增值尿素的氨挥发特征及其对土壤微生物量碳和脲酶活性的影响

增值尿素的氨挥发特征及其对土壤微生物量碳和脲酶活性的影响_2013年论文集

增值尿素的氨挥发特征及其对土壤微生物量碳和脲酶活性的影响

李　伟　袁　亮　赵秉强　孙凯宁　林治安

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所　北京　100081)

摘　要：通过向普通尿素中添加风化煤粉、腐植酸钾和脱盐液，利用熔融造粒工艺制备出普通尿素(U)、风化煤尿素(FU)、腐植酸尿素(HAU)、脱盐液尿素(TU)3个增值尿素试验产品，在25 ℃条件下，进行土壤培养试验，研究了增值尿素的氨挥发特征及其对土壤微生物量碳、脲酶活性的影响。结果表明，与普通尿素相比，各增值尿素氨挥发累积量降低29.52%～39.78%，延迟了氨挥发的峰值；各增值尿素处理，在培养的前7天内土壤的脲酶活性降低，延缓了尿素态氮在土壤的转化速率；延缓了土壤微生物量碳峰值出现时间；风化煤(FU)和腐植酸尿素(HAU)处理在整个培养期内表现处理了较好的稳定性，减少氨挥发效果明显。

关键词：增值尿素　氨挥发　脲酶活性　土壤微生物量碳

Effects of Value-added Urea on Ammonia Volatilization, Soil microbial Biomass Carbon and Soil Urease Activity

Li Wei, Yuan Liang, Zhao Bingqiang, Sun Kaining, Lin Zhian

(Institute of Agricultural Resource and Regional Planning, Beijing, 100081)

Abstract: Soil incubation under 25 ℃ was conducted to study the ammonia volatilization characteristic, soil microbial biomass carbon, pH and soil urease activity of normal urea and value-added urea which was manufactured by melted urea with different organic synergists.The results showed that the value-added urea with danty urea (FU), humic acid (HAU) and desalination liquid (TU) were decreased the accumulation of ammonia volatilization by 39.78%, 38.41% and 29.52% compared to the normal urea, respectively.The peak of ammonia volatilization was deferred by the treatment FU and the peak value was brought down.The pH value of value-added urea soil was decreased and delayed the occurrence of peak of microbial biomass carbon.The treatment FU and HAU could inhibit the soil urease activity and prolong the release time of urea.Compared with normal urea, applying FU and HAU were beneficial to decrease the ammonia volatilization.

Key words: value-added urea; ammonia volatilization; soil microbial biomass carbon; soil urease activity

尿素是我国主要的化学氮肥品种，占氮肥消耗总量的65%左右。尿素氮肥活性强，损失途径多，施入土壤的尿素氮肥经过转化后，除被作物吸收和土壤固持外，相当部分氮素通过氨挥发、硝化、反硝化、径流和淋溶等途径损失，我国氮肥利用效率一直处于较低水平，全国大田作物氮肥平均利用率仅在30%左右[1～5]。近年来，我国科研工作者通过对化肥特别是氮肥进行改性增效研究[6]，如包膜尿素[4～8]；脲醛肥料[4,5,9]，稳定性肥料等[10,11]，取得了一定的效果。这些肥料大多需二次加工，成本较高，且产能低，多适用于草坪、花卉、附加值较高的经济作物，较少用于大田作物，另外，因产业规模小，尚不能从整体上提高我国的肥料利用率[8]。据报道，2009年，世界的缓释肥料约为170～200t，我国的缓释肥料年产量约为70万吨，已成为世界最大的缓释肥生产和消费国[12]。2012年，我国尿素实物产量达6530万吨，缓释尿素也仅占我国尿素产量的1%左右。因此，开发产能高、成本低、效果好的增值尿素新产品成为重要的研究方向，肥料增值技术或发展增值肥料(Value-added Fertilizer)成为国内外新型肥料研究的重要方向之一[2,3,13,14]。增值尿素是指在基本不改变尿素生产工艺的基础上，增加简单设备，向尿素熔融液中直接添加生物活性类氮肥增效剂所生产的尿素增值产品[2,3]。世界上许多国家都在通过开发肥料增效剂来对化肥进行改性增效。如日本的丸红株式会社、美国第二大农化服务公司HELENA和德国的BASF公司都拥有自己独立技术的肥料增效剂多达上百种，欧洲于2011年成立了生物刺激素产业联盟(http://www.biostimulants.eu)，促进了肥料增效剂在农业中的应用，但由于申请专利需要对专利信息进行公开，增效剂的研发企业大多不申请专利，只在内部使用增效剂技术。近年来，我国尿素增值技术发展较快[2,3,6]，2012年底，由中国氮肥工业协会和中国农业科学院农业资源与农业区划研究所牵头，联合我国16家大型尿素生产企业和15家技术推广单位成立了化肥增值产业技术创新联盟，成为推动我国增值肥料发展的重要力量，但我国的肥料增值技术仍处于起步阶段。

