海藻酸增效劑對(duì)尿素在土壤中轉(zhuǎn)化及損失的調(diào)控

張 靜，冀建華，李絮花*，陳 亮

（1.土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018；2.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所，江西 南昌 330200；3.曲阜市農(nóng)業(yè)局，山東 曲阜 273100）

世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)踐證明，施用氮磷肥是提高作物產(chǎn)量、保持土壤肥力最快、最有效、最重要的措施之一［1-2］。我國(guó)以占世界7%的耕地養(yǎng)活了占世界22%的人口，取得舉世矚目的偉大成就，化肥施用對(duì)于糧食增產(chǎn)起到了重要作用［1-5］。朱兆 良［6-7］在1992年和1998年分別指出當(dāng)時(shí)主要糧食作物氮肥利用率為28%～41%、30%～35%。氮肥在施入土壤之后可以在短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化為速效氮，若速效氮不能及時(shí)被作物吸收，則會(huì)通過(guò)氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋溶和徑流等途徑損失掉，直接導(dǎo)致氮肥利用率低，土壤質(zhì)量下降等問(wèn)題［8］?；实牡屠寐什粌H帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也導(dǎo)致環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)加大，因此提高化肥利用率已經(jīng)成為我國(guó)肥料施用及肥料產(chǎn)業(yè)的重要研究方向［9］。

肥料增效劑是添加到肥料中促進(jìn)和改善作物對(duì)肥料的吸收、利用，從而提高肥料利用率的有機(jī)或無(wú)機(jī)物質(zhì)［10］。將海藻酸作為肥料的增效劑已經(jīng)受到了廣大學(xué)者的關(guān)注，并通過(guò)大量的科學(xué)實(shí)踐取得了肯定的結(jié)果［11-13］。海藻酸是以海藻為生產(chǎn)原料，利用微生物發(fā)酵的方法制成的小分子活性物質(zhì)［11，14-15］。將海藻酸作為肥料增效載體添加到尿素中，可以顯著提高尿素氮肥利用率［16］。針對(duì)海藻酸如何影響土壤中氮素轉(zhuǎn)化和氨揮發(fā)損失的研究卻鮮有報(bào)道，本文通過(guò)對(duì)海藻酸增效載體對(duì)氮肥在土壤中轉(zhuǎn)化及損失影響的研究，探討其對(duì)氮肥在土壤中轉(zhuǎn)化的機(jī)制，旨在為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用海藻酸資源，提高氮肥利用率和海藻酸增效氮肥研發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤和肥料

試驗(yàn)于2017年10月至2018年4月在江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與資源環(huán)境研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試土壤：石灰性潮土、黃褐土，分別采自山東和安徽0～20 cm的耕層土壤，自然風(fēng)干后磨碎并過(guò)2 mm篩，保存?zhèn)溆?。供試肥料：海藻酸增效尿素（全氮含量?4.0%）。將活化海藻酸按3%的比例添加到熔融尿素中，充分混合均勻，冷卻后制成粉末，制成海藻酸增效尿素試驗(yàn)產(chǎn)品。采用常規(guī)分析方法測(cè)定土壤養(yǎng)分，供試土壤肥力情況見(jiàn) 表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 培養(yǎng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用培養(yǎng)試驗(yàn)方法，每種土壤類型設(shè)置CK（不施尿素）、U（普通尿素）、AU（海藻酸增效尿素）3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)處理施氮量為300 mg·kg-1干土，先調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的60%，預(yù)培養(yǎng)7 d，然后再調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的80%。稱取80 g土樣（以干土計(jì)），分別加入海藻酸增效尿素和普通尿素，混勻于塑料杯中（內(nèi)徑8 cm，高10 cm），用塑料薄膜封口，并用針在薄膜上扎4個(gè)小孔（一方面可以通氣，另一方面可定期向培養(yǎng)杯中加水以保持土壤水分恒定），將塑料杯置于25℃人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)，在培養(yǎng)過(guò)程中損失的水分通過(guò)稱重法補(bǔ)充。于培養(yǎng)期間第1、3、5、7、10、15、22、30 d取樣，測(cè)定土壤酰胺態(tài)氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量及氨揮發(fā)量。

