緩釋氮肥在磚紅壤中氮素轉(zhuǎn)化研究

貝美容， 雷 菲， 劉海林， 華元?jiǎng)偅?林清火， 茶正早

(1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所/中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料中心，海南儋州 571737； 2.海南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與土壤研究所，海南?？?571100)

肥料在作物生產(chǎn)中發(fā)揮著不可替代的支撐作用，施肥可提高糧食單位面積產(chǎn)量的55%，總產(chǎn)量的30%[1]。我國(guó)肥料消費(fèi)總量約占世界肥料消費(fèi)總量的1/3[2-3]，然而在肥料投入量上升的同時(shí)我國(guó)肥料利用率卻維持在相對(duì)較低的水平，并且養(yǎng)分流失嚴(yán)重。在我國(guó)農(nóng)業(yè)中化肥氮當(dāng)季利用率為35%，氨揮發(fā)損失為11%，硝化-反硝化損失為34%，淋洗損失為2%，徑流損失為5%，其他途徑損失為13%[1]。因此，采取技術(shù)措施提高肥料利用率，減輕施肥對(duì)環(huán)境造成的污染，是我國(guó)乃至世界農(nóng)業(yè)的研究重點(diǎn)、熱點(diǎn)之一。緩釋肥料是指利用物理、化學(xué)和生物方法制備的能使肥料中養(yǎng)分在土壤中緩慢釋放，使其作物有效性明顯延長(zhǎng)的肥料[4]，具有減少肥料損失、提高肥料利用率等優(yōu)點(diǎn)[5-9]。發(fā)展利用率高、損失少、環(huán)境友好的緩釋肥料，在節(jié)約資源、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)協(xié)調(diào)發(fā)展、節(jié)本增效和節(jié)能減排等方面均具有重要意義[10]。緩釋肥料主要包括微溶性有機(jī)氮肥、包膜肥料、穩(wěn)定性肥料，其中微溶性有機(jī)氮肥中的脲醛緩釋肥料最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化[11]，它是由尿素與醛反應(yīng)生成的聚合物，含有少量尿素、冷水不溶氮和熱水不溶氮，包括速效氮和緩釋氮部分。微溶性有機(jī)氮肥施入土壤后，緩釋氮部分通過(guò)生物降解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮被作物吸收，該過(guò)程受土壤性質(zhì)、溫度和微生物活性等因素影響[12-13]。微溶性有機(jī)氮肥中的氮素在土壤中轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的速率決定了其肥效及供氮速率，是微溶性有機(jī)氮肥主要性質(zhì)及其科學(xué)施用的主要參考指標(biāo)。本研究所使用的微溶性有機(jī)氮肥是由尿素、腐植酸和醛類交聯(lián)劑在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備而成的，探討其在不同磚紅壤中的氮素轉(zhuǎn)化特性，以期為緩釋氮肥在熱區(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 供試肥料

供試肥料為普通尿素(U)和緩釋氮肥(NF)，其中緩釋氮肥由尿素、腐植酸和醛類交聯(lián)劑在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備而成，氮含量為31.16%，pH值為8.96；普通尿素為對(duì)照。

1.2 供試土壤

供試磚紅壤分別為淺海沉積物磚紅壤(Q)、花崗巖磚紅壤(H)、砂頁(yè)巖磚紅壤(S)、玄武巖磚紅壤(X)，土壤具體理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 4種成土母質(zhì)發(fā)育磚紅壤的理化性質(zhì)

1.3 緩釋氮肥室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)

采用室內(nèi)恒溫好氣培養(yǎng)法進(jìn)行緩釋氮肥室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理，即將2種肥料(普通尿素和緩釋氮肥)分別施入4類磚紅壤(淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤)中。試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所土壤肥料研究實(shí)驗(yàn)室，培養(yǎng)時(shí)間為2016年10—12月，試驗(yàn)前按照1 kg土300 mg 氮的比例稱取供試肥料，并將其與供試土壤混合均勻，然后裝入塑料培養(yǎng)杯中，每杯裝土100 g，澆水(土壤持水量的60%)，然后蓋上具有10個(gè)透氣孔的塑料蓋，分別放置在25、35 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。分別于施肥后1、3、7、14、21、35、49、70 d進(jìn)行破壞性取樣，將每杯土壤混勻，取10 g鮮土，浸提，過(guò)濾，用連續(xù)流動(dòng)分析儀(SEAL AutoAnalyzer3-AA3，德國(guó)生產(chǎn))測(cè)定提取液中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量。每次每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù)。培養(yǎng)期間采用稱質(zhì)量法定期補(bǔ)充水分。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

采用Excel軟件對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算并繪制圖表，采用SPSS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 磚紅壤銨態(tài)氮變化