本研究通过选择以风化煤粉、腐植酸钾和脱盐液为增效剂，与尿素进行熔融造粒，制备增值尿素试验产品，进行土壤培养试验，研究其氨挥发特征及其对土壤微生物量、脲酶活性的影响，以期为增值尿素新产品的研发提供技术和理论支撑。

1　材料与方法

1.1　供试材料

将风化煤粉、腐植酸钾和脱盐液分别按固形物5%比例添加到尿素中，在116 ℃下与尿素充分混匀、熔融，采用油冷工艺制备颗粒肥料试验产品，经甩干、筛分后，分别获得风化煤尿素(FU)、腐植酸尿素(HAU)和脱盐液尿素(TU)试验产品，为保持条件一致，普通尿素与各增值尿素在制备过程中均添加等量的水，也经过相同的熔融和造粒过程。

表1　供试尿素全氮含量
Tab.1 Total N contents of experimental urea

1.2　供试土壤

供试土壤为潮土，采自中国农业科学院德州实验站禹城试验基地。该区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温12～14℃，无霜期200 d，年平均降水量608 mm。供试土壤全氮0.463 g/kg、有机质9.69 g/kg、速效磷15.2 mg/kg、速效钾87.3 mg/kg、pH 8.63。

1.3　试验设计

1.3.1　氨挥发试验

氨挥发量的测定采用“静态吸收法”[15]。施肥量按氮(纯氮，下同)0.84 g/kg土施入，称取过1 mm孔径筛的土壤500 g(以干土计)，土肥混合均匀，放入规格为15 cm×8.5 cm×17.5 cm的塑料桶中，调节含水量为田间最大持水量的60%，用塑料封口膜封口，桶内放入装有2%硼酸10 mL的吸收杯，以甲基红-溴甲酚绿混合指示剂作为指示剂，用0.02 mol/L 1/2H2SO4滴定，换算出每次挥发出的纯氮量。以普通尿素(U)为对照，设4个处理，分别为普通尿素U、风化煤尿素FU、腐植酸尿素HAU、脱盐液尿素TU，重复3次。置于智能人工气候箱中于25 ℃条件下连续培养，分别在培养的第1、2、3、4、5、6、7、9、14、27、35 d测定氨挥发量。

1.3.2　土壤培养试验

在设定为25 ℃的智能人工气候箱中连续培养，施肥量为0.21 g/kg土，肥料与过1 mm孔径筛的150 g土样(以干土计)充分混匀后装入培养杯(高15 cm，直径7.5 cm)中，调节土壤含水量为田间持水量的60%，用留有小孔的保鲜膜封口，定期称重、调节土壤水分。处理同氨挥发试验，重复3次，并于培养的第1、2、4、7、14、28天后测定土壤脲酶活性、pH、微生物量碳。

1.4　测试项目与方法

NH4+-N：2%H3BO3吸收，0.02 mol/ L1/2H2SO4滴定；土壤脲酶活性：采用苯酚钠比色法[16]；土壤微生物量碳：采用氯仿薰蒸浸提法[17]；土壤pH测定采用上海雷磁PHS-3C型pH计测定。

采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和作图，DPS7.05统计软件进行方差分析和Duncan多重比较。

2　结果分析

2.1　增值尿素的氨挥发特征

由表1看出，不同处理自第1天始，即有氨的挥发，整个培养时间氨挥发呈现先升高后降低的变化规律。在3～5 d时相继达到峰值，第7天时降到谷底，后又缓慢升高，但峰值较前期明显降低。1～5 d各处理间变化差异较大，U在第4天时氨挥发到达最高峰值，为3.05 g/pot，随后快速下降，整个培养过程变幅最大；TU峰值为2.35 g/ pot，峰值较U提前出现1 d；HAU峰值出现时间与普通尿素一样，但氨挥发仅为2.05 mg/pot，峰值较U降低32.8%；FU效果最好，氨挥发峰值出现在第5天，且之前氨挥发量小于其他处理，峰值较U降低41.6%。5 d后各处理间没有明显差异。

增值尿素处理均能显著降低氨挥发，FU效果最好，其后依次为HAU、TU，不同处理与普通尿素处理相比氨挥发抑制率在29.52%～39.78%之间。

表2　25℃条件下土壤氨挥发的动态变化
Tab.2 Dynamic changes of ammonia volatilization in soil under 25℃　　　mg/pot

注：不同字母者表示在0.05水平差异显著。

2.2　增值尿素对土壤脲酶活性的影响

从表3可以看出，整个培养时期，土壤脲酶活性呈先升高后降低的单峰变化趋势。第1天，U脲酶活性最高，随后2～3 d有所降低，但高于FU和HAU，此时TU酶活性最高，与此处理氨挥发时间提前相对应；在第7天时，各处理脲酶活性达到最高，由大到小依次为U>TU>FU>HAU；其后，U处理脲酶活性快速下降，至培养结束时，各处理脲酶活性差别不大，但U处理脲酶活性最低。

