腐植酸對土壤氮素轉化及氨揮發損失的影響

王 平，付戰勇，李絮花*，劉 敏，劉文博

(1.土肥資源高效利用國家工程實驗室，山東農業大學資源與環境學院，山東 泰安 271018； 2.山東農業大學林學院，山東 泰安 271018)

施用氮肥是提高作物產量、保持土壤肥力的主要措施之一[1]，研究表明，我國氮肥利用率約為30%，比發達國家低20～30個百分點，而70%左右的氮肥通過氨揮發、硝化-反硝化、淋洗、徑流等途徑損失，造成氮肥資源嚴重浪費[2]。目前我國氮肥的主要品種之一是尿素[3]，尿素是小分子有機態氮肥，施入土壤后，短時間內被轉化為速效氮，若不能及時被作物吸收，易通過各種途徑損失，導致尿素利用率低，因此對尿素改性增效，提高氮素利用率，降低氮素損失勢在必行。

腐植酸作為肥料添加劑[4-6]受到廣大學者的關注。腐植酸含有多種官能團(羥基、羧基、甲氧基、醌基和酚羥基)，具有親水性、螯合絡合、氧化還原和吸附能力[7]。研究證明，腐植酸可提高作物產量，促進作物氮素吸收[8-9]；同時腐植酸具有保水保肥[10-11]，提高養分利用率[12]，減少氮素淋溶[13]等作用。但針對腐植酸如何影響土壤中氮素轉化和氨揮發損失的研究卻鮮有報道，因此試驗添加不同用量腐植酸，研究腐植酸對尿素的改性增效作用，探討其對氨揮發和土壤氮素轉化的影響規律，揭示腐植酸對尿素的增效機理，為開發利用腐植酸資源，提高氮肥利用率提供科學依據。

1 材料與方法

試驗于2016年5月至8月在山東農業大學資源與環境學院實驗室進行。供試土壤采自中國農業科學院德州實驗站禹城試驗基地低肥力0～20 cm的耕層土壤，混勻，風干，磨碎并過3 mm篩，保存備用。土壤類型為潮土，質地為輕壤，供試土壤有機質15.95 g·kg-1，全氮0.31 g·kg-1，有效磷(P)7.58 mg·kg-1，速效鉀(K)150 mg·kg-1。

供試腐植酸由某公司提供，其元素含量見表1。

表1 供試腐植酸元素含量、原子比例

1.1 試驗設計

1.1.1 培養試驗

本試驗采用培養試驗方法，共設6個處理(0、5%、10%、25%、50%、75%HA)，分別為每千克土壤腐植酸施用量0、50、100、250、500、750 g；氮、磷、鉀肥按照N、P2O5、K2O施用量0.2、0.1、0.2 g·kg-1添加，供試氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O511%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，27次重復，隨機排列。將肥料、腐植酸與過3 mm篩的150 g土樣(以干土計)充分混勻后裝入培養杯(高15 cm，直徑8 cm)中，將含水量調至田間持水量的70%，用扎有小孔的保鮮膜封口，置于25 ℃恒溫培養箱中避光培養，在培養過程中損失的水分通過稱重法補充。分別于第3、5、7、14、28、42、56、84、112 d取樣，一部分鮮樣用于測定土壤硝、銨態氮含量和土壤含水量，剩余土壤風干后測定土壤脲酶活性。土壤銨態氮、硝態氮測定采用2 mol·L-1氯化鉀溶液浸提，流動注射分析儀比色測定；土壤脲酶活性采用比色法測定[14]。

1.1.2 氨揮發試驗

試驗處理同上，氨揮發的測定采用通氣法[15]。稱取過3 mm篩的土壤300 g(以干土計)，將土壤、肥料和腐植酸混勻后放入塑料杯中，調節含水量為田間持水量的70%，之后在塑料杯上面安置一個高10 cm的PVC管，用固體膠進行密封，注入水用于檢查裝置的密封性，若塑料杯和PVC管的連接處無水溢出，則表示裝置不漏氣，如有則重新密封(圖1)。測定過程中，分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為8 cm海綿均勻涂抹7.5 mL磷酸甘油溶液，下層海綿(吸收土壤揮發的氨氣)距土壤界面4 cm，上層海綿(用于吸收空氣中的氨氣)與管口相平。每個處理設置3個重復，將其放入培養箱中培養，每24 h更換一次下層海綿，上層海綿可視其濕潤程度3～7 d更換一次，持續一周后，下層海綿每3～4 d更換一次，4次之后，一周更換一次。更換的上層海綿不需要測定里面的銨態氮含量；下層海綿分別立即裝入250 mL的塑料瓶中，加150 mL 1.0 mol·L-1的KCl溶液，震蕩1 h后，用流動注射分析儀測定銨態氮含量。由下式計算土壤的氨揮發速率：