由圖1可知，25 ℃培養(yǎng)條件下，尿素和緩釋氮肥施入土壤后，隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加，土壤中的銨態(tài)氮含量均表現(xiàn)為先增加后減小的變化趨勢(shì)，且相同培養(yǎng)時(shí)間同一類型磚紅壤中，施入尿素后土壤中的銨態(tài)氮含量大于緩釋氮肥處理。添加尿素處理培養(yǎng)至施肥后7 d時(shí)，淺海沉積物磚紅壤中的銨態(tài)氮含量達(dá)峰值，為272.67 mg/kg；當(dāng)培養(yǎng)至施肥后14 d時(shí)，花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態(tài)氮含量達(dá)到最大值，分別為233.59、273.62、255.68 mg/kg，此時(shí)淺海沉積物磚紅壤中的銨態(tài)氮含量為272.29 mg/kg。通過(guò)比較添加尿素各土壤中的銨態(tài)氮含量最大值可知，花崗巖磚紅壤與玄武巖磚紅壤處理間相差不大，但淺海沉積物磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤明顯大于花崗巖磚紅壤。添加緩釋氮肥的土壤銨態(tài)氮含量峰值明顯后移，當(dāng)添加緩釋氮肥處理培養(yǎng)至施肥后21 d時(shí)，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態(tài)氮含量達(dá)最大值，分別為129.84、138.79、127.00 mg/kg；培養(yǎng)至施肥后35 d時(shí)，砂頁(yè)巖磚紅壤中的銨態(tài)氮含量達(dá)最大值，為168.36 mg/kg。與添加尿素處理相比，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態(tài)氮含量峰值分別減少52.38%、40.58%、38.47%、50.33%。由此可知，與尿素相比，在磚紅壤中添加緩釋氮肥的氮素轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮的速率較慢，有利于減少氮素?fù)p失。

由圖1可知，35 ℃培養(yǎng)條件下，各處理土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢(shì)與25℃培養(yǎng)下基本一致，培養(yǎng)前期土壤銨態(tài)氮含量逐漸增加，之后逐漸降低或持平。培養(yǎng)溫度升高后，添加尿素處理的土壤銨態(tài)氮含量峰值前移至施肥后7 d，且淺海沉積物磚紅壤大于花崗巖磚紅壤。在添加緩釋氮肥處理中，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態(tài)氮含量最大值分別為148.80、189.90、189.30、162.11 mg/kg，均大于25 ℃培養(yǎng)下對(duì)應(yīng)土壤中的銨態(tài)氮含量最大值。表明溫度升高能夠促進(jìn)緩釋氮肥中的氮素轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，加快緩釋氮肥氮素的釋放速率。

2.2 磚紅壤硝態(tài)氮變化

由圖2可知，添加尿素和緩釋氮肥處理的土壤硝態(tài)氮含量均整體隨著培養(yǎng)時(shí)間的增加而升高，培養(yǎng)前期土壤硝態(tài)氮含量維持在較低水平，培養(yǎng)中期土壤硝態(tài)氮含量快速增加。在25 ℃條件下培養(yǎng)至施肥后70 d時(shí)，添加尿素的淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的硝態(tài)氮含量分別為135.62、178.84、103.46、234.41 mg/kg，添加緩釋氮肥的各磚紅壤硝態(tài)氮含量分別為65.02、151.99、76.55、205.69 mg/kg，此時(shí)同種土壤添加緩釋氮肥處理的硝態(tài)氮含量整體小于添加尿素處理。在35 ℃條件下培養(yǎng)至施肥后 70 d 時(shí)，添加尿素處理的各土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為淺海沉積物磚紅壤<砂頁(yè)巖磚紅壤<花崗巖磚紅壤<玄武巖磚紅壤；而此時(shí)添加緩釋氮肥處理的淺海沉積物磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤硝態(tài)氮含量分別較添加尿素處理減少23.39%、26.51%、12.48%、1.34%。另外，添加緩釋氮肥的4種磚紅壤培養(yǎng)至施肥后70 d時(shí)，同種土壤 35 ℃ 培養(yǎng)下的硝態(tài)氮含量均大于25 ℃培養(yǎng)。由此可知，與尿素相比，在不同磚紅壤中緩釋氮肥均可減小肥料中氮素轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的速率，減少肥料氮素?fù)p失，而溫度升高會(huì)加快緩釋氮肥中的氮素轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

2.3 緩釋氮肥在磚紅壤中的供氮特性

緩釋氮肥可供作物吸收的氮(供氮量)是指在土壤中由有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮減去土壤自身礦化的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，供氮曲線可直觀反映緩釋氮肥不同階段的氮素供應(yīng)量和供氮特性。由圖3可知，在25、35 ℃培養(yǎng)條件下，各處理在培養(yǎng)前期供氮率迅速增加，后期趨于平緩，且除施肥后 1 d 外，在整個(gè)培養(yǎng)期間，緩釋氮肥供氮率均小于尿素。對(duì)培養(yǎng)至施肥后70 d時(shí)的各處理供氮量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由表2可知，25、35 ℃培養(yǎng)下，添加尿素的各磚紅壤處理的供氮量差異不顯著，且在同一磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量顯著小于尿素；在25 ℃培養(yǎng)條件下，花崗巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量分別為195.92、195.76 mg/kg，顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤中緩釋氮肥供氮量；在35 ℃培養(yǎng)條件下，花崗巖磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量最大，為 240.99 mg/kg，與玄武巖磚紅壤差異不顯著，但顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤。另外，同一磚紅壤中緩釋氮肥在35 ℃培養(yǎng)條件下的供氮量均顯著大于25 ℃培養(yǎng)條件下。在不同磚紅壤中，緩釋氮肥養(yǎng)分供應(yīng)均較尿素更為緩慢，有利于作物吸收利用，且溫度升高可增加緩釋氮肥氮素供應(yīng)量，增加氮素供應(yīng)速率。

