控釋尿素對土壤氨揮發及脲酶活性和氮淋溶的影響

曲均峰， 王國忠， 傅送保， 王洪波

(中海石油化學股份有限公司， 海南 東方 572600)

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控釋尿素對土壤氨揮發及脲酶活性和氮淋溶的影響

曲均峰， 王國忠， 傅送保， 王洪波

(中海石油化學股份有限公司， 海南 東方 572600)

為了解控釋尿素氨揮發特征、氮淋溶特性及其對土壤脲酶活性的影響，為控釋肥新產品的研發提供技術和理論支撐，采用靜態吸收法和土壤淋溶法室內模擬試驗，研究了2種控釋尿素在紅壤和褐土中的氨揮發、脲酶活性和氮淋溶情況。結果表明：控釋肥不同程度降低了氨揮發和氮淋溶量。與普通尿素相比，控釋尿素1和控釋尿素2在紅壤中氨揮發累積量減少60.0%～62.6%，褐土中減少42.9%～46.3%，兩者顯著降低了氨揮發的峰值，且在整個培養期表現出較好的穩定性。在施肥后的30 d內，控釋尿素降低了土壤脲酶活性，延緩了尿素態氮在土壤中的轉化進程，氮淋溶量分別較普通尿素少，氮淋洗量分別降低14.8%～25.9%和19.7～34.5%。控釋尿素較普通尿素在消減氨排放和氮淋溶上具有明顯的效果。

控釋尿素； 室內模擬； 氨揮發； 氮淋溶； 脲酶活性

尿素是我國主要的化學氮肥品種，占氮肥消耗總量的65%左右。目前，我國農業尿素用量每年4 300多萬t，由于利用率低，通過揮發、淋洗和徑流等途徑損失的尿素達2 100多萬t，直接經濟損失450億元[1]，不僅造成資源的巨大浪費，而且對水體、生態環境等造成極大威脅[2-3]。

為提高氮肥利用率，國內外一直在改進施肥方法、優化配方施肥和加強田間管理等方面進行著大量研究。近年來，緩/控釋肥料已經成為國內外研究的熱點[4]，控釋肥料的應用，能夠根據作物生長發育的需求控制和供給養分的釋放速度，大大降低養分的淋溶和揮發損失，減少肥料的用量，提高肥料的利用率[5]，增加干物質積累，并最終達到增產效果[6-7]，施用控釋尿素可明顯抑制NH3和NOx的揮發損失[8-12]。筆者通過聚氨酯原位表面反應包膜技術，制備控釋尿素試驗產品，進行土壤培養試驗，研究其氨揮發特征、氮淋溶特性以及其對土壤脲酶活性的影響，以期為控釋肥新產品的研發提供技術和理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試肥料：普通尿素(U，含N 46.0%)；控釋尿素1(CRU1，含N 41.0%)；控釋尿素2(CRU2，含N 43.0%)。

供試土壤：北方褐土，pH 8.5、全氮1.1 g/kg、速效氮36.0 mg/kg、速效磷32.7 mg/kg、速效鉀148 mg/kg；南方紅壤，pH 4.9、全氮1.01 g/kg、有效氮76.2 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、有效鉀79.3 mg/kg。

1.2 氨揮發試驗

1.3 淋溶特性試驗

采用土柱淋溶法[15]。用200目濾布封塑料管底口，并在濾布上墊有少量砂子(25 g)的塑料管中(直徑5 cm，高30 cm)模擬耕層按1.3 cm3容重先裝入250 g(約10 cm高)土壤(風干、過2 mm篩)，再在其上按同樣緊實度裝入250 g土肥混合物(N 400 mg/kg)，土柱上面再以少量砂子(25 g)(所有砂子提前清洗干凈)覆蓋，以防加水時擾亂土層。以不加肥料的土柱作對照，每個處理重復3次。第1次先加入150 mL水使土壤水分接近飽和，培養1 d后再一次性加入150 mL水淋溶土柱，收集淋溶液。淋溶結束后以刺有小孔的塑料薄膜封閉塑料管上口，室溫下培養3 d后，用200 mL水進行第2次淋溶，以后各次按同樣操作進行，在培養2 d、6 d、10 d、14 d、18 d、22 d、26 d、30 d和38 d時進行淋溶，淋溶后收集淋溶液，記錄淋洗溶液數量，混合均勻，取適量溶液，采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[16]測定全氮含量。

