肥料是保障我国粮食安全的关键因素，在作物生长中发挥着不可替代的作用^[1]。随着农业生产的发展，氮肥施用量迅速增加，但是氮素在土壤中容易转化，导致很大一部分氮素不能被作物完全吸收利用，而以多种形式释放到环境中^[2]，引起地表和地下水硝酸盐污染、水体富营养化、大气温室效应等一系列的环境问题^[3]。新型缓释肥通过延缓肥料养分在土壤中的转化和释放，使其与作物吸收同步的方式，成为提高肥料利用率、增加作物产量的有效途径^[4-6]。可若全量投入纯缓释肥会显著增加施肥成本，不利于大面积的推广与应用^[7]。有研究表明，缓释尿素与普通尿素混施既能满足作物生育期内对养分的需求，又能实现高产高效的简化施肥目标^[8-10]。目前缓释尿素与普通尿素配施已成为一种较为常见的施肥模式。

基于在砂姜黑土区所做田间试验得出的结果：小麦季秸秆还田条件下配施缓控释肥处理表层土壤铵态氮含量随生育期不断增加，在抽穗期达到峰值，为21.28 mg/kg，显著高于同期的秸秆还田条件下的推荐施肥处理(7.00 mg/kg)。但在成熟期时，秸秆还田条件下配施缓控释肥处理表层土壤硝态氮含量(48.28 mg/kg)显著高于同期的推荐施肥处理(33.11 mg/kg)和秸秆还田条件下的推荐施肥处理(24.91 mg/kg)，增加了氮素淋失的风险(未发表数据)。这表明缓控释肥配施在作物生长前期通过延缓氮素的释放，显著增加土壤铵态氮含量，但后期随着缓释作用减弱，土壤中硝态氮不断累积，则增大氮素流失风险。

对铵态氮肥及能形成铵的氮肥来说，抑制或延缓其硝化作用，是减少损失、提高肥料利用率和降低环境影响的重要途径之一^[11]。硝化抑制剂是目前最为有效且常用的调节硝化作用的措施^[12-13]，在减少硝态氮淋失、氮氧化物排放^[14-16]等方面效果显著。白杨等^[17]认为施用缓释掺混氮肥配施抑制剂能延迟土壤铵态氮高峰的出现以及后续向硝态氮的转化，提高固氮作用，从而提高作物产量和氮肥利用率。3, 4-二甲基吡唑磷酸(DMPP)作为一种新型硝化抑制剂，具有硝化抑制作用时间长、用量少、硝化抑制率高^[18]、移动性相对较小不易发生淋洗、与植物相容性好^[19]等优势。Yu等^[20]发现DMPP添加在有机和无机氮组合施肥中延长了铵态氮在土壤中的滞留期，显著降低了土壤硝酸盐和亚硝酸盐氮的浓度。并且DMPP可以间接有效控制无机氮淋失，最大限度降低地下水硝酸盐污染的风险^[21]。

目前对于DMPP的研究多基于在单一施用普通尿素、氯化铵等氮肥的条件下，关于尿素与缓释尿素配施模式下添加DMPP对土壤氮素转化的影响研究相对较少。本文通过在尿素、缓释尿素以及尿素与缓释尿素配施的基础上，添加DMPP进行室内培养试验，探究不同处理下的硝化抑制效果，以期为砂姜黑土区速效与缓释氮肥的合理配伍、提高氮肥利用率及减少土壤硝态氮的流失提供依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤与试剂

供试土壤为砂姜黑土，采自安徽省宿州农科院试验站，土壤经自然风干后过2 mm筛。供试土壤的基本理化性质：pH 7.55，土壤有机质含量25.33 g/kg，全氮含量1.61 g/kg，碱解氮含量91.39 mg/kg，有效磷含量59.21 mg/kg，速效钾含量272 mg/kg。

