降雨對施用兩種尿素坡地氮素空間分布的影響①

郭新送，丁方軍，陳士更，洪丕征，路艷艷

(1 土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018；2 山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018；3 山東省腐植酸高效利用工程技術研究中心，山東農大肥業科技有限公司，山東泰安 271000)

降雨對施用兩種尿素坡地氮素空間分布的影響①

郭新送1,3，丁方軍1,2,3*，陳士更1,3，洪丕征1,3，路艷艷1,3

(1 土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東泰安 271018；2 山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018；3 山東省腐植酸高效利用工程技術研究中心，山東農大肥業科技有限公司，山東泰安 271000)

采用自動模擬降雨系統，設置恒定降雨強度，在室內對施用普通尿素和樹脂包膜控釋尿素的土槽進行模擬降雨試驗。通過模擬降雨試驗，比較研究了降雨對施用兩種尿素的坡地氮素空間分布及氮素流失特征影響。研究結果表明：樹脂包膜控釋尿素在棕壤、褐土及紅壤坡地上施用，均能顯著減小降雨對坡地氮素空間分布的影響；與普通尿素相比，模擬降雨后，樹脂包膜控釋尿素處理的 3 種類型土壤坡地氮素殘余量變異系數為普通尿素的 14.08% ~ 31.89%；且樹脂包膜控釋尿素顯著縮小了降雨對 3 種類型土壤坡地表層與下層氮素空間分布影響間的差異；樹脂包膜控釋尿素在 3 種類型土壤坡地上施用均能減少降雨造成的氮素流失，與普通尿素施用相比，氮素流失分別減少了7.32% ~ 17.35%(P<0.05)、17.95% ~ 24.24%(P<0.05)、72.45% ~ 78.84%(P<0.01)；同時，樹脂包膜控釋尿素還能減小降雨造成的坡地表層與下層氮素流失量間的差異，下層坡面氮素損失量僅比表層增加 1.63% ~ 5.02%。因此，降雨條件下，在坡地上施用樹脂包膜尿素有利于控制氮素的分布失衡及流失。

模擬降雨；3種類型土壤；樹脂包膜控釋尿素；空間分布；氮素流失

我國丘陵類地形幅員遼闊，降雨不僅對坡地養分流失的影響非常大，而且還會引起坡地土壤養分分布失衡[1]。坡地土壤養分空間分布失衡，一方面導致坡地土壤地力水平不均勻，作物長勢差異明顯；另一方面還會導致農民施肥困難。坡地土壤氮、磷、鉀中，降雨對氮素空間分布影響最大[2]。故如何減小降雨對坡地氮素空間分布的影響成為當前國內學者共同關注的熱點問題之一。

土壤中外源氮素的引入主要是尿素的施用，尿素施入土壤后，在降雨條件下，發生徑流流失和淋溶損失[3–4]，氮素的這兩種損失在坡地土壤上直接引起了氮素空間分布失衡。而損失的氮素一方面會降低尿素的有效利用率，引起土壤質量下降；另一方面，流失的氮素匯入河流、湖泊會引起水體富營養化，危害水體環境。研究指出，降雨對坡地氮素空間分布的影響主要有土壤類型、降雨強度、施用尿素類型等幾方面因素[5–6]。普通尿素的氮素利用率較低，施入土壤后受降雨影響較大，氮素空間分布失衡及流失嚴重，坡地因具有坡面幅度而加重了這種趨勢[7]。樹脂包膜控釋尿素的氮素利用率相對較高，而且能夠提高作物產量；降雨條件下，在坡地上施用樹脂包膜控釋尿素，一定程度上能夠減少氮素的淋溶損失，對坡面氮素流失具有一定的控制效應[8–9]，因而樹脂包膜控釋尿素成為坡地土壤尿素施用的首選類型之一。近年來，國內外對降雨條件下坡地土壤氮素遷移機理、流失危害及防治等領域的研究較多[10–11]，而在降雨條件下，對普通尿素和樹脂包膜控釋尿素在棕壤、褐土和紅壤 3種發生類型土壤坡地上施用后的氮素空間分布及流失特征比較研究未見報道。為此，本研究通過模擬降雨試驗，系統比較研究了相同降雨條件下，降雨對 2種尿素在 3 種發生類型土壤坡地上施用的氮素空間分布及氮素流失特征影響，旨在揭示相同降雨條件下，樹脂包膜控釋尿素對維持坡地氮素空間分布穩定及控制氮素流失的規律特征，為防治農田坡地土壤氮素流失提供科學依據，對保護生態環境具有重要的理論與實踐意義。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與肥料

