在磚紅壤中施用不同氮肥后的氮素淋溶動(dòng)態(tài)與特性研究

王莉 劉海林 林清火 華元?jiǎng)? 羅微 茶正早

摘 要 為探討不同氮肥在磚紅壤中的養(yǎng)分釋放特性，本研究采用土柱淋溶試驗(yàn)，研究了普通尿素、腐植酸脲及緩釋氮肥（自制）在分別由花崗巖、砂頁(yè)巖、淺海沉積物、玄武巖母質(zhì)發(fā)育的4種磚紅壤中的淋溶特性及動(dòng)態(tài)，采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程N(yùn)t=No（1-e-kt）、Elovich方程qt=a+blnt、拋物線方程qt=a+bt0.5對(duì)肥料在不同磚紅壤中的氮素累積釋放動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行描述。結(jié)果表明，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合程度最高（0.936 0**～0.995 0**），拋物線方程次之（0.923 8**～0.986 4**）。氮素最大釋放率（No值）與氮素累積釋放率變化趨勢(shì)一致，均為尿素﹥腐脲﹥緩釋氮肥。淋溶曲線表明，緩釋氮肥和腐植酸脲均能減小氮素淋出率，降低氮素淋出量，減少氮素的淋溶損失，且緩釋氮肥效果更顯著。與尿素相比，在4種磚紅壤中緩釋氮肥的氮素淋出量減少了41.47%～48.62%，腐植酸脲的氮素淋出量減少了6.21%～9.32%。尿素、腐植酸脲、緩釋氮肥在砂頁(yè)巖磚紅壤中的首次氮素淋出率均為最大；尿素、腐植酸脲在淺海沉積物磚紅壤中累積氮素淋出率最小，而緩釋氮肥在玄武巖磚紅壤中累積氮素淋出率最小。本研究可為熱區(qū)土壤的合理施肥提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 緩釋氮肥；淋溶；磚紅壤

中圖分類號(hào) S143.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract In order to investigate the nutrient release characteristics of different nitrogen fertilizers in four types of laterite， soil column leaching methods were used to study the leaching characteristics in granite latosol， sandy shale laterite， shallow sediments latosol， basalt latosol four types latosol of urea， humic acid urea and slow-release nitrogen fertilizer（homemade）. The dynamic changes of the cumulative release of nitrogen fertilizer in different laterite was described with the first-order kinetics equation Nt=No（1-e-kt）， Elovich equation qt=a+blnt and parabolic equation qt=a+bt0.5. The first-order kinetic equation had the highest fitting degree（0.936 0**～0.995 0**）， The parabolic equation was in the second position（0.923 8**～0.986 4**）. The maximum nitrogen release rate（No）of different fertilizers was the same as that of nitrogen accumulation in the order urea>humic acid urea>slow-release nitrogen fertilizer SRFs and humic acid urea could reduce the rate and amount of nitrogen leaching. In the three kinds of fertilizers， the slow release nitrogen fertilizer（SRFs）had better performance. Compared with urea， the nitrogen leaching amount of SRFs decreased by 41.47%-48.62% in the four kinds of latosols， and the humic acid urea decreased by 6.21%-9.32%. The nitrogen leaching rate of urea， humic acid urea， SRFs was the largest in sandy shale laterite. The accumulated N leaching rate of urea and humic acid urea was the minimum in shallow sediments latosol， and SRFs was the smallest in basalt latosol. This study could provide a theoretical basis for rational fertilization of soils in tropical areas.

