新型尿素對農(nóng)田土壤N2O排放、氨揮發(fā)及土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響

張藝磊 韓建 張麗娟

摘要：以華北平原農(nóng)田土壤為研究對象，通過室內(nèi)靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)研究新型尿素施入土壤后對N2O排放和氨揮發(fā)的影響。供試肥料為聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素、控失尿素、普通尿素，脲酶抑制劑為氫醌（C6H6O2），硝化抑制劑為2-氯-6-三氯甲基吡啶（NP）。結(jié)果表明，所有施肥處理N2O排放通量峰值均出現(xiàn)在第2天，其中控失尿素土壤N2O排放通量最低，為20 168.1 μg/（kg·d）;與普通尿素相比，控失尿素減少了58.0%的N2O排放，減排效果最佳。不同新型尿素均能顯著降低土壤氨揮發(fā)損失量，其中腐殖酸尿素對減少氨揮發(fā)損失量的效果最好，聚能網(wǎng)尿素其次，控失尿素最差。培養(yǎng)期間，在0～3 d土壤NO3-含量與N2O排放量顯著相關;土壤NH4+含量與氨揮發(fā)損失量呈極顯著相關（P<0.01）。

關鍵詞：氨揮發(fā);N2O排放;控失尿素;腐殖酸尿素;聚能網(wǎng)尿素

中圖分類號： S143.1+4? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）11-0313-04

我國糧食產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的16%，但消耗的化肥卻占全球施用量的31%，平均每公頃化肥用量是世界平均用量的4倍[1]。國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，我國農(nóng)田施用氮肥約為 3 100 t/年，損失率達40%～50%，其中氨揮發(fā)損失15%～20%[2]。NH3會影響PM2.5的酸度，對人體造成長期的危害，且氨氣濃度有逐漸升高的趨勢[3]。大氣中80%～90%的N2O來源于土壤，并且每年不斷增加[4]，這導致了溫室效應加劇，全球變暖日益嚴重。

基于當前氮肥利用率低及其相關的環(huán)境問題，國家農(nóng)業(yè)部在“十三五”規(guī)劃中提出了節(jié)肥減藥行動方案，該方案的關鍵是提高氮肥利用率。近年來在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，通過對尿素的化學改性、包涂、添加增效劑，可以達到提高肥料利用率、減少養(yǎng)分損失、提高作物產(chǎn)量等效果[5]。趙欣楠等研究表明，與普通尿素相比，控失尿素一次性施肥處理后，馬鈴薯增產(chǎn) 6 665.27 kg/hm2，增產(chǎn)率為24.7%[6]。通過高分子納米材料進行物理和生物改性，使控失尿素形成了分子網(wǎng)格吸附，可活化土壤養(yǎng)分并富集于根系周圍，促進作物吸收，從而提高肥料利用率[7-8]。金輝等研究了新型肥料對春玉米產(chǎn)量和氮肥效率的影響，結(jié)果表明在中低產(chǎn)田條件下，控失尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素均可促進春玉米增產(chǎn)，產(chǎn)量增幅達12.38%～20.65%;氮肥利用率也得到了大幅度提高[9]。聚能網(wǎng)尿素是在尿素顆粒外增加了一種含生物活性高分子的物質(zhì)，既有良好的成環(huán)性，又帶有大量絡合基團，具有極強的螯合功能，能夠在作物根系附近形成一個充盈的“養(yǎng)分庫”，從而降低肥料分解速度，延長肥效[10]。腐殖酸是一類高分子物質(zhì)，具有較強的吸附性能和生物活性，與尿素結(jié)合可以抑制脲酶活性，減緩尿素水解，同時將養(yǎng)分固定在植物根際土壤中，利于農(nóng)作物吸收，從而提高肥料利用率[11]。以往的研究著重追蹤新型尿素對產(chǎn)量的影響，忽視環(huán)境影響評價。因此，研究不同新型尿素對N2O和NH3揮發(fā)的影響，分析土壤中氮轉(zhuǎn)化和氣態(tài)損失具有重要意義。

