海藻酸增效剂对尿素在土壤中转化及损失的调控

张 静，冀建华，李絮花*，陈 亮

（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.江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，江西 南昌 330200；3.曲阜市农业局，山东 曲阜 273100）

世界农业发展的实践证明，施用氮磷肥是提高作物产量、保持土壤肥力最快、最有效、最重要的措施之一［1-2］。我国以占世界7%的耕地养活了占世界22%的人口，取得举世瞩目的伟大成就，化肥施用对于粮食增产起到了重要作用［1-5］。朱兆 良［6-7］在1992年和1998年分别指出当时主要粮食作物氮肥利用率为28%～41%、30%～35%。氮肥在施入土壤之后可以在短时间内转化为速效氮，若速效氮不能及时被作物吸收，则会通过氨挥发、硝化-反硝化、淋溶和径流等途径损失掉，直接导致氮肥利用率低，土壤质量下降等问题［8］。化肥的低利用率不仅带来严重的经济损失，同时也导致环境风险加大，因此提高化肥利用率已经成为我国肥料施用及肥料产业的重要研究方向［9］。

肥料增效剂是添加到肥料中促进和改善作物对肥料的吸收、利用，从而提高肥料利用率的有机或无机物质［10］。将海藻酸作为肥料的增效剂已经受到了广大学者的关注，并通过大量的科学实践取得了肯定的结果［11-13］。海藻酸是以海藻为生产原料，利用微生物发酵的方法制成的小分子活性物质［11，14-15］。将海藻酸作为肥料增效载体添加到尿素中，可以显著提高尿素氮肥利用率［16］。针对海藻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，本文通过对海藻酸增效载体对氮肥在土壤中转化及损失影响的研究，探讨其对氮肥在土壤中转化的机制，旨在为进一步开发利用海藻酸资源，提高氮肥利用率和海藻酸增效氮肥研发提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤和肥料

试验于2017年10月至2018年4月在江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所实验室进行。供试土壤：石灰性潮土、黄褐土，分别采自山东和安徽0～20 cm的耕层土壤，自然风干后磨碎并过2 mm筛，保存备用。供试肥料：海藻酸增效尿素（全氮含量为44.0%）。将活化海藻酸按3%的比例添加到熔融尿素中，充分混合均匀，冷却后制成粉末，制成海藻酸增效尿素试验产品。采用常规分析方法测定土壤养分，供试土壤肥力情况见 表1。

表1 土壤理化性质

1.2 试验方案

1.2.1 培养试验

本试验采用培养试验方法，每种土壤类型设置CK（不施尿素）、U（普通尿素）、AU（海藻酸增效尿素）3个处理，每个处理重复3次。每个处理施氮量为300 mg·kg-1干土，先调节土壤含水量为田间持水量的60%，预培养7 d，然后再调节土壤含水量为田间持水量的80%。称取80 g土样（以干土计），分别加入海藻酸增效尿素和普通尿素，混匀于塑料杯中（内径8 cm，高10 cm），用塑料薄膜封口，并用针在薄膜上扎4个小孔（一方面可以通气，另一方面可定期向培养杯中加水以保持土壤水分恒定），将塑料杯置于25℃人工气候箱中进行培养，在培养过程中损失的水分通过称重法补充。于培养期间第1、3、5、7、10、15、22、30 d取样，测定土壤酰胺态氮、铵态氮、硝态氮含量及氨挥发量。

土壤酰胺态氮采用二乙酰一肟比色法测定；土壤氨挥发测定采用硼酸-指示剂静态吸收法；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。

1.2.2 氨挥发试验

采用静态吸收方法，每种土壤类型设置CK（不施尿素）、U（普通尿素）、AU（海藻酸增效尿素）3个处理，每个处理重复3次。每个处理施氮量为300 mg·kg-1干土，先调节土壤含水量为田间持水量的60%，预培养7 d，然后再调节土壤含水量为田间持水量的80%。 称取过2 mm孔径筛的土壤150 g（以干土计），分别加入海藻酸尿素和普通尿素，混匀于塑料杯中，塑料杯内置盛有10 mL 2%硼酸和指示剂的25 mL 烧杯。将其封口后放入25℃人工气候箱中进行培养，分别在第3、4、5、8、12、20、25、30 d，取出塑料杯中的吸收杯，用0.01 mol·L-11/2 H2SO4标准液滴定，计算氨挥发量。

