腐植酸對(duì)土壤氮素轉(zhuǎn)化及氨揮發(fā)損失的影響

王 平，付戰(zhàn)勇，李絮花*，劉 敏，劉文博

(1.土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，山東 泰安 271018； 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東 泰安 271018)

施用氮肥是提高作物產(chǎn)量、保持土壤肥力的主要措施之一[1]，研究表明，我國(guó)氮肥利用率約為30%，比發(fā)達(dá)國(guó)家低20～30個(gè)百分點(diǎn)，而70%左右的氮肥通過(guò)氨揮發(fā)、硝化-反硝化、淋洗、徑流等途徑損失，造成氮肥資源嚴(yán)重浪費(fèi)[2]。目前我國(guó)氮肥的主要品種之一是尿素[3]，尿素是小分子有機(jī)態(tài)氮肥，施入土壤后，短時(shí)間內(nèi)被轉(zhuǎn)化為速效氮，若不能及時(shí)被作物吸收，易通過(guò)各種途徑損失，導(dǎo)致尿素利用率低，因此對(duì)尿素改性增效，提高氮素利用率，降低氮素?fù)p失勢(shì)在必行。

腐植酸作為肥料添加劑[4-6]受到廣大學(xué)者的關(guān)注。腐植酸含有多種官能團(tuán)(羥基、羧基、甲氧基、醌基和酚羥基)，具有親水性、螯合絡(luò)合、氧化還原和吸附能力[7]。研究證明，腐植酸可提高作物產(chǎn)量，促進(jìn)作物氮素吸收[8-9]；同時(shí)腐植酸具有保水保肥[10-11]，提高養(yǎng)分利用率[12]，減少氮素淋溶[13]等作用。但針對(duì)腐植酸如何影響土壤中氮素轉(zhuǎn)化和氨揮發(fā)損失的研究卻鮮有報(bào)道，因此試驗(yàn)添加不同用量腐植酸，研究腐植酸對(duì)尿素的改性增效作用，探討其對(duì)氨揮發(fā)和土壤氮素轉(zhuǎn)化的影響規(guī)律，揭示腐植酸對(duì)尿素的增效機(jī)理，為開發(fā)利用腐植酸資源，提高氮肥利用率提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2016年5月至8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。供試土壤采自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院德州實(shí)驗(yàn)站禹城試驗(yàn)基地低肥力0～20 cm的耕層土壤，混勻，風(fēng)干，磨碎并過(guò)3 mm篩，保存?zhèn)溆?。土壤類型為潮土，質(zhì)地為輕壤，供試土壤有機(jī)質(zhì)15.95 g·kg-1，全氮0.31 g·kg-1，有效磷(P)7.58 mg·kg-1，速效鉀(K)150 mg·kg-1。

供試腐植酸由某公司提供，其元素含量見(jiàn)表1。

表1 供試腐植酸元素含量、原子比例

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 培養(yǎng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用培養(yǎng)試驗(yàn)方法，共設(shè)6個(gè)處理(0、5%、10%、25%、50%、75%HA)，分別為每千克土壤腐植酸施用量0、50、100、250、500、750 g；氮、磷、鉀肥按照N、P2O5、K2O施用量0.2、0.1、0.2 g·kg-1添加，供試氮肥為尿素(N 46%)，磷肥為過(guò)磷酸鈣(P2O511%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O 50%)，27次重復(fù)，隨機(jī)排列。將肥料、腐植酸與過(guò)3 mm篩的150 g土樣(以干土計(jì))充分混勻后裝入培養(yǎng)杯(高15 cm，直徑8 cm)中，將含水量調(diào)至田間持水量的70%，用扎有小孔的保鮮膜封口，置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中避光培養(yǎng)，在培養(yǎng)過(guò)程中損失的水分通過(guò)稱重法補(bǔ)充。分別于第3、5、7、14、28、42、56、84、112 d取樣，一部分鮮樣用于測(cè)定土壤硝、銨態(tài)氮含量和土壤含水量，剩余土壤風(fēng)干后測(cè)定土壤脲酶活性。土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮測(cè)定采用2 mol·L-1氯化鉀溶液浸提，流動(dòng)注射分析儀比色測(cè)定；土壤脲酶活性采用比色法測(cè)定[14]。

