基于有机抑制剂的智能尿素配方（SUFs）调控不同土壤氮素动态并减少NH3挥发

《Agronomy》：Organic Inhibitor-Based Smart Urea Formulations Modulate Soil Nitrogen Dynamics and Reduce Ammonia Volatilization Across Contrasting Soils

　　

含脲酶抑制剂（urease inhibitors）和硝化抑制剂（nitrification inhibitors）的智能尿素配方（Smart Urea Formulations，SUFs）是减少环境氮（N）损失并提高肥料效率的有前景策略。本研究评估了两种分别添加没食子酸（gallic acid，GA）或亚甲基蓝（methylene blue，BM）的新型SUFs对土壤氮转化过程的影响。研究人员在三种对比土壤上进行了21天微宇宙培养（microcosm incubation）。监测土壤无机氮动态（NH₄⁺和NO₃^?）、NH₃和CO₂排放，同时测定脲酶（urease）和蛋白酶（protease）活性，作为参与氮循环的关键生化过程指标。还进行了生态毒理学测定（ecotoxicological assays，包括种子萌发和根伸长）。与常规尿素相比，GA和BM改变了土壤氮转化的时间动态，延迟了早期NH₄⁺积累，并改变了不同土壤中NO₃^?形成模式。在对比土壤的培养期间，脲酶活性随肥料处理发生变化。SUFs还增加了CO₂排放和蛋白酶活性，这可能反映参与土壤碳（C）和氮循环的微生物过程变化。SUFs有效调控土壤氮循环，并具有与商业抑制剂（即NBPT，N-(n-butyl) thiophosphoric triamide）相当的中等植物毒性效应。这些发现突出两种新型SUFs调节土壤生化过程和氮转化的潜力，支持其在田间条件下进一步评价。

氮（N）管理对维持农业生产力并减少氮损失环境影响至关重要。尿素因高氮浓度、低生产成本和广泛可得性而成为最广泛使用的氮肥，但施入土壤后快速水解常导致NH₃挥发、硝酸盐淋溶和活性氮排放，降低肥料效率。2018年合成氮肥使用产生的NH₃排放估计为16.8 Tg N yr^?1，约相当于以铵态和尿素形式施用氮的16.7%。因此，能够调节土壤氮转化并减少环境相关氮损失的肥料技术受到关注。已有技术包括缓释和控释肥料以及含脲酶抑制剂或硝化抑制剂的配方。N-(n-butyl) thiophosphoric triamide（NBPT）是最广泛采用的脲酶抑制剂，但其效果可能短暂，并受土壤理化性质、环境条件和管理措施强烈影响。智能尿素配方（Smart Urea Formulations，SUFs）通过改变尿素转化时间或路径提高氮肥效率。GA（gallic acid，没食子酸；酚类化合物）被提出可能作为生物硝化抑制剂，BM（methylene blue，亚甲基蓝；杂环芳香化合物）有报道可影响氮转化过程并在特定条件下与硝化抑制相关。然而，GA和BM基尿素配方在不同土壤条件下对土壤氮动态、生化响应和氮损失途径的影响仍表征不足。基于此，研究人员假设将GA和BM掺入尿素基配方可调节尿素水解及后续氮转化，从而较常规尿素减少NH₃挥发并改变矿质氮动态；这些配方还会影响土壤生化过程，尤其是脲酶和蛋白酶活性，且响应随土壤性质变化，并在标准化生态毒理学条件下不引起显著植物毒性。本研究在受控实验室条件下，评价含GA和BM的新型有机基SUFs在三种对比土壤中21天培养期间对土壤氮动态、酶活性和气体排放的影响，并与常规尿素和NBPT基施肥比较，同时开展生态毒理学测定。研究目标为：评估SUFs相较常规尿素和NBPT基施肥调节土壤氮转化过程的能力；研究其对与氮循环相关土壤生化过程的影响；在标准化生态毒理学条件下评价其潜在植物毒性。