供试尿素、3, 4-二甲基吡唑磷酸(DMPP≥97%)为分析纯试剂，缓释尿素含氮46%，由茂施公司生产。

1.2 试验方法

试验共设7个处理，分别为不施肥(CK)、单施尿素(N)、单施缓释尿素(S)、60% 尿素+40% 缓释尿素(NS)、尿素+DMPP(ND)、缓释尿素+DMPP(SD)、60% 尿素+40% 缓释尿素+DMPP(NSD)。氮素添加量为N 0.5 g/kg干土，DMPP添加量为施氮量的1%。采用200 ml塑料杯开展室内土壤培养试验，每杯装风干土100 g，用去离子水调节土壤含水率至田间最大持水量的60%。供试尿素和DMPP溶解于去离子水施入土壤，缓释尿素按0.5 g/kg均匀混入土壤，然后以封口膜封口，用针均匀扎孔以保证通气，每个处理33瓶，一共231瓶。将其放于25 ℃培养箱中培养63 d。培养期间，每隔2 d通过称量法补足损失的水分，并在培养的第1、3、7、14、21、28、35、42、49、56、63天取样。

1.3 测定与计算方法

土壤铵态氮、硝态氮采用1 mol/L KCl溶液浸提(V_(KCl)︰m_(土)=10︰1，振荡30 min)，用SKALAR连续流动分析仪测定。土壤pH(用无CO₂蒸馏水，V_(蒸馏水)︰m_(土)=2.5︰1浸提，pH计测定)。土壤含水量用烘干称重法测定。土壤酶活性采用酶活试剂盒(SUE-1-Y，苏州科铭生物技术有限公司)测定。

经过回归分析得到氨氧化速率和培养时间之间的函数表达式：

$ y={\rm{a}} \times {\rm{e}}^{-{\rm{k}} t} $

(1)

式中：y是土壤中的NH₄⁺ 含量(mg/kg)，t是培养的时间(d)，k为氨氧化速率常数，a为常数。

$ \text { 土壤表观硝化率 }(\%)=\left(\mathrm{NO}_{3}^{-}-\mathrm{N} / \mathrm{NO}_{3}^{-}-\mathrm{N}+\mathrm{NH}_{4}^{+}-\mathrm{N}\right) \times 100 $

(2)

$ \text { 硝化抑制率 }(\%)=(A-B) / A \times 100 $

(3)

式中：A为添加尿素培养后土壤硝态氮含量(mg/kg)；B为添加缓释尿素、DMPP培养后土壤硝态氮含量(mg/kg)。

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010、SPSS 19和Origin 2019软件进行数据统计分析与作图。处理间差异性比较采用单因素方差分析，多重比较采用最小显著法(LSD)进行显著性检验(P < 0.05)。

2 结果与分析 2.1 不同处理对土壤铵态氮含量和氨氧化速率的影响 2.1.1 土壤铵态氮含量变化

各处理的土壤铵态氮含量在整个培养时期内总体呈下降趋势，其中S与SD处理呈现先上升后下降的趋势(图 1)。N处理的土壤铵态氮含量在培养的第21天就已经下降了99.2%，而ND处理则在培养的第35天土壤铵态氮含量下降了99.4%，并且其在第35天之前的各培养时间里铵态氮含量均显著高于N处理(P < 0.05)。尿素添加DMPP处理(ND)较之单施尿素处理(N)能有效抑制氨氧化的作用，延缓了铵态氮向硝态氮转化的时间。S与SD处理后，土壤铵态氮含量在整个培养时间里呈现先上升后下降的趋势，S处理铵态氮含量在培养的第14天达到峰值(4.87 mg/kg)，而SD处理则在培养的第35天达到峰值(31.92 mg/kg)，并且在第14 ~ 42天内铵态氮含量均能保持较高水平。缓释尿素添加DMPP处理与单施缓释尿素处理相比，在有效延长抑制硝化作用时间的同时，还能有效提高土壤铵态氮含量。NS处理在培养的第28天铵态氮含量下降了97.6%，NSD处理则在培养的第56天铵态氮含量下降了98.0%，并在培养的前28 d内铵态氮含量均保持较高水平，显著高于NS处理(P < 0.05)，且其最小铵态氮含量出现时间较NS滞后了28 d。尿素与缓释尿素配施添加DMPP不仅能够显著提高土壤铵态氮含量(P < 0.05)，还能延长抑制硝化作用的时间。