Key words Slow release nitrogen fertilizer； leaching； latosols

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.006

隨著全球人口的快速增長(zhǎng)和耕地面積減少，糧食供應(yīng)問(wèn)題成為了全球關(guān)注的焦點(diǎn)，而施用化肥是提高作物產(chǎn)量的重要農(nóng)藝措施之一。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，肥料用量約占世界總用量的30%，然而在肥料投入量上升的同時(shí)中國(guó)肥料利用率卻維持在相對(duì)較低水平，肥料氮素?fù)p失尤為嚴(yán)重，研究表明，中國(guó)主要糧食作物的氮肥利用率變幅在10.8%～40.5%，平均為27.5%[1]。過(guò)量的氮肥施入土壤后，大部分的肥料氮素通過(guò)氨揮發(fā)、硝化-反硝化、徑流與淋洗等途徑損失。氮素?fù)p失會(huì)造成系列環(huán)境污染問(wèn)題[2-3]，關(guān)于如何減少氮淋失，提高氮素利用率，國(guó)內(nèi)外科學(xué)工作者開(kāi)展了大量的研究[4-6]。因此，必須研究和應(yīng)用新工藝、新技術(shù)、新措施，以減少肥料損失。

20世紀(jì)70年代，中國(guó)開(kāi)始了對(duì)緩釋肥料的研究[7]，緩釋肥料能夠減緩養(yǎng)分釋放，延長(zhǎng)肥效期，減少肥料養(yǎng)分損失[8-9]，施用緩釋肥料是提高肥料利用率、減輕施肥對(duì)環(huán)境污染的有效措施。另外，自然界中部分類營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)也具有肥料增效功能，如腐植酸作為自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì)，與肥料結(jié)合，也具有提高肥料利用率、改良土壤、增加土壤速效養(yǎng)分及提高作物產(chǎn)量的作用[10-12]。近年來(lái)，對(duì)于緩釋肥料的研究主要集中在肥料的開(kāi)發(fā)方面，而使用緩釋肥料對(duì)環(huán)境效應(yīng)的影響方面研究較少[13-15]，關(guān)于不同的氮肥在不同土壤質(zhì)地的磚紅壤中施用的效果差異未見(jiàn)報(bào)道。為此，本研究將尿素、腐植酸和醛類交聯(lián)劑為材料，通過(guò)活化、加成、縮合等工藝制備緩釋氮肥，使其兼具腐植酸增效和微溶性有機(jī)氮緩釋的優(yōu)點(diǎn)，并采用土柱淋溶試驗(yàn)[16]研究了緩釋氮肥在海南省4種代表性的磚紅壤中的養(yǎng)分釋放特性，為緩釋氮肥在熱區(qū)磚紅壤中的科學(xué)施用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試肥料：普通尿素（U），含氮量46%；腐脲（自制），含氮量41.22%；緩釋氮肥由尿素、腐植酸和醛類交聯(lián)劑在一定條件下通過(guò)化學(xué)反應(yīng)制備而成，氮含量31.16%，pH為8.96。

供試土壤分別為淺花崗巖發(fā)育的磚紅壤、砂頁(yè)巖發(fā)育的磚紅壤、海沉積物發(fā)育的磚紅壤、玄武巖發(fā)育的磚紅壤共4種磚紅壤。采回后自然風(fēng)干，過(guò)2 mm篩，土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 方法

采用土柱淋溶法，在PVC管的底部包200目的濾布，并在濾布上墊100 g的石英砂。先在石英砂上按各個(gè)土壤的比重壓實(shí)300 g的土壤，再在其上按同樣緊實(shí)度裝入300 g土肥混合物（1 gN/kg土），最后加入100 g石英砂，防止土層擾動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)土柱先加水至接近飽和后靜置24 h，然后加200 mL去離子水淋溶，用錐形瓶收集淋溶液，至不再有水滴出為止；對(duì)淋溶液進(jìn)行搖勻取樣，用連續(xù)流動(dòng)分析儀（德國(guó)Bran+Luebbe公司AA3）測(cè)定液樣中氮含量；以刺有小孔的塑料薄膜封閉PVC管上口，于室溫培養(yǎng)2 d后，繼續(xù)添加200 mL去離子水進(jìn)行第二次淋溶，同時(shí)收集淋出液，并取樣液分析；之后分別按同樣方法進(jìn)行操作，共淋溶10次；以不加肥料的土柱作為空白對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel處理數(shù)據(jù)和制作圖表，采用IBM SPSS Statistics 22軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮肥在磚紅壤中的氮素累積淋出率曲線