表2 緩釋氮肥在磚紅壤中的供氮量差異分析

注：括號(hào)內(nèi)不同小寫(xiě)字母表示同列處理間差異顯著(P<0.05)，括號(hào)外不同小寫(xiě)字母表示同行處理間差異顯著(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

微溶性有機(jī)氮肥是指尿素與醛類(甲醛、丙醛、異丁醛等)反應(yīng)得到的脲甲醛、丁烯叉二脲、異丁叉二脲等含氮化合物，這類化合物在水中溶解度小，轉(zhuǎn)化為有效態(tài)氮的速度較慢，因此具有緩慢釋放氮素的特性，其中應(yīng)用最為廣泛的為脲甲醛，它是一種速效與緩效結(jié)合的氮肥，緩效氮部分必須經(jīng)過(guò)微生物的分解、轉(zhuǎn)化才能形成被作物吸收利用的氮素形態(tài)[14]。本研究使用的緩釋氮肥是由尿素、腐植酸和醛類交聯(lián)劑在一定條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制備而成的，與脲醛緩釋氮肥同屬于微溶性有機(jī)氮肥料，而且本研究的緩釋氮肥還含有一定量腐植酸，具有緩釋增效雙功能。許多研究表明，脲醛緩釋氮肥的氮素釋放緩慢，能夠減少氮素?fù)p失，延長(zhǎng)氮素供應(yīng)時(shí)間，可在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)為作物提供速效養(yǎng)分[15-19]。本研究中緩釋氮肥在不同磚紅壤中的氮素轉(zhuǎn)化及供氮特性結(jié)果與上述結(jié)論一致。與添加尿素相比，25 ℃培養(yǎng)條件下添加緩釋氮肥的淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態(tài)氮含量最大值分別減少52.38%、40.58%、38.47%、50.33%，硝態(tài)氮最大值分別減少52.06%、15.02%、26.01%、12.25%；整個(gè)培養(yǎng)期間，相同培養(yǎng)時(shí)間同一磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量小于尿素。表明緩釋氮肥在4種磚紅壤中氮素轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的速率均較尿素慢，養(yǎng)分供應(yīng)更為緩慢，延長(zhǎng)了養(yǎng)分供應(yīng)時(shí)間，有利于減少氮素?fù)p失。

微溶性有機(jī)氮肥的養(yǎng)分釋放速率主要受溫度、土壤性質(zhì)和微生物活性等環(huán)境因素影響。研究表明，脲醛緩釋氮肥的供氮特性符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)方程，且速率常數(shù)隨著溫度的升高而增大[12，20]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在35 ℃培養(yǎng)條件下，添加緩釋氮肥的淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤銨態(tài)氮最大值分別為148.80、189.90、189.30、162.11 mg/kg，均大于25 ℃培養(yǎng)條件下；添加緩釋氮肥的4種磚紅壤培養(yǎng)至施肥后70 d時(shí)，同種土壤在35 ℃培養(yǎng)條件下的硝態(tài)氮含量均大于25 ℃培養(yǎng)條件下，且除花崗巖磚紅壤外，其他磚紅壤均差異明顯，緩釋氮肥在同一磚紅壤中35 ℃培養(yǎng)下的供氮率均顯著大于25 ℃培養(yǎng)下。可見(jiàn)，溫度升高能夠促進(jìn)緩釋氮肥中的氮素轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，加快緩釋氮肥中的氮素釋放速率，增加緩釋氮肥氮素供應(yīng)量。而土壤氮素礦化是受土壤微生物控制的反應(yīng)過(guò)程[21]。Groffman等研究發(fā)現(xiàn)，土壤類型影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響微生物量和微生物活性[22]。本研究通過(guò)比較4種土壤培養(yǎng)至施肥后70 d時(shí)的土壤供氮量可以發(fā)現(xiàn)，在25 ℃培養(yǎng)條件下，花崗巖磚紅壤中的緩釋氮肥供氮量最大，為195.92 mg/kg，顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤，但與玄武巖磚紅壤差異不顯著；在35 ℃培養(yǎng)條件下，仍是花崗巖磚紅壤中緩釋氮肥供氮量最大，為240.99 mg/kg，與玄武巖磚紅壤差異不顯著，但顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁(yè)巖磚紅壤中的緩釋氮肥供氮量?？梢?jiàn)，在25、35 ℃培養(yǎng)條件下，均以花崗巖磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量最大，淺海沉積物磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量最小。