方法上，研究人员采用21天室内微宇宙培养，在三种理化性质对比的农业土壤（采自0–20 cm，风干过2 mm筛）中比较常规尿素（UREA）、含NBPT商业尿素（NBPT）、SUF BM（BM）、SUF GA（GA）和未施肥对照（CONTR），等氮量200 kg N ha^?1，25 °C黑暗、40% WHC。每个处理4重复用于土壤化学与生化，另4重复用于气体。关键测定包括NH₄⁺和NO₃^?动态、脲酶和蛋白酶活性、静态酸陷阱捕集NH₃、FTIR测定CO₂，并以Phytotoxkit^TM Solid Samples Test对L. sativum、S. saccharatum和S. alba进行种子萌发和根伸长生态毒理筛选。统计采用R中线性混合效应模型（LME）、III型ANOVA和Sidak校正的估计边际均值（EMMs）。新型SUFs及造粒工艺见专利WO2024/161008 A1；常规尿素和NBPT肥料来自Panfertil s.p.a., Ravenna, IT。

3.1 三种不同土壤中的氮素释放与酶活性
全局分析显示，土壤、处理、时间及其交互作用对所有化学和生化变量均有显著影响。三种土壤的NH₄⁺和NO₃^?动态、脲酶活性及酶响应不同。UREA处理中，最高NH₄⁺浓度在土壤1的T1出现，在土壤2的T4出现，在土壤3的T2出现。土壤1的T1，BM和GA处理NH₄⁺释放低于UREA。NBPT、BM和GA在土壤1和土壤2的T14和T21使NH₄⁺浓度低于UREA，而土壤3在T4和T7观察到降低。对照土壤T1的NH₄⁺浓度无显著差异。施肥处理中，土壤1整个培养期通常NH₄⁺最高；T2时土壤3高于土壤2，T4后土壤2高于土壤3。UREA处理在所有土壤中脲酶活性低于对照。NBPT在土壤2的T1和土壤3的T4显著降低脲酶活性。GA和BM均改变脲酶活性，但幅度和时机因土壤而异：土壤1和土壤3早期脲酶活性低于对照，土壤2在T4和T7短暂升高、T14降低。土壤1中BM导致脲酶活性低于对照；GA在土壤2和土壤3的T1以及土壤1的T4持续降低脲酶活性。NO₃^?从T4起在所有土壤中可检测，并与NH₄⁺动态一致。对照土壤所有采样时间NO₃^?很低。土壤1和土壤2中，NBPT、GA和BM在T14和T21的NO₃^?高于UREA和对照；土壤3中GA在T21的NO₃^?最高。对照土壤1和土壤3的NO₃^?高于土壤2；施肥后土壤3的NO₃^?总体较高。GA处理在所有土壤T4较对照、UREA和NBPT增加蛋白酶活性，土壤3在T7也增加；BM仅在土壤1的T4较对照、UREA和NBPT增加蛋白酶活性。土壤1响应施肥的蛋白酶值高于土壤2和土壤3。累积NH₃排放受肥料处理和土壤类型影响。NBPT、BM和GA的累积NH₃排放在土壤1显著低于UREA（GA降低49%，BM降低67%，NBPT降低70%），在土壤3也显著低于UREA（GA降低56%，BM降低67%，NBPT降低71%）。UREA处理土壤1和土壤3的最高NH₃排放出现在施肥后2–4天。土壤2早期未测到NH₃排放，累积NH₃排放无处理差异，且总体最低。7–14天未观察到可测NH₃排放。CO₂排放在T1至T7所有处理均高于对照。土壤1和土壤3的T3，GA处理CO₂排放高于UREA；土壤1中BM也高于UREA。CO₂排放的土壤差异依处理和采样时间而变化，累积CO₂排放也存在土壤依赖性差异。

3.2 生态毒理学试验
生态毒理学试验评价UREA、NBPT、BM和GA相对标准土壤的毒性。结果表明，UREA、NBPT、BM和GA均未使Sorghum saccharatum和Sinapis alba的种子萌发或根伸长抑制超过20%。Lepidium sativum中，NBPT处理引起种子萌发抑制34.5%、根伸长抑制33.7%，BM处理引起种子萌发抑制34.5%、根伸长抑制30.5%，均超过20%；UREA和GA处理未观察到抑制。