圖1為緩釋氮肥在4種磚紅壤中的氮素累積釋放曲線。由圖可知，尿素在花崗巖、砂頁(yè)巖、淺海沉積物、玄武巖磚紅壤中的氮素累積淋出率曲線均呈“L”型，即首次氮素淋出率均接近或超過(guò)80%，且在前5次淋溶過(guò)程中緩慢增加，而后呈水平直線狀。腐植酸尿素、緩釋氮肥在4種磚紅壤中氮素累積淋出率曲線均表現(xiàn)為首次氮素淋出率小于尿素處理，而后呈緩慢增加趨勢(shì)。整個(gè)淋溶期間，在4種磚紅壤中緩釋氮肥的氮素累積淋出率小于尿素和腐植酸脲處理，且尿素氮素累積淋出率最大。

在花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、淺海沉積物磚紅壤以及玄武巖磚紅壤中，尿素的首次淋出氮量分別達(dá)到總施氮量的72.14%、84.56%、79.11%、78.03%，說(shuō)明普通尿素在施入土壤后，只要有足夠多的水分淋洗，尿素中的氮素極易通過(guò)淋溶途徑流失；腐植酸脲首次淋出氮量分別達(dá)到總施氮量的57.65%、64.33%、63.33%、63.88%，而緩釋氮肥首次淋出氮量分別達(dá)到總施氮量的28.00%、32.81%、30.49%、23.88%。在淺海沉積物磚紅壤和花崗巖磚紅壤中，尿素在整個(gè)淋溶期間的累積淋出氮量分別為總施氮量的93.34%、95.33%；在砂頁(yè)巖磚紅壤中，尿素的氮素累積淋出量在第5次淋溶時(shí)達(dá)到總施氮量的100%；玄武巖磚紅壤經(jīng)過(guò)6次淋溶已將尿素的氮素全部淋出。在花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、淺海沉積物磚紅壤以及玄武巖磚紅壤中，腐植酸脲在整個(gè)淋溶期間的累積淋出氮量分別達(dá)到總施氮量的86.89%、93.14%、84.64%、93.79%，而緩釋肥料淋溶結(jié)束時(shí)的氮素累積淋出率分別為55.80%、56.97%、53.86%、51.38%。與尿素相比，緩釋氮肥的氮素淋出量減少了41.47%～48.62%，腐植酸脲的氮素淋出量減少了6.21%～9.32%。由次可見(jiàn)，緩釋氮肥和腐植酸脲均能延緩氮素釋放，減少氮素的淋溶損失，且緩釋氮肥效果更明顯。

2.2 動(dòng)力學(xué)方程

對(duì)肥料在不同磚紅壤中的氮素累積釋放動(dòng)態(tài)變化分別用一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程N(yùn)t=No（1-e-kt）、Elovich方程qt=a+blnt、拋物線方程qt=a+bt0.5進(jìn)行了擬合（表2），擬合度均很高。從變幅和相關(guān)系數(shù)大小看，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合程度最高（0.936 0**～0.995 0**），拋物線方程的次之（0.923 8**～0.986 4**）。不同類別的磚紅壤中，一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程擬合的3種肥料最大氮素淋出率（No值）均是尿素﹥腐植酸脲﹥緩釋氮肥，這與它們各自的積累量變化趨勢(shì)相一致；氮素釋放速率常數(shù)（k值）均為尿素﹥腐植酸脲﹥緩釋氮肥，顯然，在4種類別磚紅壤中尿素、腐植酸脲及緩釋氮肥的No值、k值變化規(guī)律一致，說(shuō)明尿素在4種類別磚紅壤中不但最大氮素淋出率高且可溶性強(qiáng)，氮素淋出速率快。在Elovich方程及拋物線方程中，參數(shù)b是斜率，表示氮素釋放速率。比較b值可以發(fā)現(xiàn)，除了淺海沉積物中的氮素釋放速率為緩釋氮肥﹥腐植酸脲﹥尿素，其他3種類別磚紅壤中的氮素釋放速率均為腐植酸脲﹥緩釋氮肥﹥尿素。