土壤酰胺態(tài)氮采用二乙酰一肟比色法測(cè)定；土壤氨揮發(fā)測(cè)定采用硼酸-指示劑靜態(tài)吸收法；土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮測(cè)定采用2 mol·L-1氯化鉀溶液浸提，流動(dòng)注射分析儀比色測(cè)定。

1.2.2 氨揮發(fā)試驗(yàn)

采用靜態(tài)吸收方法，每種土壤類型設(shè)置CK（不施尿素）、U（普通尿素）、AU（海藻酸增效尿素）3個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次。每個(gè)處理施氮量為300 mg·kg-1干土，先調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的60%，預(yù)培養(yǎng)7 d，然后再調(diào)節(jié)土壤含水量為田間持水量的80%。 稱取過(guò)2 mm孔徑篩的土壤150 g（以干土計(jì)），分別加入海藻酸尿素和普通尿素，混勻于塑料杯中，塑料杯內(nèi)置盛有10 mL 2%硼酸和指示劑的25 mL 燒杯。將其封口后放入25℃人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)，分別在第3、4、5、8、12、20、25、30 d，取出塑料杯中的吸收杯，用0.01 mol·L-11/2 H2SO4標(biāo)準(zhǔn)液滴定，計(jì)算氨揮發(fā)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

土壤氨揮發(fā)速率：

式 中，VNH3-N表 示 土 壤 中 氨 揮 發(fā) 速 率（kg· hm-2·d-1），M表示每個(gè)捕獲裝置平均每次測(cè)定的氨量（mg），S為捕獲裝置的橫切面積（m2），D為每次持續(xù)收集的時(shí)間（d）。

土壤NH3揮發(fā)累積損失量：

式中，Af為土壤氨揮發(fā)累積損失量（kg·hm-2），n為施肥后總的測(cè)定次數(shù)，Ti為第i次測(cè)定施肥后的第Ti天，Ti-Ti-1為2個(gè)相鄰測(cè)定日期之間的時(shí)間間隔（d），Vi為第i次測(cè)定時(shí)的氨揮發(fā)速率 （kg·hm-2·d-1）。

采用 Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，SPSS 22.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和Duncan新復(fù)極差法（LSR）進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 海藻酸增效劑對(duì)土壤中酰胺態(tài)氮含量的影響

表2反映的是2種類型土壤不同施肥處理在培養(yǎng)期間內(nèi)的酰胺態(tài)氮含量變化。在潮土和黃褐土2種類型土壤中，尿素在施入土壤后的5～7 d被快速分解，導(dǎo)致酰胺態(tài)氮在土壤中的含量迅速 下降。

在培養(yǎng)的第1、3、5、7 d，潮土 AU處理酰胺態(tài)氮含量比U處理分別增加20.20%、30.21%、21.25%、8.11%，其轉(zhuǎn)化率分別降低10.07%、5.96%、0.87%、0.09%；黃褐土AU處理比U處理分別增加17.71%、14.31%、28.29%、23.31%，轉(zhuǎn)化率分別降低了9.01%、3.95%、4.07%、0.23%。在培養(yǎng)的前3 d，尿素在潮土中的轉(zhuǎn)化率比在黃褐土中的高，分別高出2.49%、15.90%；培養(yǎng)的第5、7 d，尿素在黃褐土中的轉(zhuǎn)化率更高，分別比在潮土中高出7.04%、15.20%。與U處理相比，2種類型土壤海藻酸處理的酰胺態(tài)氮含量明顯增加，說(shuō)明海藻酸可以在前期抑制尿素的水解，提高土壤中酰胺態(tài)氮含量。