讨论部分总结认为，两种基于有机抑制剂GA和BM的新型SUFs以土壤依赖方式影响土壤氮动态和生物功能。三种土壤中NH₄⁺和NO₃^?动态差异突出土壤特异条件在施肥后氮转化中的重要性。施肥土壤NH₄⁺和CO₂较未施肥对照增加，表明三种土壤均对施肥有响应，但幅度和时间因肥料配方和土壤而异。UREA施用后NH₄⁺快速增加符合快速尿素水解，最大NH₄⁺浓度出现时间因土壤明显不同，壤土和砂壤土早期积累比粉壤土更明显。NBPT总体与UREA响应相当，而GA和BM似乎延迟早期NH₄⁺积累，尤其在壤土土壤1中，该响应在其他土壤中较不明显。NBPT、GA和BM对氮转化的影响可能依赖土壤情境。尽管时间不同，NBPT和SUF下NH₄⁺总体积累与UREA大致相当。NBPT和SUF在壤土和砂土中显著降低NH₃挥发；GA在壤土和砂土中分别降低49%和56%，BM降低67%，NBPT最高降低约70%。NBPT响应与其延缓尿素水解、减少NH₃挥发的已知能力一致，SUF类似降低表明其也可能限制NH₃损失。粉壤土中NH₃排放总体很低，可能限制抑制剂基配方进一步降低。NO₃^?动态差异可能与调节氮转化的理化条件有关；砂壤土较早且较高NO₃^?积累可能与其略高pH、较粗质地和较低阳离子交换量有关。NH₄⁺消耗与NO₃^?积累的时间耦合符合铵向硝态逐步转化，且时间因土壤条件而异。GA虽被提出为潜在生物硝化抑制剂，但本研究结果不能直接评价该机制。脲酶活性作为土壤水解尿素能力的重要指标，在未处理土壤间无显著差异，表明潜在脲解能力大致相当；施肥后脲酶活性在若干处理中早期短暂降低，UREA下可能与高局部尿素可利用性有关。GA和BM早期降低脲酶活性，但未一致关联NH₄⁺积累差异。蛋白酶活性提供有机氮周转的生化响应信息；GA刺激所有三种土壤蛋白酶活性，BM仅土壤1增加，表明响应依赖配方和土壤类型。GA下蛋白酶增加伴随CO₂排放增加，表明施用GA后与碳氮循环相关的土壤生化过程变化；作为低分子量酚类化合物，GA可能通过与土壤微生物互作影响生化过程，但不能排除GA施用后非生物CO₂产生。未来微生物群落结构和功能基因分析以及¹⁵N标记肥料原型有助于追踪肥料来源氮。生态毒理学方面，NBPT虽广泛使用，但其氮损失减缓之外的环境效应仍需评价；标准化条件下观察到的中等植物毒性响应呈物种依赖，仅Lepidium sativum在NBPT和BM下出现，BM抑制响应与商业NBPT基配方相当，表明在测试标准化条件下BM未表现出比NBPT参照更大的植物毒性。该试验可作为创新肥料配方预田间筛选。总体而言，本研究提供证据表明有机基智能尿素配方可调节氮转化和土壤生化响应，并在标准化条件下表现出与NBPT参照相当的植物毒性响应；仍需作物和田间条件进一步评价。

研究结论翻译：本研究证明，含BM和GA的有机基智能尿素配方有效减轻了氨排放，这种氮损失减少随后影响了早期尿素转化动态、氮循环过程、矿质氮有效性和土壤生化响应。在三种对比土壤中，GA和BM基配方在氮动态方面产生的响应方向与NBPT相似，但效应的幅度和时间取决于土壤特性。这些发现强调创新肥料技术的性能取决于配方特征与土壤条件之间的相互作用。整合矿质氮动态、酶活性、气体排放和生态毒理学筛选，为有机基智能尿素配方调节土壤氮动态和限制氨排放的潜力提供了初步评估，同时BM在L. sativum中表现出物种特异性植物毒性响应。进一步的作物和田间条件下研究，包括追踪肥料来源氮和表征微生物机制的方法，将为这些配方在真实农业情景中的表现及其对氮利用效率和更广泛环境结果的潜在影响提供更多见解。