1.4 數據分析

采用Excel 2007進行數據整理與分析。

2 結果與分析

2.1 氨揮發速率

氨揮發速率能確切反映不同階段單位時間內肥料中氨揮發量的動態變化。如圖1所示，不同施肥處理的氨揮發速率變化趨勢基本相同，均先升高，達到極值后再下降，最后趨于平穩。普通尿素在紅壤中第8天時氨揮發量達到最高峰，約為1 mg/d，而控釋尿素1和控釋尿素2未出現明顯的高峰期。在試驗的一個月時間內，普通尿素的氨揮發量始終高于包膜尿素。控釋尿素1和控釋尿素2在紅壤上的氨揮發總量分別為2.93 mg和2.67 mg，而普通尿素在紅壤的氨揮發量達7.14 mg，與普通尿素處理相比，2種控釋尿素氨揮發抑制率為60.0%～62.6%。說明，控釋尿素較普通尿素降低了肥料氨揮發損失。

不同肥料在褐土上的氨揮發量遠小于紅壤(圖1)，這與土壤的理化性質有一定關系。與紅壤中相似，普通尿素氨揮發的高峰期出現在試驗的第8天，但2種控釋尿素的最大氨揮發量小于普通尿素的氨揮發量。在試驗的22 d內，控釋尿素1和控釋尿素2在褐土上的氨揮發總量分別為1.01 mg和0.95 mg，而普通尿素在紅壤的氨揮發量達1.77 mg，氨揮發抑制率為42.9%～46.3%。說明，控釋尿素在褐土上較普通尿素氨揮發損失少。

由此可見，無論在北方褐土還是南方紅壤上，控釋尿素處理的氨揮發速率均遠小于普通尿素。可見，普通尿素經過包膜控釋處理后，可有效地降低肥料施用前期的氨揮發速率。

圖1 不同肥料在南方紅壤和北方褐土上的氨揮發量

Fig.1 Ammonia volatilization amount of different urea fertilizers in red soil and brown soil

2.2 土壤脲酶活性

采用SPSS 19.0統計學軟件對數據進行處理，計量資料以“±s”表示，采用t檢驗，以P＜0.05為差異有統計學意義。

在土壤酶中，脲酶是唯一對尿素的轉化作用具有重大影響的酶[17]，施入土壤中的尿素只能在脲酶的參與下才能水解，脲酶的酶促反應產物N是植物N源之一，其活性可以表征土壤N素狀況。

不同生育期、不同處理中脲酶活性有差異。從圖2可以看出，整個培養時期，普通尿素處理土壤脲酶活性呈先降低、再升高后降低的變化趨勢，控釋尿素則表現相對平穩。在10 d內，2種控釋尿素處理脲酶活性分別比普通尿素低63.3%和70.3%，所有施用肥料的土壤中脲酶活性均高于不施肥處理。控釋肥處理脲酶活性較普通尿素低，說明控釋尿素有效控制了肥料氮在土壤中的釋放速率。

褐土中脲酶活性有相似規律(圖2)。在施肥后5 d內，不同肥料間土壤脲酶活性差異不大；在5～15 d內，普通尿素脲酶活性高于控釋肥處理；在16～30 d內，施用控釋尿素2的土壤脲酶活性高于其他肥料處理，而施用控釋尿素的土壤脲酶活性高于普通尿素，說明在施肥16 d后，施用控釋尿素1的土壤中氮素有效性最高，其次為控釋尿素2，施用普通尿素的土壤脲酶活性最低，脲酶活性提高比例分別為10.0%和15.8%，說明控釋尿素有效控制了肥料氮在土壤中的釋放速率，提高了施肥后期氮素的有效性。

