硝化/脲酶抑制劑和生物炭對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤微生物及碳氮循環(huán)影響的研究進(jìn)展

郭延軻　趙長(zhǎng)盛　劉偉　高新國(guó)　李魯震　劉緒振　董亞男

摘要：在我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的形勢(shì)下，肥料的高投入量和低利用率的問題亟待解決。氮肥以硝態(tài)氮淋溶、溫室氣體排放的方式釋放到自然環(huán)境中，在影響土壤微生物環(huán)境和碳氮循環(huán)過程的同時(shí)，加劇生態(tài)污染。針對(duì)氮肥高投入量帶來的設(shè)施農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分流失問題，了解硝化/脲酶抑制劑和生物炭對(duì)設(shè)施土壤微生物及碳氮循環(huán)的影響機(jī)制，對(duì)維持微生物群落動(dòng)態(tài)平衡、溫室氣體減排、提高設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力具有重要指導(dǎo)意義。本文綜述硝化/脲酶抑制劑、生物炭影響土壤養(yǎng)分循環(huán)的作用機(jī)制，對(duì)多種抑制劑的現(xiàn)存優(yōu)缺點(diǎn)和生物炭特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，總結(jié)三者近年來在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的研究應(yīng)用進(jìn)展，包括硝化/脲酶抑制劑和生物炭的單獨(dú)施用與聯(lián)合施用對(duì)微生物活性、溫室氣體排放、土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量的影響，探究3種物質(zhì)在田間的最佳施用方式及施用量?？紤]到硝化/脲酶抑制劑和生物炭在現(xiàn)階段的應(yīng)用仍存在局限性，本文在討論新型硝化/脲酶抑制劑發(fā)展現(xiàn)狀的同時(shí)，對(duì)3種物質(zhì)未來發(fā)展趨勢(shì)和使用方法進(jìn)行展望，以期為硝化抑制劑、脲酶抑制劑、生物炭在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的合理應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：微生物；碳氮排放；硝化抑制劑；脲酶抑制劑；生物炭；設(shè)施土壤

中圖分類號(hào)：S153.6+1；S154.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）09-0001-11

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，耕地面積經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展已達(dá)到1.28億hm2，截至2020年溫室大棚栽培面積已有370萬hm2［1］；設(shè)施農(nóng)業(yè)總面積超過400萬hm2，

設(shè)施土壤種植面積逐年遞增，設(shè)施蔬菜產(chǎn)值占全國(guó)蔬菜總產(chǎn)值的半數(shù)以上［2］。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，施肥對(duì)于作物增產(chǎn)增收十分重要，但種植者通常會(huì)因?yàn)樽非蟾弋a(chǎn)而大大增加肥料的使用量。20世紀(jì)90年代，我國(guó)肥料高投入量低利用率的問題開始顯現(xiàn)，多年來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增長(zhǎng)率只有33%，肥料使用量增長(zhǎng)率高達(dá)77%，氮素利用率僅在30%左右［3-4］。

作為土壤系統(tǒng)中的重要組成部分，微生物在維持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、促進(jìn)生物化學(xué)過程中起到關(guān)鍵作用［5］。促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)、溫室氣體排放的硝化和反硝化過程也與微生物密切相關(guān)。碳氮作為土壤系統(tǒng)中最主要的組成元素，對(duì)土壤養(yǎng)分保持、溫室氣體排放、內(nèi)部物質(zhì)循環(huán)、作物產(chǎn)量都有直接影響［6］。土壤中氮、碳循環(huán)的過程分別如圖1、圖2所示。設(shè)施土壤長(zhǎng)期的氮肥高投入量和低利用率導(dǎo)致土壤養(yǎng)分大量積累，進(jìn)而破壞微生物群落結(jié)構(gòu)［7］。累積的碳氮元素經(jīng)微生物礦化作用，以NH3、CO2、CH4等形式排入空氣中，引發(fā)碳氮比例失衡［8］。土壤硝態(tài)氮積累過多，還會(huì)以硝態(tài)氮淋溶、NH+4、氮氧化物等不同形式進(jìn)入環(huán)境，不僅污染地下水，更會(huì)導(dǎo)致溫室氣體N2O排放量增多［9-10］，造成的環(huán)境問題不容忽視。已有研究表明，在40～50年內(nèi)過量施肥，會(huì)導(dǎo)致土壤有機(jī)碳出現(xiàn)0.9～5.9 g/kg

的凈損失，這種現(xiàn)象在深層土壤更加明顯［11］。1979年開始的第2次全國(guó)土壤普查結(jié)果表明，我國(guó)耕地表層超過50%的面積出現(xiàn)無機(jī)碳損失現(xiàn)象［12］。此外，設(shè)施土壤過量施肥在提高生產(chǎn)成本的同時(shí)，還帶來土壤養(yǎng)分失衡、肥力嚴(yán)重下降、板結(jié)現(xiàn)象增多、作物產(chǎn)量降低等各種危害，極大制約了設(shè)施農(nóng)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

