脲酶抑制剂的应用减少了中国耕地土壤NH3挥发：一项荟萃分析与培养实验

《Environmental Technology & Innovation》：Application of urease inhibitors reduces soil NH 3 volatilization in Chinese arable soils: A meta-analysis and incubation experiment

　　

脲酶抑制剂（urease inhibitors, UIs）具有缓解土壤NH₃挥发的潜力。以往基于数据驱动的研究从全球视角估算了UIs对NH₃的减排效率，然而，在特定NH₃排放热点区域，其有效性尚未得到充分评估，且影响其性能的因素仍不明确。因此，研究人员开展了一项荟萃分析（meta-analysis），并结合一项使用中国西南地区六种农业土壤的培养实验（incubation experiment），以评估UIs在中国农业土壤中的NH₃缓解潜力，并比较不同抑制剂产品的性能。荟萃分析显示，在中国农业生态系统中，施用UI与面积尺度（area-scale）和产量尺度（yield-scale）NH₃挥发分别平均降低44.63%和53.63%相关。在田间实验数据集中有充分代表性的抑制剂类型中，N-(n-丁基)硫代磷酰三胺 + N-丙基硫代磷酰三胺（NBPT+NPPT）在荟萃分析中显示出NH₃挥发的最大平均降低。培养实验表明，六种测试土壤的累积NH₃挥发范围为0.63至11.44 kg N ha^-1。高土壤pH值和砂粒含量通常与较高的NH₃挥发相关，而NH₃损失随土壤粉粒含量增加而降低。在培养实验中，NBPT+NPPT和NBPT通常比其他测试产品表现出更强的NH₃缓解效果，但在测试的土壤条件下，两者之间的差异在统计上不显著。N-(2-硝基苯基)磷酰三胺（2-NPT）的有效性因土壤而异，而氢醌（hydroquinone, HQ）和苯基磷酰二胺（phenylphosphorodiamidate, PPD）则显示出相对较弱或不一致的NH₃缓解效果。NBPT+NPPT和NBPT似乎是缓解NH₃挥发的有前景的选择，尤其是在高NH₃损失潜力的土壤中，但其有效性应被解释为依赖于土壤和产品。

**论文解读：脲酶抑制剂对中国耕地土壤氨挥发的缓解效应——基于荟萃分析与培养实验的研究**

**研究背景与问题**

合成氮肥的施用对维持全球作物生产至关重要，但其低效利用导致活性氮（reactive N, Nr）污染超出地球边界的安全运行空间。氨（NH₃）挥发是Nr损失的主要途径之一，显著加剧空气质量恶化、土壤酸化、水体富营养化及生物多样性丧失。中国是全球最大的氮肥消费国，但氮肥利用效率低于发达国家，其年NH₃排放量约10 Tg N yr^-1，超过欧洲和北美洲的总和。因此，阐明农业土壤NH₃挥发的驱动因素与缓解路径，对于提高肥料氮效率、降低集约化作物生产的环境成本至关重要。

脲酶抑制剂（urease inhibitors, UIs）被认为是缓解尿素施用土壤中NH₃挥发的有前景的试剂。施用尿素后，脲酶迅速将尿素水解为铵（NH₄⁺），暂时提高肥料微域pH值，使NH₄⁺/NH₃平衡向气态NH₃移动。UIs通过抑制脲酶活性延缓尿素水解，从而减少NH₄⁺的快速积累，延长植物氮吸收窗口。然而，现有研究多在全球或大区域尺度评估UI效果，其在NH₃排放热点区域（如中国）的性能尚不充分。此外，UI有效性具有情境依赖性，可能受土壤理化性质、气候条件和田间管理措施的调控。当前研究主要依赖面积尺度NH₃挥发，而将NH₃损失与作物生产力关联的综合指标（如产量尺度NH₃挥发）关注不足。在中国，UI评估在高投入谷物系统（如北方小麦-玉米、东部水稻）中较为集中，而西南地区（具有多样化土壤和集约化经济作物生产）的证据有限。

