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新型尿素对农田土壤N2O排放、氨挥发及土壤氮素转化的影响

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张艺磊韩建张丽娟

摘要：以华北平原农田土壤为研究对象，通过室内静态培养系统研究新型尿素施入土壤后对N2O排放和氨挥发的影响。供试肥料为聚能网尿素、腐殖酸尿素、控失尿素、普通尿素，脲酶抑制剂为氢醌（C6H6O2），硝化抑制剂为2-氯-6-三氯甲基吡啶（NP）。结果表明，所有施肥处理N2O排放通量峰值均出现在第2天，其中控失尿素土壤N2O排放通量最低，为20 168.1 μg/（kg·d）;与普通尿素相比，控失尿素减少了58.0%的N2O排放，减排效果最佳。不同新型尿素均能显著降低土壤氨挥发损失量，其中腐殖酸尿素对减少氨挥发损失量的效果最好，聚能网尿素其次，控失尿素最差。培养期间，在0～3 d土壤NO3-含量与N2O排放量显著相关;土壤NH4+含量与氨挥发损失量呈极显著相关（P<0.01）。

关键词：氨挥发;N2O排放;控失尿素;腐殖酸尿素;聚能网尿素

中图分类号： S143.1+4? 文献标志码： A? 文章编号：1002-1302（2019）11-0313-04

我国粮食产量占世界总产量的16%，但消耗的化肥却占全球施用量的31%，平均每公顷化肥用量是世界平均用量的4倍[1]。国家统计局数据显示，我国农田施用氮肥约为 3 100 t/年，损失率达40%～50%，其中氨挥发损失15%～20%[2]。NH3会影响PM2.5的酸度，对人体造成长期的危害，且氨气浓度有逐渐升高的趋势[3]。大气中80%～90%的N2O来源于土壤，并且每年不断增加[4]，这导致了温室效应加剧，全球变暖日益严重。

基于当前氮肥利用率低及其相关的环境问题，国家农业部在“十三五”规划中提出了节肥减药行动方案，该方案的关键是提高氮肥利用率。近年来在农业生产中，通过对尿素的化学改性、包涂、添加增效劑，可以达到提高肥料利用率、减少养分损失、提高作物产量等效果[5]。赵欣楠等研究表明，与普通尿素相比，控失尿素一次性施肥处理后，马铃薯增产 6 665.27 kg/hm2，增产率为24.7%[6]。通过高分子纳米材料进行物理和生物改性，使控失尿素形成了分子网格吸附，可活化土壤养分并富集于根系周围，促进作物吸收，从而提高肥料利用率[7-8]。金辉等研究了新型肥料对春玉米产量和氮肥效率的影响，结果表明在中低产田条件下，控失尿素、聚能网尿素、腐殖酸尿素均可促进春玉米增产，产量增幅达12.38%～20.65%;氮肥利用率也得到了大幅度提高[9]。聚能网尿素是在尿素颗粒外增加了一种含生物活性高分子的物质，既有良好的成环性，又带有大量络合基团，具有极强的螯合功能，能够在作物根系附近形成一个充盈的“养分库”，从而降低肥料分解速度，延长肥效[10]。腐殖酸是一类高分子物质，具有较强的吸附性能和生物活性，与尿素结合可以抑制脲酶活性，减缓尿素水解，同时将养分固定在植物根际土壤中，利于农作物吸收，从而提高肥料利用率[11]。以往的研究着重追踪新型尿素对产量的影响，忽视环境影响评价。因此，研究不同新型尿素对N2O和NH3挥发的影响，分析土壤中氮转化和气态损失具有重要意义。

本试验选取河南心连心化肥有限公司生产的控失尿素、聚能网尿素、腐殖酸尿素作为供试肥料，运用静态培养系统，以华北平原小麦玉米农田土壤为研究对象，通过设置不同新型尿素、尿素辅加抑制剂的处理，探索新型尿素对农田土壤N2O排放、氨挥发及土壤氮素转化的影响，提高氮肥利用率减少其气态损失，以期为新型尿素在农业生产中的推广应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验于2017年6—7月在河北农业大学邸洪杰土壤与环境实验室内进行。供试土壤为小麦玉米轮作田土壤，采自河北农业大学辛集试验站，土壤类型为潮褐土，基本理化性质：pH值为 8.06，有机质、全氮、硝态氮、有效磷、速效钾含量分别为21.47 g/kg、0.97 g/kg、36.11 mg/kg、60.48 mg/kg、214.44 mg/kg。

