王思源, 寧建鳳, 王榮輝, 李盟軍, 姚建武, 申 健, 周凱軍, 艾紹英

(廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所, 農(nóng)業(yè)部南方植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東省養(yǎng)分資源循環(huán)利用與耕地保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510640)

1 材料與方法

1.1 包膜肥料研制

1.1.1 供試材料及設(shè)備 生物炭以玉米芯為材料在450℃厭氧熱解2 h制備而來(lái)。硝化抑制劑采用DMPP，購(gòu)買于上海江萊生物科技有限公司。粘結(jié)劑采用2%聚丙烯酸。尿素含氮46.63%，購(gòu)買于廣州新農(nóng)科肥業(yè)科技有限公司。膨潤(rùn)土采購(gòu)于東莞市瑞恒礦產(chǎn)品有限公司。采用開放式旋轉(zhuǎn)型包衣機(jī)制備包膜尿素。

1.1.2 包膜尿素的制備及其氮素含量分析 將包膜材料與純化肥尿素(F1)按1∶1質(zhì)量配比，即設(shè)定包膜尿素氮素養(yǎng)分含量為23%左右。每種混合包膜材料中混合材料質(zhì)量比1∶1，即礦物/生物炭包膜尿素中礦物和生物炭質(zhì)量比1∶1。硝化抑制劑型礦物/生物炭包膜尿素中硝化抑制劑添加量為氮肥氮素含量(折純)的1%，礦物和生物炭質(zhì)量比1∶1。在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的包衣機(jī)中加顆粒尿素，撒施部分包裹材料粉末，轉(zhuǎn)動(dòng)片刻，噴淋一部分粘結(jié)劑，使顆粒尿素表面形成一層粘結(jié)液，從而形成一層緊密的包裹層。繼續(xù)添加粘結(jié)劑以浸潤(rùn)包膜層，撒施部分包裹粉末，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，重復(fù)上述過(guò)程3或4次，直到粘結(jié)劑完全浸潤(rùn)包裹層，外表出現(xiàn)油亮光澤為止，由此制備成5種包膜尿素，分別記為F2：膨潤(rùn)土包膜尿素，F(xiàn)3：生物炭包膜尿素，F(xiàn)4：膨潤(rùn)土混合生物炭包膜尿素。為進(jìn)一步明確添加硝化抑制劑是否具有更優(yōu)的氮素減排效果，試驗(yàn)設(shè)置F5處理：添加硝化抑制劑型膨潤(rùn)土混合生物炭包膜尿素。在混合催化劑的作用下采用濃硫酸消化后用凱氏定氮儀測(cè)定純化肥尿素和不同包膜尿素氮素含量，結(jié)果見表1。

1.2 包膜尿素氮素淋溶特征評(píng)價(jià)

表1 肥料配方及氮素含量

表2 供試土壤基本理化性狀

1.2.3 包膜尿素N2O排放特征測(cè)定 N2O收集采用靜態(tài)箱—?dú)庀嗌V法測(cè)定。根據(jù)上述淋溶模擬試驗(yàn)土柱內(nèi)徑設(shè)計(jì)配套的靜態(tài)箱。靜態(tài)箱直徑18 cm，高36 cm，頂部裝有風(fēng)扇，有線連接到箱體外的電池組和開關(guān)。采集N2O過(guò)程中將靜態(tài)箱底部鑲?cè)胪寥乐? cm保持密封，同時(shí)通過(guò)頂部的電池組開關(guān)控制箱體風(fēng)扇從而保持箱體內(nèi)空氣流動(dòng)。N2O采集從生菜移栽后(2017年12月1日)開始到生長(zhǎng)期結(jié)束為止，收集維持5個(gè)周期，即前3個(gè)周期采集淋溶水的同時(shí)采集N2O，后兩個(gè)周期只采集N2O。N2O采集頻率為每次施肥后前3 d每天采集一次，之后每隔2 d 采集一次。每次N2O采集于上午9～10點(diǎn)進(jìn)行，采集時(shí)間30 min。每次蓋上箱體后立刻用20 ml醫(yī)用注射器采集一次箱體內(nèi)氣體，記錄為零時(shí)刻，之后每隔15 min各采集一次箱體內(nèi)氣體。采集到的氣體用Agilent 7890A 氣相色譜儀分析測(cè)定N2O含量，測(cè)定用的檢測(cè)器為ECD(電子捕獲檢測(cè)器)，分離柱內(nèi)填充料為80～100目PorpakQ，載氣為高純氮?dú)猓泊禋鉃锳rCH4(Ar 90%，CH410%)，尾吹氣流量為2 ml/min。

N2O排放通量計(jì)算公式[18]為:

式中：F為N2O排放通量[mg/(m2·h)]；t為箱內(nèi)溫度；28為每mol N2O分子中N的質(zhì)量數(shù)；22.4為溫度為273 K時(shí)的N2O摩爾體積；H為采樣箱高度(cm)；c為N2O氣體濃度(μl/L)；t為關(guān)箱時(shí)間(min)；dc/dt為采樣箱內(nèi)N2O氣體濃度的變化率[μl/(L/min)]。

