控釋尿素對土壤氨揮發(fā)及脲酶活性和氮淋溶的影響

曲均峰， 王國忠， 傅送保， 王洪波

(中海石油化學股份有限公司， 海南 東方 572600)

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控釋尿素對土壤氨揮發(fā)及脲酶活性和氮淋溶的影響

曲均峰， 王國忠， 傅送保， 王洪波

(中海石油化學股份有限公司， 海南 東方 572600)

為了解控釋尿素氨揮發(fā)特征、氮淋溶特性及其對土壤脲酶活性的影響，為控釋肥新產(chǎn)品的研發(fā)提供技術(shù)和理論支撐，采用靜態(tài)吸收法和土壤淋溶法室內(nèi)模擬試驗，研究了2種控釋尿素在紅壤和褐土中的氨揮發(fā)、脲酶活性和氮淋溶情況。結(jié)果表明：控釋肥不同程度降低了氨揮發(fā)和氮淋溶量。與普通尿素相比，控釋尿素1和控釋尿素2在紅壤中氨揮發(fā)累積量減少60.0%～62.6%，褐土中減少42.9%～46.3%，兩者顯著降低了氨揮發(fā)的峰值，且在整個培養(yǎng)期表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。在施肥后的30 d內(nèi)，控釋尿素降低了土壤脲酶活性，延緩了尿素態(tài)氮在土壤中的轉(zhuǎn)化進程，氮淋溶量分別較普通尿素少，氮淋洗量分別降低14.8%～25.9%和19.7～34.5%。控釋尿素較普通尿素在消減氨排放和氮淋溶上具有明顯的效果。

控釋尿素； 室內(nèi)模擬； 氨揮發(fā)； 氮淋溶； 脲酶活性

尿素是我國主要的化學氮肥品種，占氮肥消耗總量的65%左右。目前，我國農(nóng)業(yè)尿素用量每年4 300多萬t，由于利用率低，通過揮發(fā)、淋洗和徑流等途徑損失的尿素達2 100多萬t，直接經(jīng)濟損失450億元[1]，不僅造成資源的巨大浪費，而且對水體、生態(tài)環(huán)境等造成極大威脅[2-3]。

為提高氮肥利用率，國內(nèi)外一直在改進施肥方法、優(yōu)化配方施肥和加強田間管理等方面進行著大量研究。近年來，緩/控釋肥料已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點[4]，控釋肥料的應用，能夠根據(jù)作物生長發(fā)育的需求控制和供給養(yǎng)分的釋放速度，大大降低養(yǎng)分的淋溶和揮發(fā)損失，減少肥料的用量，提高肥料的利用率[5]，增加干物質(zhì)積累，并最終達到增產(chǎn)效果[6-7]，施用控釋尿素可明顯抑制NH3和NOx的揮發(fā)損失[8-12]。筆者通過聚氨酯原位表面反應包膜技術(shù)，制備控釋尿素試驗產(chǎn)品，進行土壤培養(yǎng)試驗，研究其氨揮發(fā)特征、氮淋溶特性以及其對土壤脲酶活性的影響，以期為控釋肥新產(chǎn)品的研發(fā)提供技術(shù)和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試肥料：普通尿素(U，含N 46.0%)；控釋尿素1(CRU1，含N 41.0%)；控釋尿素2(CRU2，含N 43.0%)。

供試土壤：北方褐土，pH 8.5、全氮1.1 g/kg、速效氮36.0 mg/kg、速效磷32.7 mg/kg、速效鉀148 mg/kg；南方紅壤，pH 4.9、全氮1.01 g/kg、有效氮76.2 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、有效鉀79.3 mg/kg。

1.2 氨揮發(fā)試驗

1.3 淋溶特性試驗

采用土柱淋溶法[15]。用200目濾布封塑料管底口，并在濾布上墊有少量砂子(25 g)的塑料管中(直徑5 cm，高30 cm)模擬耕層按1.3 cm3容重先裝入250 g(約10 cm高)土壤(風干、過2 mm篩)，再在其上按同樣緊實度裝入250 g土肥混合物(N 400 mg/kg)，土柱上面再以少量砂子(25 g)(所有砂子提前清洗干凈)覆蓋，以防加水時擾亂土層。以不加肥料的土柱作對照，每個處理重復3次。第1次先加入150 mL水使土壤水分接近飽和，培養(yǎng)1 d后再一次性加入150 mL水淋溶土柱，收集淋溶液。淋溶結(jié)束后以刺有小孔的塑料薄膜封閉塑料管上口，室溫下培養(yǎng)3 d后，用200 mL水進行第2次淋溶，以后各次按同樣操作進行，在培養(yǎng)2 d、6 d、10 d、14 d、18 d、22 d、26 d、30 d和38 d時進行淋溶，淋溶后收集淋溶液，記錄淋洗溶液數(shù)量，混合均勻，取適量溶液，采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[16]測定全氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氨揮發(fā)速率

