高粱分泌硝化抑制物对羟基苯丙酸与质子泵的关系研究

硝化作用是导致农田氮素损失的一个重要原因,自然界中一些植物根系能分泌抑制土壤氨氧化细菌的物质,统称为生物硝化抑制剂。高粱根系分泌的对羟基苯丙酸(简称MHPP),具有很好的抑制效果。为了研究MHPP的分泌机制,本实验用铵态氮与硝态氮两种不同氮素形态水培高粱幼苗,在一定时间内收集根系分泌物。将根系分泌物通过高效液相色谱法(HPLC)测定其中的MHPP含量,通过微量滴定法测定氢离子含量。同时,将根系采样后,用两相法分离根系细胞膜,测定质子泵活性。结果表明,在铵态氮营养下,高粱分泌MHPP的速率在3.52μmol g-1 d-1左右,而硝态氮营养下几乎不分泌MHPP。在铵态氮营养下,根系分泌氢离子的速率为16.49μmol g-1 d-1,而硝态氮营养下没有氢离子的分泌。而且,随着根系分泌物收集液中铵离子浓度的增加,也促进了根系分泌MHPP和氢离子的速率。因此,铵态氮营养促进了根系分泌MHPP。进一步研究发现,虽然在表观上MHPP的分泌受氮素形态影响,但是在这一过程中MHPP分泌与氢离子的分泌速率是偶合的。而细胞分泌氢离子是由细胞膜上质子泵活性决定的。因此,本实验结果发现,MHPP的分泌实质上是通过根系细胞膜质子泵活性来调控的:在没有氮源的情况下,只要通过壳梭孢菌素(Fusicoccin)或钒酸盐(Vanadate)改变质子泵活性就可以影响MHPP的分泌。所有实验数据的统计结果发现,MHPP分泌与质子分泌之间的比例大约为1∶4,且相关系数r=0.98。因此,铵态氮营养下高粱根系大量分泌生物硝化抑制剂MHPP在一定程度上是由于铵离子的吸收刺激了质子泵活性提高所引起的,这也是防止根际铵态氮被氧化、提高氮素利用率的一个重要生理机制。     

不同硝化抑制剂组合对铵态氮在黑土和褐土中转化的影响

【目的】添加硝化抑制剂和氮肥增效剂是提高氮肥利用率的有效方法。研究不同硝化抑制剂和氮肥增效剂组合对不同性质土壤中铵态氮转化特征的影响,为科学合理选择抑制剂提供理论依据。【方法】供试生化抑制剂包括2-氯-6 (三氯甲基) -吡啶 (Nitrapyrin,CP)、3,4-二甲基吡唑磷酸盐 (DMPP)、1-甲氨甲酰-3-甲基吡唑 (CMP)、3-甲基吡唑 (MP)、2-氨基-4-氯-6-甲基嘧啶 (AM)、N-guard、二氰二胺 (DCD)。供试土壤为黑土和褐土,以氯化铵为氮肥,按照常用量添加各生化抑制剂制备稳定性肥料,用于室内恒温、恒湿土壤培养试验。试验设不施肥 (CK)、氯化铵 (N)、N + CP、N + CP + AM、N + CP + DCD、N + CP + N-guard、N + CP + DMPP、N + CP + CMP、N + CP + MP等9个处理。在培养第1、4、7、11、15、22、30、45、60、75、90、105、120天取土样,测定土壤含水量、土壤NH₄+-N和NO₃–-N含量,并计算硝化抑制率。【结果】在黑土和褐土两种类型土壤中,铵态氮转化特征具有显著差异,在弱酸性黑土中硝化反应速率显著低于碱性褐土。在黑土中,不同硝化抑制剂组合N + CP、N + CP + N-guard、N + CP + DMPP、N + CP + DCD、N + CP + CMP、N + CP + AM、N + CP + MP都表现出较好的硝化抑制效果,可以维持黑土中较高的铵态氮含量超过4个月以上。其中N + CP、N + CP + DCD、N + CP + N-guard处理在120天时,其硝化抑制率为37%～40%。而N + CP + AM、N + CP + MP、N + CP + DMPP为32%～36%,N + CP + CMP为26%。在褐土中,N + CP + DCD组合硝化抑制效果最大,在培养120天,其硝化抑制率为20%;其次是N + CP、N + CP + AM,其硝化抑制率在培养第105天时分别为23%、12%,在培养第90天时分别为63%、60%;N + CP + N-guard、N + CP + DMPP、N + CP + MP、N + CP + CMP在培养第75天时硝化抑制率分别为43%、42%、37%、35%,有效硝化抑制作用时间可维持75天左右。【结论】在黑土和褐土2种不同类型土壤中施用氯化铵氮肥,应添加专一硝化抑制剂或组合制成高效稳定性铵态氮肥。在湿润地区pH较低的酸性土壤上,例如黑土,适宜的硝化抑制剂较多,其中N + CP或N + CP + N-guard、N + CP + DCD组合的硝化抑制效果显著且持续时间长。在干旱半干旱的碱性土壤上,例如褐土,N + CP + DCD组合的硝化抑制效果和持续时间优于其他组合,可用于褐土上施用的高效稳定性氯化铵氮肥的生产。     

