腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)尿素在潮土中轉(zhuǎn)化的影響

于正國(guó)，袁 亮，趙秉強(qiáng)，李燕婷，張水勤，林治安

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

尿素是我國(guó)最主要的氮肥品種［1］，其施入土壤后會(huì)在脲酶的作用下快速水解轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，若不能及時(shí)被作物吸收利用，易導(dǎo)致氮素?fù)p失，從而降低肥料利用率［2-3］。因此，利用一定材料對(duì)尿素進(jìn)行改性，以影響其轉(zhuǎn)化，降低其氨揮發(fā)損失，對(duì)提高肥料利用率具有重要意義［2，4-6］。

腐植酸（HA）是一種含有活性官能團(tuán)的大分子有機(jī)化合物，具有螯合性、吸附性［7］。研究證明腐植酸可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)、提高作物產(chǎn)量［8-9］，促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收、轉(zhuǎn)化及利用［10-11］；同時(shí)腐植酸可以結(jié)合尿素態(tài)氮、抑制脲酶活性、減緩尿素水解、提高氮素利用、減少氨揮發(fā)損失［12-15］。因此，腐植酸常與尿素結(jié)合制備成腐植酸尿素［12-14］，腐植酸與尿素的結(jié)合工藝是影響腐植酸尿素應(yīng)用效果的重要因素。目前制備腐植酸尿素的工藝主要有以下幾種：（1）機(jī)械混合等物理方法制備摻混腐植酸尿素［15-18］；（2）以水為介質(zhì)，用包涂的方法制備腐植酸尿素［19-20］；（3）以有機(jī)溶劑為介質(zhì)制備腐植酸尿素［21］；（4）在熔融條件下制備熔融腐植酸尿素［12-14，22-23］。其中最有代表性的是熔融工藝和摻混工藝［12-18］。研究表明，腐植酸與尿素?fù)交焓┤胪寥篮?，可以抑制土壤脲酶活性，吸附尿素釋放的銨態(tài)氮，降低氨揮發(fā)［15-17，24-25］。另有研究表明，腐植酸與尿素在熔融條件下可以發(fā)生反應(yīng)，通過(guò)改變尿素的結(jié)構(gòu)減緩尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化［22-23，26-27］；同時(shí)熔融腐植酸尿素施入土壤后的氨揮發(fā)顯著低于對(duì)照尿素［26-27］。然而，先前的腐植酸尿素研究多停留在對(duì)單一工藝條件下的分析、探索，對(duì)不同工藝下的系統(tǒng)對(duì)比研究鮮見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究將腐植酸與尿素分別通過(guò)摻混與熔融兩種工藝制備腐植酸尿素試驗(yàn)產(chǎn)品，開(kāi)展了土壤培養(yǎng)試驗(yàn)以探究腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)尿素轉(zhuǎn)化及損失的影響，為腐植酸尿素的研發(fā)及生產(chǎn)工藝的選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

1.1.1 土壤

供試土壤取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州實(shí)驗(yàn)站禹城試驗(yàn)基地連續(xù)3年不施任何肥料的勻地試驗(yàn)田耕層土壤（0～20 cm），混勻，風(fēng)干，磨碎并過(guò)2 mm篩，保存?zhèn)溆?。土壤類型為石灰性潮土，土壤pH值8.9，有機(jī)質(zhì)11.1 g/kg，全氮0.7 g/kg，有效磷5.3 mg/kg，速效鉀100.3 mg/kg。

1.1.2 腐植酸

供試腐植酸以霍林河風(fēng)化煤為原料，利用堿溶酸析法提取腐植酸［23］，所得腐植酸C含量為55.02%，N含量為0.96%，羧基含量為0.8 meq/g，酚羥基含量為2.12 meq/g，pH值為7.45，E4/E6為3.26（E4/E6是腐植酸的重要參數(shù)之一，是指腐植酸堿溶液在波長(zhǎng)465和665 nm處吸光度的比值，一般作為腐植酸芳香化程度的特征指標(biāo)。其比值越低，表示芳香化程度越高［23］）。