供試土壤按地理發生類型分別為棕壤、褐土和紅壤，其基本化學性狀如表1所示。3種類型土壤中棕壤采自山東農業大學南校區試驗田，系統命名為普通簡育濕潤淋溶土；褐土采自山東省肥城市安駕莊鎮安駕莊村玉米良種場，系統命名為普通簡育干潤淋溶土；紅壤采自江西鷹潭中國科學院紅壤生態試驗站，系統命名為普通黏化濕潤富鐵土。試驗土樣均為0 ~ 20 cm農田耕層土壤，經過自然風干后過 2.5 mm篩，除去石塊、植物根系等雜質混勻備用。

表1 三種供試土壤化學性質Table 1 The chemical properties of three soils used in present study

供試控釋氮肥為山東農大肥業科技有限公司生產的樹脂包膜控釋尿素(N 45.6%)，河南大通化工股份有限公司生產的大顆粒普通尿素(N 46.3%)。

1.2 試驗設計

模擬降雨試驗在山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室降雨大廳進行。降雨采用自動模擬降雨系統，模擬降雨各參數分別設定為，降雨高度20 m，降雨強度72 mm/h(恒定)，降雨時長90 min/次，降雨均勻度＞80%，雨滴降落終速為自然雨滴的 98%以上，使得模擬降雨特性接近于天然降雨。試驗模擬降雨共進行9次，以接近于土壤采集區的年均降雨量范圍。

3種類型土壤均設置2個施肥處理，分別為普通尿素處理 (CUU) 和樹脂包膜控釋尿素處理 (CRU)，每個土樣每個處理重復 3次。施肥處理的施氮量相同，為225 kg/hm2。試驗所用土槽為自行設計的木制槽，規格為：長×寬×高 = 200 cm × 50 cm ×28 cm，土槽底部鋪有5 cm厚細沙。土樣裝槽時，按土樣20 cm實際高度，裝槽體積質量按1.25 g/cm3進行，土壤平均初始含水量控制在(0.22±0.02)g/g，試驗坡度設為7°。裝土時，參照高楊等[9]的處理方法，將肥料與土壤充分混合后，邊裝邊壓實(減小雨水在土槽坡面上的入滲和測流)裝入土槽，裝填完畢后及時鋪上塑料薄膜以防止土壤水分蒸發。土槽坡面由坡頂端至底端將其化分為坡上部(0 ~ 67 cm)，坡中部 (67 ~ 133 cm)和坡下部 (133 ~ 200 cm)。

模擬降雨結束后，在土槽坡面上橫向(沿坡頂至坡底)劃分 17 條等分線，縱向劃分 5 條等分線[9]，在交點處用微型土鉆按 10 cm/層取土(0 ~ 10 cm 記作表層，10 ~ 20 cm 記作下層)，土樣經風干、磨細、過 100 目篩備用。本研究為分析坡地氮素空間分布受降雨的影響，模擬土槽土層為坡地耕層土壤，且將其統一按 0 ~ 10 cm 和 10 ~ 20 cm 分層，但由于不同類型土壤發育狀況不一，本研究中的土層分層與田間土壤實際情況存在一定差異，故未來的田間試驗研究不可或缺。