氨揮發(fā)速率能確切反映不同階段單位時間內(nèi)肥料中氨揮發(fā)量的動態(tài)變化。如圖1所示，不同施肥處理的氨揮發(fā)速率變化趨勢基本相同，均先升高，達到極值后再下降，最后趨于平穩(wěn)。普通尿素在紅壤中第8天時氨揮發(fā)量達到最高峰，約為1 mg/d，而控釋尿素1和控釋尿素2未出現(xiàn)明顯的高峰期。在試驗的一個月時間內(nèi)，普通尿素的氨揮發(fā)量始終高于包膜尿素。控釋尿素1和控釋尿素2在紅壤上的氨揮發(fā)總量分別為2.93 mg和2.67 mg，而普通尿素在紅壤的氨揮發(fā)量達7.14 mg，與普通尿素處理相比，2種控釋尿素氨揮發(fā)抑制率為60.0%～62.6%。說明，控釋尿素較普通尿素降低了肥料氨揮發(fā)損失。

不同肥料在褐土上的氨揮發(fā)量遠小于紅壤(圖1)，這與土壤的理化性質(zhì)有一定關(guān)系。與紅壤中相似，普通尿素氨揮發(fā)的高峰期出現(xiàn)在試驗的第8天，但2種控釋尿素的最大氨揮發(fā)量小于普通尿素的氨揮發(fā)量。在試驗的22 d內(nèi)，控釋尿素1和控釋尿素2在褐土上的氨揮發(fā)總量分別為1.01 mg和0.95 mg，而普通尿素在紅壤的氨揮發(fā)量達1.77 mg，氨揮發(fā)抑制率為42.9%～46.3%。說明，控釋尿素在褐土上較普通尿素氨揮發(fā)損失少。

由此可見，無論在北方褐土還是南方紅壤上，控釋尿素處理的氨揮發(fā)速率均遠小于普通尿素?？梢?，普通尿素經(jīng)過包膜控釋處理后，可有效地降低肥料施用前期的氨揮發(fā)速率。

圖1 不同肥料在南方紅壤和北方褐土上的氨揮發(fā)量

Fig.1 Ammonia volatilization amount of different urea fertilizers in red soil and brown soil

2.2 土壤脲酶活性

采用SPSS 19.0統(tǒng)計學軟件對數(shù)據(jù)進行處理，計量資料以“±s”表示，采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

在土壤酶中，脲酶是唯一對尿素的轉(zhuǎn)化作用具有重大影響的酶[17]，施入土壤中的尿素只能在脲酶的參與下才能水解，脲酶的酶促反應產(chǎn)物N是植物N源之一，其活性可以表征土壤N素狀況。

不同生育期、不同處理中脲酶活性有差異。從圖2可以看出，整個培養(yǎng)時期，普通尿素處理土壤脲酶活性呈先降低、再升高后降低的變化趨勢，控釋尿素則表現(xiàn)相對平穩(wěn)。在10 d內(nèi)，2種控釋尿素處理脲酶活性分別比普通尿素低63.3%和70.3%，所有施用肥料的土壤中脲酶活性均高于不施肥處理?？蒯尫侍幚黼迕富钚暂^普通尿素低，說明控釋尿素有效控制了肥料氮在土壤中的釋放速率。

褐土中脲酶活性有相似規(guī)律(圖2)。在施肥后5 d內(nèi)，不同肥料間土壤脲酶活性差異不大；在5～15 d內(nèi)，普通尿素脲酶活性高于控釋肥處理；在16～30 d內(nèi)，施用控釋尿素2的土壤脲酶活性高于其他肥料處理，而施用控釋尿素的土壤脲酶活性高于普通尿素，說明在施肥16 d后，施用控釋尿素1的土壤中氮素有效性最高，其次為控釋尿素2，施用普通尿素的土壤脲酶活性最低，脲酶活性提高比例分別為10.0%和15.8%，說明控釋尿素有效控制了肥料氮在土壤中的釋放速率，提高了施肥后期氮素的有效性。