1.1.3 肥料

供試肥料的制備：（1）將上述腐植酸按0.5%、5%的比例添加到熔融尿素中，充分混勻、冷卻后研磨，制備熔融的腐植酸尿素產(chǎn)品（HAU0.5、HAU5）；（2）尿素熔融后，冷卻、研磨，然后將腐植酸按0.5%、5%的比例與其充分混合，制備摻混的腐植酸尿素產(chǎn)品（HA+U0.5、HA+U5）；（3）制備僅熔融但不添加腐植酸的對(duì)照尿素產(chǎn)品（U）。采用消煮-凱氏定氮法測(cè)定所得產(chǎn)品的氮含量［28］。供試肥料的基本信息見(jiàn)表1。

表1 供試氮肥中腐植酸增效劑、全氮含量及其結(jié)合工藝

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)置尿素處理5個(gè)，分別為4種腐植酸尿素處理HAU0.5、HA+U0.5、HAU5、HA+U5和 對(duì) 照 尿素處理U，施氮量均為N 0.3 g/kg；同時(shí)，設(shè)置不施氮肥對(duì)照CK，與HAU0.5和HA+U0.5處理中腐植酸添加量相一致的只施入腐植酸處理HA0.5，與HAU5和HA+U5處理中腐植酸添加量相一致的只施入腐植酸處理HA5。共計(jì)8個(gè)處理。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)在2019年6月12日至8月26日在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。正式培養(yǎng)開(kāi)始前，先將土壤進(jìn)行預(yù)培養(yǎng)。具體操作為：向過(guò)2 mm篩的干土噴水直至土壤含水量為田間最大持水量的40%，然后將其放置到25℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行恒溫預(yù)培養(yǎng)（3 d）。預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后，將預(yù)培養(yǎng)的土壤分為2部分，分別進(jìn)行氨揮發(fā)試驗(yàn)與尿素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)。

1.3.1 氨揮發(fā)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用“靜態(tài)吸收法”進(jìn)行。根據(jù)1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將各處理的肥料與預(yù)培養(yǎng)土（相當(dāng)于500 g干土）充分混勻，每個(gè)處理重復(fù)3次；用重量法補(bǔ)充水分，直至土壤含水量為田間最大持水量的60%，然后裝入800 mL培養(yǎng)瓶中；在培養(yǎng)土上部放置裝有20 mL濃度為2%硼酸溶液的吸收杯；培養(yǎng)瓶密封，置于25℃人工氣候箱中進(jìn)行密閉培養(yǎng)。于培養(yǎng)后的第0.25、0.5、1、2、3、5、7、14 d取出吸收杯，在取出吸收杯的同時(shí)，培養(yǎng)瓶中接著換入新的裝有硼酸溶液的吸收杯繼續(xù)培養(yǎng)。取出的吸收杯滴入2滴甲基紅-溴甲酚綠指示劑后，用0.02mol/L 1/2 H2SO4溶液進(jìn)行滴定，計(jì)算氨揮發(fā)氮量。

1.3.2 尿素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)

根據(jù)1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)，將各處理的肥料與預(yù)培養(yǎng)土（相當(dāng)于100 g干土）充分混勻，每個(gè)處理重復(fù)24次；用重量法補(bǔ)充水分，直至土壤含水量為田間最大持水量的60%，然后裝入頂部有孔的200mL培養(yǎng)瓶中，置于25℃人工氣候箱中進(jìn)行好氣培養(yǎng)。在培養(yǎng)后的第0.25、0.5、1、2、3、5、7、14 d進(jìn)行破壞性取樣，每個(gè)處理取3個(gè)重復(fù)，并將土樣分為兩部分。一部分取鮮樣測(cè)定土壤尿素態(tài)氮、N-N、N-N含量和土壤含水量；另一部分土壤風(fēng)干后測(cè)定土壤脲酶活性與土壤pH值。其中，土壤尿素態(tài)氮測(cè)定采用對(duì)二甲氨基苯甲醛比色法；土壤N-N、N-N采用2 mol/L氯化鉀溶液浸提，流動(dòng)注射分析儀比色測(cè)定；土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法（間接方法）測(cè)定；土壤pH采用pH測(cè)定計(jì)測(cè)定，水土比為2.5∶1［28］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2013、SPSS 23.0和Duncan新復(fù)極差法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)氨揮發(fā)累積氮量的影響