1.3 測定項目及數據處理

土壤全氮采用凱氏法測定，具體方法參考鮑士旦[12]版土壤農化分析。數據采用 Excel、SAS 軟件進行計算與統計分析，采用 Surfer 9 軟件進行繪圖。

2 結果與討論

2.1 樹脂包膜控釋尿素靜水釋放速率

供試樹脂包膜控釋尿素在 25℃ 靜水中的氮素釋放率(包含樹脂包膜控釋尿素的氮素時段釋放率和氮素累積釋放率)測定結果如圖1所示，其氮素時段釋放曲線為先升高再降低的類拋物線型，氮素累積釋放率曲線呈現明顯的上升趨勢。符合《緩/控釋肥料》行業標準(HG/T 3931-2007)，且與其預設3個月的控釋時期相吻合，與宋付朋等[13]在控釋肥釋放過程的結果分析一致。

圖1 樹脂包膜控釋尿素在25℃ 水中的氮素釋放率Fig. 1 Nitrogen release rate from controlled release urea coated by polymer in 25℃ water

本研究結果與已有的研究結果均表明樹脂包膜控釋尿素在浸水中能達到很好的控釋效果[14]。但在土壤中，由于土壤孔隙狀況、酸堿環境等因素以及氮素在土壤中的遷移變化與周轉情況的影響，樹脂包膜控釋尿素施入土壤后是否能夠真正達到在浸水中的效果，需要進一步探究。

2.2 降雨對施用兩種尿素的棕壤坡地氮素空間分布影響

2.2.1 表層氮素空間分布 由于降雨下氮素存在不同途徑的損失[14]，故降雨后坡面氮素分布出現失衡。對棕壤坡地來講，施用2 種尿素的坡地表層氮素空間分布在降雨后出現較大差異(圖 2)。在氮素空間分布上，普通尿素處理 (CUU) 的坡上部、中部和下部的氮素殘余量分別變為降雨前的 50.31%、57.47% 和 55.46%；樹脂包膜控釋尿素處理 (CRU) 的坡上部、中部和下部的氮素殘余量分別為降雨前的 57.70%、59.94% 和58.81%；在整個表層坡面上CUU處理的氮素殘余量變異系數為 6.51%，而 CRU處理的僅為0.97%。在氮素流失程度上，降雨結束后，CUU和CRU處理的棕壤坡地表層氮素總量分別比模擬降雨前減少了41.14% 和38.13%，其中在0 ~ 80 cm坡位，CUU處理的氮素流失量顯著高于CRU處理(P<0.05)。表明，較普通尿素，施用樹脂包膜控釋尿素的氮素不僅能維持坡地氮素分布相對均衡，且減少因降雨造成的氮素損失。

圖2 兩種尿素處理的棕壤坡地表層氮素空間分布Fig. 2 Nitrogen spatial distribution in the surface slope of brown soil with two kinds of urea applied

2.2.2 下層氮素空間分布 降雨不僅造成坡地表層氮素空間分布失衡，同時還會影響坡地下層氮素空間分布，且因尿素類型不同其氮素空間分布有所差異(圖3)。降雨后，相對于CRU處理，CUU處理的氮素殘余量在下層坡面出現一個峰值，而CRU處理的氮素殘余量分布相對較為均勻；整個下層坡面 CUU處理的氮素殘余量變異系數為3.55%，顯著高于CRU處理的 0.50%(P<0.05)，整個坡面的變化幅度明顯小于CUU處理。CUU處理的坡上部氮素流失十分嚴重，較CRU處理，氮素流失量達到CRU處理的2.32倍，達到極顯著水平(P<0.01)；在坡中部和坡下部，CUU處理和 CRU處理的氮素殘余量分別為降雨前的50.27%、54.89% 和57.12%、57.24%，CUU處理的氮素流失量也均顯著高于 CRU處理，表明降雨對CRU處理的棕壤坡地下層氮素空間分布影響較小，且氮素流失顯著較少。

圖3 兩種尿素處理的棕壤坡地下層氮素空間分布Fig. 3 Nitrogen spatial distribution on brown subsoil of the slope with two kinds of urea applied