表2 海藻酸增效劑對(duì)土壤中酰胺態(tài)氮含量的影響 （mg·kg-1）

2.2 海藻酸增效劑對(duì)土壤中氨揮發(fā)的影響

不同施肥處理的氨揮發(fā)累積量與氨揮發(fā)速率如圖1所示。肥料施入土壤后，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，U處理和AU處理氨揮發(fā)累積量均逐漸增加，前期氨揮發(fā)累積量變化不明顯，隨著時(shí)間的推移，氨揮發(fā)累積量出現(xiàn)差異，氨揮發(fā)最大速率出現(xiàn)在4～6 d。

圖1 海藻酸增效劑對(duì)土壤氨揮發(fā)的影響

在潮土中，CK處理的土壤在培養(yǎng)期間沒(méi)有檢測(cè)出氨揮發(fā)，施肥處理氨揮發(fā)總量在前8 d迅速增加并在第8 d達(dá)到峰值。在整個(gè)培養(yǎng)期間AU處理氨揮發(fā)累積量一直低于U處理，至培養(yǎng)結(jié)束，U處理和AU處理氨揮發(fā)總量分別為1.87、1.80 kg·hm-2，AU處理氨揮發(fā)總量要比U處理降低3.74%。U處理和AU處理氨揮發(fā)速率在培養(yǎng)的前5 d逐漸增加，其中在培養(yǎng)前3 d增加緩慢，第3～5 d迅速增加，并在第5 d達(dá)到最大值，分別為0.52、0.46 kg·hm-2·d-1，在培養(yǎng)的第4、5 d，AU處理的氨揮發(fā)速率比U處理分別低21.57%、11.54%。

與潮土一致，黃褐土的CK處理在培養(yǎng)期間也沒(méi)有檢測(cè)出氨揮發(fā)。U處理和AU處理在培養(yǎng)前20 d逐漸增加。在前3 d有極少量氨揮發(fā)，第3 d到第8 d氨揮發(fā)總量迅速增加，第5 d到第20 d氨揮發(fā)速率呈下降趨勢(shì)，第8 d后氨揮發(fā)總量增加緩慢，至培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，氨揮發(fā)總量分別為0.62、0.52 kg·hm-2，AU處理氨揮發(fā)總量要比U處理降低16.10%。U處理和AU處理氨揮發(fā)速率在第3～5 d迅速增加，在第5 d達(dá)到最大值之后又迅速下降，在培養(yǎng)的第5 d，AU處理的氨揮發(fā)速率比U處理低18.18%，并且在整個(gè)培養(yǎng)期間AU處理氨揮發(fā)速率一直低于U處理。

在整個(gè)培養(yǎng)期，潮土和黃褐土的氨揮發(fā)量分別在第8、20 d達(dá)到峰值，并且潮土比黃褐土高出1.25～1.28 kg·hm-2，兩者氨揮發(fā)速率都在第5 d達(dá)到峰值，潮土的最大氨揮發(fā)速率比黃褐土高出0.37～0.41 kg·hm-2·d-1。海藻酸對(duì)黃褐土的氨揮發(fā)抑制效果更明顯，比對(duì)潮土的氨揮發(fā)總量抑制和最大氨揮發(fā)速率的抑制分別高出12.36%、6.64%。

2.3 海藻酸增效劑對(duì)土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

2.3.1 海藻酸增效劑對(duì)潮土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

不同施肥處理對(duì)土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量也有顯著影響，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，銨態(tài)氮的含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)（圖2a、c），硝態(tài)氮呈現(xiàn)出逐步增加趨勢(shì)（圖2b、d）。