供试肥料来自河南心连心化肥有限公司，分别为控失尿素（含氮量为44%）、聚能网尿素（含氮量为46%）、腐殖酸尿素（含氮量为46%）。

抑制剂：脲酶抑制剂为氢醌（HQ），硝化抑制剂为2-氯-6-三氯甲基吡啶（NP），其添加量为纯氮量的1%。

1.2 试验设计

本试验采用静态培养的方法，试验前土壤在（25±1） ℃条件下避光培养1周。共设置7个处理，13个重复，各处理分别为不施肥、普通尿素（普尿）、普尿+NP、普尿+HQ、控失尿素、聚能网尿素、腐殖酸尿素（表1）。

1.3 试验布置

称取预培养土样，按试验处理将添加物与土壤充分混匀，平均分2次装入广口瓶（于2.5、5.0 cm这2处标记刻度），并压实至刻度。装瓶完毕之后，向瓶中土层均匀喷洒去离子水，调节土壤孔隙含水量（WFPS）为70%。

1.3.1 N2O排放通量试验装瓶结束后，从每个处理中随机选取9个广口瓶，盖上Parafilm膜（透气不透水），将广口瓶裹上黑色塑料袋以避光，称其质量贴上标签，随机放置在（25±1） ℃ 的培养箱中培养36 d。在此期间每3 d称1次质量，并补加去离子水以保持土壤含水量一致[12]。

1.3.2 氨挥发试验每个处理在剩余的4个广口瓶的瓶盖上，各悬挂1个可任意更换的胶卷盒[13]，胶卷盒内盛有带指示剂的3%硼酸作为吸收液，用甘油涂抹瓶盖边缘以避免漏气，随机放置在（25±1） ℃的培养箱中培养1周。在此期间每天称质量，并补加去离子水。

1.4 样品采集与测定

1.4.1 N2O采集与测定装瓶后的第1、第2、第3、第5、第7、第10、第12、第14、第16、第25、第36天采集气体。采集时间为每天08：30—09：00，采气前揭开Parafilm膜5 min，充分通气，然后塞上橡皮塞富集气体。橡皮塞上连有三通阀，通过注射器与三通阀连接可以采集广口瓶顶部空间的气样，连续采集0、10、20 min的3针气体，每针采集30 mL，同时记录采集时间。

N2O气体样品利用Agilent 7890A型气相色谱仪进行分析。N2O检测器为电子捕获检测器（ECD），分离柱内填充料为80～100目燃料Porpak Q，载气为氮气，流量为30 mL/min，检测器温度为330 ℃，分离柱温度为55 ℃。

式中：F为N2O排放通量，μg/（kg·d）;ρ为标准状态下N2O的密度，1.25 kg/m3;V为密闭箱内气体的有效体积，m3;A为箱内土面面积，m2;dC/dt为密闭箱内单位时间内N2O浓度的变化量，μg/h;T为采气时密闭箱内平均温度，℃。

1.4.2 氨挥发采集与测定每隔24 h更换1次盛有硼酸的胶卷盒，此时吸收液会由紫红色变成蓝绿色。用浓度为 0.02 mol/L 的标准硫酸溶液滴定吸收液，记录数值并计算土壤氨挥发量，其计算公式如下：

1.4.3 土壤采集与测定装瓶后的第0、第1、第3、第5、第7、第16、第25、第36天测定瓶内土壤含水量、硝态氮和铵态氮含量。

土壤含水量的测定：将新鲜土样过3 mm筛，称取 15～25 g 土样放在铝盒中，105 ℃烘干12 h。

土壤中硝态氮及铵态氮含量的测定：将新鲜土样过 3 mm 筛，称取12 g，用50 mL 1 mol/L的优级纯KCl浸提，振荡1 h后过滤，滤液放在胶卷盒冷冻，用TRACCS 2000型连续流动化学分析仪测定。

1.5 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 2.0软件进行数据的统计分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 N2O排放特征

试验期间各处理N2O排放趋势基本相同（图1），均在第2天达到最高峰，其后逐步降低。其中，CK几乎没有N2O释放，而单施尿素处理的N2O排放量最高，为 58 297.7 μg/（kg·d）。与单施尿素相比，施入抑制剂NP和HQ均能降低N2O的排放，其峰值分别为48 133.7、28 617.1 μg/（kg·d）。在新型尿素处理中，控失尿素处理的N2O排放量最低，其峰值为20 168.1 μg/（kg·d）;其次为腐殖酸尿素，其峰值为29 319.2 μg/（kg·d）;聚能网尿素处理的N2O排放量峰值为38 470.2 μg/（kg·d）。

如表2所示，对照N2O的累积排放量最低，为 862.5 μg/kg（以N计，下同）。普通尿素的N2O排放累积量最高，为191 405.6 μg/kg，与普通尿素相比，施用聚能网尿素、腐殖酸尿素、控失尿素的处理都明显降低了N2O的排放，其中控失尿素减少了58.0%的N2O排放。施用NP、HQ后，N2O的累计排放量分别减少33.2%、44.4%。土壤N2O累积排放量表现为普尿>普尿+NP>普尿+HQ>聚能网尿素>控失尿素>腐殖酸尿素。

