不同膜材包膜尿素對黑土生物學活性的影響

劉興斌， 王 月， 陳振華， 韓曉日

(1.沈陽農業大學土地與環境學院/土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，遼寧沈陽 110866；2.中國科學院沈陽應用生態研究所，遼寧沈陽 110016)

包膜肥料能有效延緩肥料養分釋放，提高肥料利用率[1]，是順應國家化肥零增長戰略的重要技術之一，但隨著包膜肥料大量使用，入土壤的包膜材料是否會對土壤微環境產生不利影響，是當前大力強調農業生態環境可持續發展中不能回避的問題。黑土是我國東北主要土壤類型之一，也是我國最具生產力的寶貴土壤資源，須要倍加珍惜和呵護。施肥會對土壤生物活性產生影響[2]，那么施用包膜肥是否會對黑土的生物活性產生不良影響，值得深入了解并對今后包膜肥在該土壤類型上的應用進行可觀的評估和科學的指導。

土壤微生物群落的組成和活性對自然或人為擾動，以及一些農業管理措施(如化肥、農藥、植物生長調節劑等施用)導致的土壤環境質量變化反應敏感[3]，近年來被公認為是對環境變化最敏感的生物指標之一，同時已被廣泛用作指示土壤環境質量變化的早期預警指標。土壤酶對環境或管理因素的變化反應敏感，并具有較好的時效性，已被成功地用于區分許多土壤管理措施[4]，尤其在確定污染或嚴重擾動對土壤健康的影響方面。研究人員普遍認為基本的土壤質量和健康生物指標應當包括微生物生物量和土壤酶活性指標[5]。

目前關于不同膜材對黑土生物學活性影響的研究不多。因此，本研究以不同膜材包膜的尿素為樣本，以土培試驗為手段考察不同膜材包膜的尿素施用后黑土土壤微生物量碳氮、相關酶活性等生化指標的變化，以期對以聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚碳酸酯為主要包膜材料的3種包膜尿素對黑土產生的生物影響作出客觀評價，為今后采用這3種包膜材料的包膜肥產品在黑土區的應用推廣提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

大顆粒尿素：山西蘭花科技創業股份有限公司化肥分公司生產，粒徑為2.5～4.0 mm；包膜材料：聚乳酸購于浙江海正生物制品有限公司；聚丁二酸丁二醇酯購于安徽和興化工有限公司；聚碳酸酯購于浙江路佳工程塑料有限公司。

包膜尿素：分別以聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚碳酸酯(PC)3種材料為主要原料，并添加其他助劑和輔助材料制成包膜液，然后在沸騰流化床中對大顆粒尿素進行包膜，制得相應的包膜尿素供土培試驗使用。

1.2 試驗設置

對照(CK)表示不施肥；處理U表示施用大顆粒尿素；處理A表示施用PLA包膜大顆粒尿素；處理B表示施用PBS包膜大顆粒尿素；處理C表示施用PC包膜大顆粒尿素。3種包膜尿素的包膜量均為7%，除CK處理外其余各處理施肥量均為0.46 g/kg。

1.3 土壤及部分理化性狀

供試黑土采自黑龍江省中國科學院海倫農業生態實驗站(47°25′ N、126°46′ E)，土壤pH值為6.17(土與水質量比為1 ∶2.5)，土壤有機質含量50.25 g/kg、全碳含量 32.06 g/kg、全氮含量2.61 g/kg。

1.4 試驗實施

試驗在沈陽農業大學土地與環境學院土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室進行。試驗具體實施步驟如下：普通尿素和包膜尿素的用量均按1.00 g/kg干土施用，每個處理9次重復。將相當于300 g烘干土的鮮土與肥料充分混勻后裝入帶有密封蓋的塑料盒中(塑料盒上口直徑14 cm，底部直徑8.9 cm，高6.3 cm)，用密封蓋封口，并用打孔器在密封蓋上均勻打3個通氣孔，以使土壤在培養過程中保持充分好氧的條件，然后將塑料盒置于25 ℃培養箱中恒溫培養。培養期間，每間隔3 d放氣1 h，并采用稱質量法補水1次，使土壤含水量始終保持在田間持水量的60%。試驗從2015年4月25日開始，共持續480 d，在土壤培養試驗開始后分別于2015年5月25日(培養30 d)、2016年3月30日(培養 340 d)、2016年8月17日(培養480 d)取樣，每個處理每次取3次重復，分別測定土壤微生物量碳、土壤微生物量氮的含量以及FDA水解酶、脫氫酶和脲酶的活性。