我國(guó)設(shè)施菜地每年因反硝化過程產(chǎn)生的氮損失量可達(dá)45.8 kg/hm2［13］。硝化抑制劑在設(shè)施土壤中通過抑制硝化細(xì)菌活性，降低硝態(tài)氮累積，達(dá)到減少硝態(tài)氮淋溶和反硝化過程氮損失的目的。脲酶抑制劑對(duì)脲酶活性產(chǎn)生抑制作用，延緩尿素水解，進(jìn)而降低銨態(tài)氮含量，減少設(shè)施土壤中NH3、N2O的排放。生物炭是原材料經(jīng)高溫?zé)峤舛傻囊活愇侥芰^強(qiáng)的富碳物質(zhì)，在設(shè)施土壤中作為改良劑使用，可以產(chǎn)生改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、增加碳氮養(yǎng)分含量、提高作物養(yǎng)分利用率的效果［14］。鑒于硝化抑制劑、脲酶抑制劑、生物炭對(duì)設(shè)施土壤微生物群落和碳氮減排的積極作用，近年來這3種物質(zhì)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中備受重視，但也存在有效期短、成本高、效果不穩(wěn)定、具有毒副作用等多種問題。本文總結(jié)硝化抑制劑、脲酶抑制劑、生物炭單施或配施對(duì)設(shè)施土壤微生物活性、碳氮循環(huán)及作物生長(zhǎng)的影響，分析其在土壤中的作用機(jī)理，旨在為其在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的合理應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 設(shè)施土壤氮肥利用現(xiàn)狀及影響

氮素作為植物發(fā)育不可或缺的元素之一［15］，也是植物內(nèi)部蛋白質(zhì)、核酸、激素的主要組成成分，具有促進(jìn)植物進(jìn)行生理代謝的作用，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的營(yíng)養(yǎng)元素。盡管土壤和空氣中存在大量的氮，但其本身具有非常強(qiáng)的穩(wěn)定性，只有少數(shù)植物可以將氮轉(zhuǎn)化為自身可利用的形式［16］。我國(guó)農(nóng)田肥料的施用主要以氮肥為主，氮肥的合理施用是增加作物產(chǎn)量和提高土壤肥力的重要舉措之一［17］。由于在生產(chǎn)過程中過于追求產(chǎn)量的提升，氮肥的過度使用現(xiàn)象隨之出現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)2015年耕地養(yǎng)分平均投入量為446 kg/hm2，是世界平均水平的3.6倍［18］，其中設(shè)施菜地的氮肥施入量更是達(dá)到 1 500 kg/hm2［19］。有研究表明，溫室菜地氮肥用量是露天菜地的2～5倍［20］。氮肥的高施用量會(huì)增加氮素?fù)p失的風(fēng)險(xiǎn)。在北京郊區(qū)的設(shè)施菜地，氮素?fù)p失量高達(dá)施肥量的82%［21］。氮素流失會(huì)造成農(nóng)業(yè)面源或點(diǎn)源污染。調(diào)查表明，在丹麥的270條河流中有超過80%的氮來自于農(nóng)業(yè)面源污染［22］。此外，地下水和大氣也因氮素流失而受到不同程度的污染。相對(duì)于傳統(tǒng)露天土壤，設(shè)施土壤具有高施肥量、高灌溉量、多茬輪作等特點(diǎn)，特殊的種植模式導(dǎo)致土壤的理化性質(zhì)發(fā)生巨大改變。土壤中未被利用的氮肥經(jīng)過硝化作用被轉(zhuǎn)化成硝酸鹽，因此硝態(tài)氮大量積累，導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降進(jìn)而發(fā)生酸化、鹽漬化問題。較高的設(shè)施土壤溫度也會(huì)增加氮素的流失。Keshavarz等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)天氣比較溫暖時(shí)，50%～60%的氨氮會(huì)通過淋溶、揮發(fā)、分解等方式從土壤中流失［23］。

微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其群落動(dòng)態(tài)平衡對(duì)于養(yǎng)分循環(huán)和植物生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要［24］。由于設(shè)施土壤獨(dú)特的耕作施肥方式加上常年多茬輪作，土壤微生物會(huì)隨之產(chǎn)生一系列變化。She等的研究結(jié)果表明，長(zhǎng)期連作會(huì)使土壤微生物種類、群落結(jié)構(gòu)、豐度發(fā)生改變，有益菌減少，病原菌增加，微生物種類、豐度出現(xiàn)失衡，制約設(shè)施農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展［25］。氨氧化作為土壤硝化作用的基本過程，對(duì)設(shè)施土壤氮循環(huán)有著重要意義。卞碧云在研究氮肥用量對(duì)設(shè)施菜地氨氧化微生物影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，氮肥高用量導(dǎo)致AOA、AOB中的amoA基因豐度顯著降低［26］。土壤微生物量雖然在土壤有機(jī)質(zhì)中占比很低，但其對(duì)土壤碳氮養(yǎng)分循環(huán)有著重要作用。通常來說，微生物生物量碳和氮含量較高時(shí)，土壤質(zhì)量也相應(yīng)較好。王靜等研究發(fā)現(xiàn)，在黃棕壤土中長(zhǎng)期施用氮肥會(huì)降低微生物的生物量碳和氮含量［27］。但也有研究表明，氮肥施用會(huì)增加堿性土壤中微生物生物量碳和氮的含量［28］。

