硝化抑制劑和脲酶抑制劑在高溫堆肥中的應(yīng)用研究進(jìn)展

張 芳，屈素齋

（濮陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 濮陽 457000）

0 引言

高溫好氧堆肥因其環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)點(diǎn)，成為處理有機(jī)廢棄物的有效手段，目前已在畜禽糞便、城鎮(zhèn)生活污泥以及生活垃圾等處理中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。然而，高溫堆肥過程中存在著嚴(yán)重的氮素?fù)p失，不僅降低了堆肥品質(zhì)，而且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。堆肥過程既存在高溫、高pH 帶來的NH3揮發(fā)損失，又有硝化和反硝化作用產(chǎn)生的氮氧化物揮發(fā)損失，以及滲濾液或雨水造成的氮素淋溶損失［4］。一般情況下，通過控制通風(fēng)和初始物料水含量就能避免滲濾液造成的氮損失。因此，NH3和N2O是堆肥過程中主要的氮損失途徑，其氮損失量可占堆肥物料初始總氮的40% ～80%［5］和0 ～9.8%［6］，如果堆肥過程控制不當(dāng)，N2O排放量會(huì)超過NH3。NH3的排放不僅對(duì)大氣中氣溶膠的形成及參與二次反應(yīng)形成細(xì)顆粒物（PM2.5）有重要貢獻(xiàn)［7］，而且NH3可部分轉(zhuǎn)化為N2O，造成間接溫室效應(yīng)，其分子增溫潛勢(shì)為CO2的3.86 倍［8］；N2O 作為重要的溫室氣體，其分子增溫潛勢(shì)為CO2的296 倍，且會(huì)引起臭氧層損耗［9］。因此，減少堆肥過程中NH3和N2O的排放對(duì)于降低氮素?fù)p失、減輕霧霾以及減緩溫室效應(yīng)具有重要意義。

NH3和N2O 也是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中氮素?fù)p失的重要途徑［10-11］，其減排控制研究相對(duì)較為成熟，常用且有效的措施是加入氮肥增效劑。氮肥增效劑進(jìn)入土壤后能夠改善農(nóng)田土壤環(huán)境，調(diào)控酶活性，影響微生物對(duì)含氮物質(zhì)的分解，從而減少NH3和N2O的排放［12-13］。同農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)一樣，堆肥也是在微生物作用下的碳氮循環(huán)過程。因此，將氮肥增效劑作為調(diào)理劑用于有機(jī)廢棄物好氧堆肥的研究也日趨增多［2，14］。以下介紹氮肥增效劑的種類和作用機(jī)制，以及在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用，著重從氣態(tài)氮損失方面總結(jié)氮肥增效劑對(duì)好氧堆肥過程氮素轉(zhuǎn)化和堆肥進(jìn)程的影響，并展望未來的發(fā)展方向，旨在為氮肥增效劑在堆肥系統(tǒng)中應(yīng)用提供參考。

1 氮肥增效劑的主要種類和作用機(jī)制

氮肥增效劑（NFS）的概念在1995年首次被美國植物養(yǎng)分管理聯(lián)合會(huì)（AAPFCO）提出［15］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)外氮肥增效劑的種類有上百種，按其作用方式主要分為硝化抑制劑（NI）和脲酶抑制劑（UI）。

1.1 硝化抑制劑

硝化抑制劑主要是通過抑制亞硝化細(xì)菌的活性，阻止NH4+-N 的第一步氧化，從而減少NO3--N的累積，使氮肥長時(shí)間以NH4+-N 的形式保持在土壤中，供農(nóng)作物吸收，進(jìn)而減少NO3--N 的淋溶和反硝化造成的氣態(tài)氮損失［16］，適合與各種銨態(tài)氮肥或尿素配合使用。目前，大多數(shù)研究集中于控制溫室氣體排放和提高農(nóng)作物產(chǎn)量2個(gè)方面。硝化抑制劑能夠使N2O 排放降低8%～57%［13］，而且由于其能有效降低氮素?fù)p失，延長肥效，可以使玉米、小麥、水稻產(chǎn)量分別增加15% ～20%［17］、15% ～20%［18］和8.6%［19］。然而，硝化抑制劑對(duì)NH3排放的影響尚未取得共識(shí)［20-22］。

1.2 脲酶抑制劑

脲酶抑制劑可以抑制脲酶活性，減緩尿素水解速率，減少土壤中NH4+-N 含量，從而降低NH3排放，降低幅度為22%～89%［23-24］。此外，脲酶抑制劑由于減少了土壤硝化作用的底物含量，N2O排放降低了10% ～35%［25］。硝化抑制劑的存在增加了NH3排放的潛在風(fēng)險(xiǎn)［26］，因此目前較多研究關(guān)注硝化抑制劑和脲酶抑制劑聯(lián)合施用對(duì)NH3和N2O排放的影響，并取得了較好的效果［24，27-28］。

