所成功的研制了長(zhǎng)效碳酸氫銨，對(duì)于提高碳銨的運(yùn)用率，減少環(huán)境影響起到了一定的作用，田間實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出較好的效果。近幾年，德國(guó)的BASF成功的研制了新型吡唑類(lèi)硝化克制劑DMPP(3,4-二甲基吡唑磷酸鹽)經(jīng)幾年的田間實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出較好的效果，但是較高的價(jià)格限制了其的大面積推廣，國(guó)內(nèi)的武志杰等研究了DMPP及其改性物質(zhì)DMP、DMPZP等克制劑的室內(nèi)效果和田間效果。1.4.4硝化克制劑對(duì)硝化作用的影響硝化克制劑對(duì)硝化作用有著明顯的克制效果，使土壤中的NH4+-N可時(shí)間保持在較高水平就必然會(huì)對(duì)應(yīng)地增進(jìn)NH4+-N的作物吸取和微生物固持，其克制效果除取決于土壤條件外，更取決于土壤中礦質(zhì)N的形態(tài)與狀況(朱兆良和文啟孝，1992)。Chalk等研究表明，硝化克制劑能明顯克制硝化活性較高的土壤中源于尿素水解后硝酸鹽的形成，減少氨的氧化。徐星凱等()研究證明，在小麥拔節(jié)期，大概所施尿素15N40%在無(wú)克制劑的土壤中被氧化，而在土壤中存在DCD或DCD+HQ時(shí)卻局限性10%，DCD可明顯克制NH4+-N的硝化作用長(zhǎng)達(dá)2個(gè)月，增進(jìn)肥料氮的微生物固持，從而有助于減少氮素?fù)p失，提高氮肥肥力。商照聰?shù)?1999)通過(guò)采用室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)辦法，研究雙氰胺對(duì)碳酸氫銨中的NH4+-N在土壤中動(dòng)態(tài)變化的影響，成果表明：無(wú)論是碳銨與雙氰胺的機(jī)械混施，還是含雙氰胺的長(zhǎng)效碳銨，在克制NH4+-N硝化產(chǎn)生NO3--N的同時(shí)對(duì)氨揮發(fā)也有一定的克制作用，使土壤在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持更高的NH4+-N含量，并對(duì)碳銨施入后土壤的酸堿化強(qiáng)度起到了緩沖作用．添加雙氰胺不僅提高了碳銨的氮肥運(yùn)用率．還減少了肥料氮素?fù)p失。陳振華等()通過(guò)室內(nèi)原狀土柱模擬實(shí)驗(yàn)證明添加DCD的肥料NH4+-N的氧化有較好的克制，明顯減少了NO3--N的含量。Zerlla等()研究證明了在大田實(shí)驗(yàn)中每公頃施用0.5~1.5kgDMPP就能夠有較好的硝化克制效果，能夠克制硝化作用達(dá)4~10周。并且他比較了DMPP與DCD的克制效果，證明只有DCD量的1/10的DMPP，其硝化克制效果就能夠超出DCD，并且其硝化克制作用持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。孫志梅等()所作的DMP(3，5-二甲基吡唑)實(shí)驗(yàn)表明DMP對(duì)尿素的水解僅有短暫的克制作用，但它能夠在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)明顯克制土壤NH4+-N的氧化，且隨著DMP的用量的增加，克制效果逐步增強(qiáng)。1.4.5硝化克制劑對(duì)氣體揮發(fā)的影響在硝化作用的進(jìn)行的同時(shí)也隨著著反硝化作用的發(fā)生。在酸性土壤上，尿素作基肥時(shí)，N損失重要以反硝經(jīng)化作用為主；在石灰性土壤上，尿素氮肥的損失重要通過(guò)氨揮發(fā)和反硝化作用(BREMNERandKERKHOFF，1986)。澳大利亞的研究指出，在澆灌土壤上尿素氮的損失重要不是由NH3的揮發(fā)、NO3--N淋失或徑流引發(fā)，而是由反硝化作用引發(fā)(SMITHetal，1989)。Wolt()的實(shí)驗(yàn)證明，硝化克制劑的施用對(duì)減少硝化作用過(guò)程中N2O的排放作用是直接的，而對(duì)反硝化過(guò)程的影響則是間接。