劉文博，李絮花

（山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院／土肥資源高效利用國家工程實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018）

氮肥是土地的“糧食”，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在促進(jìn)作物產(chǎn)量和確保全球糧食安全方面發(fā)揮著關(guān)鍵支撐作用［1，2］。我國是世界上最大的氮肥生產(chǎn)國，也是最大的氮肥消費(fèi)國［3］。從整個(gè)農(nóng)業(yè)上看，氮肥的使用成為中國“農(nóng)業(yè)革命”的重要標(biāo)志［4］，是中國農(nóng)業(yè)增長的主要推動力。然而，氮肥的過量施加不僅會產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)外部性，更會加劇水污染［3］、空氣污染［5，6］、土壤污染［7，8］及食品污染［9］等，威脅著生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

腐植酸是一類天然大分子有機(jī)物質(zhì)，含有多種活性官能團(tuán)，具有親水性、絡(luò)合螯合、氧化還原和吸附能力，能與土壤中有機(jī)物和無機(jī)物發(fā)生作用，是影響土壤肥力利用效率的重要因素之一［10-12］。早在20世紀(jì)90年代，有研究者就提出了腐植酸對氮肥的增效作用。大量研究也證明，氮肥添加外源腐植酸增效劑后可顯著增加作物產(chǎn)量［13-15］。但研究多集中于腐植酸的增產(chǎn)效益，不同濃度腐植酸增效劑對土壤中氮素轉(zhuǎn)化和氨揮發(fā)損失的影響研究鮮見報(bào)道，更缺乏腐植酸對南北不同土壤差異的橫向比較研究。本試驗(yàn)在南方典型紅壤和北方典型潮土上，探究不同濃度腐植酸增效劑對不同類型土壤氮轉(zhuǎn)化機(jī)制的影響，旨在為進(jìn)一步開發(fā)利用腐植酸資源、提高氮肥利用效率、減輕環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)于2016年10月至2017年4月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試土壤為石灰性潮土、紅壤，分別采自山東和江西的0～20 cm耕層土壤，自然風(fēng)干后磨碎并過2 mm篩，保存?zhèn)溆?。供試肥料為腐植酸增效尿素（全氮含量?4.0%）。采用常規(guī)分析方法測定土壤養(yǎng)分。供試土壤肥力見表1。

表1 供試耕層土壤基本理化性狀

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 培養(yǎng)試驗(yàn) 采用室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)方法，每種類型土壤設(shè)置CK（不施肥）、CK1（尿素）、HA1（尿素+氮素1%活化腐植酸）、HA2（尿素+氮素2%活化腐植酸）、HA3（尿素+氮素4%活化腐植酸）共5個(gè)處理，重復(fù)3次。

各處理氮肥施用量為300 mg／kg干土。將各處理氮肥及氮素活化腐植酸均勻摻入土壤裝入塑料杯（高10 cm，內(nèi)徑8 cm）中，采用重量法將土壤含水量調(diào)制20%。用塑料薄膜覆蓋杯口并在其上均勻扎4個(gè)小孔（為了通氣，且可定期向培養(yǎng)杯中加水以保持土壤水分恒定），置于25℃人工氣候箱中進(jìn)行培養(yǎng)。培養(yǎng)時(shí)定期注水以保持土壤含水量恒定。培養(yǎng)后0.5、1、2、3、5、7、10、14 d分別取樣，測定土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、尿素態(tài)氮含量。

土壤尿素態(tài)氮采用二乙酰一肟比色法測定，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用流動注射分析儀比色法測定。

1.2.2 氨揮發(fā)試驗(yàn) 氨揮發(fā)試驗(yàn)處理與培養(yǎng)試驗(yàn)相同。利用通氣法［16］測量土壤氨揮發(fā)量。試驗(yàn)如下：稱取過3 mm孔徑篩的土壤500 g（以干土計(jì)），和肥料混勻后放入裝置中，調(diào)節(jié)含水量為田間持水量的70%，之后在塑料杯上面安置一個(gè)高10 cm的PVC管，用熱熔膠密封，再用注水法檢查裝置的密封性，若塑料杯和PVC管的連接處無水溢出，則表示裝置不漏氣，如有則重新密封。測定過程中，使兩塊厚度均為2 cm、直徑為8 cm海綿均勻吸收7.5 mL磷酸甘油溶液，下層海綿（吸收土壤揮發(fā)的氨氣）距土壤界面4 cm，上層海綿（用于吸收空氣中的氨氣）與管口相平。每處理重復(fù)3次。將其放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每24 h更換一次下層海綿，上層海綿可視其濕潤程度3～7d更換一次，持續(xù)一周后，下層每3～4 d更換一次，4次之后，一周更換一次。更換的上層海綿不需要測定里面的銨態(tài)氮含量；下層海綿分別立即裝入250 mL的塑料瓶中，加1.0 mol／L的KCl溶液150 mL，振蕩1 h后，用流動注射分析儀測定銨態(tài)氮含量。