土壤溫室氣體排放與施肥量息息相關(guān)。目前有關(guān)氮肥對(duì)溫室氣體CH4排放量影響的研究較為復(fù)雜，以稻田生態(tài)系統(tǒng)為例，加入氮肥有利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，提升作物CH4運(yùn)輸速率，抑制土壤中CH4氧化，進(jìn)而增加CH4排放；相反的是，CH4、銨態(tài)氮的存在可能會(huì)促進(jìn)CH4氧化菌生長(zhǎng)和CH4氧化，進(jìn)而降低CH4排放［29］。已有研究表明，N2O的排放量與氮肥施用量之間存在指數(shù)關(guān)系［30］。何閃閃等的研究結(jié)論與該看法一致，發(fā)現(xiàn)設(shè)施菜地N2O的排放量隨施肥量的增加而提升［31］。為此，減少氮肥用量或者配施硝化抑制劑、脲酶抑制劑，可以降低土壤硝化和反硝化過程中N2O的產(chǎn)生量［32］。近年來施用生物炭也被認(rèn)為是溫室氣體減排的一種有效手段，許多學(xué)者將生物炭與氮肥聯(lián)合使用，應(yīng)用于設(shè)施土壤以研究對(duì)硝化和反硝化微生物群落的影響。

2 硝化抑制劑對(duì)設(shè)施土壤微生物及碳氮循環(huán)的影響

2.1 硝化抑制劑概念及作用機(jī)理

硝化抑制劑是一類能夠?qū)ν寥老趸?xì)菌等微生物活性產(chǎn)生抑制作用的化合物，進(jìn)而抑制土壤硝化、反硝化過程，延長(zhǎng)銨態(tài)氮在土壤中停留的時(shí)間，提高肥料氮利用效率，降低施氮對(duì)氣候和環(huán)境的不利影響［33］。自從20世紀(jì)50年代美國(guó)開始研究人工合成硝化抑制劑以來，到以吡唑、吡啶、嘧啶、酰胺類化合物為主的化學(xué)合成硝化抑制劑的開發(fā)應(yīng)用［34］，發(fā)現(xiàn)具有氮肥增效作用的物質(zhì)已超過百種［35］。然而在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，僅有雙氰胺（DCD）、2-氯-6-三氯甲基吡啶（CP）、3，4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）這3種硝化抑制劑得到了廣泛應(yīng)用［36-37］。常見硝化/脲酶抑制劑的主要特點(diǎn)見表1。

2.2 硝化抑制劑應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究進(jìn)展

鑒于硝化抑制劑具有延緩?fù)寥乐袖@態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的作用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始將硝化抑制劑應(yīng)用于設(shè)施土壤，來減輕土壤氮素流失和肥力下降的現(xiàn)狀，探討其在土壤中的作用機(jī)理。Duff等研究發(fā)現(xiàn)，尿素和DCD共同使用，氮循環(huán)微生物功能和群落豐度不受肥料和抑制劑影響，當(dāng)DCD抑制尿素時(shí)，amoA基因豐度降低［45］。Li等研究指出，相比于單獨(dú)使用尿素，在尿素中加入1%施氮量的DMPP，可使氨氧化菌群的數(shù)量、硝酸鹽還原酶及亞硝酸鹽還原酶的活性明顯降低，但亞硝酸鹽氧化細(xì)菌數(shù)量、羥胺還原酶活性幾乎不受DMPP影響［46］。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)出的溫室氣體主要包括N2O、CO2、CH4，在集約化種植的設(shè)施土壤中，3種氣體的排放更為突出。王凌等對(duì)設(shè)施菜地氮源氣體排放的研究結(jié)果表明，相比于只進(jìn)行常規(guī)施肥，增施DCD可以使氮氧化物排放量減少76.5%，N2O排放量減少28.4%［47］。Zhang等的研究則與之相反，指出DCD的添加不影響集約化農(nóng)業(yè)N2O的排放，但另一種硝化抑制劑CP對(duì)N2O的排放量有明顯抑制作用［48］。李寶石等在研究施用DMPP對(duì)日光溫室黃瓜根區(qū)N2O、CO2排放的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，加入DMPP可以明顯降低黃瓜根區(qū)N2O的累積排放量，并在土壟配施DMPP試驗(yàn)中表現(xiàn)出比單獨(dú)土壟試驗(yàn)設(shè)計(jì)更低的CO2排放量，后者是前者排放量的1.4倍［49］。Weiske等的研究也同樣表明，施用DMPP會(huì)降低CO2、CH4的排放量［50］。NH3作為大氣中僅有的堿性氣體，對(duì)霧霾、酸雨的形成起到重要作用［51］。Asing等的研究表明，相較于無DCD，添加DCD處理的NH3排放量增加58%［52］。許紀(jì)元等研究發(fā)現(xiàn)，在氮肥不同施加量基礎(chǔ)上添加CP，設(shè)施番茄土壤氨揮發(fā)量分別增加178.6%、83.7%［53］，這表明氨揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)有所增加，同時(shí)氮素的損失量減少。