**研究目的与意义**

本研究旨在通过一项中国范围的荟萃分析（meta-analysis）结合一项使用中国西南地区六种土壤的受控培养实验（incubation experiment），量化UIs对中国农业生态系统面积尺度和产量尺度NH₃挥发的影响，识别调控UI有效性的主要因素，比较不同UI产品（NBPT+NPPT、NBPT、HQ、2-NPT、PPD）在代表性土壤条件下的性能，为优化UI施用提供循证建议。该研究发表于《Environmental Technology》。

**关键技术方法**

1. **荟萃分析**：从Web of Science和中国知网（CNKI）系统检索1985年10月至2025年12月发表的文献，筛选出60项研究（207对观测值），条件包括：配对设计（UI处理 vs. 无UI对照）、实验地点在中国、报告累积NH₃挥发均值、标准差及重复数。数据提取采用WebPlotDigitizer 4.2数字化图形，计算自然对数响应比（lnRR），使用多水平随机效应模型估计平均效应大小及95%置信区间，并通过亚组分析（作物类型、抑制剂类型、施氮量、土壤pH、土壤有机碳）和混合效应模型识别调控因素。
2. **培养实验**：采集中国西南地区六种农业土壤（0-20 cm表层土，去除石子和根系，风干过2 mm筛），设置七种处理：对照（CK）、尿素（U）、尿素+NBPT+NPPT、尿素+NBPT、尿素+HQ、尿素+2-NPT、尿素+PPD，每种处理三个重复。施氮量120 kg N ha^-1，UI用量为尿素重量的0.1%（HQ为5%）。采用通气法测定NH₃挥发（磷酸-甘油溶液浸泡海绵吸收，KCl提取，靛酚蓝比色法测定），每日采样直至通量下降。实验结束时测定土壤NH₄⁺-N、NO₃^--N和尿素-N含量。使用单因素方差分析（ANOVA）和LSD多重比较（p<0.05）检验处理间差异，混合效应模型分析土壤性质与UI类型对NH₃挥发的影响。

**研究结果**

**3.1 脲酶抑制剂对土壤NH₃挥发的影响**
荟萃分析显示，在所有纳入研究中，UI施用使面积尺度和产量尺度NH₃挥发分别平均降低44.63%和53.63%（图1A），但研究间存在显著异质性（I² > 95%）。在田间实验和培养实验中，UI分别降低NH₃挥发48.23%和37.66%，而在盆栽实验中效果仅边缘显著（图1B）。该结果通过整合多源数据得出，表明UI在中国农业系统中具有显著减排潜力，但效果受实验类型影响。

**3.2 影响UI对NH₃挥发缓解效率的因素**
混合效应模型表明，土壤pH、土壤有机碳（SOC）和UI类型是影响面积尺度和产量尺度NH₃挥发变异的主要因素（图2A、B）。使用NBPT+NPPT的UI使面积尺度和产量尺度NH₃挥发分别降低59.41%和67.91%，显著高于NBPT（图3、表S3）。UI对NH₃减排效果在不同作物类型间无显著差异。在中等pH土壤（6≤pH≤8）中，UI的NH₃减排效果（面积尺度：47.63%；产量尺度：58.88%）显著高于高pH土壤（pH>8）（面积尺度：30.40%）。单协变量回归分析表明，SOC升高倾向于增加UI施用时的NH₃排放，而UI的NH₃减排效率在高土壤pH或高施氮量下更高（图4）。年平均气温和降水量与UI的NH₃减排效果无显著关联（图S3、S4）。该结果通过亚组分析和回归得出，明确了UI类型和土壤pH是主要调控因素。