1.3 数据处理与分析

土壤氨挥发速率：

式 中，VNH3-N表 示 土 壤 中 氨 挥 发 速 率（kg· hm-2·d-1），M表示每个捕获装置平均每次测定的氨量（mg），S为捕获装置的横切面积（m2），D为每次持续收集的时间（d）。

土壤NH3挥发累积损失量：

式中，Af为土壤氨挥发累积损失量（kg·hm-2），n为施肥后总的测定次数，Ti为第i次测定施肥后的第Ti天，Ti-Ti-1为2个相邻测定日期之间的时间间隔（d），Vi为第i次测定时的氨挥发速率 （kg·hm-2·d-1）。

采用 Excel 2016进行数据处理，SPSS 22.0软件进行统计分析和Duncan新复极差法（LSR）进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 海藻酸增效剂对土壤中酰胺态氮含量的影响

表2反映的是2种类型土壤不同施肥处理在培养期间内的酰胺态氮含量变化。在潮土和黄褐土2种类型土壤中，尿素在施入土壤后的5～7 d被快速分解，导致酰胺态氮在土壤中的含量迅速 下降。

在培养的第1、3、5、7 d，潮土 AU处理酰胺态氮含量比U处理分别增加20.20%、30.21%、21.25%、8.11%，其转化率分别降低10.07%、5.96%、0.87%、0.09%；黄褐土AU处理比U处理分别增加17.71%、14.31%、28.29%、23.31%，转化率分别降低了9.01%、3.95%、4.07%、0.23%。在培养的前3 d，尿素在潮土中的转化率比在黄褐土中的高，分别高出2.49%、15.90%；培养的第5、7 d，尿素在黄褐土中的转化率更高，分别比在潮土中高出7.04%、15.20%。与U处理相比，2种类型土壤海藻酸处理的酰胺态氮含量明显增加，说明海藻酸可以在前期抑制尿素的水解，提高土壤中酰胺态氮含量。

表2 海藻酸增效剂对土壤中酰胺态氮含量的影响 （mg·kg-1）

2.2 海藻酸增效剂对土壤中氨挥发的影响

不同施肥处理的氨挥发累积量与氨挥发速率如图1所示。肥料施入土壤后，随着培养时间的延长，U处理和AU处理氨挥发累积量均逐渐增加，前期氨挥发累积量变化不明显，随着时间的推移，氨挥发累积量出现差异，氨挥发最大速率出现在4～6 d。

图1 海藻酸增效剂对土壤氨挥发的影响

在潮土中，CK处理的土壤在培养期间没有检测出氨挥发，施肥处理氨挥发总量在前8 d迅速增加并在第8 d达到峰值。在整个培养期间AU处理氨挥发累积量一直低于U处理，至培养结束，U处理和AU处理氨挥发总量分别为1.87、1.80 kg·hm-2，AU处理氨挥发总量要比U处理降低3.74%。U处理和AU处理氨挥发速率在培养的前5 d逐渐增加，其中在培养前3 d增加缓慢，第3～5 d迅速增加，并在第5 d达到最大值，分别为0.52、0.46 kg·hm-2·d-1，在培养的第4、5 d，AU处理的氨挥发速率比U处理分别低21.57%、11.54%。

与潮土一致，黄褐土的CK处理在培养期间也没有检测出氨挥发。U处理和AU处理在培养前20 d逐渐增加。在前3 d有极少量氨挥发，第3 d到第8 d氨挥发总量迅速增加，第5 d到第20 d氨挥发速率呈下降趋势，第8 d后氨挥发总量增加缓慢，至培养结束时，氨挥发总量分别为0.62、0.52 kg·hm-2，AU处理氨挥发总量要比U处理降低16.10%。U处理和AU处理氨挥发速率在第3～5 d迅速增加，在第5 d达到最大值之后又迅速下降，在培养的第5 d，AU处理的氨挥发速率比U处理低18.18%，并且在整个培养期间AU处理氨挥发速率一直低于U处理。

