腐植酸增效劑對尿素在土壤中轉化及損失的調控

劉文博，李絮花

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

氮肥是土地的“糧食”，是農業生產的重要物質基礎，在促進作物產量和確保全球糧食安全方面發揮著關鍵支撐作用［1，2］。我國是世界上最大的氮肥生產國，也是最大的氮肥消費國［3］。從整個農業上看，氮肥的使用成為中國“農業革命”的重要標志［4］，是中國農業增長的主要推動力。然而，氮肥的過量施加不僅會產生嚴重的負外部性，更會加劇水污染［3］、空氣污染［5，6］、土壤污染［7，8］及食品污染［9］等，威脅著生物多樣性和生態系統穩定。

腐植酸是一類天然大分子有機物質，含有多種活性官能團，具有親水性、絡合螯合、氧化還原和吸附能力，能與土壤中有機物和無機物發生作用，是影響土壤肥力利用效率的重要因素之一［10-12］。早在20世紀90年代，有研究者就提出了腐植酸對氮肥的增效作用。大量研究也證明，氮肥添加外源腐植酸增效劑后可顯著增加作物產量［13-15］。但研究多集中于腐植酸的增產效益，不同濃度腐植酸增效劑對土壤中氮素轉化和氨揮發損失的影響研究鮮見報道，更缺乏腐植酸對南北不同土壤差異的橫向比較研究。本試驗在南方典型紅壤和北方典型潮土上，探究不同濃度腐植酸增效劑對不同類型土壤氮轉化機制的影響，旨在為進一步開發利用腐植酸資源、提高氮肥利用效率、減輕環境污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗于2016年10月至2017年4月在山東農業大學資源與環境學院實驗室進行。供試土壤為石灰性潮土、紅壤，分別采自山東和江西的0～20 cm耕層土壤，自然風干后磨碎并過2 mm篩，保存備用。供試肥料為腐植酸增效尿素（全氮含量為44.0%）。采用常規分析方法測定土壤養分。供試土壤肥力見表1。

表1 供試耕層土壤基本理化性狀

1.2 試驗設計

1.2.1 培養試驗 采用室內培養試驗方法，每種類型土壤設置CK（不施肥）、CK1（尿素）、HA1（尿素+氮素1%活化腐植酸）、HA2（尿素+氮素2%活化腐植酸）、HA3（尿素+氮素4%活化腐植酸）共5個處理，重復3次。

各處理氮肥施用量為300 mg／kg干土。將各處理氮肥及氮素活化腐植酸均勻摻入土壤裝入塑料杯（高10 cm，內徑8 cm）中，采用重量法將土壤含水量調制20%。用塑料薄膜覆蓋杯口并在其上均勻扎4個小孔（為了通氣，且可定期向培養杯中加水以保持土壤水分恒定），置于25℃人工氣候箱中進行培養。培養時定期注水以保持土壤含水量恒定。培養后0.5、1、2、3、5、7、10、14 d分別取樣，測定土壤銨態氮、硝態氮、尿素態氮含量。

土壤尿素態氮采用二乙酰一肟比色法測定，土壤銨態氮、硝態氮采用流動注射分析儀比色法測定。

1.2.2 氨揮發試驗 氨揮發試驗處理與培養試驗相同。利用通氣法［16］測量土壤氨揮發量。試驗如下：稱取過3 mm孔徑篩的土壤500 g（以干土計），和肥料混勻后放入裝置中，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，用熱熔膠密封，再用注水法檢查裝置的密封性，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。測定過程中，使兩塊厚度均為2 cm、直徑為8 cm海綿均勻吸收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。每處理重復3次。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3～7d更換一次，持續一周后，下層每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1.0 mol／L的KCl溶液150 mL，振蕩1 h后，用流動注射分析儀測定銨態氮含量。

土壤氨揮發速率＝單個裝置平均每次測得的氨量／每次連續捕獲的時間；氨揮發累積量為測定時期內每日氨揮發通量之和；氨揮發損失率（%）＝氨揮發損失量／氮肥（N）用量×100。