由圖1可知，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各施氮處理的氨揮發(fā)累積氮量逐漸增加，在培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，達(dá)到最高值，為2.469～3.971 mg/瓶，占施氮量的8.2%～13.2%。培養(yǎng)初期（0.5 d以內(nèi)），各施氮處理的氨揮發(fā)累積氮量差異不顯著；而在培養(yǎng)1～14 d，各腐植酸尿素處理的氨揮發(fā)累積氮量分別比對(duì)照尿素處理顯著降低6.7%～61.7%（P＜0.05）。培養(yǎng)1～7 d，等量腐植酸添加，經(jīng)由熔融工藝制備的腐植酸尿素（HAU）處理的氨揮發(fā)累積氮量低于摻混工藝，其中HAU5比HA+U5處理顯著降低氨揮發(fā)累積氮量10%～14%；而腐植酸添加比例為0.5%時(shí)，在培養(yǎng)第1 d， HAU0.5比HA+U0.5顯著降低氨揮發(fā)累積氮量30%。相同結(jié)合工藝，培養(yǎng)1～7 d，腐植酸添加比例為5%的腐植酸尿素處理的氨揮發(fā)累積氮量顯著低于腐植酸添加量為0.5%的處理。其中HA+U5處理的氨揮發(fā)累積氮量比HA+U0.5處理低15.1%～40.3%，HAU5處理的氨揮發(fā)累積氮量比HAU0.5處理低22.2%～27.6%。

圖1 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)氨揮發(fā)累積氮量的影響

2.2 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤尿素殘留量的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各施氮處理的土壤尿素殘留量逐漸降低；培養(yǎng)第3 d，土壤中未檢測(cè)出尿素，說(shuō)明所施尿素此時(shí)已全部水解。培養(yǎng)前2 d，腐植酸尿素處理的土壤尿素殘留量均顯著高于對(duì)照尿素處理（P＜0.05）。等量腐植酸添加，經(jīng)由熔融工藝制備的腐植酸尿素處理（HAU）的土壤尿素殘留量均高于摻混工藝制備的腐植酸尿素處理（HA+U），且腐植酸添加比例為5%時(shí)，培養(yǎng)第0.25、0.5、1、2 d，HAU5處理的土壤尿素殘留量分別為545.2、429.7、301.1、101.9 mg/kg，顯著高于相應(yīng)培養(yǎng)時(shí)間的HA+U5處理，分別高出33.7%、26.3%、17.5%、32.3%（P＜0.05）；而HAU0.5處理在培養(yǎng)第2 d時(shí)，土壤尿素殘留量顯著高出相應(yīng)培養(yǎng)時(shí)間的HA+U0.5處理65.7%（圖2）。相同腐植酸與尿素結(jié)合工藝，添加比例為5%的腐植酸尿素處理的尿素殘留量高于添加比例為0.5%的腐植酸尿素處理，且培養(yǎng)第0.25、0.5、1 d，熔融工藝制備的2種腐植酸尿素差異顯著（P＜0.05）；而摻混工藝制備的2種腐植酸尿素僅在培養(yǎng)第0.5 d差異顯著，HA+U0.5處理的尿素殘留量比HA+U5減少12.8%（圖2）。

圖2 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)尿素殘留量的影響

2.3 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤N-N含量的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各施氮處理的土壤NH+4-N含量均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)（圖3），在培養(yǎng)的第2 d出現(xiàn)峰值，其中HAU0.5、HA+U5、HAU5處 理 的N-N含 量 分 別 為268.5、259.5、273.4 mg/kg，均顯著高于對(duì)照尿素處理（P＜0.05）（圖3）。等量腐植酸添加條件下，在培養(yǎng)第2、5 d時(shí)，經(jīng)由熔融工藝制備的腐植酸尿素處理（HAU）的N-N含量顯著高于摻混工藝制備的腐植酸尿素 處 理（HA+U）（圖3）。在 第2 d時(shí)HAU0.5處理的N-N含量比HA+U0.5處理顯著提高9.4%，HAU5處理的N-N含量比HA+U5處理顯著提高5.3%；在第5 d時(shí)HAU5處理的N-N含量比HA+U5處理顯著提高30.4%（圖3）。相同腐植酸與尿素結(jié)合工藝，在培養(yǎng)的第2 d HA+U5處理的土壤N-N含量比HA+U0.5處理顯著提高5.7%，而HAU5與HAU0.5處理間的N-N含量差異不顯著（圖3）。

