《Frontiers in Plant Science》：Preparation, characterization, and performance evaluation of a controlled-release inhibitor-enhanced nitrogen fertilizer
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提高氮肥利用效率同时减少氮素损失是实现作物可持续生产面临的主要挑战。本研究通过将聚氨酯控释膜与3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）硝化抑制剂层相结合，研制了一种控释抑制剂增效氮肥（CYRF）。采用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱、静态水浸泡试验、不同温度土壤
提高氮肥利用效率同时减少氮素损失是实现作物可持续生产面临的主要挑战。本研究通过将聚氨酯控释膜与3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）硝化抑制剂层相结合，研制了一种控释抑制剂增效氮肥（CYRF）。采用扫描电子显微镜、能量色散X射线光谱、静态水浸泡试验、不同温度土壤培养试验及田间氮-15（1?N）示踪等方法，对其结构特征、养分释放行为和氮素调控性能进行了评价。形态与元素分析证实，CYRF具有由外层控释膜和内层含DMPP抑制剂层组成的清晰多层结构，这为尿素氮与DMPP的协同释放提供了结构基础。在25 °C静态水浸泡条件下，尿素氮的累积释放率从第7天的0.40%增至第98天的87.50%，同期DMPP释放率从0.70%增至79.00%。在第21–49天培养期间，DMPP释放略早于尿素氮，且二者的累积释放率呈极显著正相关（r = 0.975，P < 0.001）。土壤培养试验表明，CYRF在不同温度下均能持续增强铵态氮保持能力，同时抑制硝态氮累积。与控释肥（CRF）相比，在15 °C条件下，CYRF使铵态氮保持率提高37.3%，硝态氮累积量降低16.4%；在25 °C条件下，培养第50–90天期间CYRF使硝态氮累积量降低97.0%–98.7%；在35 °C条件下，CYRF使硝态氮累积量降低42.0%。田间1?N示踪进一步表明，与CRF(1?N)相比，CYRF(1?N)在冬小麦和夏玉米中分别使1?N利用率显著提高14.60和5.30个百分点，氮素损失率分别降低11.45和11.11个百分点。总体而言，CYRF有效实现了控释氮素释放与硝化抑制的协同，为提高农业生产中氮素利用效率和减少氮素损失提供了一种有前景的策略。
**控释抑制剂增效氮肥的协同调控机制与应用潜力——论文解读**
**一、研究背景与意义**
全球粮食生产预计到2050年需增产70%才能满足98亿人口的粮食需求。氮肥在维持作物生产力方面发挥着重要作用，对粮食产量长期增长的贡献超过50%。然而，当前作物季氮肥利用率通常低于50%，氮素利用效率低下不仅造成资源浪费，还引发温室气体排放、地下水污染和地表水体富营养化等严重环境问题。因此，在减少氮素损失的同时提高氮肥利用效率，对粮食安全和环境保护均至关重要。
