腐植酸对土壤氮素转化及氨挥发损失的影响

王 平，付战勇，李絮花*，刘 敏，刘文博

(1.土肥资源高效利用国家工程实验室，山东农业大学资源与环境学院，山东 泰安 271018； 2.山东农业大学林学院，山东 泰安 271018)

施用氮肥是提高作物产量、保持土壤肥力的主要措施之一[1]，研究表明，我国氮肥利用率约为30%，比发达国家低20～30个百分点，而70%左右的氮肥通过氨挥发、硝化-反硝化、淋洗、径流等途径损失，造成氮肥资源严重浪费[2]。目前我国氮肥的主要品种之一是尿素[3]，尿素是小分子有机态氮肥，施入土壤后，短时间内被转化为速效氮，若不能及时被作物吸收，易通过各种途径损失，导致尿素利用率低，因此对尿素改性增效，提高氮素利用率，降低氮素损失势在必行。

腐植酸作为肥料添加剂[4-6]受到广大学者的关注。腐植酸含有多种官能团(羟基、羧基、甲氧基、醌基和酚羟基)，具有亲水性、螯合络合、氧化还原和吸附能力[7]。研究证明，腐植酸可提高作物产量，促进作物氮素吸收[8-9]；同时腐植酸具有保水保肥[10-11]，提高养分利用率[12]，减少氮素淋溶[13]等作用。但针对腐植酸如何影响土壤中氮素转化和氨挥发损失的研究却鲜有报道，因此试验添加不同用量腐植酸，研究腐植酸对尿素的改性增效作用，探讨其对氨挥发和土壤氮素转化的影响规律，揭示腐植酸对尿素的增效机理，为开发利用腐植酸资源，提高氮肥利用率提供科学依据。

1 材料与方法

试验于2016年5月至8月在山东农业大学资源与环境学院实验室进行。供试土壤采自中国农业科学院德州实验站禹城试验基地低肥力0～20 cm的耕层土壤，混匀，风干，磨碎并过3 mm筛，保存备用。土壤类型为潮土，质地为轻壤，供试土壤有机质15.95 g·kg-1，全氮0.31 g·kg-1，有效磷(P)7.58 mg·kg-1，速效钾(K)150 mg·kg-1。

供试腐植酸由某公司提供，其元素含量见表1。

表1 供试腐植酸元素含量、原子比例

1.1 试验设计

1.1.1 培养试验

本试验采用培养试验方法，共设6个处理(0、5%、10%、25%、50%、75%HA)，分别为每千克土壤腐植酸施用量0、50、100、250、500、750 g；氮、磷、钾肥按照N、P2O5、K2O施用量0.2、0.1、0.2 g·kg-1添加，供试氮肥为尿素(N 46%)，磷肥为过磷酸钙(P2O511%)，钾肥为硫酸钾(K2O 50%)，27次重复，随机排列。将肥料、腐植酸与过3 mm筛的150 g土样(以干土计)充分混匀后装入培养杯(高15 cm，直径8 cm)中，将含水量调至田间持水量的70%，用扎有小孔的保鲜膜封口，置于25 ℃恒温培养箱中避光培养，在培养过程中损失的水分通过称重法补充。分别于第3、5、7、14、28、42、56、84、112 d取样，一部分鲜样用于测定土壤硝、铵态氮含量和土壤含水量，剩余土壤风干后测定土壤脲酶活性。土壤铵态氮、硝态氮测定采用2 mol·L-1氯化钾溶液浸提，流动注射分析仪比色测定；土壤脲酶活性采用比色法测定[14]。

1.1.2 氨挥发试验

试验处理同上，氨挥发的测定采用通气法[15]。称取过3 mm筛的土壤300 g(以干土计)，将土壤、肥料和腐植酸混匀后放入塑料杯中，调节含水量为田间持水量的70%，之后在塑料杯上面安置一个高10 cm的PVC管，用固体胶进行密封，注入水用于检查装置的密封性，若塑料杯和PVC管的连接处无水溢出，则表示装置不漏气，如有则重新密封(图1)。测定过程中，分别将两块厚度均为2 cm、直径为8 cm海绵均匀涂抹7.5 mL磷酸甘油溶液，下层海绵(吸收土壤挥发的氨气)距土壤界面4 cm，上层海绵(用于吸收空气中的氨气)与管口相平。每个处理设置3个重复，将其放入培养箱中培养，每24 h更换一次下层海绵，上层海绵可视其湿润程度3～7 d更换一次，持续一周后，下层海绵每3～4 d更换一次，4次之后，一周更换一次。更换的上层海绵不需要测定里面的铵态氮含量；下层海绵分别立即装入250 mL的塑料瓶中，加150 mL 1.0 mol·L-1的KCl溶液，震荡1 h后，用流动注射分析仪测定铵态氮含量。由下式计算土壤的氨挥发速率：

