控释尿素对土壤氨挥发及脲酶活性和氮淋溶的影响

曲均峰， 王国忠， 傅送保， 王洪波

(中海石油化学股份有限公司， 海南 东方 572600)



控释尿素对土壤氨挥发及脲酶活性和氮淋溶的影响

曲均峰， 王国忠， 傅送保， 王洪波

(中海石油化学股份有限公司， 海南 东方 572600)

为了解控释尿素氨挥发特征、氮淋溶特性及其对土壤脲酶活性的影响，为控释肥新产品的研发提供技术和理论支撑，采用静态吸收法和土壤淋溶法室内模拟试验，研究了2种控释尿素在红壤和褐土中的氨挥发、脲酶活性和氮淋溶情况。结果表明：控释肥不同程度降低了氨挥发和氮淋溶量。与普通尿素相比，控释尿素1和控释尿素2在红壤中氨挥发累积量减少60.0%～62.6%，褐土中减少42.9%～46.3%，两者显著降低了氨挥发的峰值，且在整个培养期表现出较好的稳定性。在施肥后的30 d内，控释尿素降低了土壤脲酶活性，延缓了尿素态氮在土壤中的转化进程，氮淋溶量分别较普通尿素少，氮淋洗量分别降低14.8%～25.9%和19.7～34.5%。控释尿素较普通尿素在消减氨排放和氮淋溶上具有明显的效果。

控释尿素； 室内模拟； 氨挥发； 氮淋溶； 脲酶活性

尿素是我国主要的化学氮肥品种，占氮肥消耗总量的65%左右。目前，我国农业尿素用量每年4 300多万t，由于利用率低，通过挥发、淋洗和径流等途径损失的尿素达2 100多万t，直接经济损失450亿元[1]，不仅造成资源的巨大浪费，而且对水体、生态环境等造成极大威胁[2-3]。

为提高氮肥利用率，国内外一直在改进施肥方法、优化配方施肥和加强田间管理等方面进行着大量研究。近年来，缓/控释肥料已经成为国内外研究的热点[4]，控释肥料的应用，能够根据作物生长发育的需求控制和供给养分的释放速度，大大降低养分的淋溶和挥发损失，减少肥料的用量，提高肥料的利用率[5]，增加干物质积累，并最终达到增产效果[6-7]，施用控释尿素可明显抑制NH3和NOx的挥发损失[8-12]。笔者通过聚氨酯原位表面反应包膜技术，制备控释尿素试验产品，进行土壤培养试验，研究其氨挥发特征、氮淋溶特性以及其对土壤脲酶活性的影响，以期为控释肥新产品的研发提供技术和理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试肥料：普通尿素(U，含N 46.0%)；控释尿素1(CRU1，含N 41.0%)；控释尿素2(CRU2，含N 43.0%)。

供试土壤：北方褐土，pH 8.5、全氮1.1 g/kg、速效氮36.0 mg/kg、速效磷32.7 mg/kg、速效钾148 mg/kg；南方红壤，pH 4.9、全氮1.01 g/kg、有效氮76.2 mg/kg、有效磷15.6 mg/kg、有效钾79.3 mg/kg。

1.2 氨挥发试验

1.3 淋溶特性试验

采用土柱淋溶法[15]。用200目滤布封塑料管底口，并在滤布上垫有少量砂子(25 g)的塑料管中(直径5 cm，高30 cm)模拟耕层按1.3 cm3容重先装入250 g(约10 cm高)土壤(风干、过2 mm筛)，再在其上按同样紧实度装入250 g土肥混合物(N 400 mg/kg)，土柱上面再以少量砂子(25 g)(所有砂子提前清洗干净)覆盖，以防加水时扰乱土层。以不加肥料的土柱作对照，每个处理重复3次。第1次先加入150 mL水使土壤水分接近饱和，培养1 d后再一次性加入150 mL水淋溶土柱，收集淋溶液。淋溶结束后以刺有小孔的塑料薄膜封闭塑料管上口，室温下培养3 d后，用200 mL水进行第2次淋溶，以后各次按同样操作进行，在培养2 d、6 d、10 d、14 d、18 d、22 d、26 d、30 d和38 d时进行淋溶，淋溶后收集淋溶液，记录淋洗溶液数量，混合均匀，取适量溶液，采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法[16]测定全氮含量。

