緩釋氮肥在磚紅壤中氮素轉化研究

貝美容， 雷 菲， 劉海林， 華元剛， 林清火， 茶正早

(1.中國熱帶農業科學院橡膠研究所/中國熱帶農業科學院土壤肥料中心，海南儋州 571737； 2.海南省農業科學院農業環境與土壤研究所，海南海口 571100)

肥料在作物生產中發揮著不可替代的支撐作用，施肥可提高糧食單位面積產量的55%，總產量的30%[1]。我國肥料消費總量約占世界肥料消費總量的1/3[2-3]，然而在肥料投入量上升的同時我國肥料利用率卻維持在相對較低的水平，并且養分流失嚴重。在我國農業中化肥氮當季利用率為35%，氨揮發損失為11%，硝化-反硝化損失為34%，淋洗損失為2%，徑流損失為5%，其他途徑損失為13%[1]。因此，采取技術措施提高肥料利用率，減輕施肥對環境造成的污染，是我國乃至世界農業的研究重點、熱點之一。緩釋肥料是指利用物理、化學和生物方法制備的能使肥料中養分在土壤中緩慢釋放，使其作物有效性明顯延長的肥料[4]，具有減少肥料損失、提高肥料利用率等優點[5-9]。發展利用率高、損失少、環境友好的緩釋肥料，在節約資源、實現農業生產與生態協調發展、節本增效和節能減排等方面均具有重要意義[10]。緩釋肥料主要包括微溶性有機氮肥、包膜肥料、穩定性肥料，其中微溶性有機氮肥中的脲醛緩釋肥料最早實現商業化[11]，它是由尿素與醛反應生成的聚合物，含有少量尿素、冷水不溶氮和熱水不溶氮，包括速效氮和緩釋氮部分。微溶性有機氮肥施入土壤后，緩釋氮部分通過生物降解轉化為銨態氮和硝態氮被作物吸收，該過程受土壤性質、溫度和微生物活性等因素影響[12-13]。微溶性有機氮肥中的氮素在土壤中轉化為銨態氮和硝態氮的速率決定了其肥效及供氮速率，是微溶性有機氮肥主要性質及其科學施用的主要參考指標。本研究所使用的微溶性有機氮肥是由尿素、腐植酸和醛類交聯劑在一定條件下發生化學反應制備而成的，探討其在不同磚紅壤中的氮素轉化特性，以期為緩釋氮肥在熱區磚紅壤中的科學施用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試肥料

供試肥料為普通尿素(U)和緩釋氮肥(NF)，其中緩釋氮肥由尿素、腐植酸和醛類交聯劑在一定條件下發生化學反應制備而成，氮含量為31.16%，pH值為8.96；普通尿素為對照。

1.2 供試土壤

供試磚紅壤分別為淺海沉積物磚紅壤(Q)、花崗巖磚紅壤(H)、砂頁巖磚紅壤(S)、玄武巖磚紅壤(X)，土壤具體理化性質見表1。

表1 4種成土母質發育磚紅壤的理化性質

1.3 緩釋氮肥室內培養試驗

采用室內恒溫好氣培養法進行緩釋氮肥室內培養試驗。試驗共設8個處理，即將2種肥料(普通尿素和緩釋氮肥)分別施入4類磚紅壤(淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤)中。試驗地點為中國熱帶農業科學院橡膠研究所土壤肥料研究實驗室，培養時間為2016年10—12月，試驗前按照1 kg土300 mg 氮的比例稱取供試肥料，并將其與供試土壤混合均勻，然后裝入塑料培養杯中，每杯裝土100 g，澆水(土壤持水量的60%)，然后蓋上具有10個透氣孔的塑料蓋，分別放置在25、35 ℃的恒溫培養箱中培養。分別于施肥后1、3、7、14、21、35、49、70 d進行破壞性取樣，將每杯土壤混勻，取10 g鮮土，浸提，過濾，用連續流動分析儀(SEAL AutoAnalyzer3-AA3，德國生產)測定提取液中銨態氮、硝態氮含量。每次每個處理取3個重復。培養期間采用稱質量法定期補充水分。

1.4 數據分析處理

采用Excel軟件對原始數據進行整理計算并繪制圖表，采用SPSS軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 磚紅壤銨態氮變化