設(shè)施土壤長(zhǎng)期高量施加氮肥，迫使土壤出現(xiàn)酸化和鹽漬化，并導(dǎo)致作物產(chǎn)量降低。張昊青等研究發(fā)現(xiàn)，在酸性紅壤中添加石灰并增施DCD，可以提高土壤的pH值，減緩?fù)寥浪峄捎谠谒嵝詶l件下DCD對(duì)AOA、AOB有抑制作用，DCD和石灰結(jié)合使用還可以抑制硝化過程進(jìn)行［54］。喬國(guó)慶等在次生鹽漬化農(nóng)田添加硝化抑制劑后，發(fā)現(xiàn)棉花抗鹽性增強(qiáng)，硝酸鹽含量降低，各處理的產(chǎn)量平均增加5.6%［55］。黃東風(fēng)等的研究表明，添加硝化抑制劑白菜產(chǎn)量的增幅為6.1%～28.6%［56］。Ren等研究發(fā)現(xiàn)，在淹水夏玉米種植期間，CP的加入最高可使夏玉米產(chǎn)量提升33.0%，有效緩解水分過多對(duì)氮積累、干物質(zhì)積累量的負(fù)面影響［57］。這或許可為高灌溉量設(shè)施農(nóng)業(yè)增產(chǎn)提效提供參考。但目前應(yīng)用硝化抑制劑之后，作物的增產(chǎn)效果并不穩(wěn)定。Frye等研究則認(rèn)為，DCD的加入對(duì)于美國(guó)小麥產(chǎn)量沒有影響，而施用DCD后棉花的產(chǎn)量有時(shí)增多有時(shí)減少［58］。因此，不同種類抑制劑在不同環(huán)境下的應(yīng)用效果還需進(jìn)一步研究。

2.3 生物硝化抑制劑

在設(shè)施土壤中，由于較高的溫度和灌溉水量，會(huì)縮短硝化抑制劑半衰期從而降低其有效性［59］，對(duì)于作物增產(chǎn)效果難以保證。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中，化學(xué)合成硝化抑制劑受溫度、pH值等環(huán)境因子以及施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)管理措施影響較大，存在難以規(guī)模應(yīng)用、威脅環(huán)境和食品安全、具有毒性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本高等缺點(diǎn)［38，60-61］，限制硝化抑制劑的進(jìn)一步應(yīng)用。為此需要研發(fā)有效抑制硝化作用且環(huán)境友好的產(chǎn)品，比如生物硝化抑制劑。

從1966年研究者發(fā)現(xiàn)草地、森林土壤可以減緩硝化速率［62］，到2006年提出生物硝化抑制劑概念［63］，這期間陸續(xù)發(fā)現(xiàn)十字花科植物、云杉、石榴種子等均可以提取出在硝化抑制過程中起關(guān)鍵作用的成分［64-66］。精準(zhǔn)釋放和環(huán)境友好，是生物硝化抑制劑相比于傳統(tǒng)硝化抑制劑所體現(xiàn)出的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具備氮素增效、碳氮減排、作物增產(chǎn)的應(yīng)用潛力［40］。雖然生物硝化抑制劑的研究仍處于起步階段，但已有研究者從水稻根系中提取出脂肪醇類化合物 1，9-癸二醇，且其試驗(yàn)效果要優(yōu)于常用的化學(xué)硝化抑制劑DCD［39］。除1，9-癸二醇之外，關(guān)于對(duì)羥基苯丙酸甲酯、高粱醌、水黃皮素等從植物中分離提取出的生物硝化抑制劑的研究已逐步開始。在硝化抑制劑未來的研究過程中，應(yīng)積極探索重要作物可提取出的生物硝化抑制劑類型，發(fā)揮生物硝化抑制劑來源廣泛的優(yōu)勢(shì)，深入探究生物硝化抑制劑的作用機(jī)理，盡早展開規(guī)?；O(shè)施農(nóng)田應(yīng)用研究。

