在砖红壤中施用不同氮肥后的氮素淋溶动态与特性研究

王莉 刘海林 林清火 华元刚 罗微 茶正早

摘 要 为探讨不同氮肥在砖红壤中的养分释放特性，本研究采用土柱淋溶试验，研究了普通尿素、腐植酸脲及缓释氮肥（自制）在分别由花岗岩、砂页岩、浅海沉积物、玄武岩母质发育的4种砖红壤中的淋溶特性及动态，采用一级动力学方程Nt=No（1-e-kt）、Elovich方程qt=a+blnt、抛物线方程qt=a+bt0.5对肥料在不同砖红壤中的氮素累积释放动态变化进行描述。结果表明，一级动力学方程拟合程度最高（0.936 0**～0.995 0**），抛物线方程次之（0.923 8**～0.986 4**）。氮素最大释放率（No值）与氮素累积释放率变化趋势一致，均为尿素﹥腐脲﹥缓释氮肥。淋溶曲线表明，缓释氮肥和腐植酸脲均能减小氮素淋出率，降低氮素淋出量，减少氮素的淋溶损失，且缓释氮肥效果更显著。与尿素相比，在4种砖红壤中缓释氮肥的氮素淋出量减少了41.47%～48.62%，腐植酸脲的氮素淋出量减少了6.21%～9.32%。尿素、腐植酸脲、缓释氮肥在砂页岩砖红壤中的首次氮素淋出率均为最大；尿素、腐植酸脲在浅海沉积物砖红壤中累积氮素淋出率最小，而缓释氮肥在玄武岩砖红壤中累积氮素淋出率最小。本研究可为热区土壤的合理施肥提供理论依据。

关键词 缓释氮肥；淋溶；砖红壤

中图分类号 S143.1 文献标识码 A

Abstract In order to investigate the nutrient release characteristics of different nitrogen fertilizers in four types of laterite， soil column leaching methods were used to study the leaching characteristics in granite latosol， sandy shale laterite， shallow sediments latosol， basalt latosol four types latosol of urea， humic acid urea and slow-release nitrogen fertilizer（homemade）. The dynamic changes of the cumulative release of nitrogen fertilizer in different laterite was described with the first-order kinetics equation Nt=No（1-e-kt）， Elovich equation qt=a+blnt and parabolic equation qt=a+bt0.5. The first-order kinetic equation had the highest fitting degree（0.936 0**～0.995 0**）， The parabolic equation was in the second position（0.923 8**～0.986 4**）. The maximum nitrogen release rate（No）of different fertilizers was the same as that of nitrogen accumulation in the order urea>humic acid urea>slow-release nitrogen fertilizer SRFs and humic acid urea could reduce the rate and amount of nitrogen leaching. In the three kinds of fertilizers， the slow release nitrogen fertilizer（SRFs）had better performance. Compared with urea， the nitrogen leaching amount of SRFs decreased by 41.47%-48.62% in the four kinds of latosols， and the humic acid urea decreased by 6.21%-9.32%. The nitrogen leaching rate of urea， humic acid urea， SRFs was the largest in sandy shale laterite. The accumulated N leaching rate of urea and humic acid urea was the minimum in shallow sediments latosol， and SRFs was the smallest in basalt latosol. This study could provide a theoretical basis for rational fertilization of soils in tropical areas.

Key words Slow release nitrogen fertilizer； leaching； latosols

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.12.006

隨着全球人口的快速增长和耕地面积减少，粮食供应问题成为了全球关注的焦点，而施用化肥是提高作物产量的重要农艺措施之一。中国作为农业大国，肥料用量约占世界总用量的30%，然而在肥料投入量上升的同时中国肥料利用率却维持在相对较低水平，肥料氮素损失尤为严重，研究表明，中国主要粮食作物的氮肥利用率变幅在10.8%～40.5%，平均为27.5%[1]。过量的氮肥施入土壤后，大部分的肥料氮素通过氨挥发、硝化-反硝化、径流与淋洗等途径损失。氮素损失会造成系列环境污染问题[2-3]，关于如何减少氮淋失，提高氮素利用率，国内外科学工作者开展了大量的研究[4-6]。因此，必须研究和应用新工艺、新技术、新措施，以减少肥料损失。