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對數據進行處理和作圖，SPSS軟件進行統計分析，Duncan’s多重比較法進行顯著性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 腐植酸增效劑對土壤中尿素態氮含量的影響

由圖1看出，尿素在施入土壤后的前2 d被快速分解，土壤尿素態氮含量迅速下降，潮土在第5 d基本檢測不到，而紅壤相對滯后，至第7 d基本檢測不到；并且腐植酸添加量相同時，紅壤短時間內尿素態氮含量遠大于潮土。這表明潮土施用尿素后初期的轉化更快。腐植酸增效劑能延緩尿素施入初期在土壤中的轉化，培養1 d時，土壤尿素態氮含量在潮土和紅壤上分別比CK1平均高45.83%和65.51%。

腐植酸增效劑不同添加量對尿素在紅壤和潮土上轉化的影響存在明顯差異。培養第1 d，隨著腐植酸增效劑添加量的增加潮土土壤尿素態氮含量呈增加趨勢，尿素在土壤中的轉化速率變慢，與CK1比較，HA1、HA2和HA3處理的尿素態氮含量分別增加12.14%、58.68%和66.68%；紅壤上隨腐植酸增效劑添加量的增加土壤尿素態氮呈降低趨勢，尿素在土壤中的轉化速率加快，與CK1比較，HA1、HA2和HA3處理的尿素態氮含量分別增加93.98%、60.12%和42.43%。這表明腐植酸增效劑添加量增多能延緩尿素在潮土上轉化，促進尿素在紅壤上的轉化。

2.2 腐植酸增效劑對土壤中銨態氮和硝態氮含量的影響

不同處理對兩種類型土壤銨態氮和硝態氮含量也有顯著影響。隨著培養時間的延長，銨態氮含量呈現出先增加后降低的趨勢（圖2A、B），硝態氮含量呈逐步增加趨勢（圖2C、D）。

潮土中，培養前期，施用尿素各處理的土壤銨態氮含量呈急劇上升趨勢，且變化趨勢基本重合，腐植酸不同添加量對銨態氮含量影響較小。CK1和HA1處理銨態氮含量培養第5 d達到峰值，而HA2和HA3處理第3 d達到峰值；第5～10 d，添加腐植酸增效劑處理銨態氮含量明顯高于CK1，且以HA2處理增幅最大；10 d后土壤銨態氮含量趨于平穩。

紅壤中，培養前期，施用尿素各處理土壤銨態氮含量變化趨勢基本一致。培養前3 d添加腐植酸增效劑處理的土壤銨態氮含量高于CK1，至5 d以HA1處理的土壤氨態氮含量最高；培養7 d后處理間銨態氮含量差異不明顯。

潮土中，培養前2 d，土壤銨態氮向硝態氮的轉化很少，施用尿素處理的土壤硝態氮含量與CK沒有顯著差異；之后土壤銨態氮向硝態氮轉化加速，土壤硝態氮含量顯著高于CK；與CK1比較，添加腐植酸增效劑處理的土壤硝態氮含量大幅增加，且始終高于CK1。表明腐植酸增效劑能促進培養中后期銨態氮向硝態氮轉化。

紅壤中，培養前3 d，處理間土壤硝態氮含量沒有顯著差異，之后施用尿素處理土壤硝態氮含量迅速上升。培養10 d內各施肥處理土壤硝態氮含量無顯著差異，之后HA2和HA3處理明顯高于HA1和CK1。

比較不同處理尿素態氮和銨態氮含量的變化趨勢，進一步證實腐植酸增效劑調控土壤氮素轉化的作用及其在潮土和紅壤所存在的顯著差異。腐植酸增效劑能延緩尿素施入初期向銨態氮的轉化，促進中后期銨態氮向硝態氮的轉化。

圖2 腐植酸增效劑對不同類型土壤銨態氮和硝態氮含量的影響

2.3 腐植酸增效劑對土壤中氨揮發的影響

由圖3看出，施肥后，隨培養時間的延長兩種土壤氨揮發速率呈先增加后降低趨勢，并且都在培養第5 d達到峰值，潮土氨揮發速率明顯高于紅壤。施用尿素處理的兩種土壤氨揮發累積量隨著培養時間的延長均逐漸增加，15 d后氨揮發累積量逐漸趨于平穩。