1.4 数据分析

采用Excel 2007进行数据整理与分析。

2 结果与分析

2.1 氨挥发速率

氨挥发速率能确切反映不同阶段单位时间内肥料中氨挥发量的动态变化。如图1所示，不同施肥处理的氨挥发速率变化趋势基本相同，均先升高，达到极值后再下降，最后趋于平稳。普通尿素在红壤中第8天时氨挥发量达到最高峰，约为1 mg/d，而控释尿素1和控释尿素2未出现明显的高峰期。在试验的一个月时间内，普通尿素的氨挥发量始终高于包膜尿素。控释尿素1和控释尿素2在红壤上的氨挥发总量分别为2.93 mg和2.67 mg，而普通尿素在红壤的氨挥发量达7.14 mg，与普通尿素处理相比，2种控释尿素氨挥发抑制率为60.0%～62.6%。说明，控释尿素较普通尿素降低了肥料氨挥发损失。

不同肥料在褐土上的氨挥发量远小于红壤(图1)，这与土壤的理化性质有一定关系。与红壤中相似，普通尿素氨挥发的高峰期出现在试验的第8天，但2种控释尿素的最大氨挥发量小于普通尿素的氨挥发量。在试验的22 d内，控释尿素1和控释尿素2在褐土上的氨挥发总量分别为1.01 mg和0.95 mg，而普通尿素在红壤的氨挥发量达1.77 mg，氨挥发抑制率为42.9%～46.3%。说明，控释尿素在褐土上较普通尿素氨挥发损失少。

由此可见，无论在北方褐土还是南方红壤上，控释尿素处理的氨挥发速率均远小于普通尿素。可见，普通尿素经过包膜控释处理后，可有效地降低肥料施用前期的氨挥发速率。

图1 不同肥料在南方红壤和北方褐土上的氨挥发量

Fig.1 Ammonia volatilization amount of different urea fertilizers in red soil and brown soil

2.2 土壤脲酶活性

采用SPSS 19.0统计学软件对数据进行处理，计量资料以“±s”表示，采用t检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

在土壤酶中，脲酶是唯一对尿素的转化作用具有重大影响的酶[17]，施入土壤中的尿素只能在脲酶的参与下才能水解，脲酶的酶促反应产物N是植物N源之一，其活性可以表征土壤N素状况。

不同生育期、不同处理中脲酶活性有差异。从图2可以看出，整个培养时期，普通尿素处理土壤脲酶活性呈先降低、再升高后降低的变化趋势，控释尿素则表现相对平稳。在10 d内，2种控释尿素处理脲酶活性分别比普通尿素低63.3%和70.3%，所有施用肥料的土壤中脲酶活性均高于不施肥处理。控释肥处理脲酶活性较普通尿素低，说明控释尿素有效控制了肥料氮在土壤中的释放速率。

褐土中脲酶活性有相似规律(图2)。在施肥后5 d内，不同肥料间土壤脲酶活性差异不大；在5～15 d内，普通尿素脲酶活性高于控释肥处理；在16～30 d内，施用控释尿素2的土壤脲酶活性高于其他肥料处理，而施用控释尿素的土壤脲酶活性高于普通尿素，说明在施肥16 d后，施用控释尿素1的土壤中氮素有效性最高，其次为控释尿素2，施用普通尿素的土壤脲酶活性最低，脲酶活性提高比例分别为10.0%和15.8%，说明控释尿素有效控制了肥料氮在土壤中的释放速率，提高了施肥后期氮素的有效性。

尿素施入土壤后，能够激活土壤脲酶，使土壤脲酶活性增强。因而在培养前期，尿素处理的脲酶活性大于其他控释尿素的处理。但由于尿素在脲酶的作用下迅速水解，所以随着尿素浓度的降低，在培养中、后期，脲酶活性也逐渐降低，而2种控释尿素处理由于有包膜的一致作用，尿素释放延缓、量少，在培养前期脲酶活性低于尿素处理，而在后期尿素释放量相对较多，所以脲酶活性仍维持一定水平，高于普通尿素处理的脲酶活性。