2 氮肥增效劑在堆肥中的應(yīng)用

2.1 硝化抑制劑

固體廢棄物處理中，應(yīng)用較多的硝化抑制劑主要有雙氰胺（DCD） 和3,4-二甲基吡唑磷酸鹽（DMPP）。雙氰胺在農(nóng)田施用后，能夠降解產(chǎn)生CO2和NH4+［29］，對(duì)農(nóng)作物無毒害作用；3,4-二甲基吡唑磷酸鹽也具有對(duì)土壤無污染、對(duì)人無刺激性等優(yōu)點(diǎn)［30］。

2.1.1 硝化抑制劑研究現(xiàn)狀

硝化抑制劑能有效降低堆肥中氮素?fù)p失。硝化抑制劑不僅可以有效減少尿素中氮的損失，而且可以顯著控制有機(jī)肥，甚至是畜禽糞便中氮素?fù)p失。WELTEN 等［31］在牛糞尿混合物中發(fā)現(xiàn)，添加雙氰胺能有效降低混合物中硝態(tài)氮的淋失量，而且雙氰胺添加量越大，其效果越明顯。隨后更多的研究者把硝化抑制劑直接應(yīng)用于高溫堆肥過程中，并取得了很好的效果。

陳耀寧等［14］在秸稈等農(nóng)業(yè)廢物高溫堆肥初期加入雙氰胺，堆肥結(jié)束后堆肥中NH4+-N 和NO3--N質(zhì)量分?jǐn)?shù)都顯著高于對(duì)照，尤其是NH4+-N，較對(duì)照高400 mg/kg，而對(duì)水溶性有機(jī)碳的濃度基本沒有影響。ZHANG等［32］發(fā)現(xiàn)堆肥初期添加3,4-二甲基吡唑磷酸鹽，可使污泥堆肥中w（總氮）增加23%，其原因可能是3,4-二甲基吡唑磷酸鹽抑制了氨氧化細(xì)菌的活性，降低了反硝化底物的濃度，減少了N2和N2O 的排放。齊魯?shù)龋?3］研究發(fā)現(xiàn)3,4-二甲基吡唑磷酸鹽的添加雖然可以減少污泥和蘑菇渣堆肥中N2O 的排放，但會(huì)顯著增加CH4以及NH3的排放，從而導(dǎo)致溫室氣體排放和氮素?fù)p失增加。

研究發(fā)現(xiàn)土壤中硝化抑制劑的硝化抑制率在20 ～30 ℃時(shí)隨溫度的升高而降低［34］，在堆肥高溫時(shí)期（50 ～60 ℃）硝化抑制劑會(huì)快速分解，失去抑制硝化作用的能力。因此，研究者通過分次加入硝化抑制劑來提高其抑制硝化作用的能力。LUO等［35］發(fā)現(xiàn)在豬糞堆肥初期和高溫期結(jié)束時(shí)加入物料干質(zhì)量0.2%的雙氰胺，N2O 排放量能夠減少33% ～55%；隨后其課題組又分別研究了在堆肥初期、高溫末期、降溫期和腐熟期添加雙氰胺，發(fā)現(xiàn)在腐熟期添加物料總氮量2.5%的雙氰胺能使N2O 排放降低77.6%，效果最優(yōu)［2］。其原因可能是由于前者添加時(shí)堆體溫度較高，雙氰胺分解，降低了抑制效果；也有可能前者添加量本身就低于后者，由于其數(shù)據(jù)信息不足，無法確定二者的大小關(guān)系。

另外研究發(fā)現(xiàn)，硝化抑制劑使NH4+-N在土壤中的存留時(shí)間變長，因此有可能會(huì)增加NH3的排放［13］，在堆肥中也已有類似的發(fā)現(xiàn)［32-33］。JIANG等［2］發(fā)現(xiàn)雙氰胺的添加能有效降低堆肥中N2O的排放，但是對(duì)NH3排放無明顯影響，因而對(duì)堆肥中氮素的保持效果不是很明顯，只有在聯(lián)合添加鳥糞石結(jié)晶（主要成分為MgNH4PO4）時(shí)，由于減少了45% ～53%的NH3排放，最終有效保持了氮素。陳是吏等［36］也發(fā)現(xiàn)過磷酸鈣和雙氰胺聯(lián)合添加能減少13%的氮素?fù)p失和30.6%的NH3排放，而且整個(gè)過程中基本沒有N2O排放。