本試驗選取河南心連心化肥有限公司生產(chǎn)的控失尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素作為供試肥料，運用靜態(tài)培養(yǎng)系統(tǒng)，以華北平原小麥玉米農(nóng)田土壤為研究對象，通過設置不同新型尿素、尿素輔加抑制劑的處理，探索新型尿素對農(nóng)田土壤N2O排放、氨揮發(fā)及土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響，提高氮肥利用率減少其氣態(tài)損失，以期為新型尿素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣應用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2017年6—7月在河北農(nóng)業(yè)大學邸洪杰土壤與環(huán)境實驗室內(nèi)進行。供試土壤為小麥玉米輪作田土壤，采自河北農(nóng)業(yè)大學辛集試驗站，土壤類型為潮褐土，基本理化性質(zhì)：pH值為 8.06，有機質(zhì)、全氮、硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別為21.47 g/kg、0.97 g/kg、36.11 mg/kg、60.48 mg/kg、214.44 mg/kg。

供試肥料來自河南心連心化肥有限公司，分別為控失尿素（含氮量為44%）、聚能網(wǎng)尿素（含氮量為46%）、腐殖酸尿素（含氮量為46%）。

抑制劑：脲酶抑制劑為氫醌（HQ），硝化抑制劑為2-氯-6-三氯甲基吡啶（NP），其添加量為純氮量的1%。

1.2 試驗設計

本試驗采用靜態(tài)培養(yǎng)的方法，試驗前土壤在（25±1） ℃條件下避光培養(yǎng)1周。共設置7個處理，13個重復，各處理分別為不施肥、普通尿素（普尿）、普尿+NP、普尿+HQ、控失尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素（表1）。

1.3 試驗布置

稱取預培養(yǎng)土樣，按試驗處理將添加物與土壤充分混勻，平均分2次裝入廣口瓶（于2.5、5.0 cm這2處標記刻度），并壓實至刻度。裝瓶完畢之后，向瓶中土層均勻噴灑去離子水，調(diào)節(jié)土壤孔隙含水量（WFPS）為70%。

1.3.1 N2O排放通量試驗 裝瓶結(jié)束后，從每個處理中隨機選取9個廣口瓶，蓋上Parafilm膜（透氣不透水），將廣口瓶裹上黑色塑料袋以避光，稱其質(zhì)量貼上標簽，隨機放置在（25±1） ℃ 的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)36 d。在此期間每3 d稱1次質(zhì)量，并補加去離子水以保持土壤含水量一致[12]。

1.3.2 氨揮發(fā)試驗 每個處理在剩余的4個廣口瓶的瓶蓋上，各懸掛1個可任意更換的膠卷盒[13]，膠卷盒內(nèi)盛有帶指示劑的3%硼酸作為吸收液，用甘油涂抹瓶蓋邊緣以避免漏氣，隨機放置在（25±1） ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)1周。在此期間每天稱質(zhì)量，并補加去離子水。

1.4 樣品采集與測定

1.4.1 N2O采集與測定 裝瓶后的第1、第2、第3、第5、第7、第10、第12、第14、第16、第25、第36天采集氣體。采集時間為每天08：30—09：00，采氣前揭開Parafilm膜5 min，充分通氣，然后塞上橡皮塞富集氣體。橡皮塞上連有三通閥，通過注射器與三通閥連接可以采集廣口瓶頂部空間的氣樣，連續(xù)采集0、10、20 min的3針氣體，每針采集30 mL，同時記錄采集時間。

N2O氣體樣品利用Agilent 7890A型氣相色譜儀進行分析。N2O檢測器為電子捕獲檢測器（ECD），分離柱內(nèi)填充料為80～100目燃料Porpak Q，載氣為氮氣，流量為30 mL/min，檢測器溫度為330 ℃，分離柱溫度為55 ℃。

