生化抑制剂组合对黄泥田土壤氮素转化的影响及其环境生态效应

摘要

尿素是我国农业生产中广泛应用的氮(N)肥种类，如何减少稻田尿素N损失对提高水稻氮肥利用率、减少环境污染至关重要。从土壤中N素生物化学转化的过程入手，采用脲酶/硝化抑制剂进行双重调控，是从源头上控制农田N素污染、实现高效利用尿素N的有效措施。本文采用室内培养试验研究脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和硝化抑制剂2-氯-6-（三氯甲基）吡啶(CP)及其两者组合对尿素态N在黄泥田土壤中的转化作用效果及氨(NH3)挥发累积特性的影响，以及土壤温度和含水量互作对生化抑制剂组合抑制N素转化效果的影响;对比土壤或纯脲酶中N-丙基硫代磷酰三胺(NPPT)与NBPT抑制尿素水解效果，评价抑制脲酶性能，并通过分子对接和分子动力学模拟研究其与洋刀豆脲酶的相互作用机制。采用土柱淋溶试验，研究N肥配施生化抑制剂组合对N、钾(K)在黄泥田土体中淋溶损失，及土壤CO2、CH4和N2O累积排放和全球增温潜势(GWP)的影响。采用田间试验研究生化抑制剂组合与施肥模式互作对黄泥田水稻产量、群体质量和养分利用率、稻季田面水和渗漏液N素浓度动态变化、NH3挥发及稻季温室气体（CH4和N2O）排放通量的影响。取得的主要研究结果如下:
　　1.生化抑制剂组合对黄泥田土壤尿素态氮转化及氨挥发累积特性的影响:不同剂量NBPT处理可以缓释尿素施入3～9d，有效抑制土壤脲酶活性，减缓尿素分解，显著降低NH3挥发速率峰值34.98％。不同剂量CP处理可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化，其有效调控时间长达72d以上，但加剧NH3的挥发损失，显著增加NH3挥发速率峰值10.89％。NBPT+CP组合既能缓释尿素3～9d，有效抑制脲酶活性，减缓尿素水解，又能保持土壤中较高NH4+-N含量的时间超过72d，且降低施肥初期的NH3挥发速率，减少NH3挥发损失。在黄泥田土壤中施用生化抑制剂时，NBPT和CP选用范围分别为≤0.5％和≤0.3％。
　　2.NPPT与NBPT的脲酶抑制效应比较:壤土和黏土中，尿素作用时间≤9d，NBPT/NPPT可以延长尿素水解时间超过3d。砂土中，尿素分解过程相对缓慢，NBPT/NPPT显著降低土壤脲酶活性，抑制NH4+-N生成。不同尿素用量条件下，脲酶抑制剂在不同质地土壤中脲酶抑制效果表现为高施N量优于低施N量，且砂土＞黏土＞壤土。不同剂量NPPT与土壤或洋刀豆脲酶反应显著抑制脲酶活性，延缓尿素水解，效果与NBPT类似。分子对接显示，NPPT/NBPT与洋刀豆脲酶之间的作用模式相似:两者均渗入脲酶活性催化位点，与洋刀豆脲酶催化部位的镍离子和不同氨基酸的残基密切结合。模拟计算得出，NPPT和NBPT与洋刀豆脲酶的结合能(ΔGdock)分别为-66.04kcal·mol-1和-66.36kcal·mol-1。NPPT由于其产品热稳定性高、适于尿素融浆的加工过程，有利于尿基肥料应用在以后的生产中。
　　3.土壤温度和含水量互作对生化抑制剂组合抑制氮素转化效果的影响:土壤温度和土壤含水量对生化抑制剂组合在黄泥田土壤中抑制尿素水解效应显著，以土壤温度影响更大。随着土壤温度增加，尿素水解转化增强，有效作用时间降低，硝化作用增强，脲酶和硝化抑制效应减弱;随着土壤含水量降低，尿素水解转化缓慢，有效作用时间延长，硝化作用减弱，脲酶和硝化抑制效应增强。不同土壤温度和含水量条件下，NBPT/NPPT或配施CP处理有效抑制黄泥田土壤中脲酶活性，延缓尿素水解;CP或配施NBPT/NPPT处理有效抑制NH4+-N向NO3--N转化，保持土壤中较高NH4+-N含量长时间的存在。黄泥田土壤中生化抑制剂组合最佳应用的土壤温度和含水量分别为25℃和60％WHC。
　　4.氮肥配施生化抑制剂组合对黄泥田土壤氮、钾淋溶损失及温室气体排放的影响:不同N肥种类NBPT处理可以有效抑制淋溶液中NH4+-N生成，延缓淋洗出峰时间，减少NH4+-N流失;CP处理可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化，减少NO3--N流失，有效调控时间超过72d;NBPT+CP组合既能保持土壤中较高NH4+-N含量，又能降低淋溶液中NO3--N浓度。与单施NBPT相比，配施CP可以减少黄泥田土壤中NO3-淋溶，增加土壤晶格对K+的吸附，减轻K+淋失风险，有效时间长达72d。不同种类N肥添加CP延迟并显著降低N2O排放通量峰值。CP或配施NBPT分别减少土壤N2O排放量32.66％和24.72％（尿素）、29.85％和29.44％（尿素硝铵）;尿素配施NBPT显著减少N2O排放量10.56％。添加抑制剂有效减少各种N肥的GWP，以NBPT+CP组合降幅最大(24.68％)。
　　5.生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田水稻产量、群体质量、养分累积及利用率的影响:尿素分次施用处理水稻产量和经济效益较一次性施用处理分别显著提高14.2％和14.6％;水稻有效茎蘖数、有效叶面积指数(LAI)、抽穗至成熟期干物质累积和抽穗期SPAD值分别提高0.8％、24.0％、9.3％和1.5％;水稻成熟期N、P、K吸收量分别提高11.0％、0.9％、4.2％;N肥吸收利用率和N肥农学利用率分别显著提高27.5％和70.8％。不同施肥模式下，配施生化抑制剂组合(NBPT/NPPT+CP)显著提高水稻有效茎蘖数及茎蘖成穗率，增大有效LAI，增加抽穗期SPAD值，提高水稻粒叶比，改善源库关系;增加水稻N、P、K吸收量，促进抽穗后干物质生产和N素积累，提高籽粒中的养分分配及N素利用效率。
　　6.生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田稻季田面水和渗漏液氮素动态变化、氨挥发及温室气体排放的影响:尿素分次施用处理稻季NH3挥发净损失率较一次性施用处理显著降低24.6％;CH4和N2O排放总量、GWP及GHGI分别显著降低13.5％、20.7％、14.4％和25.0％。不同施肥模式下，CP显著提高稻季田面水NH4+-N浓度和NH3挥发速率峰值，增加稻田NH3挥发损失量，而NBPT/NPPT或配施CP有效降低田面水NH4+-N和NH3挥发速率峰值，减少稻田NH3挥发损失量;CP显著降低稻季渗漏液NO3--N浓度和N2O排放通量峰值，减少稻季CH4和N2O排放总量，而CP或配施NBPT/NPPT有效降低渗漏液NO3--N峰值，减少稻季CH4和N2O排放，降低GWP和GHGI。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 脲酶抑制剂研究进展