生物硝化抑制剂——一种控制农田氮素流失的新策略

农业生产中氮肥的施用是影响全球氮素循环的一个重要因素,在促进作物增产的同时,也对生态环境产生了重要的影响。由于铵态氮肥在旱地中很容易经过硝化作用转变为硝态氮,其中一小部分为植物所吸收,而大量的硝态氮被淋失,或经反硝化作用进入大气,造成土壤氮素严重损失。自然界中一些植物的根系能够分泌抑制硝化作用的物质,被称为生物硝化抑制剂,因而可以显著提高土壤氮素利用率。本文阐述了有关生物硝化抑制剂的由来、分泌调节、作用机制及其应用潜力,并探讨了其在农业生产中氮素高效管理等方面的应用前景。     

两种硝化抑制剂对不同土壤中氮素转化的影响

采用实验室人工气候箱培养的方法,研究了两种硝化抑制剂双氰胺和硫代硫酸钾在两种碱性土壤中对土壤pH值变化、氨挥发特性及铵态氮转化的影响.实验结果表明,各处理在两种碱性土壤中的pH值都是先上升到一个峰值,然后下降,且速率先快后慢.硫代硫酸钾处理和对照处理的pH值约在实验第4天出现峰值,双氰胺处理pH值出现峰值的时间较硫代硫酸钾处理及对照处理土壤推迟了3天左右.整个实验期间,双氰胺处理的pH值一直处于较高水平,硫代硫酸钾处理的次之,对照处理的最小.氨挥发强度与土壤pH值同步,各处理氨的挥发量一般在第7天达到最大值,此时双氰胺处理氨的挥发量最大,硫代硫酸钾处理的次之,对照处理的最少.在晋城菜园土中,双氰胺和硫代硫酸钾处理的土壤比未添加硝化抑制剂的对照土壤中氨挥发的总量分别增加523.0%,33.6%,在北京菜园土中,双氰胺和硫代硫酸钾处理的土壤比未添加硝化抑制剂的对照土壤中氨挥发的总量分别增加575.8%,125.0%.土壤中铵态氮含量与土壤pH值的变化趋势相似,先快速上升到一个峰值,然后开始缓慢下降.硝化抑制剂的添加能使两种碱性土壤中铵态氮的释放时间延长3天左右.     

不同硝化抑制剂的复配施用对尿素转化及土壤中氮的影响

通过室外模拟田间培养试验,研究不同硝化抑制剂及其复配后的硝化抑制效果。结果表明:不同硝化抑制剂,明显抑制了NH4+-N向NO3--N的转化。硝化抑制剂1-甲胺酰基-3,5-二甲基吡唑(CMP)有明显的抑制效果,优于4氨基-1,2,4-三唑盐酸盐(ATC)、双氰胺(DCD);硝化抑制剂CMP与DCD复配的抑制效果显著,硝化抑制率为35.6%。为了结合生产实际获得最优性价比,在硝化抑制剂复配比率方面尚需进一步研究。     

土壤pH值和含水量对土壤硝化抑制剂效果的影响

硝化抑制剂如2-氯-6-三氯甲基吡nitrapyrin,通常与氮肥配施来抑制硝化作用提高农田中肥料的利用率,但是其抑制效果会受到土壤理化性质的影响。采用新工艺重新合成后的新型nitrapyrin纯度高达98%,由于杂质减少而具有更好的硝化抑制效果。为了研究土壤pH值和含水量对新型nitrapyrin抑制效果的影响,明确nitrapyrin适合施用的土壤条件,采用室内培养试验,研究了在不同的土壤pH值和含水量下nitrapyrin对无机氮含量动态变化和硝化作用强度的影响,以及其硝化抑制率的变化规律。结果表明:随着土壤pH值的升高,铵态氮含量降低,硝态氮含量和表观硝化率呈现上升的趋势,并且在所有pH值处理下氮肥配施nitrapyrin均显著地降低了矿质氮库铵态氮的转化量,均不同程度地抑制了硝化作用;在培养的第9天,nitrapyrin在pH值7.70处理下对硝化作用抑制效果最好,硝化抑制率达到91.53%,但硝化抑制率的降低速率在高pH值处理上更快;在培养的第45天,当pH值为4.66时,硝化抑制率为36.43%,显著高于其他处理;在整个培养过程中,施用nitrapyrin能显著抑制各处理的硝化作用,硝化抑制率在不同土壤含水量上的表现为:40%WHC60%WHC80%WHC。可见,nitrapyrin更加适合施用在酸性土壤以及旱地土壤上,该研究可以为新型硝化抑制剂nitrapyrin在农田中施用的最优条件提供理论依据。     