2.1.2 氨氧化速率常数和半衰期变化

表 1为不同处理氨氧化速率常数和铵态氮半衰期，可以看出，施用DMPP的处理均能显著降低氨氧化速率常数并相应地延长铵态氮的半衰期(P < 0.05)。与N处理(铵态氮半衰期1.5 d)相比，施用DMPP处理土壤中铵态氮的半衰期延长至11.5 ~ 18.6 d，说明施用硝化抑制剂DMPP能够有效抑制氨氧化作用的进程。NS处理较之N处理氨氧化速率常数有所提高，且铵态氮半衰期缩短了0.1 d，差异不显著。NSD处理氨氧化速率常数低于其他3个处理，并且铵态氮半衰期延长至18.6 d，明显高于其他处理，这表明尿素与缓释尿素配施，再添加DMPP后在抑制氨氧化作用上效果显著，能够有效延长土壤中铵态氮的滞留时间。

2.2 不同处理对土壤硝态氮含量的影响

所有处理土壤硝态氮含量在整个培养期内呈上升的趋势(图 2)，但土壤硝态氮含量前期在N处理中急速上升，而在其他施肥处理中上升缓慢。N处理在培养前14 d中硝态氮含量显著高于其他处理，硝化作用强烈(P < 0.05)。在第1 ~ 28天中，N处理硝态氮含量显著高于ND处理(P < 0.05)，在第49天时，N处理硝态氮含量达到峰值(88.96 mg/kg)，而ND处理则在培养的第56天达到峰值(86.98 mg/kg)。S处理硝态氮含量在培养前期呈缓慢增加趋势，但在第28天后硝态氮增加速度加快，显著高于N处理(P < 0.05)。在培养的1 ~ 49 d，SD处理的硝态氮含量显著低于S处理(P < 0.05)，表明缓释尿素添加DMPP具有较好的硝化抑制效果，并且其硝化抑制有效作用时间在49 d左右。NS处理硝态氮含量在第14天后迅速增加，而后其硝态氮含量一直保持较高的水平。在第1 ~ 42天，NSD处理硝态氮含量显著低于NS处理(P < 0.05)，并且其硝态氮含量的增加也较为缓慢。在培养的第1 ~ 3天，添加DMPP的3个处理中NSD处理硝态氮含量低于ND和SD处理，第7 ~ 35天，SD处理硝态氮含量显著低于ND和NSD处理(P < 0.05)，第42 ~ 63天，ND处理显著低于SD和NSD处理(P < 0.05)。

2.3 不同处理对土壤表观硝化率的影响

由图 3A可见，随培养时间的增加，不同处理土壤表观硝化率呈增加趋势。在培养的第21天，N处理表观硝化率达到99.7%，而ND处理则到培养的第35天达到99.7%，并且在第1 ~ 28天，ND处理表观硝化率都显著低于N处理(P < 0.05)，表明添加DMPP在培养前期能有效抑制氨氧化作用。S处理的表观硝化率一直维持一个较高的水平，只在第7 ~ 14天有所降低；而SD处理在培养的第7 ~ 42天表观硝化率显著低于S处理(P < 0.05)，表明缓释尿素添加DMPP能有效延长抑制氨氧化作用的时间。NS处理在培养的第3天表观硝化率就达到90.9%，并随着培养时间不断升高。NSD处理则在培养的第35天硝化抑制率达到93.3%，较之NS处理其抑制硝化作用时间延长了32 d左右，并且在培养的1 ~ 56 d表观硝化率均显著低于NS处理(P < 0.05)，表明尿素与缓释尿素配施添加DMPP较之单一的配施不仅可以延长抑制硝化作用的时间，还能有效降低硝化作用的强度。