3 脲酶抑制劑對(duì)設(shè)施土壤微生物及碳氮循環(huán)的影響

3.1 脲酶抑制劑概念及作用機(jī)理

土壤脲酶對(duì)尿素具有水解作用，可以將土壤中酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化為銨［67］，導(dǎo)致土壤pH值升高的同時(shí)產(chǎn)生NH3，造成氮損失。脲酶抑制劑能夠降低土壤中脲酶的活性，延緩酰胺態(tài)氮轉(zhuǎn)化為NH+4-N的速度，抑制NH+4-N向NO-3-N轉(zhuǎn)化，降低土壤中硝酸鹽的積累，進(jìn)而減少N2O的排放［68］。在眾多脲酶抑制劑類型中，N-丁基硫代磷酰三胺（NBPT）是唯一一個(gè)商業(yè)規(guī)?；瘧?yīng)用且效率較高的脲酶抑制劑。NBPT對(duì)脲酶活性沒有直接抑制作用，脲酶的活性位點(diǎn)由氨基甲酸酯橋相連接的2個(gè)Ni原子組成，NBPT則是通過在有氧條件下轉(zhuǎn)化為NBPTO，通過NBPTO這種氧化產(chǎn)物來阻斷脲酶活性位點(diǎn)，降低尿素水解速率［69］，提高尿素的利用率。除NBPT外，脲酶抑制劑還有苯二酚（HQ）、苯基磷酰二胺（PPD）等多種類型，但這些硝化抑制劑受土壤pH值和脲酶活性的影響較大，亦或者本身存在易分解等缺點(diǎn)［43］，難以同NBPT一樣形成規(guī)?；瘧?yīng)用。

3.2 脲酶抑制劑應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究進(jìn)展

作為氮素?fù)p失的重要途徑，土壤硝化和反硝化作用是緊密相連的2個(gè)過程。在硝化和反硝化過程中，AOA、AOB等微生物起到關(guān)鍵作用。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)微生物與脲酶抑制劑之間交互響應(yīng)作用進(jìn)行了研究，但沒有得出相一致的結(jié)論。Duff等的研究均表明，沒有發(fā)現(xiàn)NBPT對(duì)土壤中細(xì)菌、真菌等微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度或者原核生物的組成、多樣性產(chǎn)生影響［45，70］。Xi等研究也同樣認(rèn)為，脲酶抑制劑對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、豐度沒有明顯影響［71］。Li等的研究結(jié)果則與之相反，認(rèn)為添加NBPT的處理其ureC基因豐度顯著高于對(duì)照［72］。張文學(xué)等研究發(fā)現(xiàn)，在尿素基礎(chǔ)上施加1%NBPT，對(duì)AOA、AOB、反硝化細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、豐度沒有明顯影響［73］。這說明NBPT在延緩尿素水解的同時(shí)對(duì)土壤生態(tài)環(huán)境是相對(duì)安全的，可為設(shè)施農(nóng)業(yè)減氮增效提供有益參考。Castellano-Hinojosa等研究則發(fā)現(xiàn)，相比于單獨(dú)使用尿素，尿素配施NBPT處理下細(xì)菌、古菌的豐度有所下降，但與不施肥控制相比沒有變化，并且沒有觀察到NBPT對(duì)微生物群落功能的影響，包括微生物參與硝化或反硝化過程的能力［74］。

作為當(dāng)前較熱門的脲酶抑制劑，NBPT對(duì)于尿素利用率的提升、土壤溫室氣體的減排、作物生長(zhǎng)的幫助，是評(píng)價(jià)其實(shí)際作用效果的重要標(biāo)準(zhǔn)。楊夢(mèng)遠(yuǎn)在研究尿素配施NBPT對(duì)設(shè)施菜地N2O、NH3排放強(qiáng)度的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，尿素配施NBPT處理下設(shè)施菜地累計(jì)活性氣態(tài)氮排放量減少24.0%（P＜0.05），小白菜生長(zhǎng)期NH3的累計(jì)排放量顯著降低（P＜0.05），但對(duì)其產(chǎn)量沒有明顯促進(jìn)作用［75］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，相較于單一使用尿素，添加NBPT可以減少53% 的NH3損失，作物約增產(chǎn)6%［76］。劉燦玉等在研究氮肥減量配施NBPT對(duì)大蒜產(chǎn)量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在氮肥減量20%的情況下，配施總氮用量0.5% NBPT比常規(guī)施肥增產(chǎn)15.1%［41］。串麗敏等通過溫室內(nèi)盆栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)NBPT添加量為純氮用量的0.5%～2.5%范圍內(nèi)時(shí)，可以降低油菜體內(nèi) 4.2%～32.6%的硝酸鹽含量，并且油菜的生物產(chǎn)量提升 28.3%～33.7%［77］。Rawluk等的研究表明，當(dāng)脲酶抑制劑NBPT用量小于0.5%時(shí)，氨揮發(fā)量與NBPT用量呈負(fù)相關(guān)［42］。因此，為保證設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)進(jìn)一步在設(shè)施農(nóng)田中展開NBPT使用方法與施用量的研究，從而提高肥料利用率，減少氮損失。

3.3 新型脲酶抑制劑的發(fā)展趨勢(shì)