氨氧化木质素作为硝化抑制剂的研究

通过室内培养实验对氨氧化木质素（ＡＯＬ）的硝化抑制作用进行了探讨。在相同条件下,分别加ＡＯＬ和ＢＣＤ处理的铵态氮质量分数都要比未加硝化抑制剂处理高,相应地,在开始阶段硝态氮质量分数也要比示加硝化抑制剂处理的爸研究结果表明,ＡＯＬ作为硝化抑制剂是有效果的。     

生物硝化抑制剂的研究进展及其农业应用前景

在我国农业集约化以及高投入的生产模式下,氮肥利用率较低。相当部分的氮肥以氨(NH_3)、硝酸盐(NO_3~-)以及温室气体氧化亚氮(N_2O)等形式损失至环境中,造成生产成本增加,并加剧了生态环境污染。硝化作用是土壤氮循环的关键转化过程,与农田氮素损失密切相关。一些植物的根系能产生和分泌抑制硝化作用的物质,被称为生物硝化抑制剂(BNIs),如果加以利用,是一种高效且环境友好的氮素管理对策。系统总结了国内外生物硝化抑制剂研究领域的重要进展,探讨了根系分泌生物硝化抑制剂的意义、物质种类和功能、分泌及作用机制。以往研究仅认为BNIs是自然生态系统中植物适应低氮环境的一种保氮生存机制,主要关注热带牧草和高粱,本文提出了BNIs在高氮投入的农业生态系统中同样重要,以及相当的粮食作物品种具有高BNI活性的观点,并讨论了其在农业中提高氮素利用率和减少环境污染方面的应用前景,为未来BNIs技术及产品的开发、提升农产品品质、及推动现代农业绿色发展提供借鉴。     

生物反硝化抑制剂原花青素对土壤氮转化及植物生长的影响

我国农业生产氮肥投入量大,但利用率低,氮素损失严重。其中,由反硝化过程产生的氮素损失占比最高可达50%以上,有效调控土壤反硝化过程对于减少农业生态系统氮素损失、降低氮素环境污染具有重要意义。生物反硝化抑制剂(biodenitrification inhibitors,BDIs)是一类植物分泌的次生代谢产物,其中的原花青素已被证实可促进土壤氮素储存并增加作物产量,有望成为一种高效且绿色的氮素调控物质。本文系统梳理了BDIs的发现及其反硝化抑制机制,总结了目前国内外BDIs研究领域的主要进展,并对未来研究方向进行了展望,以期为BDIs施用技术及产品的开发、农产品质量的提升及现代农业绿色健康发展提供借鉴。     

三种硝化抑制剂在石灰性土壤中的应用效果比较

在人工气候室内采用25℃黑暗培养法研究双氰胺(DCD)、3,4-二甲基吡唑磷酸(DMPP)及2-氯-6-三氯甲基吡啶(Nitrapyrin)在石灰性土壤中的硝化抑制效果。结果表明:施用DCD、DMPP、Nitrapyrin的土壤NH4+-N含量较单施硫酸铵的土壤(对照)分别提高228.45~244.85 mg/kg(砂土)、209.75~254.79 mg/kg(黏土),NO3--N含量较对照分别降低93.85%~94.99%(砂土)、91.82%~95.38%(黏土)。表观硝化率随培养进程增加缓慢,培养期间只增加了1.28%~2.09%(砂土)、2.72%~8.40%(黏土),而对照增加了86.00%(砂土)、80.89%(黏土)。3种硝化抑制剂均显著抑制了石灰性土壤中硫酸铵水解铵硝化作用的进行,并且在砂土中的硝化抑制率高于黏土,硝化抑制效果最好的为DMPP处理,0.54%Nitrapyrin处理次之但用量最小,0.27%Nitrapyrin和10.8%DCD处理抑制效果相对较弱。     

Can Nitrogen Source and Nitrification Inhibitors Affect In-Season Nitrogen Supply?