土壤氨揮發(fā)速率＝單個(gè)裝置平均每次測得的氨量／每次連續(xù)捕獲的時(shí)間；氨揮發(fā)累積量為測定時(shí)期內(nèi)每日氨揮發(fā)通量之和；氨揮發(fā)損失率（%）＝氨揮發(fā)損失量／氮肥（N）用量×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，Duncan’s多重比較法進(jìn)行顯著性分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸增效劑對土壤中尿素態(tài)氮含量的影響

由圖1看出，尿素在施入土壤后的前2 d被快速分解，土壤尿素態(tài)氮含量迅速下降，潮土在第5 d基本檢測不到，而紅壤相對滯后，至第7 d基本檢測不到；并且腐植酸添加量相同時(shí)，紅壤短時(shí)間內(nèi)尿素態(tài)氮含量遠(yuǎn)大于潮土。這表明潮土施用尿素后初期的轉(zhuǎn)化更快。腐植酸增效劑能延緩尿素施入初期在土壤中的轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)1 d時(shí)，土壤尿素態(tài)氮含量在潮土和紅壤上分別比CK1平均高45.83%和65.51%。

腐植酸增效劑不同添加量對尿素在紅壤和潮土上轉(zhuǎn)化的影響存在明顯差異。培養(yǎng)第1 d，隨著腐植酸增效劑添加量的增加潮土土壤尿素態(tài)氮含量呈增加趨勢，尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化速率變慢，與CK1比較，HA1、HA2和HA3處理的尿素態(tài)氮含量分別增加12.14%、58.68%和66.68%；紅壤上隨腐植酸增效劑添加量的增加土壤尿素態(tài)氮呈降低趨勢，尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化速率加快，與CK1比較，HA1、HA2和HA3處理的尿素態(tài)氮含量分別增加93.98%、60.12%和42.43%。這表明腐植酸增效劑添加量增多能延緩尿素在潮土上轉(zhuǎn)化，促進(jìn)尿素在紅壤上的轉(zhuǎn)化。

2.2 腐植酸增效劑對土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

不同處理對兩種類型土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量也有顯著影響。隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長，銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢（圖2A、B），硝態(tài)氮含量呈逐步增加趨勢（圖2C、D）。

潮土中，培養(yǎng)前期，施用尿素各處理的土壤銨態(tài)氮含量呈急劇上升趨勢，且變化趨勢基本重合，腐植酸不同添加量對銨態(tài)氮含量影響較小。CK1和HA1處理銨態(tài)氮含量培養(yǎng)第5 d達(dá)到峰值，而HA2和HA3處理第3 d達(dá)到峰值；第5～10 d，添加腐植酸增效劑處理銨態(tài)氮含量明顯高于CK1，且以HA2處理增幅最大；10 d后土壤銨態(tài)氮含量趨于平穩(wěn)。

紅壤中，培養(yǎng)前期，施用尿素各處理土壤銨態(tài)氮含量變化趨勢基本一致。培養(yǎng)前3 d添加腐植酸增效劑處理的土壤銨態(tài)氮含量高于CK1，至5 d以HA1處理的土壤氨態(tài)氮含量最高；培養(yǎng)7 d后處理間銨態(tài)氮含量差異不明顯。

潮土中，培養(yǎng)前2 d，土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化很少，施用尿素處理的土壤硝態(tài)氮含量與CK沒有顯著差異；之后土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化加速，土壤硝態(tài)氮含量顯著高于CK；與CK1比較，添加腐植酸增效劑處理的土壤硝態(tài)氮含量大幅增加，且始終高于CK1。表明腐植酸增效劑能促進(jìn)培養(yǎng)中后期銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。

紅壤中，培養(yǎng)前3 d，處理間土壤硝態(tài)氮含量沒有顯著差異，之后施用尿素處理土壤硝態(tài)氮含量迅速上升。培養(yǎng)10 d內(nèi)各施肥處理土壤硝態(tài)氮含量無顯著差異，之后HA2和HA3處理明顯高于HA1和CK1。

比較不同處理尿素態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化趨勢，進(jìn)一步證實(shí)腐植酸增效劑調(diào)控土壤氮素轉(zhuǎn)化的作用及其在潮土和紅壤所存在的顯著差異。腐植酸增效劑能延緩尿素施入初期向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，促進(jìn)中后期銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。