圖3 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤N －N含量的影響

2.4 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤N -N含量的影響

圖4 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤N －N含量的影響

2.5 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤pH值的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各施氮處理的土壤pH值呈現(xiàn)先升高后降低的變化，均在培養(yǎng)的第1 d達(dá)到峰值，約為8.99～9.02（圖5），各腐植酸尿素處理的土壤pH值與對(duì)照尿素處理無(wú)顯著性差異，不同工藝的腐植酸尿素之間差異不顯著。整體而言，腐植酸于尿素結(jié)合對(duì)土壤pH值無(wú)顯著影響。

圖5 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤pH值的影響

2.6 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤脲酶活性的影響

隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，各施氮處理的脲酶活性呈現(xiàn)出先降低后升高的變化（圖6）。在整個(gè)培養(yǎng)周期內(nèi)，各腐植酸及施肥處理的土壤脲酶活性均低于CK，其中各腐植酸處理之間無(wú)顯著差異（圖6）。在培養(yǎng)的第0.25、0.5 d，經(jīng)由摻混工藝制備的腐植酸尿素處理的脲酶活性低于對(duì)照尿素處理；在培養(yǎng)的第0.25、0.5、14 d，經(jīng)由熔融工藝制備的腐植酸尿素處理的脲酶活性高于對(duì)照尿素處理，分別顯著提高49.8%、100.7%、14.6%（圖6）。等量腐植酸添加條件下，在培養(yǎng)的第0.25、0.5 d，經(jīng)由熔融工藝制備的腐植酸尿素處理的脲酶活性顯著高于摻混工藝制備的腐植酸尿素處理，其中HAU0.5處理分別比HA+U0.5處理顯著提高56.8%、100.8%，HAU5處理分別比HA+U5處理顯著提高118.6%、172.9%。相同腐植酸與尿素結(jié)合工藝，不同腐植酸添加量的腐植酸尿素處理之間無(wú)顯著性差異（圖6）。

圖6 腐植酸與尿素結(jié)合工藝對(duì)土壤脲酶活性的影響

3 討論

尿素施入土壤后，首先在脲酶的作用下水解為氨，同時(shí)使土壤pH值快速增加，在培養(yǎng)的第1 d達(dá)到峰值；隨后，尿素水解的氨在硝化細(xì)菌的作用下發(fā)生硝化作用生成N-N，同時(shí)釋放H+降低土壤pH值［23］（圖5）。本試驗(yàn)中，尿素在培養(yǎng)的第3 d已水解完全（圖2），而、土壤pH值的峰值分別出現(xiàn)在第2、1 d（圖3、5），在時(shí)間序列上并不同步，這主要是因?yàn)樵谂囵B(yǎng)的第1 d已經(jīng)出現(xiàn)硝化作用，使得土壤pH值下降點(diǎn)較N-N峰值點(diǎn)有所提前（圖4）。在培養(yǎng)的前3 d，兩種工藝制備的腐植酸尿素均可抑制尿素水解，這與大多數(shù)人的研究結(jié)果相一致。但兩種工藝制備的腐植酸尿素對(duì)脲酶活性的影響呈現(xiàn)不一致的結(jié)果（圖6），這可能是因?yàn)樵趽交爝^(guò)程中腐植酸未能與尿素發(fā)生反應(yīng)，施入土壤后腐植酸可通過(guò)吸附、絡(luò)合等方式與土壤脲酶結(jié)合，從而降低脲酶活性［17］；而在熔融過(guò)程中，腐植酸與尿素發(fā)生反應(yīng)，尿素結(jié)構(gòu)發(fā)生改變［29-31］，施入土壤后，尿素?zé)o法在短期內(nèi)與脲酶結(jié)合，因此呈現(xiàn)出脲酶活性、尿素殘留量高的結(jié)果。因此，不同工藝制備的腐植酸尿素增效機(jī)理可能是不同的，其中摻混工藝制備的腐植酸尿素通過(guò)抑制脲酶活性，間接減緩尿素水解；熔融工藝制備的腐植酸尿素通過(guò)改變尿素結(jié)構(gòu)［23］，直接減緩尿素水解，具體原因可通過(guò)結(jié)構(gòu)分析進(jìn)一步驗(yàn)證。在培養(yǎng)第2～14 d，各施氮處理的脲酶活性逐漸升高，其中腐植酸尿素處理的脲酶活性提高幅度大于對(duì)照尿素處理，這是腐植酸在培養(yǎng)后期穩(wěn)定脲酶活性的表現(xiàn)［23］。