**3.3 不同脲酶抑制剂改良土壤的NH₃挥发**
培养实验显示，DL土壤中NH₃通量迅速上升，尿素施用后3天达到最大通量率2.75 kg N ha^-1 d^-1，显著高于UI处理（图5）。HQ或PPD延缓并降低了DL土壤的最大NH₃通量率。KM和BN土壤的NH₃通量率峰值分别出现在施肥后5天和8天。PPD在KM土壤中未延缓NH₃通量，而2-NPT和HQ延缓并降低了最大通量率。NBPT+NPPT或NBPT在所有测试土壤中均降低了NH₃通量率。累积NH₃挥发方面，KM和DL土壤分别为11.44和10.68 kg N ha^-1（图6）。在DL土壤中，NBPT+NPPT、NBPT、2-NPT和PPD分别使NH₃损失降低94.16%、92.92%、83.97%和21.26%，而HQ未降低排放。在KM土壤中，NBPT+NPPT、NBPT和HQ分别缓解NH₃挥发90.70%、86.44%和38.56%，2-NPT和PPD效果微弱。在BN和WS土壤中，不同UI使NH₃挥发降低53.42%–72.97%和39.10%–70.78%。在DH和DQ土壤中，UI对累积NH₃挥发无显著影响，且PPD处理在DQ土壤中导致更高NH₃损失。该结果通过直接测量不同土壤+UI组合的NH₃通量得出，表明UI效果具有高度土壤和产品依赖性。

**3.4 影响土壤NH₃挥发及UI减排效率的因素分析**
线性混合效应模型显示，土壤NH₃挥发随土壤pH和砂粒含量增加而增加，随粉粒含量增加而降低（图7）。NH₃减排效率与UI类型显著相关（图8A），并与终点土壤尿素-N含量呈正相关（图8B）。该结果通过统计建模分析培养实验数据得出，揭示了土壤质地和UI残留尿素对减排效率的调控作用。

**讨论与结论**

讨论部分指出，荟萃分析与培养实验均表明UI类型决定NH₃减排效率。磷酰胺类衍生物（如NBPT、NPPT、2-NPT）通过硫-磷酰基竞争性结合脲酶镍活性位点，阻断底物通道；而HQ通过自由基自催化机制氧化为活性醌，与酶关键半胱氨酸残基（αCys322）共价结合，破坏酶结构。NBPT+NPPT的减排性能优于单独NBPT，归因于其更长的半衰期（4.7天 vs. 2.7天）和互补抑制机制，但培养实验中两者差异不显著，可能与重质地土壤对抑制剂吸附限制生物有效性有关。2-NPT效果因土壤而异，在酸性土壤中长效性较好，但培养实验中在KM土壤效果微弱。PPD效果较低，可能与其0.1%的施用量低于有效范围（0.5%–1.0%）有关。土壤性质方面，高pH促进NH₃挥发，但荟萃分析中pH效应不显著，可能因低pH样本代表性不足及水田系统中淹水pH与本体土壤pH的脱耦。高SOC土壤中UI减排效率较低，因有机质加速微生物对NBPT的降解。研究局限性包括：产量尺度NH₃挥发方差近似估算可能低估不确定性；培养实验恒温恒湿条件排除田间动态干扰；固定施氮量（120 kg N ha^-1）限制剂量-响应关系评估。

**结论**：本研究结合中国范围荟萃分析与使用中国西南地区六种土壤的受控培养实验，评估了脲酶抑制剂（UIs）对NH₃挥发的影响。荟萃分析表明，UI施用普遍降低了中国农业生态系统中的面积尺度和产量尺度NH₃挥发，抑制剂类型是调控减排幅度的重要因素。培养实验进一步证明了明确的土壤和产品依赖性响应。在测试的120 kg N ha^-1施氮量下，NBPT+NPPT和NBPT在DL和KM等高排放土壤中表现出相对较强的缓解效果，而HQ、2-NPT和PPD则表现较弱或变化较大。关键的是，在DH和DQ土壤中未观察到显著的UI效应，凸显了缓解效果并非普遍适用。因此，UI技术的实际应用应根据具体土壤条件和抑制剂特性进行定制，以确保农艺和环境有效性。