相比于普通尿素，樹脂包膜控釋尿素能減小降雨對棕壤坡地表下層氮素空間分布間的差異，并能夠縮小氮素流失量間的差異。表現在 CRU 處理的棕壤坡地表下層間的氮素空間變化幅度相近；同時，CRU 處理的坡地下層氮素損失只比表層多 1.72%，而 CUU 處理的坡地下層氮素損失比表層多 7.56%，差異顯著。

2.3 降雨對施用兩種尿素的褐土坡地氮素空間分布影響

2.3.1 表層氮素空間分布 降雨對 2種尿素處理的褐土坡地表層氮素空間分布影響不同，表現為降雨后 2種尿素處理的氮素空間分布均勻性及氮素殘余量變化幅度有較大差異(圖4)。從褐土坡地表層3個坡位的氮素殘余量分布情況及變化幅度來看，CUU處理的褐土坡地表層氮素殘余量在整個坡面的變化幅度在0.90 ~ 1.06 g/kg，而CRU處理的變化幅度在1.09 ~ 1.19 g/kg；CUU處理的氮素殘余量變異系數達到9.72%，為CRU處理的3.1倍，表明施用樹脂包膜控釋尿素能減小降雨對褐土坡地表層氮素空間分布的影響。

圖4 兩種尿素處理的褐土表層坡面氮素空間分布Fig. 4 Nitrogen spatial distribution in the surface slope of cinnamon soil with two kinds of urea applied

降雨結束后， 2種尿素處理的坡地表層氮素均以坡上部和坡下部流失嚴重，坡中部的氮素殘余量出現峰值，但較CUU處理，CRU處理的坡面氮素流失程度相對較小，表現為CRU處理的坡上部、中部和下部的氮素殘余量分別高出 CUU處理的 2.25%、8.95% 和4.83%，以CRU處理坡中部氮素殘余量顯著高于CUU處理(P<0.05)。經計算CUU和CRU處理的褐土坡地表層氮素總量分別比模擬降雨前減少了 28.08% 和 23.04%，即較普通尿素，施用樹脂包膜控釋尿素能顯著減少氮素流失。

2.3.2 下層氮素空間分布 降雨對 2種尿素處理的褐土坡地下層氮素空間分布影響差異較大，相對于CRU處理，CUU處理的氮素殘余量在整個坡面變化幅度較大；在整個下層坡面，CUU處理的氮素殘余量變異系數達到14.14%，為CRU處理的4.12倍，故CRU處理的氮素殘余量的空間分布相對穩定，其氮素空間分布受降雨影響較小(圖 5)。降雨后，2種尿素處理的整個褐土坡地下層氮素總量均較降雨前有所減少，其中以CUU處理的氮素總量較降雨前減少的較多，表現為CUU處理的坡上部、中部、下部氮素損失量達到CRU處理的1.32、1.52和1.41倍，均顯著高于CRU處理，表明樹脂包膜控釋尿素減少了坡地下層的氮素損失。

從降雨對褐土坡面表下層氮素空間分布的影響看，降雨后，CRU 處理的褐土坡地表下層間的氮素空間分布差異較 CUU 處理小，經計算，CRU 處理的坡地下層氮素損失量只比表層多 1.60%，而 CUU處理的坡地下層氮素損失量比表層多 4.43%，差異顯著，表明樹脂包膜控釋尿素能減小降雨對褐土坡地表下層氮素空間分布間的差異。

2.4 降雨對施用兩種尿素的紅壤坡地氮素空間分布影響

2.4.1 表層氮素空間分布 降雨后，從紅壤整個表層坡面的氮素殘余量變化幅度來看(圖6)，CUU處理的紅壤坡地表層氮素殘余量在整個坡面的變化幅度在0.40 ~ 0.51 g/kg，且在140 ~ 160 cm的坡位處出現一個峰值，而 CRU處理的變化幅度在0.49 ~ 0.53 g/kg，顯著小于CUU處理；整個表層坡面，CRU處理的氮素殘余量變異系數為4.59%，顯著低于CUU處理的14.96%(P<0.05)，即降雨后，CRU處理的紅壤表層坡面氮素空間分布相對均衡。從紅壤坡地表層氮素殘余量分布來看，降雨結束后，CUU和CRU處理的紅壤整個坡地表層氮素總量分別較模擬降雨前減少了19.47% 和 4.12%，2種尿素處理的坡地氮素均以坡上部和坡下部流失嚴重。而與CUU處理相比，CRU處理的坡上部、中部和下部的氮素殘余量分別高出CUU處理的6.22%、3.14% 和2.28%，除坡下部160 ~ 180 cm坡位外，均達到顯著性水平(P<0.05)，表明樹脂包膜控釋尿素具有控制氮素流失的性能，能夠維持紅壤表層坡面的氮素含量。