此外，硝化抑制劑還對(duì)氮功能基因以及抗生素因素有一定影響。nirK、nirS 和nosZ 基因作為編碼反硝化酶的主要功能基因，經(jīng)常被作為分子標(biāo)記物來研究不同環(huán)境中反硝化微生物的群落［37］。研究發(fā)現(xiàn)，雙氰胺能顯著抑制堆肥中nirK基因豐度，而對(duì)nirS和nosZ基因豐度的影響不顯著，但由于雙氰胺的使用引起堆肥其他理化性質(zhì)的改變，從而對(duì)nirS 和nosZ 基因豐度有一定的影響［14］。此外，ZHANG等［38］研究發(fā)現(xiàn)3,4-二甲基吡唑磷酸鹽能夠增加污泥堆肥過程中抗性基因的豐度，在固體廢棄物處理中存有一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.2研究中存在的問題

堆肥中產(chǎn)生的N2O可同時(shí)來源于堆肥堆體表面的硝化途徑和堆肥堆體內(nèi)部的反硝化途徑［39］，目前尚無法確定2 種作用對(duì)N2O 排放的貢獻(xiàn)。而且目前有關(guān)硝化抑制劑的研究中，大多都是硝化抑制劑與堆肥物料混合施用，并無表面施用的研究。此外，升溫期、降溫期和腐熟期是好氧堆肥過程中N2O 產(chǎn)生和排放的主要時(shí)期［39］，但各堆肥階段對(duì)N2O 排放的貢獻(xiàn)尚無一致的結(jié)論［2，40-41］。這些都限制了硝化抑制劑在堆肥中的應(yīng)用及發(fā)展。

2.2 脲酶抑制劑

2.2.1脲酶抑制劑研究現(xiàn)狀

VAREL 等［42］1999 年發(fā)現(xiàn)2 種脲酶抑制劑環(huán)己基磷酰三胺（CHPT） 和正丁基硫代磷酰三胺（NBPT）能有效抑制牛糞放置過程中NH3的揮發(fā)。隨后研究又得出NBPT 能有效抑制牛糞放置過程中尿素態(tài)氮的水解，減少氮素?fù)p失，同時(shí)也減少了堆肥中揮發(fā)性氣體的產(chǎn)生，并殺死了牛糞中的病原菌［43-44］。脲酶抑制劑在畜禽養(yǎng)殖中有一定的應(yīng)用，其不僅能夠增加畜禽的生產(chǎn)性能，而且在飼料中添加脲酶抑制劑或在畜禽舍內(nèi)噴灑脲酶抑制劑溶液可降低糞尿中NH4+-N 的分解速率，減少畜禽舍內(nèi)環(huán)境中氨含量［45-46］。

此外，在雞糞堆肥中加入NBPT 能延緩雞糞中的尿素態(tài)氮向NH4+-N轉(zhuǎn)化，使氮素以NO3--N的形式保留［47］；然而黃燦等［48］在豬糞秸稈堆肥中發(fā)現(xiàn)，添加NBPT 使得堆肥中NH4+-N 含量增加了26%，氮素大多以NH4+-N的形式保留。

2.2.2研究中存在的問題

脲酶抑制劑在堆肥中應(yīng)用的研究較少，主要原因是脲酶抑制劑是化學(xué)試劑，存在著不可避免的缺點(diǎn)，如價(jià)格昂貴、毒性和污染。另外，因脲酶抑制劑受環(huán)境影響比較大，堆肥中溫度、水含量以及營養(yǎng)成分都跟土壤有很大的差別，在選擇脲酶抑制劑時(shí)有一定的局限性。所以，需要尋找一種既可以起到抑制脲酶活性的作用（抑制堆肥中尿素態(tài)氮水解），又無毒性、對(duì)環(huán)境友好的物質(zhì)。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，脲酶抑制劑和硝化抑制劑在土壤中的應(yīng)用已經(jīng)得到了較為系統(tǒng)的研究，雖然，其在堆肥中研究還相對(duì)有限，但理論可行，而且已有研究證明了其在堆肥中優(yōu)異的控制氣態(tài)氮損失的效果。然而由于堆肥中N2O的排放途徑和排放時(shí)間尚無一致的定論，因此優(yōu)化堆肥中硝化抑制劑的添加時(shí)間、添加方式和添加量的相關(guān)研究有待加強(qiáng)。相對(duì)于土壤中氮肥增效劑的研究，堆肥中氮肥增效劑控制氣態(tài)氮損失的機(jī)制尚不清楚，后續(xù)工作有望從功能菌群（氨化菌、硝化菌和反硝化菌）、功能基因（amoA、nirK、nirS 和nosZ） 和關(guān)鍵酶活性（脲酶、蛋白酶和硝酸還原酶）的變化，揭示基于氮肥增效劑調(diào)控堆肥過程中NH3和N2O的減排機(jī)制。此外，應(yīng)借鑒土壤中脲酶抑制劑和硝化抑制劑聯(lián)合添加控制氣態(tài)氮損失的經(jīng)驗(yàn)，開展堆肥中氮肥增效劑聯(lián)合控制氣態(tài)氮損失的研究。