1．1．1 脲酶来源

1．1．2 脲酶结构

1．1．3 脲酶作用机理与条件

1．1．4 脲酶抑制剂分类

1．1．5 脲酶抑制剂适用条件

1．1．6 脲酶抑制剂应用比较

1．2 脲酶抑制剂NBPT在农业生产中的应用效果

1．2．1 NBPT作用机理

1．2．2 NBPT对土壤N素转化的影响

1．2．3 NBPT在草地上的应用

1．2．4 NBPT在农作物上的应用

1．3 脲酶抑制剂NBPT阻控NH3排放效果及影响因素

1．3．1 尿素水解产NH3的过程

1．3．2 NBPT阻控NH3排放应用效果

1．3．3 NBPT对硝化／反硝化作用的影响

1．3．4 NBPT与硝化抑制剂组合应用效果

1．3．5 NBPT作用影响因子

1．4 本文研究目的与意义

1．5 技术路线

第2章 生化抑制剂组合对黄泥田土壤尿素态氮转化及氨挥发累积特性的影响

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 试验材料

2．2．2 试验设计

2．2．3 测定项目与方法

2．2．4 计算公式

2．3．1 土壤尿素态N含量的变化

2．3．2 土壤脲酶抑制率的变化

2．3．3 土壤NH4+-N含量的变化

2．3．4 土壤N03--N含量的变化

2．3．5 土壤表观硝化率的变化

2．3．6 土壤硝化抑制率的变化

2．3．7 土壤NH3挥发的变化

2．3．8 土壤NH3挥发动力学特性

2．3．9 土壤pH值的变化

2．4 讨论

2．5 小结

第3章 新型磷酰胺类脲酶抑制剂对不同质地土壤尿素转化的影响

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 试验材料

3．2．2 试验设计

3．2．3 测定项目与方法

3．2．4 计算公式

3．2．5 数据处理

3．3 结果与分析

3．3．1 土襄尿素态N含量的变化

3．3．2 土壤脲酶活性抑制率的变化

3．3．3 土壤NH4+-N含量的变化

3．3．4 土壤N03--N含量的变化

3．3．5 土攘表观硝化率的变化

3．4 讨论

3．5 小结

第4章 NPPT与NBPT的脲酶抑制效应比较

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 试验材料

4．2．2 试验设计

4．2．3 测定项目与方法

4．2．4 计算公式

4．2．5 数据处理

4．3 结果与分析

4．3．1 土壤脲酶抑制率

4．3．2 纯脲酶反应动态

4．3．3 纯脲酶抑制率

4．3．4 分子对接

4．4 讨论

4．4．1 土壤质地对脲酶抑制效应的影响

4．4．2 NBPT与NPPT的作用机制

4．4．3 抑制剂稳定性

4．5 小结

第5章 土壤温度和含水量互作对生化抑制剂组合抑制氮素转化效果的影响

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 试验材料

5．2．2 试验设计

5．2．3 测定项目与方法

5．2．4 数据处理

5．3 结果与分析

5．3．1 土壤尿素态N含量

5．3．2 土壤脲酶抑制率

5．3．3 土壤NH4+-N含量

5．3．4 土壤N03--N含量

5．3．5 土壤表观硝化率

5．3．6 土壤硝化抑制率

5．4 讨论

5．4．1 土壤温度对抑制剂作用效果的影响

5．4．2 土壤含水量对抑制剂作用效果的影响

5．5 小结

第6章 氮肥配施生化抑制剂组合对对黄泥田土壤氮、钾淋溶损失及温室气体排放的影响

6．1 引言

6．2材料与方法

6．2．1 试验材料

6．2．2 试验装置