ABSTRACT

This study sought to identify whether piggery effluent-derived nitrogen sources can be formulated with urea and nitrification inhibitors to better synchronize nitrogen (N) supply with crop demand than conventional urea fertilizer alone. A 288 pot pasture growth and leaching growth accelerator trial (5 pasture cuts) was completed with a factorial treatment structure of three N sources (2.63 g N [kg soil]^?1 applied as 100% urea-N, 8% struvite-N + 92% urea-N, and 8% piggery pond sludge-N + 92% urea-N), five rates of three nitrification inhibitors (including 3,4-Dimethylpyrazole phosphate, DMPP; limonene+ethanol; and dicyandiamide, DCD), and matrix encapsulated forms of these inhibitors. Applying a combination of piggery sludge with urea increased N uptake during the first 4 weeks of plant growth (by 65%), though total N uptake throughout the trial (22 weeks) did not differ across the N-sources. The microbial community of the soil to which the sludge was added was significantly different from the un-amended soil at the conclusion of the trial. All inhibitor formulations significantly decreased leaching losses of mineral-N relative to the control (by 14 to 61%). The use of DMPP decreased initial nutrient uptake, deferring uptake until later in the experiment. Inhibitor addition resulted in microbial community effects that persisted throughout the trial. The study demonstrated that a piggery-derived N-source and a nitrification inhibitor can be used to manipulate plant N uptake to occur later or earlier in a growing period with equal cumulative uptake, achieving an 11% increase in residual N store, and decreased N leaching losses.     

硝化抑制剂对春玉米氮素利用及土壤pH值和无机氮的影响

通过大田试验,研究了黑土区春玉米施用硝化抑制剂对土壤pH值、土壤铵态氮和硝态氮变化、硝化抑制率、产量及氮素利用率的影响。试验结果表明:硝化抑制剂处理中,混合物B的中水平添加量处理(B2)玉米产量较一次性全施肥处理(AF)能够增产且增产率最高,为5.60%,氮素利用率较追肥处理(TP)提高5.43%,硝化抑制作用和增产的效果明显;施用硝化抑制剂可使土壤pH值缓慢阶梯式下降;土壤含水率与土壤铵态氮含量呈负相关性(P0.01);土壤铵态氮含量与土壤pH值呈显著正相关;所选用的两种硝化抑制剂的配方中,B2和A3(混合物A的低水平添加量)处理的增产和硝化抑制效果最佳。     

一种多品种玉米脂溶性根系分泌物同步收集体系的构建及在BNI研究中的应用

根系分泌物在提高养分利用效率与减少养分损失方面具有重要作用,但多品种植物根系分泌物同步收集是一大难题。本文以玉米为例,设计了一种多品种玉米脂溶性根系分泌物同步收集的新体系。新收集体系包括一种新的玉米培养装置和相应的收集方法。培养装置主体由固持板和储水箱构成,玉米在固持板内部竖直生长,由板内部湿润滤纸提供水分。待板内玉米培养至12天后通过淋洗或浸泡根部来收集其根系分泌物。研究发现,相比于传统水培收集体系,利用新收集体系能同时收集300株玉米苗期脂溶性根系分泌物,不仅显著提高根系分泌物的生物硝化抑制活性(BNI),而且还大幅节省了收集空间88 %、营养液用量98%以及人力93%。通过该新收集体系同步收集的我国10个典型玉米品种脂溶性根系分泌物均有显著的BNI活性,平均达55%,且超过半数品种抑制率超过50%。不同玉米品种间也表现出明显的差异,其中先玉335和郑单958抑制率均超过75%,吉单33、金玉188、瑞普909和北育851抑制率在30%-40%左右,两个批次收集的实验结果重复性好。上述研究表明,本新收集体系可用于多品种玉米等旱作作物脂溶性根系分泌物的同步收集,并有望应用于玉米生物硝化抑制剂的鉴定及BNI遗传位点解析等研究中。     

Heavy‐Metal Inhibition of Nitrification in Selected Iowa Soils Treated with Stay‐N 2000