尿素施入土壤后，能夠激活土壤脲酶，使土壤脲酶活性增強。因而在培養(yǎng)前期，尿素處理的脲酶活性大于其他控釋尿素的處理。但由于尿素在脲酶的作用下迅速水解，所以隨著尿素濃度的降低，在培養(yǎng)中、后期，脲酶活性也逐漸降低，而2種控釋尿素處理由于有包膜的一致作用，尿素釋放延緩、量少，在培養(yǎng)前期脲酶活性低于尿素處理，而在后期尿素釋放量相對較多，所以脲酶活性仍維持一定水平，高于普通尿素處理的脲酶活性。

圖2 不同肥料在南方紅壤和北方褐土的脲酶活性

Fig.2 Urease activity of different urea fertilizers in red soil and brown soil

2.3 氮淋溶率

通過模擬實驗，測定淋溶液中的全氮含量變化，不僅可以表征控釋肥料在土壤中的氮素釋放特征，而且可以反映各種肥料在土壤中氮素淋溶的損失差異。

在南方紅壤中，供試氮肥的N素淋出率隨淋溶次數(shù)增加發(fā)生顯著變化，并且不同肥料的氮素淋出情況不同(圖3)。對于普通尿素，第1次淋溶出現(xiàn)氮素淋出高峰，淋溶量達43.2 mg，占施肥量的21.58%，達總淋出量的59.2%，隨后淋出量急劇下降，說明普通尿素施入土壤后，在有足量的水分條件下十分易于淋溶損失，因此難以有效持久地供給作物利用。2種控釋尿素淋出動態(tài)與尿素相似，都是第1次淋溶時出現(xiàn)淋失高峰，淋溶量分別為24.22 mg和19.50 mg，占施肥量的12.11%和9.75%，為淋失總量的38.98%和36.10%。說明，雖然控釋尿素較普通尿素可以減少肥料的淋溶損失，但其前期也存在一定量的速效成分，保證作物前期需要。

從變化動態(tài)來看，控釋尿素與普通尿素處理相比其峰值低得多，他們在9次淋溶中的變化趨勢較小，第1次淋溶后，其氮素的淋出速率變緩，其下降幅度比尿素小，并且從第4次開始控釋尿素1淋出量均高于普通尿素，控釋尿素2從第5次開始高于普通尿素，說明控釋肥1和控釋肥2都具有一定緩釋性能，其釋放高峰較普通尿素延遲。在南方紅壤中，從氮素淋溶總量來看，9次累積淋出量順序為：U(72.9 mg )>CRU1(62.1 mg)>CRU2(54.0 mg)，淋出總量分別占施肥總量的35.96%、31.08%和27.01%，控釋尿素1和控釋尿素2的N素累積淋失率均顯著低于尿素對照(P<0.05)，降低量分別為14.8%和25.9%，說明控釋尿素1和控釋尿素2均能在不同程度上減少N素的淋失。

圖3 不同肥料在南方紅壤和北方褐土中的氮素淋出率

Fig.3 Nitrogen leaching loss rate of different urea fertilizers in red soil and brown soil

在北方褐土中，其變化趨式與紅壤基本一樣，只是淋出量減少，這與土壤性質(zhì)有關(guān)。第1次淋溶時，尿素淋出量33.5 mg，占施肥量的16.7%，達到總淋出量的59.2%；控釋尿素1和控釋尿素2分別淋出15.3 mg和8.7 mg，分別占施肥量的7.7%和4.4%，為總淋出量的33.8%和23.7%。在北方褐土中，9次累積淋出量順序為：U(56.5 mg )>CRU1(45.4 mg)>CRU2(37.0 mg)，淋出總量分別占施肥總量的28.27%、22.69%和18.51%，與普通尿素相比，控釋尿素氮淋溶量分別降低量19.7%(CRU1)和34.5%(CRU2)，CRU1，CRU2的N素累積淋失率均顯著低于尿素對照(P<0.001)。

可見，控釋尿素在北方褐土和南方紅壤上均能大幅減少氮素的淋溶，提高氮素的利用。

3 結(jié)論與討論

氨揮發(fā)和氮素淋溶是農(nóng)田氮肥損失的兩個主要方面[18]。究其原因，主要是氮肥的速溶性使其供肥特性不能與作物需求同步，導致養(yǎng)分不能被充分吸收，造成前期浪費，后期養(yǎng)分不足。控釋肥的出現(xiàn)，降低了氮素損失[19-20]。據(jù)報道，肥料包膜處理比無膜處理減少氨揮發(fā)30.0%，杜建軍等[19]應用和本試驗相同方法，在31天內(nèi)分12次測定了尿素的氨揮發(fā)速率及總量，結(jié)果表明：尿素在培養(yǎng)后的第4天氨揮發(fā)量達到峰值，然后快速下降。在本試驗條件下，各處理的氨揮發(fā)在第8天達到高峰，這與前人的研究結(jié)果較為相似。本研究結(jié)果表明，控釋尿素顯著降低了氨揮發(fā)損失率，其中控釋肥2的氨揮發(fā)量最低?？蒯屇蛩氐氖┯每蓽p少因肥料施用造成的農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境污染。