6．2．3 试验设计

6．2．4 样品采集与测定

6．2．5 计算公式

6．2．6 数据处理

6．3 结果与分析

6．3．1 土柱淋溶液中N03--N的变化

6．3．2 土柱淋溶液中NH4+-N的变化

6．3．3 N03--N淋溶特征曲线拟合

6．3．4 土柱淋溶液中K+的变化

6．3．5 K+与N03--N淋溶特征曲线拟合

6．3．6 土壤剖面速效K分布

6．3．7 温室气体排放的变化

6．3．8 全球增温潜势

6．4 讨论

6．4．1 N肥种类对土壤N、K淋溶损失的影响

6．4．2 抑制剂对土壤N、K淋溶损失的影响

6．4．3 黄泥田土壤中N、K素的淋失特征

6．4．4 对N2O排放的影响

6．4．5 对CH4、CO 2排放和GWP的影响

6．5 小结

第7章 生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田水稻产量、群体质量和养分累积及肥料利用率的影响

7．1 引言

7．2 材料与方法

7．2．2 供试材料

7．2．3 试验设计

7．2．4 测定项目及方法

7．2．5 计算公式

7．2．6 数据处理

7．3 结果与分析

7．3．1 水稻籽粒产量

7．3．2 水稻产量构成因素

7．3．3 一次性施肥与分次施肥水稻各产量构成因素的相关性分析

7．3．4 不同施肥模式下水稻产量构成因素的通径分析

7．3．5 水稻经济效益

7．3．6 水稻株高

7．3．7 水稻茎蘖成穗率

7．3．8 水稻抽穗期和成熟期干物质积累及其与籽粒产量的关系

7．3．9 水稻叶面积指数

7．3．10 水稻粒叶比

7．3．11 水稻SPAD值

7．3．12 水稻干物质积累

7．3．13 水稻N素吸收、分配与利用率

7．3．14 水稻P素吸收与分配

7．3．15 水稻K素吸收与分配

7．3．16 N、P、K吸收量与籽粒产量的关系

7．4 讨论

7．4．1 施肥模式对水稻产量和群体质量的影响

7．4．2 抑制剂组合对水稻产量和群体质量的影响

7．4．3 施肥模式对水稻N肥吸收利用的影响

7．4．4 抑制剂组合对水稻N肥吸收利用的影响

7．5 小结

第8章 生化抑制剂组合与施肥模式对黄泥田稻季田面水和渗漏液氮素动态变化、氨挥发及温室气体排放的影响

8．1 引言

8．2 材料与方法

8．2．1 试验地概况

8．2．2 供试材料

8．2．3 试验设计

8．2．4 温度与土壤相对含水率测定方法

8．2．5 田面水样采集与测定方法

8．2．6 渗漏水样采集与测定方法

8．2．7 NH3挥发采集与测定方法

8．2．8 温室气体采样与测定方法

8．2．9 计算公式

8．2．10 数据处理

8．3 结果与分析

8．3．1 稻田气温、土温和土壤相对湿度

8．3．2 稻田田面水NH4+-N、N03--N和TN浓度的动态变化

8．3．3 稻田渗渭液NH4+-N、N03--N和TN浓度的动态变化

8．3．4 稻田NH3挥发的动态变化

8．3．5 稻田田面水pH的动态变化

8．3．6 NH3挥发速率与其影响因子的相关性分析

8．3．7 稻季温室气体排放的动态变化

8．4 讨论

8．4．1 对稻田田面水N素动态变化的影响

8．4．2 对稻田渗漏液N素动态变化的影响

8．4．3 施肥模式对稻田NH3挥发的影响

8．4．4 抑制剂组合对稻田NH3挥发的影响

8．4．5 环境因子对稻田NH3挥发的影响

8．4．6 施肥模式对稻田温室气体排放的影响

8．4．7 抑制剂组合对稻田温室气体排放的影响

8．5 小结

第9章 创新点和展望

9．1 创新点

9．2 不足之处

9．3 展望

参考文献

作者筒历

致谢