盡管NBPT得到廣泛應(yīng)用，但其毒副作用存在爭(zhēng)議、成本高昂等劣勢(shì)已經(jīng)阻礙了NBPT更大規(guī)模的應(yīng)用［78］。針對(duì)這些問題，眾多學(xué)者掀起研發(fā)新型脲酶抑制劑的熱潮，主要研究思路是借助Schiff堿有機(jī)小分子、無機(jī)金屬鹽等作為分子建筑塊單元，憑借多種協(xié)同配體的基團(tuán)修飾、靈活調(diào)控、活性篩選等方法，構(gòu)造出具有2個(gè)活性位點(diǎn)的新型脲酶抑制劑［44，79］，又稱第4類脲酶抑制劑。現(xiàn)階段新型脲酶抑制劑已經(jīng)具備良好的抗癌抗菌能力、較強(qiáng)的金屬離子配位能力、毒副作用小等優(yōu)勢(shì)。陳仙仙等利用新型脲酶抑制劑Schiff堿銅配合物與肥料配施，研究其對(duì)油菜生長(zhǎng)及土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響，結(jié)論表明這類新型脲酶抑制劑可以抑制土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，氮肥利用率平均提升68.0%，可降低油菜體內(nèi)38.8%～50.8%硝酸鹽含量；研究同時(shí)表明，這類新型脲酶抑制劑施入量占純氮施入量1%時(shí)，效果最佳［80］。當(dāng)前新型脲酶抑制劑已經(jīng)有硫脲類、磷酰胺類、磺酰胺類、金屬配合物等多種類型［81］，但總體來看有關(guān)新型脲酶抑制劑的研究報(bào)道較少，其使用后對(duì)土壤環(huán)境和肥力的影響暫無統(tǒng)一定論，在設(shè)施土壤中的應(yīng)用也亟待進(jìn)一步探究。

4 生物炭對(duì)設(shè)施土壤微生物及碳氮循環(huán)的影響

4.1 生物炭概念及作用機(jī)理

生物炭是指在缺氧或無氧條件下，通過熱裂解而形成的一類富碳物質(zhì)［82］，生物炭具有比表面積較大、孔隙較大、官能團(tuán)多樣、含碳量豐富等特質(zhì)［83-84］，同時(shí)含有植物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀等養(yǎng)分。這些理化性質(zhì)可以幫助土壤持水保肥，提高營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)利用率從而減少土壤的氮素?fù)p失，改善土壤微生物生存環(huán)境，進(jìn)而提高作物品質(zhì)和產(chǎn)量，并有緩解連作障礙的效果［85］。當(dāng)前生物炭常用制備材料有小麥、水稻、玉米等農(nóng)田作物秸稈，果木、花生殼、核桃殼等農(nóng)林廢棄物，以及動(dòng)物糞便等有機(jī)物質(zhì)［86］，其性質(zhì)詳見表2?？傮w來說，生物炭的使用對(duì)綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展意義重大，未來對(duì)于緩解設(shè)施農(nóng)業(yè)連作障礙及固碳減排的應(yīng)用前景十分廣闊。

4.2 生物炭應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)的研究進(jìn)展

Chen等研究認(rèn)為，菜地土壤常年處于干濕交替狀態(tài)，對(duì)于硝化作用的促進(jìn)將會(huì)更加明顯［94］，這與施振香的研究結(jié)果一致，設(shè)施菜地土壤中硝化細(xì)菌數(shù)量明顯高于傳統(tǒng)露天土壤，故硝化作用更加強(qiáng)烈［95］。王先芳在研究花生殼生物炭對(duì)設(shè)施土壤硝化作用[JP+1]及微生物的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，在施加200 kg/hm2尿素的基礎(chǔ)上分別添加0.5%、1.5%、4.0%生物炭，土壤中AOA amoA基因的豐度增加26.3%～40.2%，AOB amoA基因的豐度增加48.9%～53.3%，AOB群落發(fā)生改變，微生物生存環(huán)境得到改善［88］。真菌作為在土壤中廣泛存在的微生物，對(duì)土壤中碳循環(huán)發(fā)揮重要作用。王雪玉等在日光溫室內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，不同年限的連作土壤加入玉米秸稈生物炭后，土壤中真菌菌群的豐度和多樣性得到提升；在種植1年的土壤中，生物炭處理后真菌物種等級(jí)最高，在連續(xù)種植20年的土壤中，物種數(shù)量和豐度最高［96］。亞硝酸鹽氧化作為硝化作用的重要步驟，硝化桿菌、硝化螺菌在其中發(fā)揮著重要作用。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，氮肥配施生物炭之后，硝化桿菌的群落結(jié)構(gòu)和豐度得到改善［97］。

氮素流失、碳氮排放是設(shè)施土壤較為嚴(yán)重的問題，研究生物炭使用后對(duì)土壤氮轉(zhuǎn)移、碳循環(huán)的影響至關(guān)重要。王耀等研究發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層施加生物炭后，設(shè)施大棚內(nèi)土壤硝態(tài)氮的含量顯著高于常規(guī)施肥處理，添加生物炭能夠有效抑制不同土層硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的淋失，但效果會(huì)隨著土層深入而逐漸減弱［98］。Wang等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠提升土壤大團(tuán)聚體中的碳儲(chǔ)存量，增強(qiáng)對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)的保護(hù)，抑制有機(jī)碳礦化作用進(jìn)而減少CO2排放［99］。相反的是，另有研究指出生物炭會(huì)促進(jìn)土壤有機(jī)物分解、提高土壤微生物活性進(jìn)而增加CO2排放［100］。設(shè)施土壤常年連作及過量施肥，引發(fā)土壤鹽漬化現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，鹽漬化會(huì)破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)耕作層變淺、板結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重等一系列問題。She等的研究表明，生物炭擁有出色的吸附和離子交換能力，可以讓其在設(shè)施土壤鹽漬化改善過程中發(fā)揮重要作用［100］。農(nóng)明英等在探究外源有機(jī)物質(zhì)對(duì)次生鹽漬化大棚土壤改良效果時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物炭單獨(dú)使用時(shí)能夠最大程度地降低土壤容重，提高土壤孔隙度進(jìn)而對(duì)鹽漬化大棚土壤產(chǎn)生改良效果［101］。