圖5 兩種尿素處理的褐土下層坡面氮素空間分布Fig. 5 Nitrogen spatial distribution in cinnamon subsoil of the slope with two kinds of urea applied

圖6 兩種尿素處理的紅壤表層坡面氮素空間分布Fig. 6 Nitrogen spatial distribution in surface slope of red soil with two kinds of urea applied

2.4.2 下層氮素空間分布 降雨后，2種尿素處理的紅壤坡地下層氮素空間分布均勻性及氮素殘余量變化幅度均存在較大差異。從紅壤整個下層坡面的氮素殘余量變化幅度來看，CUU處理的紅壤坡地下層氮素殘余量在整個坡面的變化幅度在 0.35 ~ 0.45 g/kg，而 CRU處理的變化幅度在0.44 ~ 0.51 g/kg，顯著小于CUU處理；在整個下層坡面，CRU處理的氮素殘余量變異系數為2.87%，顯著小于CUU處理的11.98%(P<0.05)，表明CRU處理的坡面氮素殘余量變化幅度相對較小(圖 7)。降雨后，2種尿素處理的坡地氮素均以坡上部流失嚴重，但CUU處理的整個下層坡面的氮素損失量達到CRU處理的3.63倍，差異達到極顯著水平。從紅壤坡地下層3個坡位氮素殘余量的分布情況來看，CRU處理的坡上部、中部和下部的氮素殘余量分別高出CUU處理的17.26%、27.71% 和30.47%(P<0.01)，表明樹脂包膜控釋尿素的氮素控制釋放功能顯著減少了降雨造成的坡地下層氮素流失。

圖7 兩種尿素處理的紅壤下層坡面氮素空間分布Fig. 7 Nitrogen spatial distribution in red subsoil of the slope with two kinds of urea applied

降雨后，與 CUU 處理相比，CRU 處理的紅壤坡地表下層間的氮素空間分布差異較小，經計算，CRU處理的坡地下層氮素損失只比表層多 5.02%，而 CUU 處理的坡地下層氮素損失比表層多 21.43% (P<0.01)，差異顯著，可見，樹脂包膜控釋尿素能減小降雨對紅壤坡地表下層氮素空間分布間的差異。李恒鵬等[15]，陳志良等[16]研究均指出，降雨下坡地表層的氮素流失更為明顯，與本研究有一定的差異性，但其研究降雨強度設定為暴雨等級。本研究設置降雨強度恒定，未對不同降雨強度下的氮素空間分布進行研究分析，故不同強度的降雨對 2 種尿素坡地氮素空間分布的影響還有待于進一步探究。

2.5 降雨對3種類型土壤坡面氮素空間分布影響的比較分析

模擬降雨條件下，棕壤、褐土、紅壤的氮素流失特征基本一致，均以坡上部的氮素流失嚴重，從整個坡面氮素流失嚴重程度上看，為棕壤＞褐土＞紅壤。施肥是調控氮素流失的重要途徑[17]，與施用普通尿素相比，施用樹脂包膜控釋尿素在3種類型土壤施用均能減少氮素流失，其中以在紅壤上施用效果最為顯著，氮素流失量分別為棕壤的 33.81% 和褐土的61.63%。從降雨后3種類型土壤的坡面氮素空間分布看，降雨均會造成3種類型土壤坡面氮素失衡，且降雨對CUU處理和CRU處理的氮素空間分布影響差異較大，其中均以對CUU處理的氮素空間分布影響較大，氮素分布失衡嚴重。與施用普通尿素相比，施用樹脂包膜控釋尿素均能減小降雨對 3種類型土壤坡面氮素空間分布的影響，CRU處理的3種類型土壤中，以棕壤表下層坡面的氮素空間分布失衡程度較輕，氮素殘余量變化幅度小于褐土與紅壤，整個坡面的氮素殘余量變異系數分別為褐土與紅壤的 22.42%和19.84%。