1.5 分析方法

土壤基本理化性質測定采用常規分析方法[6]。土壤微生物量C、N測定采用氯仿熏蒸浸提法(CFE)，浸提液中的C、N含量用德國產C/N分析儀(TOC Analyzer，Multi C/N 3000，analytikjena，Germany)測定。土壤微生物量N按Nmin=EN/KEN計算，其中EN為熏蒸和未熏蒸土樣的土壤N量之差(單位mg/kg)；KEN為氯仿熏蒸殺死的微生物體中的N被浸提出來的比例，按0.45計算[7]。脲酶活性測定采用尿素殘留量法[8]測定。土壤脫氫酶活性采用2，3，5-氯代三苯基四氮唑(TTC)還原法[8]測定。FDA水解酶采用Adam和Duncan’s的方法測定[9]。

試驗數據采用Excel和SPSS 11.5處理，多元方差分析用Duncan’s法進行。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤微生物量C、N含量以及C/N的動態變化

由表1可知，就微生物量氮而言，在培養30 d時施不同尿素的處理顯著高于不施尿素的處理，隨著培養時間的延長，各處理微生物量氮的差異逐漸減小。這說明隨培養時間的延長，施尿素處理對土壤微生物量氮的影響逐漸減小。在4個施用不同尿素的處理中，普通尿素培養微生物量氮的下降趨勢最為明顯，而3種包膜尿素培養微生物量氮則沒有明顯下降，說明施普通尿素處理在培養期間微生物從土壤中獲取的氮量下降較快。在3個包膜尿素的培養中PBS包膜尿素處理在培養340 d時土壤微生物量氮高于PLA和PC處理，這與該膜材料包膜效果好[10]，在該時間點還有較多的氮養分釋放有關系。

注：同列不同小寫英文字母表示各處理在0.05水平上差異顯著。

對于微生物量碳，在培養30 d和340 d取樣時各處理均無顯著差異，說明施用不同尿素對土壤微生物量碳數量的影響不大。在培養480 d時PBS包膜尿素處理顯著高于不施尿素和施用普通大顆粒尿素的處理，也高于PLA和PC處理，可能是因為聚丁二酸丁二醇酯降解速度快于聚乳酸的降解速度[11-12]，由于PBS膜材降解速度較快，使土壤微生物可利用的碳源增多，造成微生物量碳有所增加。

從微生物量碳氮的比值可以看出，不施尿素培養3次采樣的C/N最為穩定且較大，說明整個培養期間該處理土壤微生物所吸收的氮量基本穩定。在培養30 d時，各施尿素處理的碳氮比均顯著低于不施尿素的處理，且4個施用不同尿素的處理間差異不顯著，表明在培養30 d時各施尿素處理向土壤微生物提供的氮量差異不大。在培養時間長達340 d時，PBS和PC處理的土壤微生物量碳氮比顯著高于其他處理，表明PLA包膜尿素的氮已經基本釋放完畢。在培養時間達到480 d時，各處理微生物量碳氮的比值差異均不顯著。

綜合微生物量碳、氮和碳氮比可以看出，包膜尿素可以有效延長氮的釋放時間，施用包膜尿素有助于在較長時間內維持較高的微生物量氮和較低的碳氮比，由微生物量氮的數據可以看出，對尿素包膜可以使尿素的肥效延長至300 d以上。不同包膜尿素對微生物量氮的影響較大，主要是因不同膜材料性質造成包膜尿素氮素釋放效果的差異[10]所致；而對土壤微生物量碳幾乎沒有影響，說明不同包膜材料對土壤碳源供應情況沒有明顯影響。

2.2 不同處理土壤FDA水解酶活性的動態變化

研究人員普遍認為FDA水解酶活性與微生物活性間的相關性比其他酶更明顯，因此FDA水解酶能作為快速有效地反映土壤微生物活性的一個指標，近來成為土壤質量和健康質量評價中的生物學指標之一[9，13-17]。

由圖1可以看出，在培養30 d時，不施尿素處理和施用不同尿素處理間FDA水解酶活性差異均不顯著，說明在施肥初期黑土FDA水解酶活性受到施肥的影響較小，這可能是因為尿素對土壤FDA水解酶影響較小，也可能是因為黑土土壤微生物含量豐富，對外界擾動的緩沖能力較強。在培養340 d時，施用普通尿素和PBS包膜尿素處理的FDA水解酶活性顯著低于不施尿素處理，而PLA和PC包膜尿素與不施尿素處理差異不顯著。造成這一差異的原因是PBS材料在土壤中易于降解[12]，在經過長期的培養后，其對土壤FDA水解酶活性的影響已經與普通大顆粒尿素處理沒有差異。在培養試驗進行到480 d時，普通尿素處理和PLA包膜尿素處理的FDA水解酶活性顯著低于不施尿素處理，其他處理與不施尿素處理差異不顯著，說明隨著培養時間的延長，PLA包膜尿素處理對土壤FDA水解酶活性的干擾有所增強，其與聚乳酸在土壤中降解時間較長，隨培養時間的延長，聚乳酸降解對黑土FDA水解酶的影響逐漸顯露出來。