式中：F為N2O排放通量，μg/（kg·d）;ρ為標準狀態(tài)下N2O的密度，1.25 kg/m3;V為密閉箱內(nèi)氣體的有效體積，m3;A為箱內(nèi)土面面積，m2;dC/dt為密閉箱內(nèi)單位時間內(nèi)N2O濃度的變化量，μg/h;T為采氣時密閉箱內(nèi)平均溫度，℃。

1.4.2 氨揮發(fā)采集與測定 每隔24 h更換1次盛有硼酸的膠卷盒，此時吸收液會由紫紅色變成藍綠色。用濃度為 0.02 mol/L 的標準硫酸溶液滴定吸收液，記錄數(shù)值并計算土壤氨揮發(fā)量，其計算公式如下：

1.4.3 土壤采集與測定 裝瓶后的第0、第1、第3、第5、第7、第16、第25、第36天測定瓶內(nèi)土壤含水量、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

土壤含水量的測定：將新鮮土樣過3 mm篩，稱取 15～25 g 土樣放在鋁盒中，105 ℃烘干12 h。

土壤中硝態(tài)氮及銨態(tài)氮含量的測定：將新鮮土樣過 3 mm 篩，稱取12 g，用50 mL 1 mol/L的優(yōu)級純KCl浸提，振蕩1 h后過濾，濾液放在膠卷盒冷凍，用TRACCS 2000型連續(xù)流動化學分析儀測定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 2.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 N2O排放特征

試驗期間各處理N2O排放趨勢基本相同（圖1），均在第2天達到最高峰，其后逐步降低。其中，CK幾乎沒有N2O釋放，而單施尿素處理的N2O排放量最高，為 58 297.7 μg/（kg·d）。與單施尿素相比，施入抑制劑NP和HQ均能降低N2O的排放，其峰值分別為48 133.7、28 617.1 μg/（kg·d）。在新型尿素處理中，控失尿素處理的N2O排放量最低，其峰值為20 168.1 μg/（kg·d）;其次為腐殖酸尿素，其峰值為29 319.2 μg/（kg·d）;聚能網(wǎng)尿素處理的N2O排放量峰值為38 470.2 μg/（kg·d）。

如表2所示，對照N2O的累積排放量最低，為 862.5 μg/kg（以N計，下同）。普通尿素的N2O排放累積量最高，為191 405.6 μg/kg，與普通尿素相比，施用聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素、控失尿素的處理都明顯降低了N2O的排放，其中控失尿素減少了58.0%的N2O排放。施用NP、HQ后，N2O的累計排放量分別減少33.2%、44.4%。土壤N2O累積排放量表現(xiàn)為普尿>普尿+NP>普尿+HQ>聚能網(wǎng)尿素>控失尿素>腐殖酸尿素。

2.2 氨揮發(fā)特征

由圖2可知，CK的土壤氨揮發(fā)速率一直在極低水平維持，普通尿素處理的在第1天即達到最高峰，持續(xù)至第3天，隨后迅速降低。新型尿素及尿素添加NP或HQ處理的均在第2天出現(xiàn)峰值，此后緩慢降低。與普通尿素相比，控失尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素處理的氨揮發(fā)速率峰值分別降低55.4%、53.1%、58.1%，其中腐殖酸尿素處理的氨揮發(fā)速率峰值最低，為0.58 kg/（hm2·d）。與普通尿素相比，尿素添加NP、HQ處理的氨揮發(fā)速率峰值分別降低35.1%、41.9%。

如圖3所示，不施氮處理的土壤氨揮發(fā)累計量最低;普通尿素處理的土壤氨揮發(fā)累計量最高，為259.0 μg/kg。與普通尿素相比，控失尿素、聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素處理的土壤氨揮發(fā)累積量分別降低12%、55%、56%;尿素添加NP或HQ處理的土壤氨揮發(fā)累積量分別降低24%、32%;土壤氨揮發(fā)累積量表現(xiàn)為腐植酸尿素<聚能網(wǎng)尿素<控失尿素<普尿+HQ<普尿+NP< 普尿。