在潮土中，兩個(gè)施肥處理的銨態(tài)氮含量變化趨勢(shì)基本一致，但是在不同的時(shí)間段，不同處理間的銨態(tài)氮含量卻差異很大。在培養(yǎng)前3 d，U處理和AU處理土壤中銨態(tài)氮含量呈急速上升趨勢(shì)，變化曲線基本重合，并無(wú)差異，AU處理和U處理中銨態(tài)氮含量都是在第5 d達(dá)到峰值，峰值分別為183、161 mg·kg-1，AU處理比U處理高出22 mg·kg-1，增幅為12.02%，并且在第3～15 d，AU處理銨態(tài)氮的含量一直高于U處理。第5 d之后，U處理和AU處理土壤中銨態(tài)氮含量一直在下降，U處理在第10 d之后土壤中銨態(tài)氮含量基本保持穩(wěn)定，AU處理中銨態(tài)氮含量則延長(zhǎng)至第15 d趨于平衡，第15 d之后，U處理和AU處理土壤中銨態(tài)氮含量分別維持在20.10～25.31、17.38～24.14 mg·kg-1。由此說(shuō)明添加海藻酸增效劑在培養(yǎng)前期促進(jìn)了尿素向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，并進(jìn)一步說(shuō)明海藻酸增效劑抑制了土壤中的氨揮發(fā)，從而顯著增加了土壤中銨態(tài)氮含量。

潮土U處理和AU處理在培養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)行的前 3 d，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的量甚微，于第5 d，U和AU處理的銨態(tài)氮開(kāi)始向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，其中AU處理的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化量略低于U處理的轉(zhuǎn)化量，低出23.62 mg·kg-1，第5 d以后，U和AU處理的銨態(tài)氮大量向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，于第10 d達(dá)到峰值，以后趨于穩(wěn)定，期間AU處理的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化量略高于U處理，其中第15、22和30 d分別高出22.73、31.40和13.20 mg·kg-1。由此可見(jiàn)，添加海藻酸增效劑在培養(yǎng)前期抑制了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少了硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化量，相反，培養(yǎng)后期促進(jìn)了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，增加了硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化量。

2.3.2 海藻酸增效劑對(duì)黃褐土中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

黃褐土在整個(gè)土壤培養(yǎng)階段，U處理和AU處理的銨態(tài)氮含量變化趨勢(shì)基本一致（圖2c），CK處理無(wú)論是銨態(tài)氮還是硝態(tài)氮含量變化基本平穩(wěn)。U處理的銨態(tài)氮含量在前7 d增加迅速并在第7 d達(dá)到峰值，峰值為144 mg·kg-1，AU處理同樣在第7 d達(dá)到峰值，峰值為151 mg·kg-1，比U處理增加7 mg·kg-1，增幅為4.86%。AU處理要比U處理上升速度快。在第7 d之后各施肥處理含量陡然下降，AU處理要比U處理下降趨勢(shì)緩慢。

圖2 海藻酸增效劑對(duì)土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

由圖2（d）看出，U處理和AU處理在培養(yǎng)試驗(yàn)進(jìn)行的前3 d，銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮的量甚微，于第5 d，U處理和AU處理的銨態(tài)氮開(kāi)始向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，其中AU處理的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化量略低于U處理的轉(zhuǎn)化量，分別在第5和7 d低出1.37、0.77 mg·kg-1，7 d以后，U處理和AU處理的銨態(tài)氮大量向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，其中AU處理的硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化量在第10和15 d高于U處理的轉(zhuǎn)化量，分別高出29.42、 10.89 mg·kg-1。由此可見(jiàn)，添加海藻酸增效劑在培養(yǎng)前期抑制了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少了硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)量，培養(yǎng)中期促進(jìn)了土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)后期又抑制了土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。

潮土和黃褐土施肥處理的銨態(tài)氮高峰值分別出現(xiàn)在第5、7 d，海藻酸增效劑對(duì)潮土銨態(tài)氮含量的提升幅度比黃褐土高7.16%，其對(duì)潮土銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化的抑制時(shí)間更長(zhǎng)；海藻酸增效劑在潮土中主要在培養(yǎng)后期促進(jìn)銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，在黃褐土中主要在培養(yǎng)中期促進(jìn)銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。