图2 不同肥料在南方红壤和北方褐土的脲酶活性

Fig.2 Urease activity of different urea fertilizers in red soil and brown soil

2.3 氮淋溶率

通过模拟实验，测定淋溶液中的全氮含量变化，不仅可以表征控释肥料在土壤中的氮素释放特征，而且可以反映各种肥料在土壤中氮素淋溶的损失差异。

在南方红壤中，供试氮肥的N素淋出率随淋溶次数增加发生显著变化，并且不同肥料的氮素淋出情况不同(图3)。对于普通尿素，第1次淋溶出现氮素淋出高峰，淋溶量达43.2 mg，占施肥量的21.58%，达总淋出量的59.2%，随后淋出量急剧下降，说明普通尿素施入土壤后，在有足量的水分条件下十分易于淋溶损失，因此难以有效持久地供给作物利用。2种控释尿素淋出动态与尿素相似，都是第1次淋溶时出现淋失高峰，淋溶量分别为24.22 mg和19.50 mg，占施肥量的12.11%和9.75%，为淋失总量的38.98%和36.10%。说明，虽然控释尿素较普通尿素可以减少肥料的淋溶损失，但其前期也存在一定量的速效成分，保证作物前期需要。

从变化动态来看，控释尿素与普通尿素处理相比其峰值低得多，他们在9次淋溶中的变化趋势较小，第1次淋溶后，其氮素的淋出速率变缓，其下降幅度比尿素小，并且从第4次开始控释尿素1淋出量均高于普通尿素，控释尿素2从第5次开始高于普通尿素，说明控释肥1和控释肥2都具有一定缓释性能，其释放高峰较普通尿素延迟。在南方红壤中，从氮素淋溶总量来看，9次累积淋出量顺序为：U(72.9 mg )>CRU1(62.1 mg)>CRU2(54.0 mg)，淋出总量分别占施肥总量的35.96%、31.08%和27.01%，控释尿素1和控释尿素2的N素累积淋失率均显著低于尿素对照(P<0.05)，降低量分别为14.8%和25.9%，说明控释尿素1和控释尿素2均能在不同程度上减少N素的淋失。

图3 不同肥料在南方红壤和北方褐土中的氮素淋出率

Fig.3 Nitrogen leaching loss rate of different urea fertilizers in red soil and brown soil

在北方褐土中，其变化趋式与红壤基本一样，只是淋出量减少，这与土壤性质有关。第1次淋溶时，尿素淋出量33.5 mg，占施肥量的16.7%，达到总淋出量的59.2%；控释尿素1和控释尿素2分别淋出15.3 mg和8.7 mg，分别占施肥量的7.7%和4.4%，为总淋出量的33.8%和23.7%。在北方褐土中，9次累积淋出量顺序为：U(56.5 mg )>CRU1(45.4 mg)>CRU2(37.0 mg)，淋出总量分别占施肥总量的28.27%、22.69%和18.51%，与普通尿素相比，控释尿素氮淋溶量分别降低量19.7%(CRU1)和34.5%(CRU2)，CRU1，CRU2的N素累积淋失率均显著低于尿素对照(P<0.001)。

可见，控释尿素在北方褐土和南方红壤上均能大幅减少氮素的淋溶，提高氮素的利用。

3 结论与讨论

氨挥发和氮素淋溶是农田氮肥损失的两个主要方面[18]。究其原因，主要是氮肥的速溶性使其供肥特性不能与作物需求同步，导致养分不能被充分吸收，造成前期浪费，后期养分不足。控释肥的出现，降低了氮素损失[19-20]。据报道，肥料包膜处理比无膜处理减少氨挥发30.0%，杜建军等[19]应用和本试验相同方法，在31天内分12次测定了尿素的氨挥发速率及总量，结果表明：尿素在培养后的第4天氨挥发量达到峰值，然后快速下降。在本试验条件下，各处理的氨挥发在第8天达到高峰，这与前人的研究结果较为相似。本研究结果表明，控释尿素显著降低了氨挥发损失率，其中控释肥2的氨挥发量最低。控释尿素的施用可减少因肥料施用造成的农业生态环境污染。