在整个培养期，潮土和黄褐土的氨挥发量分别在第8、20 d达到峰值，并且潮土比黄褐土高出1.25～1.28 kg·hm-2，两者氨挥发速率都在第5 d达到峰值，潮土的最大氨挥发速率比黄褐土高出0.37～0.41 kg·hm-2·d-1。海藻酸对黄褐土的氨挥发抑制效果更明显，比对潮土的氨挥发总量抑制和最大氨挥发速率的抑制分别高出12.36%、6.64%。

2.3 海藻酸增效剂对土壤中铵态氮和硝态氮含量的影响

2.3.1 海藻酸增效剂对潮土中铵态氮和硝态氮含量的影响

不同施肥处理对土壤中铵态氮和硝态氮含量也有显著影响，随着培养时间的延长，铵态氮的含量呈现出先增加后降低的趋势（图2a、c），硝态氮呈现出逐步增加趋势（图2b、d）。

在潮土中，两个施肥处理的铵态氮含量变化趋势基本一致，但是在不同的时间段，不同处理间的铵态氮含量却差异很大。在培养前3 d，U处理和AU处理土壤中铵态氮含量呈急速上升趋势，变化曲线基本重合，并无差异，AU处理和U处理中铵态氮含量都是在第5 d达到峰值，峰值分别为183、161 mg·kg-1，AU处理比U处理高出22 mg·kg-1，增幅为12.02%，并且在第3～15 d，AU处理铵态氮的含量一直高于U处理。第5 d之后，U处理和AU处理土壤中铵态氮含量一直在下降，U处理在第10 d之后土壤中铵态氮含量基本保持稳定，AU处理中铵态氮含量则延长至第15 d趋于平衡，第15 d之后，U处理和AU处理土壤中铵态氮含量分别维持在20.10～25.31、17.38～24.14 mg·kg-1。由此说明添加海藻酸增效剂在培养前期促进了尿素向铵态氮的转化，并进一步说明海藻酸增效剂抑制了土壤中的氨挥发，从而显著增加了土壤中铵态氮含量。

潮土U处理和AU处理在培养试验进行的前 3 d，铵态氮转化为硝态氮的量甚微，于第5 d，U和AU处理的铵态氮开始向硝态氮转化，其中AU处理的硝态氮转化量略低于U处理的转化量，低出23.62 mg·kg-1，第5 d以后，U和AU处理的铵态氮大量向硝态氮转化，于第10 d达到峰值，以后趋于稳定，期间AU处理的硝态氮转化量略高于U处理，其中第15、22和30 d分别高出22.73、31.40和13.20 mg·kg-1。由此可见，添加海藻酸增效剂在培养前期抑制了土壤铵态氮向硝态氮转化，减少了硝态氮的转化量，相反，培养后期促进了土壤铵态氮向硝态氮的转化，增加了硝态氮的转化量。

2.3.2 海藻酸增效剂对黄褐土中铵态氮和硝态氮含量的影响

黄褐土在整个土壤培养阶段，U处理和AU处理的铵态氮含量变化趋势基本一致（图2c），CK处理无论是铵态氮还是硝态氮含量变化基本平稳。U处理的铵态氮含量在前7 d增加迅速并在第7 d达到峰值，峰值为144 mg·kg-1，AU处理同样在第7 d达到峰值，峰值为151 mg·kg-1，比U处理增加7 mg·kg-1，增幅为4.86%。AU处理要比U处理上升速度快。在第7 d之后各施肥处理含量陡然下降，AU处理要比U处理下降趋势缓慢。