2.3 土壤NO3-、NH4+含量變化

不施氮肥對照在試驗前期無機氮含量一直處于最低（圖4）。在培養(yǎng)初期的前3 d，聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素和控失尿素的NO3-和NH4+含量明顯低于普通尿素，說明這3種新型尿素能一定程度上減少土壤氮素轉(zhuǎn)化關鍵期的氣態(tài)損失。尿素添加HQ或NP在培養(yǎng)前期與3種新型尿素的變化趨勢類似，說明脲酶抑制劑HQ能延緩尿素的水解，硝化抑制劑NP能有效抑制土壤中NH4+向NO3-的轉(zhuǎn)化。培養(yǎng)后期（第7天至第16天），各處理NH4+幾乎消耗完全。

2.4 NH4+、NO3-含量與N2O排放和氨揮發(fā)的相關性

培養(yǎng)前3 d，土壤NO3-含量與N2O排放呈極顯著正相關關系;培養(yǎng)期間，土壤中NH4+和NO3-總含量與N2O排放顯著相關（表3）。整個培養(yǎng)期間，土壤NH4+含量與氨揮發(fā)量呈現(xiàn)極顯著相關關系（表4）。

3 討論

氨揮發(fā)是氮素氣態(tài)損失最主要的一種形式。本試驗結(jié)果顯示，不同新型尿素均能明顯減少土壤氨揮發(fā)，各處理土壤氨揮發(fā)累積量表現(xiàn)為腐殖酸尿素<聚能網(wǎng)尿素<控失尿 素< 普尿+HQ<普尿+NP<普尿。有研究報道，腐殖酸尿素中的腐殖酸（HA）是一種有效的尿素增效劑，可為硝化細菌等微生物提供生長必需的碳源和能量，參與NH4+向NO2-、NO3-的轉(zhuǎn)化，減少NH3揮發(fā)[11]。薛欣欣等研究表明，控失尿素一次施入稻田土壤氨揮發(fā)損失量較普通尿素高[16];然而本試驗中，與普通尿素相比，控失尿素處理氨揮發(fā)累計損失量降低12%，可能是因為稻田土壤含水量高，且南方多降雨造成氮素淋失而導致的。有許多報道指出，添加脲酶抑制劑會推遲氨揮發(fā)高峰期[17-18];但是本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，尿素+HQ并未影響到氨揮發(fā)速率高峰期出現(xiàn)的時間，在第2天達到氨揮發(fā)速率最大值。

土壤中的N2O是由土壤微生物硝化作用和反硝化作用產(chǎn)生的。有研究表明，控失尿素中的控失劑為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[7-8]，聚能網(wǎng)尿素中的高分子物質(zhì)隨著肥料的溶解也會迅速張開形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[10]，兩者均可以減緩尿素水解，抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，減少NH3揮發(fā)和N2O排放。有研究表明，腐殖酸以多官能團的結(jié)構(gòu)存在[11]，通過增加吸附空間從而增大了NH4+吸附量，延長了NH4+在土壤中的存留時間，減少N2O排放。雋英華等研究指出，尿素輔以脲酶抑制劑可以延緩尿素水解，延長了施肥點處尿素的擴散時間，從而降低了土壤溶液中NO3-含量，減少N2O排放[19]。本試驗中，施用聚能網(wǎng)尿素、腐殖酸尿素、控失尿素、硝化抑制劑以及脲酶抑制劑均減少了N2O排放，各處理土壤N2O排放累計量表現(xiàn)為普 尿> 普尿+NP>普尿+HQ>聚能網(wǎng)尿素>控失尿素>腐殖酸尿素。

4 結(jié)論

施用不同新型尿素能減少N2O排放，其中以控失尿素效果最佳。

與普通尿素相比，各處理能顯著減少氨揮發(fā)，其中腐殖酸尿素效果最好，聚能網(wǎng)尿素其次，控失尿素的效果最差。

培養(yǎng)期間，土壤NO3-含量與N2O排放量在前3 d呈顯著相關;土壤NH4+含量與氨揮發(fā)呈現(xiàn)極顯著相關。

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