因此典型的硝化克制劑對(duì)減少由反硝化過(guò)程中產(chǎn)生的NO和N2O的排放效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如對(duì)硝化作用那么明顯(Andersonetal,1993)。硝化克制劑能夠克制硝化速率，減緩NH4+-N向NO3--N的轉(zhuǎn)化，從而減少氮素的反硝化損失和N2O的產(chǎn)生(陳利軍等，1995；周禮愷等，1999)Kumar等()研究表明，在土壤水分含量為田間持水量的80%時(shí)，DCD發(fā)施用能夠減少來(lái)自于尿素肥料中N2O排放約二分之一。Xu等()的研究表明，在排水良好的小麥-土壤系統(tǒng)中，N2O的排放重要來(lái)自硝化作用，DCD的施用可使小麥拔節(jié)期以前的N2O排放減少59.8%，使總的N2O的排放量減少22.3%，使小麥整個(gè)生長(zhǎng)久以氣態(tài)氮形式損失的總尿素氮量減少11.3%。Weiske等()的持續(xù)3年田間實(shí)驗(yàn)成果表明，DCD、DMPP和ClMP(4-氯-3-甲基吡唑)的施用三年平均使農(nóng)田土壤中N2O的排放量分別減少25%，49%和26%，同時(shí)三年內(nèi)三種克制劑減少CO2的排放量分別為7%，28%，6%。另外，據(jù)Lindau(1993)的研究表明，ECC和DCD的施用可使水稻CH4的排放量分別減少35%和14%。1.4.6硝化克制劑與NO3--N淋溶在多雨地區(qū)或澆灌條件下，氮肥產(chǎn)生的NH4+-N在快速氧化成NO3--N后極易通過(guò)淋失損失，而使用的硫硝酸銨為氮源時(shí)，僅有20%被淋失到45cm的土層中，對(duì)照中則有68%被淋失掉(Sernaetal.,1994)。YADAV(1997)通過(guò)對(duì)Nitrapyrin持續(xù)6年的實(shí)驗(yàn)表明，硝酸鹽的累積淋失量減少了20%；通過(guò)添加DCD，減少休閑地土壤中NO3--N的淋失達(dá)25%~50%(Francisetal,1995)，田作物土壤中3年的平均淋失量減少21kg.hm2,減少尿素的氮素?fù)p失達(dá)48%(BALLetal,1999)，減少奶牛場(chǎng)中的氮素?fù)p失達(dá)18%(Williamsonetal,1998)。Serna等()通過(guò)柑橘實(shí)驗(yàn)證明，肥料施用后5天DMPP的施用否對(duì)N在土壤剖面中氮分布影響不大，占施用量氮80%以上的氮分布在0-15cm土層中，肥料施用20天之后，對(duì)照解決氮量的48%、26.7%和13.3%分別分布在0-15cm、15-30cm和30-45cm的土層中，而施用DMPP的土壤中，三個(gè)土層中的氮量分別占施用氮總量的64%、19%和2.3%。在施肥后60天，對(duì)照解決淋溶到60cm土層下列的氮量已經(jīng)占到施氮量的52.4%，而添加DMPP解決的土層僅有15.6%，DMPP的施用能夠使得整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間NO3--N的淋溶損失總量減少48.47%。國(guó)內(nèi)的俞巧鋼等()采用小粉土和青紫泥原狀土柱種植青菜，成果表明：尿素添加DMPP對(duì)土壤氮素淋失的影響，在60天內(nèi)，與常規(guī)尿素相比，小粉土和青紫泥DMPP解決NO3--N的累積淋失量分別減少66.8%和69.4%。孫志梅等()通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，40-100cm的土層中，添加DMP的解決在2年中淋失量分別比對(duì)照減少了28.77%和44.70%1.4.7硝化克制劑對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響由于硝化克制劑能夠克制硝化作用，添加之后氮肥能更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)以銨態(tài)氮的形式保持在土壤中，由于作物對(duì)土壤中NH4+-N和NO3--N均能吸取運(yùn)用，但不同的作物對(duì)這兩種氮素形式的喜好不同(NeisonandHauck,1965)。并且土壤的肥力水平的不同、作物種類(lèi)的各異、硝化克制劑品種的多樣和土壤本身等因素都是硝化克制劑增產(chǎn)效果不穩(wěn)定的因素之一。