图2 海藻酸增效剂对土壤中铵态氮和硝态氮含量的影响

由图2（d）看出，U处理和AU处理在培养试验进行的前3 d，铵态氮转化为硝态氮的量甚微，于第5 d，U处理和AU处理的铵态氮开始向硝态氮转化，其中AU处理的硝态氮转化量略低于U处理的转化量，分别在第5和7 d低出1.37、0.77 mg·kg-1，7 d以后，U处理和AU处理的铵态氮大量向硝态氮转化，其中AU处理的硝态氮转化量在第10和15 d高于U处理的转化量，分别高出29.42、 10.89 mg·kg-1。由此可见，添加海藻酸增效剂在培养前期抑制了土壤铵态氮向硝态氮转化，减少了硝态氮的转量，培养中期促进了土壤铵态氮向硝态氮的转化，培养后期又抑制了土壤中铵态氮向硝态氮的转化。

潮土和黄褐土施肥处理的铵态氮高峰值分别出现在第5、7 d，海藻酸增效剂对潮土铵态氮含量的提升幅度比黄褐土高7.16%，其对潮土铵态氮向硝态氮转化的抑制时间更长；海藻酸增效剂在潮土中主要在培养后期促进铵态氮向硝态氮的转化，在黄褐土中主要在培养中期促进铵态氮的转化。

3 结论与讨论

尿素在施入土壤之后，首先会在脲酶的作用下水解为铵根离子，增加土壤中的铵态氮含量；随后铵根离子在硝化细菌的作用下氧化为硝酸根离子，土壤硝态氮含量增加，同时释放出氨气［17-18］。

应用海藻液、海藻渣可使尿素具备缓释性 能［19-21］；海藻包膜尿素（以发酵海藻液作为包膜材料制备）对土壤脲酶活性具有一定的抑制作 用［19，22］，可以使海藻包膜尿素具备一定的缓释效果，这可能是施用海藻包膜尿素能够提高氮肥利用率的原因之一。

本研究结果发现，潮土、黄褐土海藻酸增效尿素（AU）处理酰胺态氮含量在培养前7 d要高于普通尿素（U）处理（表2），表明海藻酸增效剂在培养前7 d可以抑制尿素的水解。这可能是，1）海藻酸增效剂直接抑制了土壤中脲酶的活性。2）海藻酸增效剂可以对影响土壤脲酶活性的土壤基本理化性质（如有机质、pH、微生物活性）产生一定的影响，进而影响尿素的水解进程。

潮土氨挥发总量在第8 d达到峰值，黄褐土氨挥发总量在第20 d达到峰值；两种土壤氨挥发速率均在第5 d达到最大值，之后开始下降，这与大多数研究结果［23-25］一致；AU处理氨挥发总量比U处理明显降低，且在黄褐土上的降幅更大，究其原因，可能是海藻酸具有的强大内表面积和较强吸附能力，使释放到空气中的氨量减少，具体原因有待于进一步研究。

潮土AU处理铵态氮含量在培养3～10 d内高于U处理（图2a），海藻酸增效剂在培养前8 d抑制了土壤中氨挥发（图1a）；黄褐土在培养第7～15 d内AU处理铵态氮含量高于U处理（图2c），海藻酸增效剂在培养前20 d抑制了土壤的氨挥发（图1c、d）。海藻酸增效剂对氨挥发的抑制使土壤AU处理铵态氮含量高于U处理，且在黄褐土上的抑制作用更明显。两种类型土壤中AU处理较U处理铵态氮的增加量大于氨挥发的降低量，可能是由两个试验培养环境的差异造成的，氨挥发试验采用的是密闭的培养装置，氮素转化试验采用的是非密闭培养装置，培养环境的差异造成了试验结果存在一定的差异。海藻酸增效剂在培养的第5～7 d抑制了土壤中铵态氮向硝态氮的转化，在潮土和黄褐土的抑制率分别为1.77%、11.78%。海藻酸增效剂对黄褐土中氮素转化的抑制作用更明显。潮土在培养的第10～30 d，土壤中无机氮主要以硝态氮的形式存在（图2b），并且AU处理硝态氮含量高于U处理，从而延长供氮时间；黄褐土在培养的第7～30 d U处理和AU处理均增加了土壤硝态氮含量，且AU处理硝态氮含量上升趋势大于U处理，表明海藻酸增效剂可以使有效氮较长时间的保持在土壤耕层中供植物吸收利用，进一步印证了海藻酸增效剂在抑制土壤氨挥发方面的作用。