潮土中，CK土壤在培養期間基本未檢測出氨揮發跡象。施用尿素處理氨揮發速率先迅速升至峰值然后迅速下降，第10 d趨于平穩，30 d后氨揮發速率基本趨于零。氨揮發速率峰值出現在培養第5 d，CK1氨揮發速率峰值明顯高于添加腐植酸增效劑處理，說明腐植酸增效劑能降低潮土氨揮發速率。施用尿素處理氨揮發累積量在前8 d迅速增加，之后緩慢增加最后趨于平穩。在整個培養期間添加腐植酸增效劑處理的氨揮發累積量明顯低于CK1，CK1、HA1、HA2和HA3處理氨揮發累積量分別為3.07、2.77、2.71、2.73 mg／杯，由此說明腐植酸增效劑能明顯降低土壤氨揮發累積量，其中HA2處理氨揮發累積量最低。

紅壤中，CK在培養期間基本未檢測出氨揮發量。施用尿素處理氨揮發速率呈先增加后降低最后趨于穩定的趨勢，第5 d達峰值，HA1、HA2與HA3處理與CK1基本重合，說明腐植酸增效劑對紅壤氨揮發速率的影響不顯著。添加腐植酸增效劑處理氨揮發累積量一直低于CK1，CK1、HA1、HA2和HA3處理氨揮發累積量分別為3.08、2.89、2.91、2.94 kg／杯，HA1處理氨揮發累積量最少，比CK1處理降低6.17%，說明腐植酸增效劑能明顯降低土壤氨揮發累積量，其中HA1處理效果較好。

圖3 腐植酸增效劑對不同類型土壤氨揮發的影響

3 討論與結論

尿素是當前施用的主要固體肥料，占當前亞洲氮肥的80%［17］，不僅含氮量高、生產成本低、性質穩定且更易于存儲和施用。尿素施入土壤后，除少部分以酰胺態被植物吸收或被土壤固定外，大部分都在土壤脲酶的作用下水解形成銨態氮，然后在經過硝化和反硝化等作用轉化為硝態氮供植物吸收利用或以NO2、NH3等形式散失［18，19］。尿素在土壤中的分解與轉化和土壤的性質息息相關。因此盡管添加腐植酸可提高氮素利用效率，但不同土壤物理和化學性質不同，其影響特性及其適宜濃度都有較大差異。

潮土為我國北方傳統耕作土壤，有機質含量豐富、層理明顯、質地均一且土壤中物質淋溶與傳化作用較弱［20-22］。尿素施入后會在脲酶的作用下快速分解生成硝態氮、銨態氮并釋放氨氣。腐植酸的添加可顯著影響尿素的分解速度。培養1 d后，潮土中尿素態氮含量隨腐植酸用量的增加而增加，表明腐植酸可降低尿素的分解速率。其原因可能是腐植酸可降低土壤脲酶活性并改善土壤有機質含量。添加腐植酸后，培養前期抑制土壤銨態氮向硝態氮轉化，減少硝態氮的轉化量，培養后期促進土壤銨態氮向硝態氮的轉化，增加硝態氮的轉化量，并減少氨揮發。這與Moussavi［23］和裴瑞杰［24］等的研究結論相似。對于潮土而言，添加2%腐植酸增效劑效果較為明顯。

紅壤多是在中亞熱帶生物氣候條件下、年降水量在1 200 mm以上的環境中形成的，土壤上部呈酸性且易淋失，物質的生物循環維持在較高水平［25，26］。尿素添加腐植酸增效劑施入紅壤后，前期抑制土壤銨態氮向硝態氮轉化，減少硝態氮的轉化量，其氨揮發速率在第5 d達到峰值。培養中期促進土壤銨態氮向硝態氮的轉化，但在培養后期會抑制土壤中銨態氮向硝態氮的轉化。對于紅壤而言，添加1%腐植酸增效劑效果較為明顯。