土壤脲酶是土壤中广泛存在的一种酶，能促进尿素水解，与土壤中氮素转化有密切关系，尿素氮的挥发损失主要与土壤脲酶活性有关[21-23]。控释尿素[24]通过减缓氮素的释放速度，延长氮素的释放周期，从而使土壤脲酶活性维持在较稳定的范围内，以达到提高氮肥利用率的目的，这也是降低其土壤氨挥发量的重要原因。与普通尿素相比，控释肥前30天都保持了较低的酶活性。由此可知，包膜材料阻隔膜内尿素与土壤脲酶的直接接触及阻碍膜内尿素溶出过程所必需的水分运移[19]，控释尿素减少尿素氮的转化，降低了土壤中因氨的大量积累而造成的氨挥发损失；其在培养中后期相对较高的脲酶活性，表明新型尿素延长了尿素转化的周期，保证其在较长时间内仍有相对较高的肥效，从而有利于提高氮肥利用率。

对氮素淋溶来说，肥料氮释放量直接决定了氮素淋溶量[25]，因此，控释肥在土壤中的控释特性不仅可以作为衡量控释氮肥质量的重要指标，而且可作为评估氨挥发和氮素淋溶的重要参考指标。对缓释尿素和普通尿素的淋失率研究表明，缓释尿素能起到很明显的缓释作用，9次累积淋出量顺序为：U(72.91 mg )>CRU1(62.15 mg)>CRU2(54.02 mg)，在北方褐土中，9次累积淋出量顺序为：U(56.53 mg )>CRU1(45.37 mg)> CRU2(37.02 mg)。

由于笔者采用模拟条件来研究控释肥料的影响，自然条件影响小，还不能准确地体现出控释肥施到田间产生的效果，因此，要更准确地反应控释肥料的优势，需在田间进一步验证。

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(责任编辑： 刘 海)

Effects of Controlled-release Urea on Soil Ammonia Volatilization, Urease Activity and N Leaching

QU Junfeng, WANG Guozhong, FU Songbao, WANG Hongbo

(ChinaBlueChemicalCo.,Ltd.,Dongfang,Hainan572600,China)

The ammonia volatilization, urease activity and nitrogen leaching of two controlled-release urea in red soil and brown soil were analyzed by static absorption and soil leaching methods to study the effect of controlled-release urea on ammonia volatilization, nitrogen leaching and soil urease activity and to provide the technical and theoretical support for development of new controlled-release fertilizers. The results showed that controlled-release fertilizer reduces ammonia volatilization and nitrogen leaching loss to varying degree. Ammonia volatilization accumulation of controlled-release urea 1 and 2 reduces by 60.0%～62.6% and 42.9%～46.3% in red soil and brown soil compared with common urea respectively. Controlled-release urea reduces the peak value of ammonia volatilization significantly, performances the better stability during whole culture period, reduce soil urease activity and delay the transformation process of urea-N in soil within 30 d after application. Nitrogen leaching loss of controlled-release urea 1 and 2 is 14.8%～25.9% and 19.7～34.5% lower than common urea. In conclusion, controlled-release urea has the significant reduction effect on ammonia emission and nitrogen leaching loss compared with common urea.

controlled-release urea; indoor simulation; ammonia volatilization; N leaching; urease activity

2014-12-11； 2015-06-28修回

海南省产学研一体化专项资金“控释BB肥高效施用关键技术研究与示范”(CXY20130037)；海南省重点实验室和工程技术研究中心建设专项资金“聚合物包膜控释肥工业化关键技术研究”(gczx2014008)

曲均峰(1980-)，男，工程师，硕士，从事新肥料开发及应用研究。E-mail: qjf_1980@163.com

1001-3601(2015)07-0371-0097-04

S143.1

A