2.4 不同处理对土壤硝化抑制率的影响

图 3B表明，各处理硝化抑制率整体呈先上升后逐渐降低的趋势，在培养的前7 d内，ND、S、NS、NSD处理的硝化抑制能力达到较高的水平，SD处理的硝化抑制率则在培养的第35天达到最高。ND处理的硝化抑制率在培养的21 d中一直保持一个较高水平(27% ~ 50%)；S处理硝化抑制率在前7 d内增幅较快，并在第7天达到峰值(62.5%)，随后则快速下降。SD处理硝化抑制率在培养的第35天达到峰值(34.9%)，并且在第21 ~ 56天内均显著高于其他处理(P < 0.05)，表明缓释尿素添加DMPP较之单施缓释尿素能够较好地抑制土壤铵硝化。NS处理硝化抑制率在第7天达到峰值(27.0%)之后开始缓慢下降，第28天之后快速下降，而NSD处理硝化抑制率较之NS处理则在整个培养时期内都维持了一个较高的水平，表明在尿素与缓释尿素配施的基础上添加DMPP能有效提高硝化抑制率，增加对土壤铵硝化过程的抑制强度。

2.5 不同处理对土壤pH的影响

尿素施入土壤中，土壤pH会随着尿素水解而短暂升高，随后发生的硝化作用则导致土壤pH的下降^[22]。由图 4可知，除N和NS处理外，其他施肥处理pH在培养的第3天达到最高值，N和NS处理则在培养的第7天升至最高值，而后各处理随培养时间呈下降趋势，并在培养21 d后逐渐稳定。在培养过程中，N处理pH始终维持在较低水平，ND处理pH在培养前21 d前均显著高于N处理(P < 0.05)。S处理pH在培养前21 d一直高于SD处理，而在培养的第28 ~ 42天内SD处理pH则高于S处理。培养前期，NSD处理pH高于NS处理，但在第28天之后NSD处理与NS处理间pH无显著性差异。

2.6 不同处理对土壤脲酶活性的影响

脲酶是参与尿素水解的专用酶，它的活性可以表征土壤氮素状况^[23]。由图 5可以看出，在整个培养期间，各处理脲酶活性变化幅度不大，呈现缓慢上升的趋势。N处理土壤脲酶活性在培养的第49天出现活性高峰，达到785.30 g/(g·d)，ND处理在培养的第14 ~ 49天均低于N处理，表明尿素添加DMPP在此期间能抑制土壤酶活性，减缓尿素水解的速度。在培养的前28 d，SD处理脲酶活性均低于S处理，缓释尿素添加DMPP在培养前期能起到降低土壤酶活性的作用。NS处理与NSD处理在整个培养期间脲酶活性均无显著性差异。

3 讨论 3.1 缓释尿素添加DMPP对土壤氮素转化的影响

缓释尿素具有控制肥料养分释放的作用，本研究中单施缓释尿素处理较之单施尿素处理能利用其缓释作用减慢尿素水解的速度，使硝化细菌因缺乏底物而减少了硝态氮的形成，在培养的前21 d内作用显著(P < 0.05，图 2)，这与任先顺等^[24]研究结果相一致。缓释尿素添加DMPP处理与单施缓释尿素处理相比，显著提高土壤中铵态氮含量(P < 0.05，图 1)，其硝化抑制有效作用时间在49 d左右(图 3)，且抑制硝化作用效果明显。李玉等^[25]研究也发现含有硝化抑制剂涂层的包膜尿素能明显抑制土壤铵态氮的硝化，降低土壤铵态氮的表观硝化率，从而减少土壤硝态氮的淋溶损失。

尿素水解时产生的OH^-会导致土壤pH短暂升高，随后的硝化作用则会使土壤pH降低^[22]。在培养的第1 ~ 21天内，单施缓释尿素处理与缓释尿素添加DMPP处理的土壤pH显著高于单施尿素处理pH(P < 0.05，图 4)，表明缓释尿素与DMPP的施用，能抑制硝化作用，使土壤中较长时间保持较高的铵态氮含量和较低的硝态氮含量，造成土壤pH的升高^[26]。

单施尿素、缓释尿素处理的脲酶活性与施用DMPP的各处理之间无显著性差异(图 5)，这与华建峰等^[27]研究结果一致，说明尿素的水解过程受硝化抑制剂的影响较小，脲酶活性与硝化抑制剂的施用无显著关系^[28]。