在培養(yǎng)的前5 d所有施氮處理的氨揮發(fā)累積氮量迅速增加，隨后趨于平穩(wěn)，這與大多數(shù)研究結(jié)果相一致［32-33］。其中腐植酸尿素可顯著降低氨揮發(fā)，一方面是因?yàn)楦菜峥蓽p緩尿素的水解，另一方面是因?yàn)楦菜峋哂卸嗫仔?，可吸附尿素水解釋放的氨?4-35］。此外，本試驗(yàn)中熔融腐植酸尿素處理的氨揮發(fā)顯著低于摻混腐植酸尿素處理，主要原因可能是熔融工藝減緩尿素效果高于摻混工藝。

在培養(yǎng)的前5 d，腐植酸尿素處理可降低氨揮發(fā)6.1%～61.7%，而在尿素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)中，NH+4-N含量?jī)H提高了1.1%～12.3%，兩者并不一致。一方面因?yàn)閮烧叩脑囼?yàn)環(huán)境不一致，氨揮發(fā)試驗(yàn)是在密閉環(huán)境下進(jìn)行的，而尿素轉(zhuǎn)化試驗(yàn)是在通氣條件下進(jìn)行；同時(shí)部分尿素水解的，也可能被微生物利用進(jìn)而轉(zhuǎn)化為微生物態(tài)氮［8］。此外，培養(yǎng)結(jié)束后，腐植酸尿素的含量較對(duì)照尿素有增加的趨勢(shì)，這主要是由腐植酸尿素處理的尿素態(tài)氮?dú)埩袅扛?、氨揮發(fā)損失較低導(dǎo)致的。HAU5處理在培養(yǎng)第7 d時(shí)，其含量顯著低于其他尿素處理，這可能是腐植酸-尿素反應(yīng)產(chǎn)物抑制硝化作用導(dǎo)致的［36-37］，具體原因有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與對(duì)照尿素相比，腐植酸尿素的氨揮發(fā)累積氮量可降低6.7%～61.7%；熔融腐植酸尿素較摻混腐植酸尿素可降低氨揮發(fā)累積氮量21.8%；添加0.5%腐植酸，兩種結(jié)合工藝對(duì)氨揮發(fā)累積氮量無(wú)顯著影響。添加5%腐植酸，熔融腐植酸尿素較摻混腐植酸尿素可顯著降低氨揮發(fā)累積氮量13.5%；腐植酸尿素較對(duì)照尿素可顯著減緩尿素水解，提高培養(yǎng)后的土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量，其中熔融腐植酸尿素較摻混腐植酸尿素可顯著增加土壤尿素殘留量24.1%，提高土壤礦質(zhì)態(tài)氮含量11.7%，添加0.5%腐植酸的熔融腐植酸尿素與添加5%腐植酸的摻混腐植酸尿素的尿素殘留量相當(dāng)；與對(duì)照尿素相比，在培養(yǎng)前期（0.5 d以內(nèi)）摻混腐植酸尿素可降低脲酶活性19.1%、12.3%，而熔融腐植酸尿素可顯著提高脲酶活性48.5%、102.1%。

總體而言，腐植酸尿素可顯著抑制尿素水解、降低氨揮發(fā)、提高土壤礦質(zhì)氮含量，其中以熔融工藝的效果最佳。