2 結(jié)果與分析

2.1 包膜材料對(duì)氨氮、硝氮的吸附作用

表3 不同包膜材料氨氮、硝氮吸附量

2.2 包膜尿素氮素淋溶特征分析

圖1 不同肥料處理氮素淋溶損失率

2.3 包膜尿素對(duì)土壤氨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量的影響

2.4 包膜尿素N2O排放特征分析

包膜尿素N2O排放結(jié)果(圖3)顯示，在淋溶監(jiān)測(cè)周期(12.3～12.28)各施肥處理N2O排放量大小依次為F3>F1>F4>F2>F5。在非淋溶監(jiān)測(cè)周期(12.29～1.13)F1的N2O排放量最大，顯著高于各包膜尿素N2O排放量。包膜尿素N2O排放量大小次依次為F3>F2>F4>F5，說(shuō)明添加硝化抑制劑的包膜尿素N2O排放量最低，減排效果最好。黏土礦物生物炭包膜尿素N2O減排效果次之。根據(jù)監(jiān)測(cè)到的N2O排放通量對(duì)整個(gè)非淋溶監(jiān)測(cè)周期內(nèi)包膜尿素N2O排放量進(jìn)行估算，得出包膜尿素F2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5的N2O排放量相對(duì)于F1分別降低了65.7%，55.9%，71.8%和77.8%。同時(shí)由各施肥處理N2O排放規(guī)律可以看出N2O排放量峰值多數(shù)發(fā)生在施肥的第二天，且在每個(gè)淋溶周期內(nèi)淋溶作用發(fā)生時(shí)N2O排放量均顯著增加。

表4 不同肥料處理土壤硝氮含量 mg/kg

3 討 論

圖2 不同肥料處理0-20 cm土層氨氮、硝氮含量

圖3 不同肥料處理包膜尿素N2O排放特征

包膜尿素N2O排放結(jié)果顯示不論在淋溶監(jiān)測(cè)期和非淋溶監(jiān)測(cè)期，添加硝化抑制劑的包膜尿素N2O排放量最低，其減排效果優(yōu)于黏土礦物生物炭包膜尿素，與純化肥尿素相比上述兩種包膜尿素分別可降低N2O排放通量77.8%和71.8%。這主要是由于硝化抑制劑可以調(diào)控硝化和反硝化進(jìn)程，延緩尿素酰胺態(tài)氮的水解和銨態(tài)氮的硝化過(guò)程，從而使氮素轉(zhuǎn)化全過(guò)程得到有效控制[24]。Bai等通過(guò)室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與普通尿素相比，DMPP對(duì)草甸棕壤N2O減排率為75.9%[25]。孫祥鑫等研究也指出相對(duì)于純化肥尿素添加DMPP后可使水田N2O減排率為74.9%[26]，這些均予本研究結(jié)果相一致。DMPP對(duì)硝化作用的抑制在于可以有效減弱尿素水解產(chǎn)生的銨態(tài)氮的氧化作用，銨態(tài)氮濃度升高，促進(jìn)了氨揮發(fā)，同時(shí)較弱的銨態(tài)氮氧化作用減少了土壤硝態(tài)氮含量，抑制了N2O的形成[27]。而包膜材料的吸附作用主要在于物理化學(xué)性控制，其控釋性能受土壤含水量影響較大，從而表現(xiàn)出在非淋溶監(jiān)測(cè)周期內(nèi)N2O排放量較淋溶監(jiān)測(cè)周期顯著降低。原因在包膜材料生物炭和膨潤(rùn)土具有較大的水分持留能力，進(jìn)入土壤后就像一個(gè)海綿體能吸持周圍養(yǎng)分，抑制土壤氮素向N2O轉(zhuǎn)化，但是這種吸持效應(yīng)通常發(fā)生水分含量在0.2～0.4 cm3/cm3[28]。另一方面生物炭的較大的孔隙結(jié)構(gòu)和膨潤(rùn)土吸水膨脹性能可以改善非淋溶期土內(nèi)土壤的通透性和微生物生境，提高土壤氧氣供應(yīng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)硝化和反硝化進(jìn)程影響N2O排放[29-31]。

N2O排放量隨間歇淋溶不斷變化，在淋溶發(fā)生期N2O排放量增加。這是因?yàn)榱苋茉斐赏寥篮坎粩嘧兓?，從而影響了土壤通氣性能和氧化還原狀況。在土壤含水量較低時(shí)，土壤通透性能較好，氧氣充足，此時(shí)硝化作用占主導(dǎo)，但硝化和反硝化作用均隨土壤含水量的增加而增強(qiáng)，致使N2O排放隨土壤含水量的增加而增加。隨著土壤含水量增加，土壤趨于厭氧環(huán)境，此過(guò)程中反硝化速率增加，當(dāng)硝化作用和反硝化作用同時(shí)達(dá)到最大時(shí)N2O排放最多。當(dāng)土壤含水量進(jìn)一步增加時(shí)土壤硝化作用受到抑制，反硝化過(guò)程也逐漸向產(chǎn)生N2O的相反的生物化學(xué)平衡態(tài)移動(dòng)，致使N2O的排放量隨之變小。Wei等研究也表明N2O排放與土壤表層(0—12 cm)水含量顯著相關(guān)，當(dāng)土壤表層充水孔隙度在60%時(shí)N2O排放出現(xiàn)峰值，因?yàn)橥寥罎穸却龠M(jìn)了土壤硝化和反硝化作用進(jìn)程從而加劇了N2O排放[32]。

4 結(jié) 論