20世纪70年代，中国开始了对缓释肥料的研究[7]，缓释肥料能够减缓养分释放，延长肥效期，减少肥料养分损失[8-9]，施用缓释肥料是提高肥料利用率、减轻施肥对环境污染的有效措施。另外，自然界中部分类营养物质也具有肥料增效功能，如腐植酸作为自然界中广泛存在的大分子有机物质，与肥料结合，也具有提高肥料利用率、改良土壤、增加土壤速效养分及提高作物产量的作用[10-12]。近年来，对于缓释肥料的研究主要集中在肥料的开发方面，而使用缓释肥料对环境效应的影响方面研究较少[13-15]，关于不同的氮肥在不同土壤质地的砖红壤中施用的效果差异未见报道。为此，本研究将尿素、腐植酸和醛类交联剂为材料，通过活化、加成、缩合等工艺制备缓释氮肥，使其兼具腐植酸增效和微溶性有机氮缓释的优点，并采用土柱淋溶试验[16]研究了缓释氮肥在海南省4种代表性的砖红壤中的养分释放特性，为缓释氮肥在热区砖红壤中的科学施用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试肥料：普通尿素（U），含氮量46%；腐脲（自制），含氮量41.22%；缓释氮肥由尿素、腐植酸和醛类交联剂在一定条件下通过化学反应制备而成，氮含量31.16%，pH为8.96。

供试土壤分别为浅花岗岩发育的砖红壤、砂页岩发育的砖红壤、海沉积物发育的砖红壤、玄武岩发育的砖红壤共4种砖红壤。采回后自然风干，过2 mm筛，土壤理化性质见表1。

1.2 方法

采用土柱淋溶法，在PVC管的底部包200目的滤布，并在滤布上垫100 g的石英砂。先在石英砂上按各个土壤的比重压实300 g的土壤，再在其上按同樣紧实度装入300 g土肥混合物（1 gN/kg土），最后加入100 g石英砂，防止土层扰动。试验时，每个土柱先加水至接近饱和后静置24 h，然后加200 mL去离子水淋溶，用锥形瓶收集淋溶液，至不再有水滴出为止；对淋溶液进行摇匀取样，用连续流动分析仪（德国Bran+Luebbe公司AA3）测定液样中氮含量；以刺有小孔的塑料薄膜封闭PVC管上口，于室温培养2 d后，继续添加200 mL去离子水进行第二次淋溶，同时收集淋出液，并取样液分析；之后分别按同样方法进行操作，共淋溶10次；以不加肥料的土柱作为空白对照，每个处理重复3次。

1.3 数据处理

采用Excel处理数据和制作图表，采用IBM SPSS Statistics 22软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮肥在砖红壤中的氮素累积淋出率曲线

图1为缓释氮肥在4种砖红壤中的氮素累积释放曲线。由图可知，尿素在花岗岩、砂页岩、浅海沉积物、玄武岩砖红壤中的氮素累积淋出率曲线均呈“L”型，即首次氮素淋出率均接近或超过80%，且在前5次淋溶过程中缓慢增加，而后呈水平直线状。腐植酸尿素、缓释氮肥在4种砖红壤中氮素累积淋出率曲线均表现为首次氮素淋出率小于尿素处理，而后呈缓慢增加趋势。整个淋溶期间，在4种砖红壤中缓释氮肥的氮素累积淋出率小于尿素和腐植酸脲处理，且尿素氮素累积淋出率最大。

在花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤以及玄武岩砖红壤中，尿素的首次淋出氮量分别达到总施氮量的72.14%、84.56%、79.11%、78.03%，说明普通尿素在施入土壤后，只要有足够多的水分淋洗，尿素中的氮素极易通过淋溶途径流失；腐植酸脲首次淋出氮量分别达到总施氮量的57.65%、64.33%、63.33%、63.88%，而缓释氮肥首次淋出氮量分别达到总施氮量的28.00%、32.81%、30.49%、23.88%。在浅海沉积物砖红壤和花岗岩砖红壤中，尿素在整个淋溶期间的累积淋出氮量分别为总施氮量的93.34%、95.33%；在砂页岩砖红壤中，尿素的氮素累积淋出量在第5次淋溶时达到总施氮量的100%；玄武岩砖红壤经过6次淋溶已将尿素的氮素全部淋出。在花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤以及玄武岩砖红壤中，腐植酸脲在整个淋溶期间的累积淋出氮量分别达到总施氮量的86.89%、93.14%、84.64%、93.79%，而缓释肥料淋溶结束时的氮素累积淋出率分别为55.80%、56.97%、53.86%、51.38%。与尿素相比，缓释氮肥的氮素淋出量减少了41.47%～48.62%，腐植酸脲的氮素淋出量减少了6.21%～9.32%。由次可见，缓释氮肥和腐植酸脲均能延缓氮素释放，减少氮素的淋溶损失，且缓释氮肥效果更明显。