由圖1可知，25 ℃培養條件下，尿素和緩釋氮肥施入土壤后，隨著培養時間的增加，土壤中的銨態氮含量均表現為先增加后減小的變化趨勢，且相同培養時間同一類型磚紅壤中，施入尿素后土壤中的銨態氮含量大于緩釋氮肥處理。添加尿素處理培養至施肥后7 d時，淺海沉積物磚紅壤中的銨態氮含量達峰值，為272.67 mg/kg；當培養至施肥后14 d時，花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態氮含量達到最大值，分別為233.59、273.62、255.68 mg/kg，此時淺海沉積物磚紅壤中的銨態氮含量為272.29 mg/kg。通過比較添加尿素各土壤中的銨態氮含量最大值可知，花崗巖磚紅壤與玄武巖磚紅壤處理間相差不大，但淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤明顯大于花崗巖磚紅壤。添加緩釋氮肥的土壤銨態氮含量峰值明顯后移，當添加緩釋氮肥處理培養至施肥后21 d時，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態氮含量達最大值，分別為129.84、138.79、127.00 mg/kg；培養至施肥后35 d時，砂頁巖磚紅壤中的銨態氮含量達最大值，為168.36 mg/kg。與添加尿素處理相比，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態氮含量峰值分別減少52.38%、40.58%、38.47%、50.33%。由此可知，與尿素相比，在磚紅壤中添加緩釋氮肥的氮素轉化為銨態氮的速率較慢，有利于減少氮素損失。

由圖1可知，35 ℃培養條件下，各處理土壤銨態氮含量變化趨勢與25℃培養下基本一致，培養前期土壤銨態氮含量逐漸增加，之后逐漸降低或持平。培養溫度升高后，添加尿素處理的土壤銨態氮含量峰值前移至施肥后7 d，且淺海沉積物磚紅壤大于花崗巖磚紅壤。在添加緩釋氮肥處理中，淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態氮含量最大值分別為148.80、189.90、189.30、162.11 mg/kg，均大于25 ℃培養下對應土壤中的銨態氮含量最大值。表明溫度升高能夠促進緩釋氮肥中的氮素轉化為銨態氮，加快緩釋氮肥氮素的釋放速率。

2.2 磚紅壤硝態氮變化

由圖2可知，添加尿素和緩釋氮肥處理的土壤硝態氮含量均整體隨著培養時間的增加而升高，培養前期土壤硝態氮含量維持在較低水平，培養中期土壤硝態氮含量快速增加。在25 ℃條件下培養至施肥后70 d時，添加尿素的淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的硝態氮含量分別為135.62、178.84、103.46、234.41 mg/kg，添加緩釋氮肥的各磚紅壤硝態氮含量分別為65.02、151.99、76.55、205.69 mg/kg，此時同種土壤添加緩釋氮肥處理的硝態氮含量整體小于添加尿素處理。在35 ℃條件下培養至施肥后 70 d 時，添加尿素處理的各土壤硝態氮含量表現為淺海沉積物磚紅壤<砂頁巖磚紅壤<花崗巖磚紅壤<玄武巖磚紅壤；而此時添加緩釋氮肥處理的淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、花崗巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤硝態氮含量分別較添加尿素處理減少23.39%、26.51%、12.48%、1.34%。另外，添加緩釋氮肥的4種磚紅壤培養至施肥后70 d時，同種土壤 35 ℃ 培養下的硝態氮含量均大于25 ℃培養。由此可知，與尿素相比，在不同磚紅壤中緩釋氮肥均可減小肥料中氮素轉化為硝態氮的速率，減少肥料氮素損失，而溫度升高會加快緩釋氮肥中的氮素轉化為硝態氮。

2.3 緩釋氮肥在磚紅壤中的供氮特性

緩釋氮肥可供作物吸收的氮(供氮量)是指在土壤中由有機態氮轉化的銨態氮和硝態氮減去土壤自身礦化的銨態氮和硝態氮，供氮曲線可直觀反映緩釋氮肥不同階段的氮素供應量和供氮特性。由圖3可知，在25、35 ℃培養條件下，各處理在培養前期供氮率迅速增加，后期趨于平緩，且除施肥后 1 d 外，在整個培養期間，緩釋氮肥供氮率均小于尿素。對培養至施肥后70 d時的各處理供氮量進行統計分析，由表2可知，25、35 ℃培養下，添加尿素的各磚紅壤處理的供氮量差異不顯著，且在同一磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量顯著小于尿素；在25 ℃培養條件下，花崗巖磚紅壤和玄武巖磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量分別為195.92、195.76 mg/kg，顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤中緩釋氮肥供氮量；在35 ℃培養條件下，花崗巖磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量最大，為 240.99 mg/kg，與玄武巖磚紅壤差異不顯著，但顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤。另外，同一磚紅壤中緩釋氮肥在35 ℃培養條件下的供氮量均顯著大于25 ℃培養條件下。在不同磚紅壤中，緩釋氮肥養分供應均較尿素更為緩慢，有利于作物吸收利用，且溫度升高可增加緩釋氮肥氮素供應量，增加氮素供應速率。