控释氮肥和含硝化抑制剂的氮肥是提高氮肥利用效率的两类重要技术途径。控释肥通过物理包膜调控养分释放，而硝化抑制剂（如DMPP）可延缓尿素水解后铵态氮的氧化过程。然而，这些技术在田间应用中的效果往往不稳定。控释氮肥能调控氮素释放的时间和速率，但一旦氮素释放进入土壤，便无法直接控制其转化过程；含抑制剂肥料虽能延缓氮素转化，但由于抑制剂与尿素通常同时一次性施用，其有效持续时间可能较短且效果变异较大。理论上，将这两种技术相结合可实现更全面的氮素调控：控释膜调控尿素氮的释放，DMPP层则控制释放后的硝化作用。已有研究表明，将抑制剂置于尿素核心与包膜层之间比均匀分布于包膜层中更能有效减少氮素损失。然而，本研究开发的CYRF产品在配方和制备工艺上均与以往产品有所不同。该研究旨在通过液相悬浮、快速干燥包膜和原位成膜技术，开发一种含DMPP的控释抑制剂增效氮肥，并系统评价其结构特征、养分释放行为及氮素调控性能。该论文发表在《Frontiers in Plant Science》。
**二、主要关键技术方法**
研究人员采用了以下关键技术方法：（1）扫描电子显微镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDS）用于表征肥料表面形态、截面膜结构及元素组成；（2）静态水浸泡试验（25 °C）测定尿素氮和DMPP的释放动力学特征；（3）不同温度（15、25、35 °C）土壤培养试验，供试土壤为采自华北平原冬小麦种植区的典型壤质潮土（pH 7.9，有机质38.6 g/kg，全氮0.4 g/kg），分析铵态氮保持和硝态氮累积动态；（4）田间1?N示踪试验，试验地点位于河北省石家庄市鹿泉区大河镇大河村，供试作物为冬小麦（品种：轮选987）和夏玉米（品种：郑单958），采用微区试验设计，1?N标记肥料丰度为10.2%。通过上述方法系统评价了CYRF的氮素释放、转化及作物利用特征。
**三、研究结果**
**3.1 包膜肥料的表面形态与截面结构**
SEM截面分析显示，常规尿素无包膜层；CRF具有连续致密的聚氨酯膜，厚度约75–110 μm，紧密附着于尿素核心；DMPP包膜尿素呈现清晰可见的抑制剂层，沿不平整的核表面分布并填充凹陷处，表明DMPP有效负载；CYRF显示出由内层含DMPP抑制剂层和外层聚氨酯膜组成的清晰多层结构，各层紧密连接形成一体化包膜系统。
**3.2 材料与肥料的能谱分析**
EDS分析证实了包膜层的元素组成及其成功附着。常规尿素主要由碳、氮、氧组成，氮信号最强。DMPP包膜尿素检测到钠（Na）和磷（P）信号，分别来源于载体材料聚天冬氨酸钠和DMPP的磷酸基团，证实含DMPP抑制剂层成功形成。CYRF外层控释膜主要含碳、氮、氧，强碳信号与聚氨酯一致；内层检测到明显的钠和磷信号，证实膜下存在含DMPP层。
**3.3 静态水释放试验**
在25 °C静态水浸泡条件下，CRF和CYRF均表现出缓释特性，但CRF的尿素氮释放更快。第7、28、49和98天，CRF累积释放率分别为4.40%、19.19%、54.16%和94.54%，而CYRF分别为0.40%、7.00%、34.00%和87.50%，表明CYRF前期释放更慢且爆释风险更低。CYRF中DMPP释放特征显示，第7天仅释放0.70%，第14天为1.30%，第21天起显著增加，第28、42和98天分别达到15.20%、39.00%和79.00%。在第21–49天期间，DMPP释放略早于尿素氮，且二者累积释放率呈极显著正相关（r = 0.975，P < 0.001），表明两者释放具有高度同步性。
**3.4 不同温度下的氮素调控特征**
土壤培养试验结果表明，不同肥料处理的氮素转化受温度显著影响。U处理下，15 °C时铵态氮在整个培养期保持相对稳定；25 °C时铵态氮达到峰值后逐渐下降；35 °C时高温加速了氨挥发和硝化作用，后期残留铵态氮最低。CN处理的铵态氮动态与U处理总体相似，但稳定组分在一定程度上延缓了铵态氮向硝态氮的转化。CRF处理下，25 °C时硝态氮出现显著累积，而35 °C时硝态氮含量仅为25 °C时的约3.8%，表明高温可能促进了氨挥发或其他氮素损失途径。CYRF处理下，各温度条件下硝态氮均未出现急剧增加，35 °C时第42天后硝态氮下降5.6%，证实DMPP持续抑制了铵态氮向硝态氮的转化。