生物炭除了對(duì)土壤碳氮循環(huán)和理化性質(zhì)產(chǎn)生作用之外，適量施用還可以提升作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。Lu等研究指出，生物炭添加可以減小番茄青枯病的發(fā)生率，該效果的實(shí)現(xiàn)就是依靠生物炭對(duì)土壤青枯病病原菌的抑制作用［87］。孫向春等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物炭添加量為9 t/hm2時(shí)，玉米產(chǎn)量要比常規(guī)施肥增加2.50%［102］。Huang等的研究結(jié)果表明，生物炭可使小麥葉片維持較低鈉鉀比和較高含水量，促進(jìn)小麥光合作用，達(dá)到增產(chǎn)效果［92］。Liu等研究指出，當(dāng)生物炭添加量大于80 t/hm2時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致作物減產(chǎn)［103］。

4.3 生物炭發(fā)展前景

生物炭具有綠色環(huán)保和可再生的優(yōu)勢(shì)，與設(shè)施農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的要求相適配；出于環(huán)境保護(hù)和降低成本角度考慮，未來應(yīng)加大生物炭回收再利用力度。而當(dāng)前生物炭的主要應(yīng)用類型如前文所述，伴隨著研究漸漸深入和不斷實(shí)踐，諸如生物炭負(fù)載納米材料、含持久性自由基生物炭、改性生物炭等各種新型生物炭也相繼問世。除此之外，今后還應(yīng)繼續(xù)研究開發(fā)以農(nóng)林廢棄物為制備材料的新型生物炭，依托各地特色農(nóng)林廢棄物，大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)。目前生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用多集中在短期試驗(yàn)研究，對(duì)于土壤理化性質(zhì)和作物生長(zhǎng)影響的研究較多，但關(guān)于對(duì)微生物群落和碳氮循環(huán)過程的影響研究較少。由于微生物群落和豐度的改變以及碳氮循環(huán)是一個(gè)長(zhǎng)期作用過程，今后的研究應(yīng)更多關(guān)注生物炭在田間生產(chǎn)中的長(zhǎng)期作用效果，及其對(duì)土壤和作物產(chǎn)生影響的深層作用機(jī)理［104］。

5 硝化/脲酶抑制劑與生物炭聯(lián)合施用的研究進(jìn)展

鑒于硝化抑制劑單獨(dú)使用會(huì)增加NH3的排放風(fēng)險(xiǎn)［105］，許多研究開始關(guān)注硝化抑制劑和脲酶抑制劑的配合使用效果。Zhang等的研究表明，在氮肥減量30%的基礎(chǔ)上配施NBPT、DMPP，可增加土壤肥力、提高玉米產(chǎn)量、減少溫室氣體產(chǎn)出［106］。曾科等的研究也同樣表明，在施氮量減少25%、50%肥料基施改深施的情況下配施NBPT、MHPP，可以顯著減少稻田NH3的揮發(fā)和N2O的排放［107］。硝化抑制劑和脲酶抑制劑對(duì)于土壤微生物的影響也應(yīng)納入考察范圍之中。Dong等通過6年研究發(fā)現(xiàn)，DCD、HQ聯(lián)合使用對(duì)于土壤氨氧化微生物存在抑制效果，但長(zhǎng)期使用下不會(huì)對(duì)反硝化基因豐度產(chǎn)生影響［108］。同為土壤中常用的外源添加物質(zhì)，相比于2種抑制劑，生物炭具有更強(qiáng)的吸附能力；有研究表明生物炭可以在土壤中吸附硝化抑制劑，從而延長(zhǎng)抑制劑作用效果［109］。劉鈺瑩等在研究酸性和中性水稻土中氮素轉(zhuǎn)化和氮肥利用率時(shí)發(fā)現(xiàn)，DMPP和生物炭配施相比于單施DMPP降低了AOB的豐度，DMPP配施500 ℃玉米秸稈生物炭，明顯提高了中性土壤中氮肥利用效率和籽粒產(chǎn)量［89］。關(guān)于硝化抑制劑、脲酶抑制劑與生物炭配施對(duì)土壤溫室氣體減排的影響，Kong等的研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與硝化抑制劑DMPP配施可以減緩N2O排放［110］。對(duì)于脲酶抑制劑，Dawar等的研究表明，生物炭配施NBPT相比于單施生物炭，能夠明顯降低NO-3-N的含量，抑制反硝化菌活性，使得N2O排放量低于單施生物炭處理［111］。