表2 緩釋氮肥在磚紅壤中的供氮量差異分析

注：括號內不同小寫字母表示同列處理間差異顯著(P<0.05)，括號外不同小寫字母表示同行處理間差異顯著(P<0.05)。

3 結論與討論

微溶性有機氮肥是指尿素與醛類(甲醛、丙醛、異丁醛等)反應得到的脲甲醛、丁烯叉二脲、異丁叉二脲等含氮化合物，這類化合物在水中溶解度小，轉化為有效態氮的速度較慢，因此具有緩慢釋放氮素的特性，其中應用最為廣泛的為脲甲醛，它是一種速效與緩效結合的氮肥，緩效氮部分必須經過微生物的分解、轉化才能形成被作物吸收利用的氮素形態[14]。本研究使用的緩釋氮肥是由尿素、腐植酸和醛類交聯劑在一定條件下發生化學反應制備而成的，與脲醛緩釋氮肥同屬于微溶性有機氮肥料，而且本研究的緩釋氮肥還含有一定量腐植酸，具有緩釋增效雙功能。許多研究表明，脲醛緩釋氮肥的氮素釋放緩慢，能夠減少氮素損失，延長氮素供應時間，可在較長時間內為作物提供速效養分[15-19]。本研究中緩釋氮肥在不同磚紅壤中的氮素轉化及供氮特性結果與上述結論一致。與添加尿素相比，25 ℃培養條件下添加緩釋氮肥的淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤中的銨態氮含量最大值分別減少52.38%、40.58%、38.47%、50.33%，硝態氮最大值分別減少52.06%、15.02%、26.01%、12.25%；整個培養期間，相同培養時間同一磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量小于尿素。表明緩釋氮肥在4種磚紅壤中氮素轉化為銨態氮和硝態氮的速率均較尿素慢，養分供應更為緩慢，延長了養分供應時間，有利于減少氮素損失。

微溶性有機氮肥的養分釋放速率主要受溫度、土壤性質和微生物活性等環境因素影響。研究表明，脲醛緩釋氮肥的供氮特性符合一級動力學方程，且速率常數隨著溫度的升高而增大[12，20]。本研究結果發現，在35 ℃培養條件下，添加緩釋氮肥的淺海沉積物磚紅壤、花崗巖磚紅壤、砂頁巖磚紅壤、玄武巖磚紅壤銨態氮最大值分別為148.80、189.90、189.30、162.11 mg/kg，均大于25 ℃培養條件下；添加緩釋氮肥的4種磚紅壤培養至施肥后70 d時，同種土壤在35 ℃培養條件下的硝態氮含量均大于25 ℃培養條件下，且除花崗巖磚紅壤外，其他磚紅壤均差異明顯，緩釋氮肥在同一磚紅壤中35 ℃培養下的供氮率均顯著大于25 ℃培養下。可見，溫度升高能夠促進緩釋氮肥中的氮素轉化為銨態氮和硝態氮，加快緩釋氮肥中的氮素釋放速率，增加緩釋氮肥氮素供應量。而土壤氮素礦化是受土壤微生物控制的反應過程[21]。Groffman等研究發現，土壤類型影響土壤微生物群落結構，進而影響微生物量和微生物活性[22]。本研究通過比較4種土壤培養至施肥后70 d時的土壤供氮量可以發現，在25 ℃培養條件下，花崗巖磚紅壤中的緩釋氮肥供氮量最大，為195.92 mg/kg，顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤，但與玄武巖磚紅壤差異不顯著；在35 ℃培養條件下，仍是花崗巖磚紅壤中緩釋氮肥供氮量最大，為240.99 mg/kg，與玄武巖磚紅壤差異不顯著，但顯著大于淺海沉積物磚紅壤、砂頁巖磚紅壤中的緩釋氮肥供氮量。可見，在25、35 ℃培養條件下，均以花崗巖磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量最大，淺海沉積物磚紅壤中緩釋氮肥的供氮量最小。