Abstract

Heavy‐metal inhibition of nitrification in soils treated with reformulated nitrapyrin was investigated. Clarion and Okoboji soils were treated with ammonium sulfate [(NH₄)₂SO₄] and a nitrification inhibitor. Copper(II) (Cu), Zinc(II) (Zn), Cadmium(II) (Cd), or Lead(II) (Pb) were added to each soil. A first‐order equation was used to calculate the maximum nitrification rate (K _max), duration of lag period (t′), period of maximum nitrification (Δt), and the termination period of nitrification (t _s). In the Clarion soil, the K _max decreased from 12 mg kg^?1 d^?1 without the nitrification inhibitor to 4, 0.25, 0.86, and 0.27 mg kg^?1 d^?1, respectively, when the inhibitor and Cu, Zn, Pb, or Cd were applied. In the Okoboji soil, K _max decreased from 22 mg kg^?1 d^?1 with no inhibitor to 6, 3, 4, and 2 mg kg^?1 d^?1, respectively, when an inhibitor and Cu, Zn, Pb, or Cd were added. The t′ varied from 8 to 25 d in the Clarion soil and from 5 to 25 d in the Okoboji soil, due to addition of Cu, Zn, Pb, or Cd and the inhibitor.     

茶多酚对土壤硝化作用的影响研究

研究了茶多酚对土壤硝化作用和土壤中氨氧化菌与亚硝酸氧化菌数量的影响。结果表明茶多酚能抑制硝化作用,抑制率在8 d内达到31.2%~92.6%。它同时也能抑制氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的生长,当加入0.05g茶多酚时,氨氧化菌的数量从650个/g(干土)减少至400个/g(干土),亚硝酸氧化菌的数量从920个/g(干土)减少至661个/g(干土)。当加入茶多酚越多,氨氧化菌和亚硝酸氧化菌的数量减少得越快。因此,茶多酚有可能抑制这两类微生物的生长,从而抑制硝化作用。     

Nitrification Inhibition in Iowa Soils Treated with Stay‐N 2000 as Affected by Temperature and Matric Potential

The effects of temperature and water potential on nitrification were investigated in two Iowa soils treated with Stay‐N 2000. The soils were incubated at 10, 20, and 30 °C after soil water potentials of ?1, ?10, or ?60 kPa were applied to each soil. A first‐order equation was used to calculate the maximum nitrification rate (K _max), duration of lag period (t′), period of maximum nitrification (Δt), and termination period of nitrification (t _s). The highest K _max were 18 and 24 mg kg^?1 d^?1 nitrate (NO₃ ^?)–nitrogen (N), respectively, at 30 °C and ?10 kPa in both the Nicollet (fine‐loamy, mixed, superactive, mesic Aquic Hapludoll) and Canisteo (fine‐loamy, mixed, superactive, calcareous, mesic Typic Endoaquoll) soils and reduced to 4 and 16 mg kg^?1 d^?1 NO₃ ^?‐N when Stay‐N 2000 was added. The extension of t′ due to the addition of Stay‐N 2000 was as high as 7 d in the Nicollet soil at 10 °C and ?1 kPa and as little as 2 d in the Canisteo soil at 20 °C and ?10 kPa.     

Assessment of cowpea and groundnut contributions to soil fertility and succeeding sorghum yields in the Guinean savannah zone of Burkina Faso (West Africa)

Atmospheric biological nitrogen fixation (BNF) by cowpea (Vigna unguiculata) and groundnut (Arachis hypogea) was evaluated using a 2-year (2000–2001) experiment with different fertilizer treatments. The ¹⁵N isotopic dilution method with a nonfixing cowpea as test reference crop was used. The effects of the two legumes on soil N availability and succeeding sorghum (Sorghum bicolor) yields were measured. Groundnut was found to fix 8 to 23 kg N ha-1 and the percentage of N derived from the atmosphere varied from 27 to 34%. Cowpea fixed 50 to 115 kg N ha⁻¹ and the percentage of N derived from the atmosphere varied from 52 to 56%. Compared to mineral NPK fertilizer alone, legumes fixed more N from the atmosphere when dolomite or manure was associated with mineral fertilizers. Compared to soluble phosphate, phosphate rock increased BNF by cowpea. Significant correlation (p<0.05, R ²=0.94) was observed between total N yields of legumes and total N derived from the atmosphere. Compared to monocropping of sorghum, the soils of cowpea–sorghum and groundnut–sorghum rotations increased soil mineral N from 15 and 22 kg N ha⁻¹, respectively. Cowpea–sorghum and groundnut–sorghum rotations doubled N uptake and increased succeeding sorghum yields by 290 and 310%, respectively. Results suggested that, despite their ability to fix atmospheric nitrogen, N containing fertilizers (NPK) are recommended for the two legumes. The applications of NPK associated with dolomite or cattle manure or NK fertilizer associated with phosphate rock were the better recommendations that improved BNF, legumes, and succeeding sorghum yields.