土壤脲酶是土壤中廣泛存在的一種酶，能促進尿素水解，與土壤中氮素轉(zhuǎn)化有密切關(guān)系，尿素氮的揮發(fā)損失主要與土壤脲酶活性有關(guān)[21-23]?？蒯屇蛩豙24]通過減緩氮素的釋放速度，延長氮素的釋放周期，從而使土壤脲酶活性維持在較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，以達到提高氮肥利用率的目的，這也是降低其土壤氨揮發(fā)量的重要原因。與普通尿素相比，控釋肥前30天都保持了較低的酶活性。由此可知，包膜材料阻隔膜內(nèi)尿素與土壤脲酶的直接接觸及阻礙膜內(nèi)尿素溶出過程所必需的水分運移[19]，控釋尿素減少尿素氮的轉(zhuǎn)化，降低了土壤中因氨的大量積累而造成的氨揮發(fā)損失；其在培養(yǎng)中后期相對較高的脲酶活性，表明新型尿素延長了尿素轉(zhuǎn)化的周期，保證其在較長時間內(nèi)仍有相對較高的肥效，從而有利于提高氮肥利用率。

對氮素淋溶來說，肥料氮釋放量直接決定了氮素淋溶量[25]，因此，控釋肥在土壤中的控釋特性不僅可以作為衡量控釋氮肥質(zhì)量的重要指標，而且可作為評估氨揮發(fā)和氮素淋溶的重要參考指標。對緩釋尿素和普通尿素的淋失率研究表明，緩釋尿素能起到很明顯的緩釋作用，9次累積淋出量順序為：U(72.91 mg )>CRU1(62.15 mg)>CRU2(54.02 mg)，在北方褐土中，9次累積淋出量順序為：U(56.53 mg )>CRU1(45.37 mg)> CRU2(37.02 mg)。

由于筆者采用模擬條件來研究控釋肥料的影響，自然條件影響小，還不能準確地體現(xiàn)出控釋肥施到田間產(chǎn)生的效果，因此，要更準確地反應控釋肥料的優(yōu)勢，需在田間進一步驗證。

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(責任編輯： 劉 海)

Effects of Controlled-release Urea on Soil Ammonia Volatilization, Urease Activity and N Leaching

QU Junfeng, WANG Guozhong, FU Songbao, WANG Hongbo

(ChinaBlueChemicalCo.,Ltd.,Dongfang,Hainan572600,China)

The ammonia volatilization, urease activity and nitrogen leaching of two controlled-release urea in red soil and brown soil were analyzed by static absorption and soil leaching methods to study the effect of controlled-release urea on ammonia volatilization, nitrogen leaching and soil urease activity and to provide the technical and theoretical support for development of new controlled-release fertilizers. The results showed that controlled-release fertilizer reduces ammonia volatilization and nitrogen leaching loss to varying degree. Ammonia volatilization accumulation of controlled-release urea 1 and 2 reduces by 60.0%～62.6% and 42.9%～46.3% in red soil and brown soil compared with common urea respectively. Controlled-release urea reduces the peak value of ammonia volatilization significantly, performances the better stability during whole culture period, reduce soil urease activity and delay the transformation process of urea-N in soil within 30 d after application. Nitrogen leaching loss of controlled-release urea 1 and 2 is 14.8%～25.9% and 19.7～34.5% lower than common urea. In conclusion, controlled-release urea has the significant reduction effect on ammonia emission and nitrogen leaching loss compared with common urea.

controlled-release urea; indoor simulation; ammonia volatilization; N leaching; urease activity

2014-12-11； 2015-06-28修回

海南省產(chǎn)學研一體化專項資金“控釋BB肥高效施用關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(CXY20130037)；海南省重點實驗室和工程技術(shù)研究中心建設專項資金“聚合物包膜控釋肥工業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研究”(gczx2014008)

曲均峰(1980-)，男，工程師，碩士，從事新肥料開發(fā)及應用研究。E-mail: qjf_1980@163.com

1001-3601(2015)07-0371-0097-04

S143.1

A