Rodgers(1985)報(bào)道，應(yīng)用硝化克制劑硝基吡啶后，冬小麥對(duì)氮素的吸取增加9%左右。在沒(méi)有硝化克制劑時(shí)，棉花對(duì)肥料氮的回收率僅有57%，而施用硝基吡啶后，棉花對(duì)肥料氮的回收率增加到74%(Frencyetal,1993)。Maizer(1989)通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：硝基吡啶與尿素、硝酸銨尿素復(fù)合肥應(yīng)用于玉米地，可提高玉米葉片的全氮含量?？赂?lái)等()通過(guò)在肥料中添加DCD在水田和旱田2種條件下表明：在水田條件下，增產(chǎn)幅度為12.2%~14.3%；在旱田條件下增產(chǎn)3.4%~6.6%。DMPP由于添加量少，合用多個(gè)土壤類(lèi)型，是現(xiàn)在報(bào)道中含有較穩(wěn)定增產(chǎn)效果的克制劑，Pasda的數(shù)年實(shí)驗(yàn)成果表明，添加DMPP的肥料的增產(chǎn)效果：冬小麥+0.25t.ha-1，水稻+0.29t.ha-1玉米+0.24t.ha-1馬鈴薯+0.1.9t.ha-1甜菜+0.24t.ha-1胡蘿卜+4.9t.ha-1萵苣+1.9t.ha-1等。國(guó)內(nèi)的許超，吳良?xì)g等的實(shí)驗(yàn)得出了添加DMPP的肥料不僅可提高蔬菜產(chǎn)量、減少NO3--N含量，還可提高Vc、氨基酸、Zn、N、K含量，改善了蔬菜品質(zhì)。孫志梅等()通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)和盆栽實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的辦法對(duì)在尿素中添加DMP和DCD兩種硝化克制劑對(duì)水稻產(chǎn)量影響的成果表明：水稻產(chǎn)量、籽粒粗蛋白含量相對(duì)于對(duì)照都有明顯提高。1.5脲酶/硝化克制劑單獨(dú)使用的缺點(diǎn)及協(xié)同作用1.5.1脲酶/硝化克制劑單獨(dú)使用的缺點(diǎn)脲酶克制劑和硝化克制劑分別對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)化的某一特定過(guò)程產(chǎn)生作用。并且脲酶克制劑作用時(shí)間普通較短(Austinetal.,1984;Bynesetal.,1989)，并且較易受到土壤性質(zhì)、外界環(huán)境的影響(McCartyetal.,1989;Creasonetal.,1990)，并且對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)化成氨后來(lái)的行為影響較小，甚至尚有可能增進(jìn)其它途徑如硝化作用或反硝化作用而造成氮損失(周禮愷等，1999)。硝化克制劑克制了NH4+-N向NO3--N轉(zhuǎn)化，更多的氮素以NH4+-N形式保存在土壤中，故加劇了氨氣的潛在揮發(fā)幾率?？傊迕缚酥苿┖拖趸酥苿┓謩e對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)化的某一過(guò)程進(jìn)行控制而不及其它，因此單獨(dú)使用的效果并不總是很明顯，因此如果能將兩者合理組合使用，則比兩者單獨(dú)使用效果更加好(武志杰和陳利軍，)。1.5.2克制劑組合對(duì)尿素氮轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)陳利軍等(1995)通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，研究了脲酶克制劑HQ和硝化克制劑DCD的協(xié)同作用對(duì)旱田和水田條件下尿素水解的影響，研究表明，在旱田或水田條件下，不加克制劑尿素在施入土壤后一周內(nèi)完全水解，而HQ和DCD配合使用能夠使尿素水解再延長(zhǎng)一周，NH4+-N的含量在整個(gè)培養(yǎng)期能夠保持較高含量。Chen等(1998)在田間的小麥種植實(shí)驗(yàn)中添加HQ和DCD，成果表明，兩者配合施用能夠使小麥在整個(gè)生育期均保持很高NH4+-N含量。焦曉光等()研究了NBPT和DCD及其兩者組合在草甸棕壤上施用對(duì)尿素轉(zhuǎn)化的影響，成果表明，配施NBPT和DCD解決能