2.2 动力学方程

对肥料在不同砖红壤中的氮素累积释放动态变化分别用一级动力学方程Nt=No（1-e-kt）、Elovich方程qt=a+blnt、抛物线方程qt=a+bt0.5进行了拟合（表2），拟合度均很高。从变幅和相关系数大小看，一级动力学方程拟合程度最高（0.936 0**～0.995 0**），抛物线方程的次之（0.923 8**～0.986 4**）。不同类别的砖红壤中，一级动力学方程拟合的3种肥料最大氮素淋出率（No值）均是尿素﹥腐植酸脲﹥缓释氮肥，这与它们各自的积累量变化趋势相一致；氮素释放速率常数（k值）均为尿素﹥腐植酸脲﹥缓释氮肥，显然，在4种类别砖红壤中尿素、腐植酸脲及缓释氮肥的No值、k值变化规律一致，说明尿素在4种类别砖红壤中不但最大氮素淋出率高且可溶性强，氮素淋出速率快。在Elovich方程及抛物线方程中，参数b是斜率，表示氮素释放速率。比较b值可以发现，除了浅海沉积物中的氮素释放速率为缓释氮肥﹥腐植酸脲﹥尿素，其他3种类别砖红壤中的氮素释放速率均为腐植酸脲﹥缓释氮肥﹥尿素。

2.3 不同氮肥在不同砖红壤中首次氮素淋出率差异分析

进一步对不同氮肥在4种砖红壤中的首次氮素淋出率进行统计分析（表3）可知，在花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤、玄武岩砖红壤中，尿素、腐植酸脲及缓释氮肥的首次氮素淋出率处理间差异显著（p<0.05），尿素的首次氮素淋出率最大，腐植酸脲次之，缓释氮肥首次氮素淋出率显著小于普通尿素及腐植酸脲处理；其中，缓释氮肥的首次氮素淋出率分别较尿素减少了61.19%、61.20%、61.46%、69.40%，腐植酸脲的首次氮素淋出率分别较尿素减少了20.09%、23.92%、19.95%、18.13%。

比较同一种肥料在不同砖红壤中首次氮素淋出率可知，尿素在砂页岩砖红壤中的首次氮素淋出率显著大于在其他砖红壤中的首次氮素淋出率（p<0.05），浅海沉积物砖红壤和玄武岩砖红壤之间的首次氮素淋出率无明显差异，但是均显著大于在花岗岩砖红壤的首次氮素淋出率（p<0.05）。从腐植酸脲在4种砖红壤中的首次氮素累积淋出率统计结果可知，腐植酸脲在浅海沉积物、砂页岩及玄武岩砖红壤中的首次氮素淋出率无显著差异（p<0.05），但与其在花岗岩砖红壤中的首次氮素淋出率存在显著差异。缓释氮肥在4种砖红壤中的首次氮素淋出率之间差异显著（p<0.05），且缓释氮肥在砂页岩砖红壤中的首次氮素淋出率显著大于在其他砖红壤处理中的首次氮素淋出率。结果还表明尿素、腐植酸脲、缓释氮肥在砂页岩砖红壤中的氮素淋出率均最大，表明氮素施入砂页岩砖红壤后更易通过淋溶途径流失。

2.4 缓释肥料在不同砖红壤中的氮素累积淋出率差异分析

由尿素、腐植酸脲和缓释氮肥在4种砖红壤中的氮素累积淋出率（10次淋溶）统计结果（表4）可知，在花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤、玄武岩砖红壤中3种肥料的氮素累积淋出率均表现为尿素>腐植酸脲>缓释氮肥，且各肥料处理间差异显著（p<0.05）；与尿素相比，缓释氮肥在花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤、玄武岩砖红壤中的氮素累积淋出率分别减少了41.47%、43.03%、42.30%、48.62%，腐植酸脲在花岗岩砖红壤、砂页岩砖红壤、浅海沉积物砖红壤、玄武岩砖红壤中的氮素累积淋出率分别减少了8.85%、6.86%、9.32%、6.21%。