2.3 不同氮肥在不同磚紅壤中首次氮素淋出率差異分析

進(jìn)一步對(duì)不同氮肥在4種磚紅壤中的首次氮素淋出率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表3）可知，在花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、淺海沉積物磚紅壤、玄武巖磚紅壤中，尿素、腐植酸脲及緩釋氮肥的首次氮素淋出率處理間差異顯著（p<0.05），尿素的首次氮素淋出率最大，腐植酸脲次之，緩釋氮肥首次氮素淋出率顯著小于普通尿素及腐植酸脲處理；其中，緩釋氮肥的首次氮素淋出率分別較尿素減少了61.19%、61.20%、61.46%、69.40%，腐植酸脲的首次氮素淋出率分別較尿素減少了20.09%、23.92%、19.95%、18.13%。

比較同一種肥料在不同磚紅壤中首次氮素淋出率可知，尿素在砂頁(yè)巖磚紅壤中的首次氮素淋出率顯著大于在其他磚紅壤中的首次氮素淋出率（p<0.05），淺海沉積物磚紅壤和玄武巖磚紅壤之間的首次氮素淋出率無(wú)明顯差異，但是均顯著大于在花崗巖磚紅壤的首次氮素淋出率（p<0.05）。從腐植酸脲在4種磚紅壤中的首次氮素累積淋出率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，腐植酸脲在淺海沉積物、砂頁(yè)巖及玄武巖磚紅壤中的首次氮素淋出率無(wú)顯著差異（p<0.05），但與其在花崗巖磚紅壤中的首次氮素淋出率存在顯著差異。緩釋氮肥在4種磚紅壤中的首次氮素淋出率之間差異顯著（p<0.05），且緩釋氮肥在砂頁(yè)巖磚紅壤中的首次氮素淋出率顯著大于在其他磚紅壤處理中的首次氮素淋出率。結(jié)果還表明尿素、腐植酸脲、緩釋氮肥在砂頁(yè)巖磚紅壤中的氮素淋出率均最大，表明氮素施入砂頁(yè)巖磚紅壤后更易通過(guò)淋溶途徑流失。

2.4 緩釋肥料在不同磚紅壤中的氮素累積淋出率差異分析

由尿素、腐植酸脲和緩釋氮肥在4種磚紅壤中的氮素累積淋出率（10次淋溶）統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表4）可知，在花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、淺海沉積物磚紅壤、玄武巖磚紅壤中3種肥料的氮素累積淋出率均表現(xiàn)為尿素>腐植酸脲>緩釋氮肥，且各肥料處理間差異顯著（p<0.05）；與尿素相比，緩釋氮肥在花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、淺海沉積物磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的氮素累積淋出率分別減少了41.47%、43.03%、42.30%、48.62%，腐植酸脲在花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、淺海沉積物磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的氮素累積淋出率分別減少了8.85%、6.86%、9.32%、6.21%。

分析同種肥料在不同類型磚紅壤中的氮素累積淋出率發(fā)現(xiàn)，尿素在砂頁(yè)巖磚紅壤及玄武巖磚紅壤中的累積氮素淋出率相等，但與尿素在淺海沉積物磚紅壤及花崗巖磚紅壤的氮素累積淋出率差異顯著（p<0.05），而尿素在淺海沉積物磚紅壤中的氮素累積淋出率顯著小于花崗巖磚紅壤處理（p<0.05）。由腐植酸脲和緩釋氮肥的氮素累積淋出率結(jié)果可知，腐植酸脲在砂頁(yè)巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤中的氮素累積淋出率差異不顯著，在淺海沉積物磚紅壤和花崗巖磚紅壤中累積氮素淋出率差異不顯著（p<0.05）；緩釋氮肥在花崗巖磚紅壤及砂頁(yè)巖磚紅壤中的氮素累積淋出率差異未達(dá)到顯著水平，但與其在淺海沉積物磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的氮素累積淋出率差異顯著。由此可見(jiàn)，尿素、腐植酸脲在淺海沉積物磚紅壤中氮素累積淋出率最小，而緩釋氮肥在玄武巖磚紅壤中氮素累積淋出率最小。