NH3-N(mg·杯-1)=M/D

其中，M為通氣法單個裝置平均每次測得的氨量(NH3-N,mg)；D為每次連續捕獲的時間(d)。

1.2 數據處理與分析

每日氨揮發通量計算公式：

NH3-N(mg·杯-1)=M

其中，M為通氣法單個裝置平均每日測得的氨量(NH3-N,mg)。

圖1 測定室內培養土壤氨揮發的通氣裝置

采用Excel 2013軟件對數據進行處理和作圖。

2 結果與分析

2.1 腐植酸對土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶又稱作脲酰基水解酶，是土壤中尿素轉化的關鍵酶[17]。整個培養期間，各處理土壤脲酶活性有相同的變化趨勢(圖2)。在前期土壤脲酶活性呈現增高趨勢，之后降低，至第14 d土壤脲酶活性降到最低，隨后隨著時間的推移又呈增加趨勢。在第5 d時，各處理土壤脲酶活性出現高峰，5%、10%、25%、50%HA處理的土壤脲酶活性較對照分別提高了50.60%、44.07%、33.76%、6.08%，而75%HA處理的土壤脲酶活性較對照降低了13.28%。培養14 d后，不同用量的腐植酸處理均能提高土壤脲酶活性。

2.2 腐植酸對氨揮發的影響

尿素施入土壤后，大部分在土壤脲酶的作用下水解為(NH4)2CO3，進而釋放出氨氣[18]。由圖3a可以看出，尿素施入土壤后氨揮發速率迅速增加，并達到高峰，隨后迅速下降，至15 d后呈緩慢降低趨勢。在第2 d出現峰值時，CK的氨揮發速率最大，為1.83 mg·杯-1·d-1(以N計)，而5%、10%、25%、50%、75%HA處理的氨揮發速率峰值分別為1.56、1.46、1.48、1.67、1.28 mg·杯-1·d-1(以N計)，平均降低了18.44%。與CK處理相比，腐植酸處理的氨揮發速率在前6 d相對較低，其中腐植酸添加量為75%處理的氨揮發速率最低。

圖2 腐植酸對土壤脲酶活性的影響

圖3 腐植酸對氨揮發速率和累積氨揮發量的影響

圖3b表明，前期累積氨揮發量變化不明顯，隨著時間的推移，累積氨揮發量出現差異，且隨著腐植酸用量的增加，累積氨揮發量呈降低趨勢。各處理的氨揮發總量明顯低于對照，5%、10%、25%、50%、75%HA處理分別比CK減少氨揮發損失6.66%、11.55%、10.96%、11.86%、19.38%，說明腐植酸的施用可以明顯降低氨揮發量，一方面可能是由于腐植酸減少了尿素向銨態氮的轉化；另一方面可能是由于腐植酸的吸附作用，減少了氨揮發，具體原因有待于進一步研究。

2.3 腐植酸對土壤銨態氮和硝態氮含量的影響

圖4 腐植酸對土壤銨態氮和硝態氮含量的影響

各處理隨著時間的推移，土壤硝態氮含量呈增加趨勢(圖4b)。前7 d，土壤中硝態氮含量增加速度較為緩慢，甚至有的處理呈現出減少的趨勢，且使用腐植酸處理的土壤硝態氮含量低于CK，至112 d，不同處理的土壤中銨態氮含量已經很低，此時土壤中的無機氮主要以硝態氮的形式存在。

2.4 腐植酸對土壤硝化率的影響

土壤表觀硝化率是指土壤中硝態氮濃度占銨態氮和硝態氮濃度之和的百分比，能夠反映土壤的硝化作用強弱[19-20]。隨著培養天數的增加，土壤表觀硝化率逐漸升高，于培養后期趨于穩定(圖5)。在第112 d時，各處理的土壤表觀硝化率均達到80%以上。從培養開始到第7 d時，所有處理的土壤表觀硝化率均處于一個穩定的狀態，至7 d后，土壤表觀硝化率大幅度升高，至84 d后，各處理間土壤表觀硝化率差異不顯著。與對照相比，施用腐植酸能明顯降低土壤的硝化比率，且腐植酸的施用量越多，土壤表觀硝化率就越低。

3 討論與結論

圖5 腐植酸對土壤表觀硝化率的影響

脲酶活性在一定程度上反映了土壤的供氮水平，是土壤中氮素循環轉化的重要酶[25]。前期各處理的土壤脲酶活性呈現先增加后降低的趨勢，這主要是由于尿素施入土壤后被分解的過程中能激活土壤脲酶活性，隨著培養時間的延長，氮濃度下降，土壤脲酶活性降低[26]。大量研究表明，脲酶活性低是導致氨揮發量減少的一個重要因素[21-22]，這在本文中也得到證實，在吸附強度相同的條件下，75%HA處理顯著減少了氨揮發量(P<0.05)，主要是由于前期(培養前7 d)75%HA處理的土壤脲酶活性低于CK處理的土壤脲酶活性，抑制了尿素在土壤中的轉化速度，降低了氨的大量累積，從而顯著減少了土壤氨揮發損失[27]。

土壤銨態氮含量與土壤脲酶活性、氨揮發有密切關系。本試驗研究表明，腐植酸的施用提高了土壤脲酶活性，加速了尿素水解生成銨，進而釋放大量的NH3，由于腐植酸具有強大的內表面積和較強的吸附能力，減少了氨揮發，明顯增加了土壤中銨態氮含量。在培養過程中，隨腐植酸用量的增加，土壤銨態氮的含量呈增加趨勢，卻減少了土壤硝態氮的含量，這可能是由于腐植酸的施用對硝化細菌有抑制作用，延緩了銨態氮向硝態氮的轉化，有效地減少了硝態氮淋溶損失和反硝化損失，但具體原因還需進一步研究。