分析同种肥料在不同类型砖红壤中的氮素累积淋出率发现，尿素在砂页岩砖红壤及玄武岩砖红壤中的累积氮素淋出率相等，但与尿素在浅海沉积物砖红壤及花岗岩砖红壤的氮素累积淋出率差异显著（p<0.05），而尿素在浅海沉积物砖红壤中的氮素累积淋出率显著小于花岗岩砖红壤处理（p<0.05）。由腐植酸脲和缓释氮肥的氮素累积淋出率结果可知，腐植酸脲在砂页岩砖红壤和玄武岩砖红壤中的氮素累积淋出率差异不显著，在浅海沉积物砖红壤和花岗岩砖红壤中累积氮素淋出率差异不显著（p<0.05）；缓释氮肥在花岗岩砖红壤及砂页岩砖红壤中的氮素累积淋出率差异未达到显著水平，但与其在浅海沉积物砖红壤、玄武岩砖红壤中的氮素累积淋出率差异显著。由此可见，尿素、腐植酸脲在浅海沉积物砖红壤中氮素累积淋出率最小，而缓释氮肥在玄武岩砖红壤中氮素累积淋出率最小。

3 讨论

海南属于热带季风气候，全年暖热，雨量充沛，氮肥施入土壤后若不能被植物及时吸收，极易经淋洗流失。缓释肥料具有养分释放缓慢、肥料利用率高、肥效期长等优点[17-19]，在热区施用缓释肥料将是降低热区氮素损失、提高热区肥料利用率的有效措施。本研究结果表明，腐植酸脲与普通尿素相比，能够明显减小氮素淋出率，减少氮素淋溶损失，这与王日鑫等[20-21]、周爽等[22]的研究结果一致，这可能与腐植酸脲中含有的腐殖质有关，施用腐植酸脲增加了土壤中腐殖质的含量，腐殖质对铵具有吸附作用，因此能减缓氮素的淋出。相对于尿素，本研究自制缓释氮肥能减少41.47%～48.62%氮素损失，这与缓释氮肥自身性质有关。缓释氮肥为微溶性有机氮肥，主要由速效氮、缓释氮组成，缓释氮需要经过土壤微生物分解才能转化为铵态氮和硝态氮，因此当缓释氮肥中的可溶性氮全部淋出之后，后期淋出的氮素均为经土壤微生物分解的缓释氮和长效氮部分，因此淋溶后期缓释氮肥氮素淋出率较小，且整个淋溶期内缓释氮肥氮素淋出总量小于尿素和腐植酸脲。由此可知，缓释氮肥的养分释放缓慢，延长肥效期，且能够有效减少肥料氮素淋出率，减少氮淋溶损失。

一般来说，影响农田氮素淋溶损失的主要因素有降雨和灌溉、施氮状况、土壤性质、耕作方式等。质地轻的土壤，由于土壤粘粒和腐殖质含量低，对铵离子的吸附能力较弱，土壤存在较多大孔隙，更有利于水分和养分的下渗，因而氮素易通过淋溶途径流失。通过对比美国制土壤质地分类以及4种砖红壤机械组成（表1）可知[23]，浅海沉积物发育的砖红壤（砂粒含量为61.5%）和砂页岩发育的砖红壤（砂粒含量为64.8%）为沙壤；花岗岩发育的砖红壤（砂粒含量为52.0%）和玄武岩发育的砖红壤（砂粒含量为48.0%）为壤土。从同种肥料在由不同成土母质发育的砖红壤中的氮素淋溶结果可知，在砂粒含量高的砂页岩砖红壤中的氮素首次淋出率及累积淋出率显著高于其他类型砖红壤，说明砂粒含量高的土壤能够显著增加氮素淋溶损失的风险，这与曹雪艳等[24]、苏永中等[25]对农田氮素淋溶的观测结论一致。而玄武岩砖红壤的首次氮素淋出率较其他3种类别砖红壤低，但是经过6次淋溶后，其首次氮素淋出率显著高于浅海沉积物砖红壤及花岗岩砖红壤，其原因可能与玄武岩砖红壤中粉粒含量最大、有机质含量高、微生物活性强及缓释氮肥的缓释氮在玄武岩砖红壤中降解速度较其他砖红壤快有关。

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