NH3-N(mg·杯-1)=M/D

其中，M为通气法单个装置平均每次测得的氨量(NH3-N,mg)；D为每次连续捕获的时间(d)。

1.2 数据处理与分析

每日氨挥发通量计算公式：

NH3-N(mg·杯-1)=M

其中，M为通气法单个装置平均每日测得的氨量(NH3-N,mg)。

图1 测定室内培养土壤氨挥发的通气装置

采用Excel 2013软件对数据进行处理和作图。

2 结果与分析

2.1 腐植酸对土壤脲酶活性的影响

土壤脲酶又称作脲酰基水解酶，是土壤中尿素转化的关键酶[17]。整个培养期间，各处理土壤脲酶活性有相同的变化趋势(图2)。在前期土壤脲酶活性呈现增高趋势，之后降低，至第14 d土壤脲酶活性降到最低，随后随着时间的推移又呈增加趋势。在第5 d时，各处理土壤脲酶活性出现高峰，5%、10%、25%、50%HA处理的土壤脲酶活性较对照分别提高了50.60%、44.07%、33.76%、6.08%，而75%HA处理的土壤脲酶活性较对照降低了13.28%。培养14 d后，不同用量的腐植酸处理均能提高土壤脲酶活性。

2.2 腐植酸对氨挥发的影响

尿素施入土壤后，大部分在土壤脲酶的作用下水解为(NH4)2CO3，进而释放出氨气[18]。由图3a可以看出，尿素施入土壤后氨挥发速率迅速增加，并达到高峰，随后迅速下降，至15 d后呈缓慢降低趋势。在第2 d出现峰值时，CK的氨挥发速率最大，为1.83 mg·杯-1·d-1(以N计)，而5%、10%、25%、50%、75%HA处理的氨挥发速率峰值分别为1.56、1.46、1.48、1.67、1.28 mg·杯-1·d-1(以N计)，平均降低了18.44%。与CK处理相比，腐植酸处理的氨挥发速率在前6 d相对较低，其中腐植酸添加量为75%处理的氨挥发速率最低。

图2 腐植酸对土壤脲酶活性的影响

图3 腐植酸对氨挥发速率和累积氨挥发量的影响

图3b表明，前期累积氨挥发量变化不明显，随着时间的推移，累积氨挥发量出现差异，且随着腐植酸用量的增加，累积氨挥发量呈降低趋势。各处理的氨挥发总量明显低于对照，5%、10%、25%、50%、75%HA处理分别比CK减少氨挥发损失6.66%、11.55%、10.96%、11.86%、19.38%，说明腐植酸的施用可以明显降低氨挥发量，一方面可能是由于腐植酸减少了尿素向铵态氮的转化；另一方面可能是由于腐植酸的吸附作用，减少了氨挥发，具体原因有待于进一步研究。

2.3 腐植酸对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

图4 腐植酸对土壤铵态氮和硝态氮含量的影响

各处理随着时间的推移，土壤硝态氮含量呈增加趋势(图4b)。前7 d，土壤中硝态氮含量增加速度较为缓慢，甚至有的处理呈现出减少的趋势，且使用腐植酸处理的土壤硝态氮含量低于CK，至112 d，不同处理的土壤中铵态氮含量已经很低，此时土壤中的无机氮主要以硝态氮的形式存在。

2.4 腐植酸对土壤硝化率的影响

土壤表观硝化率是指土壤中硝态氮浓度占铵态氮和硝态氮浓度之和的百分比，能够反映土壤的硝化作用强弱[19-20]。随着培养天数的增加，土壤表观硝化率逐渐升高，于培养后期趋于稳定(图5)。在第112 d时，各处理的土壤表观硝化率均达到80%以上。从培养开始到第7 d时，所有处理的土壤表观硝化率均处于一个稳定的状态，至7 d后，土壤表观硝化率大幅度升高，至84 d后，各处理间土壤表观硝化率差异不显著。与对照相比，施用腐植酸能明显降低土壤的硝化比率，且腐植酸的施用量越多，土壤表观硝化率就越低。

3 讨论与结论

图5 腐植酸对土壤表观硝化率的影响

脲酶活性在一定程度上反映了土壤的供氮水平，是土壤中氮素循环转化的重要酶[25]。前期各处理的土壤脲酶活性呈现先增加后降低的趋势，这主要是由于尿素施入土壤后被分解的过程中能激活土壤脲酶活性，随着培养时间的延长，氮浓度下降，土壤脲酶活性降低[26]。大量研究表明，脲酶活性低是导致氨挥发量减少的一个重要因素[21-22]，这在本文中也得到证实，在吸附强度相同的条件下，75%HA处理显著减少了氨挥发量(P<0.05)，主要是由于前期(培养前7 d)75%HA处理的土壤脲酶活性低于CK处理的土壤脲酶活性，抑制了尿素在土壤中的转化速度，降低了氨的大量累积，从而显著减少了土壤氨挥发损失[27]。

土壤铵态氮含量与土壤脲酶活性、氨挥发有密切关系。本试验研究表明，腐植酸的施用提高了土壤脲酶活性，加速了尿素水解生成铵，进而释放大量的NH3，由于腐植酸具有强大的内表面积和较强的吸附能力，减少了氨挥发，明显增加了土壤中铵态氮含量。在培养过程中，随腐植酸用量的增加，土壤铵态氮的含量呈增加趋势，却减少了土壤硝态氮的含量，这可能是由于腐植酸的施用对硝化细菌有抑制作用，延缓了铵态氮向硝态氮的转化，有效地减少了硝态氮淋溶损失和反硝化损失，但具体原因还需进一步研究。