3.2 尿素与缓释尿素配施添加DMPP对土壤氮素转化的影响

尿素与缓释尿素配施是目前常见的一种轻简化施肥模式，本研究发现，尿素与缓释尿素配施后并没有因为缓释氮的配伍而增加土壤铵态氮的供给(图 1)，反而因配施缓释尿素较之单施尿素处理提高了氨氧化速率常数，缩短了铵态氮半衰期(表 1)，表明尿素与缓释尿素配施较单一尿素处理加快了铵态氮向硝态氮的转化，并导致土壤中硝酸盐的累积增加。这与我们在砂姜黑土区的田间试验结果一致：在小麦季成熟期时，秸秆还田条件下配施缓控释肥处理表层土壤硝态氮含量(48.28 mg/kg)显著高于同期的推荐施肥处理(33.11 mg/kg)和秸秆还田条件下的推荐施肥处理(24.91 mg/kg)，尽管缓释氮肥配伍能够增加小麦生长中后期土壤硝态氮的供给，但也存在增加麦田中后期氮素淋失的风险。李泽丽等^[29]研究也表明，控释尿素较尿素处理可避免小麦越冬期氮素过剩造成的资源浪费，但同时也会显著增加返青后土壤中硝态氮含量。在供氧充足的条件下，铵的硝化作用加剧，会造成硝态氮、亚硝态氮的累积，在作物不能充分吸收利用的情况下会增大硝态氮的淋失风险^[3]。

本研究中，尿素与缓释尿素配施添加DMPP不仅能够显著提高土壤铵态氮含量，还能延长抑制硝化作用的时间(图 1)。且配施添加DMPP在抑制氨氧化作用上效果明显，能够有效延长土壤中铵态氮的停留时间，同时，硝化抑制率得到显著提高，抑制表观硝化作用有效时间延长了32 d左右(图 3)。

土壤pH是影响硝化作用的一个重要因素^{[3, 30]}，与硝化速率呈显著正相关^[31]。尿素与缓释尿素配施添加DMPP处理土壤pH在培养的第3 ~ 21天随硝化作用的进行呈下降趋势(图 4)，与其硝化抑制率的变化趋势相同(图 3)，即培养21 d天前的硝化抑制率高于25%，同时也与配施添加DMPP有效降低氨氧化速率，使铵态氮半衰期延长至18.6 d的结果相印证(表 1)。这与石美等^[16]研究结果相一致，但在田间实际应用中DMPP添加方式、效应时间及其对土壤无机氮形态转化的影响还需要进一步深入研究。

此外，本研究中，尿素与缓释尿素配施处理与配施添加DMPP处理的土壤脲酶活性无显著性差异(图 5)，表明脲酶活性与硝化抑制剂的施用无显著关系^[28]。这可能与DMPP是通过抑制氨氧化细菌(AOB)的生长而抑制硝化作用有关^[32]。在土壤中添加适量的硝化抑制剂，能有效抑制土壤AOB的增值，并在施用前期，会为微生物生长提供可利用的碳源或能源，刺激土壤三大微生物群落的生长^[33]。通过抑制土壤AOB的生长，抑制氨氧化作用，延长铵态氮在土壤中停留时间，刺激微生物活性，利用微生物的固持作用，使得更多的铵态氮被固定在土壤中，减少土壤中硝酸盐的累积。关于DMPP对氨氧化细菌的活性的影响还需要进一步的试验验证。

4 结论

1) 缓释尿素添加DMPP能有效抑制硝化作用，显著提高土壤中铵态氮含量，且硝化抑制有效作用时间达49 d左右。

2) 尿素与缓释尿素配施添加DMPP对氨氧化过程有较强的抑制作用，可有效延长铵态氮在土壤中停留的时间，减少硝化作用，提高氮素利用率，减少硝态氮淋失风险，为砂姜黑土上速效氮与缓释氮的优化配伍以及作物一次性施肥技术提供理论依据。