圖2 腐植酸增效劑對不同類型土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

2.3 腐植酸增效劑對土壤中氨揮發(fā)的影響

由圖3看出，施肥后，隨培養(yǎng)時(shí)間的延長兩種土壤氨揮發(fā)速率呈先增加后降低趨勢，并且都在培養(yǎng)第5 d達(dá)到峰值，潮土氨揮發(fā)速率明顯高于紅壤。施用尿素處理的兩種土壤氨揮發(fā)累積量隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長均逐漸增加，15 d后氨揮發(fā)累積量逐漸趨于平穩(wěn)。

潮土中，CK土壤在培養(yǎng)期間基本未檢測出氨揮發(fā)跡象。施用尿素處理氨揮發(fā)速率先迅速升至峰值然后迅速下降，第10 d趨于平穩(wěn)，30 d后氨揮發(fā)速率基本趨于零。氨揮發(fā)速率峰值出現(xiàn)在培養(yǎng)第5 d，CK1氨揮發(fā)速率峰值明顯高于添加腐植酸增效劑處理，說明腐植酸增效劑能降低潮土氨揮發(fā)速率。施用尿素處理氨揮發(fā)累積量在前8 d迅速增加，之后緩慢增加最后趨于平穩(wěn)。在整個(gè)培養(yǎng)期間添加腐植酸增效劑處理的氨揮發(fā)累積量明顯低于CK1，CK1、HA1、HA2和HA3處理氨揮發(fā)累積量分別為3.07、2.77、2.71、2.73 mg／杯，由此說明腐植酸增效劑能明顯降低土壤氨揮發(fā)累積量，其中HA2處理氨揮發(fā)累積量最低。

紅壤中，CK在培養(yǎng)期間基本未檢測出氨揮發(fā)量。施用尿素處理氨揮發(fā)速率呈先增加后降低最后趨于穩(wěn)定的趨勢，第5 d達(dá)峰值，HA1、HA2與HA3處理與CK1基本重合，說明腐植酸增效劑對紅壤氨揮發(fā)速率的影響不顯著。添加腐植酸增效劑處理氨揮發(fā)累積量一直低于CK1，CK1、HA1、HA2和HA3處理氨揮發(fā)累積量分別為3.08、2.89、2.91、2.94 kg／杯，HA1處理氨揮發(fā)累積量最少，比CK1處理降低6.17%，說明腐植酸增效劑能明顯降低土壤氨揮發(fā)累積量，其中HA1處理效果較好。

圖3 腐植酸增效劑對不同類型土壤氨揮發(fā)的影響

3 討論與結(jié)論

尿素是當(dāng)前施用的主要固體肥料，占當(dāng)前亞洲氮肥的80%［17］，不僅含氮量高、生產(chǎn)成本低、性質(zhì)穩(wěn)定且更易于存儲和施用。尿素施入土壤后，除少部分以酰胺態(tài)被植物吸收或被土壤固定外，大部分都在土壤脲酶的作用下水解形成銨態(tài)氮，然后在經(jīng)過硝化和反硝化等作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮供植物吸收利用或以NO2、NH3等形式散失［18，19］。尿素在土壤中的分解與轉(zhuǎn)化和土壤的性質(zhì)息息相關(guān)。因此盡管添加腐植酸可提高氮素利用效率，但不同土壤物理和化學(xué)性質(zhì)不同，其影響特性及其適宜濃度都有較大差異。

潮土為我國北方傳統(tǒng)耕作土壤，有機(jī)質(zhì)含量豐富、層理明顯、質(zhì)地均一且土壤中物質(zhì)淋溶與傳化作用較弱［20-22］。尿素施入后會在脲酶的作用下快速分解生成硝態(tài)氮、銨態(tài)氮并釋放氨氣。腐植酸的添加可顯著影響尿素的分解速度。培養(yǎng)1 d后，潮土中尿素態(tài)氮含量隨腐植酸用量的增加而增加，表明腐植酸可降低尿素的分解速率。其原因可能是腐植酸可降低土壤脲酶活性并改善土壤有機(jī)質(zhì)含量。添加腐植酸后，培養(yǎng)前期抑制土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化量，培養(yǎng)后期促進(jìn)土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，增加硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化量，并減少氨揮發(fā)。這與Moussavi［23］和裴瑞杰［24］等的研究結(jié)論相似。對于潮土而言，添加2%腐植酸增效劑效果較為明顯。

紅壤多是在中亞熱帶生物氣候條件下、年降水量在1 200 mm以上的環(huán)境中形成的，土壤上部呈酸性且易淋失，物質(zhì)的生物循環(huán)維持在較高水平［25，26］。尿素添加腐植酸增效劑施入紅壤后，前期抑制土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，減少硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化量，其氨揮發(fā)速率在第5 d達(dá)到峰值。培養(yǎng)中期促進(jìn)土壤銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，但在培養(yǎng)后期會抑制土壤中銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。對于紅壤而言，添加1%腐植酸增效劑效果較為明顯。