表3　25℃条件下土壤脲酶活性动态变化
Tab.3 Dynamic changes of soil urease activity under 25℃　　　NH4±N μg/100g±•24h

2.3　增值尿素对土壤微生物量碳的影响

微生物量碳可反映土壤养分有效状况和生物活性，能在很大程度上反应土壤微生物数量，对土壤扰动非常敏感，但不受无机氮的直接影响，常作为土壤对环境响应的指示指标[18]。由图1可知，各施肥处理对土壤微生物量碳的影响总体呈先升后降的趋势。U在整个培养过程中较为平稳。U、HAU、FU、TU处理生物量碳高峰值分别出现在第2、14、4天和第5天，说明与U相比，增值尿素可以延缓土壤微生物量碳高峰出现的时间。

图1　土壤微生物量碳动态变化

Fig .1 Dynamic changes of microbial biomass carbon in soil

培养至1 d时，增值尿素处理的微生物碳量均比普通尿素处理的高，其中，TU、HAU分别增加了47.21%和31.55%，FU提高了13.31%；4 d时，增值尿素处理处于上升期，而U已开始下降，FU较普U提高了61.70%，达到峰值167.85 mg/kg；7 d时，除HAU外，其他增值尿素处理均达到峰值，与U相比，各增值尿素增加幅度在48.11%～61.86%之间，以HAU最大为最大；14 d时，FU、TU与U含量相当，HAU较U提高了93.88%，达到峰值；28 d时，除HAU，都较培养初期降低。

3　讨论与结论

施入土壤的氮肥是旱作农田生态系统氨挥发的重要来源,氨挥发又是旱地土壤肥料氮损失的重要途径[19]，杜建军[20]用与本试验相同的方法研究表明，尿素在培养后的第4天氨挥发达到峰值，其后下降；孙明强[21]等通过多年多点对长效腐植酸尿素(UHA)的研究发现，UHA能延后氨挥发高峰出现的时间，且能明显降低氨挥发量；孙小燕[22]经研究发现，风化煤对在土壤中尿素氨化作用有显著的抑制作用，脲酶抑制率为5.7%～14%。本试验氨挥发在3～5 d时到达峰值，与前人研究结果基本一致，各增值尿素较普通尿素降低了氨挥发的峰值，且风化煤增值尿素延缓了氨挥发峰值出现的时间，各增值尿素处理较普通尿素氨挥发累计抑制率在29.52%～39.78%之间，明显减少了氨挥发量，风化煤增值尿素处理效果最佳。

尿素的水解需脲酶参与，因此尿素氮的挥发损失与脲酶活性密切相关[23]。与普通尿素处理相比，腐植酸尿素和风化煤尿素前7 d内保持了较低的脲酶活性，第14天和第28天时其脲酶活性均高于对照。可见，此两类增值尿素前期能减少尿素氮的转化，降低土壤中因氨的大量积累而造成的氨挥发损失；延长尿素转化的周期，保证其在后期仍有相对较高的肥力，从而提高尿素的氮肥利用率。

农田中施用腐植酸尿素后，其中的腐植酸能够降低土壤pH值，从而使得铵离子不易转化为氨气而损失，同时腐植酸能对土壤砂粒起到包被作用，使砂粒表面具有一定量的负电荷，可增加砂粒吸附铵离子的能力，从而减少尿素氮素的损失[24]。微生物生物量的大小可以表明微生物新陈代谢活动的强弱，而微生物生长与死亡的交替过程也就是养分的固定与释放过程[25]。施用有机肥和腐植酸类肥料，可增加土壤微生物量碳，有利于碳素的贮存和缓释[26]。本试验表明，增值尿素可以增加土壤微生物量碳含量，并延缓二者高峰出现时间，以腐植酸尿素处理效果最为明显，至培养28 d，土壤微生物碳较普通尿素高80.47%，说明增值尿素可以提高微生物的活性，延长微生物的活性周期。风化煤、脱盐液增值尿素效果低于腐植酸增值尿素，可能是由于单位质量的风化煤与尿素发生脲缩合反应和复合反应的程度要小于等质量的腐植酸；而脱盐液中的氨基酸类物质可能在一定程度上能够吸附土壤中的营养元素，但在延缓肥料转化的效果方面要差于腐植酸和风化煤增值尿素，具体原因还有待进一步研究。

4　结论

25 ℃条件下培养4周后，与普通尿素(U)相比，增值尿素氨挥发累积量分别减少了29.52%～39.78%，降低了氨挥发的峰值；增值尿素处理，在培养的前7天内降低了土壤的脲酶活性，延缓了尿素态氮在土壤的转化速率，减少了土壤pH的变化，延缓了土壤微生物量碳峰值出现时间；风化煤和腐植酸尿素处理在整个培养期内表现处理了较好的稳定性，减少氨挥发效果明显。

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