**3.5 相同温度下不同肥料处理的土壤氮素含量变化**
在15 °C条件下，培养第21、35和90天，CYRF较CRF的铵态氮分别提高151.8%、58.8%和37.3%；硝态氮在第21和90天分别降低34.4%和16.4%。在25 °C条件下，CYRF较CRF在第21和50天铵态氮分别提高305.4%和165.5%，但在第65和90天分别降低50.6%和32.0%，表明CYRF避免了后期铵态氮过度累积；硝态氮在第50、65和90天分别降低98.7%、97.0%和97.6%。在35 °C条件下，各处理氮素释放和转化均提前，但CYRF在第49天较CRF的硝态氮降低28.57 mg/kg，降幅约42.0%，表明抑制剂组分在高温下仍有效限制硝态氮累积。
**3.6 作物生物量响应**
在冬小麦中，T6处理（CYRF）的秸秆干重、籽粒干重和地上部总生物量分别为135.93 g、158.33 g和294.26 g，较T1、T4和T5处理有所提高。在夏玉米中，T6处理的茎干重、籽粒干重和地上部总生物量分别为363.05 g、394.33 g和757.38 g，茎干重显著高于其他处理。与CRF处理相比，CYRF处理更有利于地上部干物质累积，这可能与控释和抑制剂介导的氮素转化调控的协同效应有关。
**3.7 1?N示踪的氮素利用与损失率**
冬小麦田间1?N示踪表明，与T4相比，T6（CYRF核心肥料组分）的1?N利用率显著提高14.60个百分点，氮素损失率降低11.45个百分点；与T5相比，T7（CYRF完整施肥体系）的1?N利用率提高4.11个百分点，差异显著，氮素损失率降低3.47个百分点。夏玉米中，与T4相比，T6的1?N利用率和残留率分别显著提高5.30和5.82个百分点，氮素损失率降低11.11个百分点；与T5相比，T7的1?N利用率提高3.04个百分点，氮素损失率降低3.21个百分点。总体而言，与CRF相比，CYRF的核心肥料组分实现了更高的1?N利用率和更低的氮素损失。
**四、讨论与结论**
讨论部分指出，CYRF的性能取决于两个关键因素：抑制剂在尿素颗粒上的稳定负载及其随后通过外层包膜的溶解和扩散。本研究采用聚氨基酸类材料溶解、分散和负载抑制剂，SEM和EDS分析证实了具有多孔结构的复合包膜层。DMPP的有效性受土壤性质和环境条件影响，但土壤培养试验表明CYRF在各温度条件下均能增强铵态氮保持并限制硝态氮累积。1?N示踪证实CYRF提高了作物对肥料来源氮素的回收率并减少了氮素损失，改善了肥料氮供应与作物氮需求之间的匹配度。然而，NH?挥发、N?O排放、深层土壤硝态氮淋溶及硝化相关功能基因未被测定，未来研究应整合气态氮损失、深层土壤氮素迁移、作物氮素吸收和微生物指标以进一步阐明其机制。
研究结论部分揭示，聚氨酯控释膜与DMPP硝化抑制剂耦合实现尿素氮协同释放与转化的内在机制。膜结构分析证实，外层聚氨酯包膜与内层DMPP层建立了“先缓释、后抑制”的构型。释放动力学表明DMPP与尿素氮之间具有高度同步性，确保二者几乎同时到达土壤界面，为有效硝化抑制提供了时空前提。土壤培养进一步表明，与单独控释肥相比，这种耦合调控在低中温条件下持续增强铵态氮保持，在高温条件下显著抑制硝态氮累积，反映了膜对抑制剂的保护和持续供给作用。田间1?N示踪验证了农艺效益——冬小麦氮利用效率提高，冬小麦和夏玉米生长季表观氮损失均减少——证实该策略在不牺牲产量的前提下具有良好的环境友好性。通过膜结构调控释放动力学，为抑制剂在根际发挥靶向功能创造了时间窗口。这一发现为克服单一技术肥料的局限性提供了理论依据，并为下一代高效肥料的结构设计和应用提供了见解。