1.1.2 氨揮發(fā)試驗(yàn)

試驗(yàn)處理同上，氨揮發(fā)的測(cè)定采用通氣法[15]。稱取過(guò)3 mm篩的土壤300 g(以干土計(jì))，將土壤、肥料和腐植酸混勻后放入塑料杯中，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，用固體膠進(jìn)行密封，注入水用于檢查裝置的密封性，若塑料杯和PVC管的連接處無(wú)水溢出，則表示裝置不漏氣，如有則重新密封(圖1)。測(cè)定過(guò)程中，分別將兩塊厚度均為2 cm、直徑為8 cm海綿均勻涂抹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。每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)，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(rùn)程度3～7 d更換一次，持續(xù)一周后，下層海綿每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(cè)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150 mL 1.0 mol·L-1的KCl溶液，震蕩1 h后，用流動(dòng)注射分析儀測(cè)定銨態(tài)氮含量。由下式計(jì)算土壤的氨揮發(fā)速率：

NH3-N(mg·杯-1)=M/D

其中，M為通氣法單個(gè)裝置平均每次測(cè)得的氨量(NH3-N,mg)；D為每次連續(xù)捕獲的時(shí)間(d)。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析

每日氨揮發(fā)通量計(jì)算公式：

NH3-N(mg·杯-1)=M

其中，M為通氣法單個(gè)裝置平均每日測(cè)得的氨量(NH3-N,mg)。

圖1 測(cè)定室內(nèi)培養(yǎng)土壤氨揮發(fā)的通氣裝置

采用Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 腐植酸對(duì)土壤脲酶活性的影響

土壤脲酶又稱作脲酰基水解酶，是土壤中尿素轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵酶[17]。整個(gè)培養(yǎng)期間，各處理土壤脲酶活性有相同的變化趨勢(shì)(圖2)。在前期土壤脲酶活性呈現(xiàn)增高趨勢(shì)，之后降低，至第14 d土壤脲酶活性降到最低，隨后隨著時(shí)間的推移又呈增加趨勢(shì)。在第5 d時(shí)，各處理土壤脲酶活性出現(xiàn)高峰，5%、10%、25%、50%HA處理的土壤脲酶活性較對(duì)照分別提高了50.60%、44.07%、33.76%、6.08%，而75%HA處理的土壤脲酶活性較對(duì)照降低了13.28%。培養(yǎng)14 d后，不同用量的腐植酸處理均能提高土壤脲酶活性。

2.2 腐植酸對(duì)氨揮發(fā)的影響

尿素施入土壤后，大部分在土壤脲酶的作用下水解為(NH4)2CO3，進(jìn)而釋放出氨氣[18]。由圖3a可以看出，尿素施入土壤后氨揮發(fā)速率迅速增加，并達(dá)到高峰，隨后迅速下降，至15 d后呈緩慢降低趨勢(shì)。在第2 d出現(xiàn)峰值時(shí)，CK的氨揮發(fā)速率最大，為1.83 mg·杯-1·d-1(以N計(jì))，而5%、10%、25%、50%、75%HA處理的氨揮發(fā)速率峰值分別為1.56、1.46、1.48、1.67、1.28 mg·杯-1·d-1(以N計(jì))，平均降低了18.44%。與CK處理相比，腐植酸處理的氨揮發(fā)速率在前6 d相對(duì)較低，其中腐植酸添加量為75%處理的氨揮發(fā)速率最低。