硝化抑制劑、脲酶抑制劑、生物炭中單一物質(zhì)對(duì)土壤微生物和碳氮排放的影響已有較多研究，為了形成優(yōu)劣勢(shì)互補(bǔ)，硝化抑制劑與脲酶抑制劑、硝化抑制劑與生物炭、脲酶抑制劑與生物炭的配施研究也已經(jīng)逐步深入，但關(guān)于3種物質(zhì)聯(lián)合施用對(duì)設(shè)施土壤影響的研究仍相對(duì)較少，且研究結(jié)果沒有形成統(tǒng)一結(jié)論。He等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭與DCD、HQ聯(lián)合使用，可以有效抑制CH4的排放［112］。但陶甄等通過CP、NBPT和生物炭聯(lián)合施用試驗(yàn)，所得出的研究結(jié)論與之不同；雖然CP+NBPT的組合對(duì)溫室氣體排放產(chǎn)生了很好的抑制效果，但是3種物質(zhì)聯(lián)合施用對(duì)于抑制溫室氣體排放沒有表現(xiàn)出協(xié)同抑制作用［90］?？赡苁且?yàn)樗x抑制劑種類及當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)卦囼?yàn)條件的不同，造成了兩者研究結(jié)果的差異。黃佳佳等在研究3種物質(zhì)配施對(duì)亞熱帶水稻土的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物炭、DMPP、NBPT配施較單施尿素處理N2O累計(jì)排放量下降38.1%，但3種物質(zhì)配施無論對(duì)于土壤理化性質(zhì)，亦或是對(duì)于氣體排放和微生物影響，相較于硝化和脲酶抑制劑，生物炭和抑制劑處理都顯得效果不佳［91］。Lan等通過研究生物硝化抑制劑MHPP與NBPT、生物炭配施效果得出，3種物質(zhì)共同使用可以減少鈣質(zhì)水稻土中氨揮發(fā)、N2O排放和氮損失，其中MHPP、NBPT雙抑制劑共同使用時(shí)的作用效果最佳［113］?？傮w來說，研究硝化抑制劑、脲酶抑制劑、生物炭配施對(duì)土壤和作物的作用效果是未來發(fā)展趨勢(shì)之一，尤其是在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面應(yīng)擴(kuò)大展開對(duì)于3種物質(zhì)配施效果的研究，探求硝化抑制劑、脲酶抑制劑與生物炭配施的可能性和效果，從而助力設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

6 結(jié)語與展望

設(shè)施農(nóng)業(yè)高溫、高施肥、多茬輪作等特點(diǎn)，造就設(shè)施土壤酸化、氮素大量積累、微生物群落結(jié)構(gòu)和豐度失調(diào)、溫室氣體排放量大的不利現(xiàn)狀。此外，設(shè)施農(nóng)業(yè)作為我國(guó)蔬菜供應(yīng)的重要一環(huán)，氮肥的長(zhǎng)期高量投入對(duì)其危害甚大，土壤連作障礙現(xiàn)象頻發(fā)，阻礙設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。提高氮肥利用效率，探究硝化抑制劑、脲酶抑制劑和生物炭在其中的合理應(yīng)用，研發(fā)環(huán)境友好型氮肥增效劑是設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的關(guān)鍵舉措。

現(xiàn)階段關(guān)于硝化抑制劑、脲酶抑制劑、生物炭在各類土壤中的應(yīng)用研究較多，但主要形式是依靠短期田間試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室盆栽培養(yǎng)，并且三者之間配施對(duì)設(shè)施土壤微生物活性和碳氮排放的影響研究較少。因此，未來研究應(yīng)從以下3個(gè)方面展開：一是研究硝化抑制劑、脲酶抑制劑和生物炭配施對(duì)設(shè)施土壤微生物和碳氮循環(huán)影響的深層作用機(jī)理，以及3種物質(zhì)在土壤中的交互響應(yīng)作用；二是尋找3種物質(zhì)與肥料在土壤中最佳施用量，提高肥料利用率的同時(shí)減少碳氮排放，實(shí)現(xiàn)降本增效，助力設(shè)施農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展建設(shè)與應(yīng)用；三是加大新型抑制劑的研發(fā)力度，進(jìn)一步提高硝化抑制劑、脲酶抑制劑和生物炭在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的實(shí)際作用。

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收稿日期：2023-06-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41877041）；山東省自然科學(xué)基金（編號(hào)：ZR2022MC204）；齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）科教產(chǎn)融合創(chuàng)新試點(diǎn)工程項(xiàng)目（編號(hào)：2020KJC-ZD13）；山東省科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（編號(hào)：2022TSGC2199）；棗莊市科技型中小企業(yè)創(chuàng)新能力提升工程項(xiàng)目（編號(hào)：2023TSGC15）。

作者簡(jiǎn)介：郭延軻（2000—），男，山東濟(jì)寧人，碩士研究生，主要從事土壤碳氮循環(huán)研究。E-mail：13355167762@163.com。

通信作者：趙長(zhǎng)盛，博士，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)面源污染研究。E-mail：zhaochsh1980@163.com。