2.2 氨挥发特征

由图2可知，CK的土壤氨挥发速率一直在极低水平维持，普通尿素处理的在第1天即达到最高峰，持续至第3天，随后迅速降低。新型尿素及尿素添加NP或HQ处理的均在第2天出现峰值，此后缓慢降低。与普通尿素相比，控失尿素、聚能网尿素、腐殖酸尿素处理的氨挥发速率峰值分别降低55.4%、53.1%、58.1%，其中腐殖酸尿素处理的氨挥发速率峰值最低，为0.58 kg/（hm2·d）。与普通尿素相比，尿素添加NP、HQ处理的氨挥发速率峰值分别降低35.1%、41.9%。

如图3所示，不施氮处理的土壤氨挥发累计量最低;普通尿素处理的土壤氨挥发累计量最高，为259.0 μg/kg。与普通尿素相比，控失尿素、聚能网尿素、腐殖酸尿素处理的土壤氨挥发累积量分别降低12%、55%、56%;尿素添加NP或HQ处理的土壤氨挥发累积量分别降低24%、32%;土壤氨挥發累积量表现为腐植酸尿素<聚能网尿素<控失尿素<普尿+HQ<普尿+NP< 普尿。

2.3 土壤NO3-、NH4+含量变化

不施氮肥对照在试验前期无机氮含量一直处于最低（图4）。在培养初期的前3 d，聚能网尿素、腐殖酸尿素和控失尿素的NO3-和NH4+含量明显低于普通尿素，说明这3种新型尿素能一定程度上减少土壤氮素转化关键期的气态损失。尿素添加HQ或NP在培养前期与3种新型尿素的变化趋势类似，说明脲酶抑制剂HQ能延缓尿素的水解，硝化抑制剂NP能有效抑制土壤中NH4+向NO3-的转化。培养后期（第7天至第16天），各处理NH4+几乎消耗完全。

2.4 NH4+、NO3-含量与N2O排放和氨挥发的相关性

培养前3 d，土壤NO3-含量与N2O排放呈极显著正相关关系;培养期间，土壤中NH4+和NO3-总含量与N2O排放显著相关（表3）。整个培养期间，土壤NH4+含量与氨挥发量呈现极显著相关关系（表4）。

3 讨论

氨挥发是氮素气态损失最主要的一种形式。本试验结果显示，不同新型尿素均能明显减少土壤氨挥发，各处理土壤氨挥发累积量表现为腐殖酸尿素<聚能网尿素<控失尿素< 普尿+HQ<普尿+NP<普尿。有研究报道，腐殖酸尿素中的腐殖酸（HA）是一种有效的尿素增效剂，可为硝化细菌等微生物提供生长必需的碳源和能量，参与NH4+向NO2-、NO3-的转化，减少NH3挥发[11]。薛欣欣等研究表明，控失尿素一次施入稻田土壤氨挥发损失量较普通尿素高[16];然而本试验中，与普通尿素相比，控失尿素处理氨挥发累计损失量降低12%，可能是因为稻田土壤含水量高，且南方多降雨造成氮素淋失而导致的。有许多报道指出，添加脲酶抑制剂会推迟氨挥发高峰期[17-18];但是本试验结果发现，尿素+HQ并未影响到氨挥发速率高峰期出现的时间，在第2天达到氨挥发速率最大值。

土壤中的N2O是由土壤微生物硝化作用和反硝化作用产生的。有研究表明，控失尿素中的控失劑为网状结构[7-8]，聚能网尿素中的高分子物质随着肥料的溶解也会迅速张开形成网状结构[10]，两者均可以减缓尿素水解，抑制铵态氮向硝态氮的转化，减少NH3挥发和N2O排放。有研究表明，腐殖酸以多官能团的结构存在[11]，通过增加吸附空间从而增大了NH4+吸附量，延长了NH4+在土壤中的存留时间，减少N2O排放。隽英华等研究指出，尿素辅以脲酶抑制剂可以延缓尿素水解，延长了施肥点处尿素的扩散时间，从而降低了土壤溶液中NO3-含量，减少N2O排放[19]。本试验中，施用聚能网尿素、腐殖酸尿素、控失尿素、硝化抑制剂以及脲酶抑制剂均减少了N2O排放，各处理土壤N2O排放累计量表现为普尿> 普尿+NP>普尿+HQ>聚能网尿素>控失尿素>腐殖酸尿素。

4 结论

施用不同新型尿素能减少N2O排放，其中以控失尿素效果最佳。

与普通尿素相比，各处理能显著减少氨挥发，其中腐殖酸尿素效果最好，聚能网尿素其次，控失尿素的效果最差。

培养期间，土壤NO3-含量与N2O排放量在前3 d呈显著相关;土壤NH4+含量与氨挥发呈现极显著相关。

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