圖2 腐植酸對(duì)土壤脲酶活性的影響

圖3 腐植酸對(duì)氨揮發(fā)速率和累積氨揮發(fā)量的影響

圖3b表明，前期累積氨揮發(fā)量變化不明顯，隨著時(shí)間的推移，累積氨揮發(fā)量出現(xiàn)差異，且隨著腐植酸用量的增加，累積氨揮發(fā)量呈降低趨勢(shì)。各處理的氨揮發(fā)總量明顯低于對(duì)照，5%、10%、25%、50%、75%HA處理分別比CK減少氨揮發(fā)損失6.66%、11.55%、10.96%、11.86%、19.38%，說(shuō)明腐植酸的施用可以明顯降低氨揮發(fā)量，一方面可能是由于腐植酸減少了尿素向銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化；另一方面可能是由于腐植酸的吸附作用，減少了氨揮發(fā)，具體原因有待于進(jìn)一步研究。

2.3 腐植酸對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

圖4 腐植酸對(duì)土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響

各處理隨著時(shí)間的推移，土壤硝態(tài)氮含量呈增加趨勢(shì)(圖4b)。前7 d，土壤中硝態(tài)氮含量增加速度較為緩慢，甚至有的處理呈現(xiàn)出減少的趨勢(shì)，且使用腐植酸處理的土壤硝態(tài)氮含量低于CK，至112 d，不同處理的土壤中銨態(tài)氮含量已經(jīng)很低，此時(shí)土壤中的無(wú)機(jī)氮主要以硝態(tài)氮的形式存在。

2.4 腐植酸對(duì)土壤硝化率的影響

土壤表觀硝化率是指土壤中硝態(tài)氮濃度占銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度之和的百分比，能夠反映土壤的硝化作用強(qiáng)弱[19-20]。隨著培養(yǎng)天數(shù)的增加，土壤表觀硝化率逐漸升高，于培養(yǎng)后期趨于穩(wěn)定(圖5)。在第112 d時(shí)，各處理的土壤表觀硝化率均達(dá)到80%以上。從培養(yǎng)開始到第7 d時(shí)，所有處理的土壤表觀硝化率均處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，至7 d后，土壤表觀硝化率大幅度升高，至84 d后，各處理間土壤表觀硝化率差異不顯著。與對(duì)照相比，施用腐植酸能明顯降低土壤的硝化比率，且腐植酸的施用量越多，土壤表觀硝化率就越低。

3 討論與結(jié)論

圖5 腐植酸對(duì)土壤表觀硝化率的影響

脲酶活性在一定程度上反映了土壤的供氮水平，是土壤中氮素循環(huán)轉(zhuǎn)化的重要酶[25]。前期各處理的土壤脲酶活性呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這主要是由于尿素施入土壤后被分解的過(guò)程中能激活土壤脲酶活性，隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)，氮濃度下降，土壤脲酶活性降低[26]。大量研究表明，脲酶活性低是導(dǎo)致氨揮發(fā)量減少的一個(gè)重要因素[21-22]，這在本文中也得到證實(shí)，在吸附強(qiáng)度相同的條件下，75%HA處理顯著減少了氨揮發(fā)量(P<0.05)，主要是由于前期(培養(yǎng)前7 d)75%HA處理的土壤脲酶活性低于CK處理的土壤脲酶活性，抑制了尿素在土壤中的轉(zhuǎn)化速度，降低了氨的大量累積，從而顯著減少了土壤氨揮發(fā)損失[27]。

土壤銨態(tài)氮含量與土壤脲酶活性、氨揮發(fā)有密切關(guān)系。本試驗(yàn)研究表明，腐植酸的施用提高了土壤脲酶活性，加速了尿素水解生成銨，進(jìn)而釋放大量的NH3，由于腐植酸具有強(qiáng)大的內(nèi)表面積和較強(qiáng)的吸附能力，減少了氨揮發(fā)，明顯增加了土壤中銨態(tài)氮含量。在培養(yǎng)過(guò)程中，隨腐植酸用量的增加，土壤銨態(tài)氮的含量呈增加趨勢(shì)，卻減少了土壤硝態(tài)氮的含量，這可能是由于腐植酸的施用對(duì)硝化細(xì)菌有抑制作用，延緩了銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化，有效地減少了硝態(tài)氮淋溶損失和反硝化損失，但具體原因還需進(jìn)一步研究。