3 結論

1) 模擬降雨后，樹脂包膜控釋尿素處理的 3 種類型土壤坡地氮素殘余量變異系數為普通尿素的14.08% ~ 31.89%，整個坡面以坡上部和坡下部氮素空間分布均勻性明顯高于普通尿素處理。

2) 樹脂包膜控釋尿素在 3 種類型土壤坡地上施用均能顯著減少降雨造成的氮素流失，較普通尿素施用，氮素流失分別減少了 7.32% ~ 17.35%、17.95% ~ 24.24%、72.45% ~ 78.84%。樹脂包膜控釋尿素的控釋效果在紅壤上最為明顯，褐土次之。

3) 與普通尿素相比，樹脂包膜控釋尿素在 3 種類型土壤坡地上施用，均能顯著縮小降雨對坡地表層與下層氮素空間分布影響間的差異，同時也能顯著減小降雨造成坡地表層與下層氮素流失量間的差異。

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Effect of Rainfall on Slope Nitrogen Spatial Distribution of Two Kinds of Urea

GUO Xinsong1,3, DING Fangjun1,2,3*, CHEN Shigeng1,3, HONG Pizheng1,3, LU Yanyan1,3
(1National Engineering Laboratory for Efficient Utilization of Soil and Fertilizer Resources,Tai’an,Shandong271018,China; 2College of Resources and Environment,Shandong Agricultural University,Tai’an,Shandong271018,China; 3Engineering Technology Research Center of Shandong Province,Efficient Utilization of Humic Acid,Shandong Agricultural University Fertilizer Science Tech.Co.Ltd.,Tai’an,Shandong271000,China)

Adopt automatic rainfall simulation system and set up the simulated rainfall intensity constantly to carry out the experiment indoor on soil bin, which using common urea and controlled releases urea coated by polymer. Through simulated rainfall experiment, the nitrogen spatial distribution and nitrogen loss characteristics of common urea and controlled releases urea coated by polymer were analyzed. The results showed that: controlled release urea coated by polymer brown, cinnamon and red soil slope could all reduce influence of nitrogen spatial distribution by rainfall. After simulated rainfall, the nitrogen residue variance coefficient of controlled releases urea coated by polymer were common urea’s 14.08%–31.89%, At the same time, the controlled release urea could reduce the difference of the rainfall impact on nitrogen spatial distribution between surface soil and subsoil of the slopes of all three soil types. Controlled releases urea coated by polymer applied on three soil types slope could reduce nitrogen loss, compared with common urea, nitrogen loss decreased by 7.32%–17.35% (P<0.05), 17.95%–24.24% (P<0.05), 72.45%–78.84% (P<0.01) respectively. In addition, the controlled releases urea could also reduce the difference of nitrogen loss between the surface soil and subsoil of the slopes of three soil types under rainfall, and the nitrogen loss from subsoil of the slope only increased by 1.63%–5.02% compared with surface soil of the slope. So under rainfall, controlled releases urea coated by polymer applied on soil slope could control nitrogen distribution unbalance and nitrogen loss.

Simulated rainfall; Three soil types; Controlled releases urea coated by polymer; Nitrogen spatial distribution; Nitrogen loss

S153；S157.1

10.13758/j.cnki.tr.2016.06.012

國家科技部“渤海糧倉科技示范工程”項目(2013BAD05B00)和山東省自主創新專項(2014ZZCX07302)資助。

* 通訊作者(dfj401@163.com)

郭新送(1987—)，男，山東新泰人，碩士，主要從事土壤生態方面研究。E-mail: guoxinsong1028@163.com