3 結(jié)論與討論

尿素在施入土壤之后，首先會(huì)在脲酶的作用下水解為銨根離子，增加土壤中的銨態(tài)氮含量；隨后銨根離子在硝化細(xì)菌的作用下氧化為硝酸根離子，土壤硝態(tài)氮含量增加，同時(shí)釋放出氨氣［17-18］。

應(yīng)用海藻液、海藻渣可使尿素具備緩釋性 能［19-21］；海藻包膜尿素（以發(fā)酵海藻液作為包膜材料制備）對(duì)土壤脲酶活性具有一定的抑制作 用［19，22］，可以使海藻包膜尿素具備一定的緩釋效果，這可能是施用海藻包膜尿素能夠提高氮肥利用率的原因之一。

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，潮土、黃褐土海藻酸增效尿素（AU）處理酰胺態(tài)氮含量在培養(yǎng)前7 d要高于普通尿素（U）處理（表2），表明海藻酸增效劑在培養(yǎng)前7 d可以抑制尿素的水解。這可能是，1）海藻酸增效劑直接抑制了土壤中脲酶的活性。2）海藻酸增效劑可以對(duì)影響土壤脲酶活性的土壤基本理化性質(zhì)（如有機(jī)質(zhì)、pH、微生物活性）產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而影響尿素的水解進(jìn)程。

潮土氨揮發(fā)總量在第8 d達(dá)到峰值，黃褐土氨揮發(fā)總量在第20 d達(dá)到峰值；兩種土壤氨揮發(fā)速率均在第5 d達(dá)到最大值，之后開(kāi)始下降，這與大多數(shù)研究結(jié)果［23-25］一致；AU處理氨揮發(fā)總量比U處理明顯降低，且在黃褐土上的降幅更大，究其原因，可能是海藻酸具有的強(qiáng)大內(nèi)表面積和較強(qiáng)吸附能力，使釋放到空氣中的氨量減少，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

潮土AU處理銨態(tài)氮含量在培養(yǎng)3～10 d內(nèi)高于U處理（圖2a），海藻酸增效劑在培養(yǎng)前8 d抑制了土壤中氨揮發(fā)（圖1a）；黃褐土在培養(yǎng)第7～15 d內(nèi)AU處理銨態(tài)氮含量高于U處理（圖2c），海藻酸增效劑在培養(yǎng)前20 d抑制了土壤的氨揮發(fā)（圖1c、d）。海藻酸增效劑對(duì)氨揮發(fā)的抑制使土壤AU處理銨態(tài)氮含量高于U處理，且在黃褐土上的抑制作用更明顯。兩種類型土壤中AU處理較U處理銨態(tài)氮的增加量大于氨揮發(fā)的降低量，可能是由兩個(gè)試驗(yàn)培養(yǎng)環(huán)境的差異造成的，氨揮發(fā)試驗(yàn)采用的是密閉的培養(yǎng)裝置，氮素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)采用的是非密閉培養(yǎng)裝置，培養(yǎng)環(huán)境的差異造成了試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異。海藻酸增效劑在培養(yǎng)的第5～7 d抑制了土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，在潮土和黃褐土的抑制率分別為1.77%、11.78%。海藻酸增效劑對(duì)黃褐土中氮素轉(zhuǎn)化的抑制作用更明顯。潮土在培養(yǎng)的第10～30 d，土壤中無(wú)機(jī)氮主要以硝態(tài)氮的形式存在（圖2b），并且AU處理硝態(tài)氮含量高于U處理，從而延長(zhǎng)供氮時(shí)間；黃褐土在培養(yǎng)的第7～30 d U處理和AU處理均增加了土壤硝態(tài)氮含量，且AU處理硝態(tài)氮含量上升趨勢(shì)大于U處理，表明海藻酸增效劑可以使有效氮較長(zhǎng)時(shí)間的保持在土壤耕層中供植物吸收利用，進(jìn)一步印證了海藻酸增效劑在抑制土壤氨揮發(fā)方面的作用。