從黑土FDA水解酶活性動態變化可以看出，各處理FDA水解酶活性總體呈下降趨勢，因為土壤在長期培養的過程中，沒有其他生物活性物質的培肥作用，造成土壤中FDA水解酶活性整體下降[18]。綜合以上結果可知，與施用普通尿素相比，施用包膜尿素不僅對土壤FDA水解酶沒有不利影響，還可以有緩解尿素施用對FDA水解酶造成的影響，維持FDA水解酶的活性。

2.3 不同處理土壤脫氫酶活性的變化

土壤脫氫酶是典型的胞內酶[19]，脫氫酶的活性能充分反映土壤微生物的活性，對微生物生長代謝有影響的因子都會影響脫氫酶的活性[20]。

從圖2可以看出，尿素的施用對黑土脫氫酶活性有一定的影響。培養30 d后的采樣中PLA和PBS包膜尿素處理土壤脫氫酶活性顯著高于不施尿素的處理。這表明在培養初期，氮肥的施用可以有效提高黑土中微生物的活性，導致土壤脫氫酶活性提高。在培養340 d時，普通尿素和PBS包膜尿素處理脫氫酶活性顯著低于不施尿素、PLA包膜尿素和PC包膜尿素處理，結合土壤中微生物量碳、氮的數據可以看出，PBS包膜尿素處理由于微生物大量吸收氮營養導致微生物量碳氮比例不協調而影響了土壤脫氫酶的活性，而普通尿素處理是因氮的缺乏造成脫氫酶活性的降低。在培養480 d時，各處理脫氫酶活性的差異不顯著，說明培養試驗進行到本時段，不同氮素釋放速率和膜材對黑土產生的影響已經基本消失。

從以上結果可以看出，聚乳酸包膜尿素在培養30 d時能有效提高黑土脫氫酶活性，而聚丁二酸丁二醇酯包膜尿素則在培養340 d時較不施肥的處理顯著降低了土壤脫氫酶活性，但該影響與施用常規尿素處理基本一致。這說明包膜尿素對土壤脫氫酶活性造成的影響不比單施尿素強烈，施用包膜尿素有利于維持土壤微生物活性的穩定。不同膜材不同時段對土壤脫氫酶活性的影響沒有規律，這與不同膜材在土壤中發生降解時間和降解產物的不同有關。

2.4 不同處理土壤脲酶活性的動態變化

土壤脲酶是酶促尿素水解的專性酶類[21]。從圖3可以看出，不同處理不同培養時期土壤脲酶活性變化規律基本相同。在培養30 d時，各施肥處理脲酶活性與不施肥處理間差異均不顯著，但PLA包膜尿素和PBS包膜尿素處理的脲酶活性顯著低于施用常規尿素的處理，說明PLA包膜尿素和PBS包膜尿素處理對脲酶產生的誘導作用遠沒有尿素產生的誘導作用強烈。3種包膜尿素處理間差異不顯著說明3種包膜尿素對脲酶的誘導作用沒有顯著差異。在培養到340 d時，不施尿素、施用普通尿素和PC包膜尿素3個處理的脲酶活性差異不顯著，但顯著低于PLA和PBS包膜尿素處理，說明在此時間點A和B處理仍有尿素態氮對土壤中脲酶產生誘導作用，且A處理對脲酶的誘導作用顯著高于B處理，也預示著A、B處理在此階段均還有可觀的尿素態氮釋放到土壤中去。在培養到480 d時，不施尿素處理與其他所有施用尿素處理的脲酶活性差異均不顯著，說明本時間點包膜尿素中已經沒有尿素態氮對脲酶進行誘導，所以各處理脲酶活性趨于一致。

從試驗結果可以看出，施用普通大顆粒尿素及不同膜材包膜大顆粒尿素均不會對土壤中的脲酶活性產生較大影響，且隨著培養時間的延長，施用不同尿素造成的土壤脲酶活性差異逐漸消失。

3 結論

通過長達480 d的培養可以看出，隨著培養時間的延長，不施尿素與施用不同尿素處理間各生物活性指標的差異逐漸消失。具體而言，施用包膜尿素可以有效延長氮的釋放時間，有助于在較長時間內維持較高的微生物量氮和較低的碳氮比，不同包膜尿素對微生物量氮的影響較大，而對土壤微生物量碳幾乎沒有影響。

與施用普通尿素相比，盡管不同膜材包膜尿素在不同時段對FDA水解酶、脫氫酶和脲酶的影響會有細微的區別，但施用不同的包膜尿素不僅對這些酶的活性沒有負面作用，還能緩解尿素施用對它們造成的不利影響，維持其活性的相對穩定。

通過本試驗可以看出，在黑土中施用這3種不同膜材包被的尿素，不僅能夠延長尿素的肥效，還能在一定程度上緩解常規尿素施用對土壤生物活性造成的不利影響。