尿素施入土壤后，能夠激活土壤脲酶，使土壤脲酶活性增強。因而在培養前期，尿素處理的脲酶活性大于其他控釋尿素的處理。但由于尿素在脲酶的作用下迅速水解，所以隨著尿素濃度的降低，在培養中、后期，脲酶活性也逐漸降低，而2種控釋尿素處理由于有包膜的一致作用，尿素釋放延緩、量少，在培養前期脲酶活性低于尿素處理，而在后期尿素釋放量相對較多，所以脲酶活性仍維持一定水平，高于普通尿素處理的脲酶活性。

圖2 不同肥料在南方紅壤和北方褐土的脲酶活性

Fig.2 Urease activity of different urea fertilizers in red soil and brown soil

2.3 氮淋溶率

通過模擬實驗，測定淋溶液中的全氮含量變化，不僅可以表征控釋肥料在土壤中的氮素釋放特征，而且可以反映各種肥料在土壤中氮素淋溶的損失差異。

在南方紅壤中，供試氮肥的N素淋出率隨淋溶次數增加發生顯著變化，并且不同肥料的氮素淋出情況不同(圖3)。對于普通尿素，第1次淋溶出現氮素淋出高峰，淋溶量達43.2 mg，占施肥量的21.58%，達總淋出量的59.2%，隨后淋出量急劇下降，說明普通尿素施入土壤后，在有足量的水分條件下十分易于淋溶損失，因此難以有效持久地供給作物利用。2種控釋尿素淋出動態與尿素相似，都是第1次淋溶時出現淋失高峰，淋溶量分別為24.22 mg和19.50 mg，占施肥量的12.11%和9.75%，為淋失總量的38.98%和36.10%。說明，雖然控釋尿素較普通尿素可以減少肥料的淋溶損失，但其前期也存在一定量的速效成分，保證作物前期需要。

從變化動態來看，控釋尿素與普通尿素處理相比其峰值低得多，他們在9次淋溶中的變化趨勢較小，第1次淋溶后，其氮素的淋出速率變緩，其下降幅度比尿素小，并且從第4次開始控釋尿素1淋出量均高于普通尿素，控釋尿素2從第5次開始高于普通尿素，說明控釋肥1和控釋肥2都具有一定緩釋性能，其釋放高峰較普通尿素延遲。在南方紅壤中，從氮素淋溶總量來看，9次累積淋出量順序為：U(72.9 mg )>CRU1(62.1 mg)>CRU2(54.0 mg)，淋出總量分別占施肥總量的35.96%、31.08%和27.01%，控釋尿素1和控釋尿素2的N素累積淋失率均顯著低于尿素對照(P<0.05)，降低量分別為14.8%和25.9%，說明控釋尿素1和控釋尿素2均能在不同程度上減少N素的淋失。

圖3 不同肥料在南方紅壤和北方褐土中的氮素淋出率

Fig.3 Nitrogen leaching loss rate of different urea fertilizers in red soil and brown soil

在北方褐土中，其變化趨式與紅壤基本一樣，只是淋出量減少，這與土壤性質有關。第1次淋溶時，尿素淋出量33.5 mg，占施肥量的16.7%，達到總淋出量的59.2%；控釋尿素1和控釋尿素2分別淋出15.3 mg和8.7 mg，分別占施肥量的7.7%和4.4%，為總淋出量的33.8%和23.7%。在北方褐土中，9次累積淋出量順序為：U(56.5 mg )>CRU1(45.4 mg)>CRU2(37.0 mg)，淋出總量分別占施肥總量的28.27%、22.69%和18.51%，與普通尿素相比，控釋尿素氮淋溶量分別降低量19.7%(CRU1)和34.5%(CRU2)，CRU1，CRU2的N素累積淋失率均顯著低于尿素對照(P<0.001)。

可見，控釋尿素在北方褐土和南方紅壤上均能大幅減少氮素的淋溶，提高氮素的利用。

3 結論與討論

氨揮發和氮素淋溶是農田氮肥損失的兩個主要方面[18]。究其原因，主要是氮肥的速溶性使其供肥特性不能與作物需求同步，導致養分不能被充分吸收，造成前期浪費，后期養分不足。控釋肥的出現，降低了氮素損失[19-20]。據報道，肥料包膜處理比無膜處理減少氨揮發30.0%，杜建軍等[19]應用和本試驗相同方法，在31天內分12次測定了尿素的氨揮發速率及總量，結果表明：尿素在培養后的第4天氨揮發量達到峰值，然后快速下降。在本試驗條件下，各處理的氨揮發在第8天達到高峰，這與前人的研究結果較為相似。本研究結果表明，控釋尿素顯著降低了氨揮發損失率，其中控釋肥2的氨揮發量最低。控釋尿素的施用可減少因肥料施用造成的農業生態環境污染。