3 討論

海南屬于熱帶季風(fēng)氣候，全年暖熱，雨量充沛，氮肥施入土壤后若不能被植物及時(shí)吸收，極易經(jīng)淋洗流失。緩釋肥料具有養(yǎng)分釋放緩慢、肥料利用率高、肥效期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)[17-19]，在熱區(qū)施用緩釋肥料將是降低熱區(qū)氮素?fù)p失、提高熱區(qū)肥料利用率的有效措施。本研究結(jié)果表明，腐植酸脲與普通尿素相比，能夠明顯減小氮素淋出率，減少氮素淋溶損失，這與王日鑫等[20-21]、周爽等[22]的研究結(jié)果一致，這可能與腐植酸脲中含有的腐殖質(zhì)有關(guān)，施用腐植酸脲增加了土壤中腐殖質(zhì)的含量，腐殖質(zhì)對(duì)銨具有吸附作用，因此能減緩氮素的淋出。相對(duì)于尿素，本研究自制緩釋氮肥能減少41.47%～48.62%氮素?fù)p失，這與緩釋氮肥自身性質(zhì)有關(guān)。緩釋氮肥為微溶性有機(jī)氮肥，主要由速效氮、緩釋氮組成，緩釋氮需要經(jīng)過(guò)土壤微生物分解才能轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，因此當(dāng)緩釋氮肥中的可溶性氮全部淋出之后，后期淋出的氮素均為經(jīng)土壤微生物分解的緩釋氮和長(zhǎng)效氮部分，因此淋溶后期緩釋氮肥氮素淋出率較小，且整個(gè)淋溶期內(nèi)緩釋氮肥氮素淋出總量小于尿素和腐植酸脲。由此可知，緩釋氮肥的養(yǎng)分釋放緩慢，延長(zhǎng)肥效期，且能夠有效減少肥料氮素淋出率，減少氮淋溶損失。

一般來(lái)說(shuō)，影響農(nóng)田氮素淋溶損失的主要因素有降雨和灌溉、施氮狀況、土壤性質(zhì)、耕作方式等。質(zhì)地輕的土壤，由于土壤粘粒和腐殖質(zhì)含量低，對(duì)銨離子的吸附能力較弱，土壤存在較多大孔隙，更有利于水分和養(yǎng)分的下滲，因而氮素易通過(guò)淋溶途徑流失。通過(guò)對(duì)比美國(guó)制土壤質(zhì)地分類以及4種磚紅壤機(jī)械組成（表1）可知[23]，淺海沉積物發(fā)育的磚紅壤（砂粒含量為61.5%）和砂頁(yè)巖發(fā)育的磚紅壤（砂粒含量為64.8%）為沙壤；花崗巖發(fā)育的磚紅壤（砂粒含量為52.0%）和玄武巖發(fā)育的磚紅壤（砂粒含量為48.0%）為壤土。從同種肥料在由不同成土母質(zhì)發(fā)育的磚紅壤中的氮素淋溶結(jié)果可知，在砂粒含量高的砂頁(yè)巖磚紅壤中的氮素首次淋出率及累積淋出率顯著高于其他類型磚紅壤，說(shuō)明砂粒含量高的土壤能夠顯著增加氮素淋溶損失的風(fēng)險(xiǎn)，這與曹雪艷等[24]、蘇永中等[25]對(duì)農(nóng)田氮素淋溶的觀測(cè)結(jié)論一致。而玄武巖磚紅壤的首次氮素淋出率較其他3種類別磚紅壤低，但是經(jīng)過(guò)6次淋溶后，其首次氮素淋出率顯著高于淺海沉積物磚紅壤及花崗巖磚紅壤，其原因可能與玄武巖磚紅壤中粉粒含量最大、有機(jī)質(zhì)含量高、微生物活性強(qiáng)及緩釋氮肥的緩釋氮在玄武巖磚紅壤中降解速度較其他磚紅壤快有關(guān)。

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