土壤脲酶是土壤中廣泛存在的一種酶，能促進尿素水解，與土壤中氮素轉化有密切關系，尿素氮的揮發損失主要與土壤脲酶活性有關[21-23]。控釋尿素[24]通過減緩氮素的釋放速度，延長氮素的釋放周期，從而使土壤脲酶活性維持在較穩定的范圍內，以達到提高氮肥利用率的目的，這也是降低其土壤氨揮發量的重要原因。與普通尿素相比，控釋肥前30天都保持了較低的酶活性。由此可知，包膜材料阻隔膜內尿素與土壤脲酶的直接接觸及阻礙膜內尿素溶出過程所必需的水分運移[19]，控釋尿素減少尿素氮的轉化，降低了土壤中因氨的大量積累而造成的氨揮發損失；其在培養中后期相對較高的脲酶活性，表明新型尿素延長了尿素轉化的周期，保證其在較長時間內仍有相對較高的肥效，從而有利于提高氮肥利用率。

對氮素淋溶來說，肥料氮釋放量直接決定了氮素淋溶量[25]，因此，控釋肥在土壤中的控釋特性不僅可以作為衡量控釋氮肥質量的重要指標，而且可作為評估氨揮發和氮素淋溶的重要參考指標。對緩釋尿素和普通尿素的淋失率研究表明，緩釋尿素能起到很明顯的緩釋作用，9次累積淋出量順序為：U(72.91 mg )>CRU1(62.15 mg)>CRU2(54.02 mg)，在北方褐土中，9次累積淋出量順序為：U(56.53 mg )>CRU1(45.37 mg)> CRU2(37.02 mg)。

由于筆者采用模擬條件來研究控釋肥料的影響，自然條件影響小，還不能準確地體現出控釋肥施到田間產生的效果，因此，要更準確地反應控釋肥料的優勢，需在田間進一步驗證。

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(責任編輯： 劉 海)

Effects of Controlled-release Urea on Soil Ammonia Volatilization, Urease Activity and N Leaching

QU Junfeng, WANG Guozhong, FU Songbao, WANG Hongbo

(ChinaBlueChemicalCo.,Ltd.,Dongfang,Hainan572600,China)

The ammonia volatilization, urease activity and nitrogen leaching of two controlled-release urea in red soil and brown soil were analyzed by static absorption and soil leaching methods to study the effect of controlled-release urea on ammonia volatilization, nitrogen leaching and soil urease activity and to provide the technical and theoretical support for development of new controlled-release fertilizers. The results showed that controlled-release fertilizer reduces ammonia volatilization and nitrogen leaching loss to varying degree. Ammonia volatilization accumulation of controlled-release urea 1 and 2 reduces by 60.0%～62.6% and 42.9%～46.3% in red soil and brown soil compared with common urea respectively. Controlled-release urea reduces the peak value of ammonia volatilization significantly, performances the better stability during whole culture period, reduce soil urease activity and delay the transformation process of urea-N in soil within 30 d after application. Nitrogen leaching loss of controlled-release urea 1 and 2 is 14.8%～25.9% and 19.7～34.5% lower than common urea. In conclusion, controlled-release urea has the significant reduction effect on ammonia emission and nitrogen leaching loss compared with common urea.

controlled-release urea; indoor simulation; ammonia volatilization; N leaching; urease activity

2014-12-11； 2015-06-28修回

海南省產學研一體化專項資金“控釋BB肥高效施用關鍵技術研究與示范”(CXY20130037)；海南省重點實驗室和工程技術研究中心建設專項資金“聚合物包膜控釋肥工業化關鍵技術研究”(gczx2014008)

曲均峰(1980-)，男，工程師，碩士，從事新肥料開發及應用研究。E-mail: qjf_1980@163.com

1001-3601(2015)07-0371-0097-04

S143.1

A