施用尿素与控释尿素对小油菜的氮损失情况比较

　　目前，我国已成为世界上氮肥施用量最多的国家［1］。氮肥的过量施用及不合理的施肥方式不但引发了水体的富营养化，也造成了地下水硝酸盐污染和大气污染等诸多环境问题［2］。随着我国农业种植结构的调整，蔬菜种植面积急剧扩大，并且蔬菜施肥量一般较粮田作物高［3，4］。这主要是由于在高产出、高收益刺激下，菜农往往盲目施用化肥，尤其是氮肥，从而使肥料利用率下降，菜 田 土 壤 性 状 恶 化，地 下 水 硝 酸 盐 含 量超标［4，5］。

　　近年来，控释肥料已经成为国内外研究的热点。控释肥料是利用一定的技术和材料将高分子材料和普通肥料结合，使其可以控制或减慢肥料在土壤中的释放速率，从而达到为植物长久提供营养的目的［6］。已有研究表明，施用控释尿素是提高氮肥利用率的有效途径［7，8］。由于控释尿素肥料的价格比普通尿素肥料高，因此普及率不高，一般主要应用于经济价值较高的花卉、蔬菜和水果等［9］。目前，国内对控释尿素的研究多为研究其养分的释放特性［10 ～14］和其在粮食作物上的施用效果［15 ～19］，对普通尿素肥料和控释尿素肥料施用在蔬菜作物中所带来的氮损失对比研究报道较少。

　　柴河流域位于昆明市晋宁县城东南，是晋宁县主要的防洪和灌溉河道之一。这一流域是昆明主要的蔬菜生产基地，农业生产活动频繁，化肥和农药的投入量普遍较高。2009 年，流入滇池的柴河水质类别为劣Ⅴ类，进一步加剧了滇池水体的富营养化。因此，开展相关研究寻求降低柴河流域农田面源污染的方法，对于改善滇池水体富营养化具有重要的现实意义。为此，本研究采用盆栽试验，从氨挥发和氮素淋溶两个方面比较了在不同施氮水平下，施用尿素与控释尿素对柴河流域土壤种植小油菜的氮损失情况，以期为柴河地区合理使用氮肥，控制农业面源污染提供科学依据。

　　1 材料与方法

　　1． 1 供试材料

　　供试土壤采自云南省晋宁县的柴河流域，位于滇池流域南部，为当地普通农田土壤。根据已有调查研究，该区域内土壤主要是以砂岩和砾岩发育 的 红 壤［20］，pH 为 6． 34，有 机 质 含 量 为2. 11% ，总氮含量为 530 mg / kg，有效磷含量为3. 54 mg / kg。使用普通尿素肥料( urea) 和采用树脂包膜的控释 尿 素 ( CＲU) 作 为 氮 肥，使 用 过 磷 酸 钙( CaP2H4O8) 作为磷肥，使用硫酸钾( K2SO4) 作为钾肥。其中，CＲU 由加拿大 Agrium 公司生产。

　　CＲU 表面呈淡蓝色，颗粒直径约为 3 mm。 在23℃ 条件下，通过水溶出实验得到 CＲU 肥料氮素溶出 时 间 为 70 d 左 右。供 试 植 物 为 油 菜( Brassica campestris L． ) ，购自北京京研益农科技发展中心。

　　1． 2 实验设计

　　盆栽实验在北京市农林科学研究院的日光温室中进行。实验共设置 6 个处理，分别为 CK、U1、U2、U3、C2 和 C3，其对应的施氮量分别为0 mg N / kg 土、400 mg N / kg 土 ( 900 kg N / hm²) 、320 mg N / kg 土( 720 kg N / hm²) 、280 mg N/kg 土( 630 kg N/hm²) 、320 mg N/kg 土( 720 kg N/hm²)和 280 mg N/kg 土( 630 kg N/hm²) 。其中 U1、U2和 U3 处理施加尿素，C2 和 C3 处理施加 CＲU，每个处 理 设 置 3 个 重 复。 各 处 理 均 施 加275 mg P / kg 土( 619 kg P / hm²) 和 62 mg K/kg 土( 140 kg K/hm²) 。

　　种植所用容器为直径20 cm、高度15 cm 的圆形塑料花盆。在花盆底部添加砾石，遮盖排水孔，砾石层厚约 2 cm。砾石层上填装供试土壤，边装土边压实，每盆装土 1 kg。其中下面填装 600 g土壤，将 N、P、K 肥料全部表施，与表层 400 g 土壤( 约 5 cm 厚) 完全混合。小油菜种子先经过湿润催芽，出芽后每盆播种 8 ～ 10 颗，播种深度0． 5 ～ 1． 0 cm。出苗后选择长势一致的幼苗，每盆留 5 株。实验期间使用纯净水定量灌溉，每次灌溉 500 mL，以减少其他因素的干扰。每个花盆底部放置一个托盘，用以收集淋溶水。实验中按照顺序每 2 d 更换一次花盆位置，以减少光照所带来的误差。盆栽实验时间于 2013 年 5 月 30 日开始，到 2013 年 7 月 14 日收获，共计 45 d。

　　1． 3 样品采集与分析方法

　　密闭吸收法是收集氨的常用方法［21］。由于稀硫酸作为吸收剂比硼酸吸收剂回收率、精确度和灵敏度高，本研究采用稀硫酸作为吸收剂［21］。利用浓度为 0． 01 mol/L 的稀硫酸作为吸收液，在密闭空间内定时采集氨挥发气体。施肥后每天采集 1 次，采集后立即带回实验室用靛酚蓝比色法［22］测定铵态氮含量。并计算比较各施肥处理与 CK 处理的氨挥发量，待施肥处理的氨挥发量连续几天与 CK 处理的挥发量大致相同时停止观测氨挥发。

　　在小油菜生长阶段共采集5 次淋溶水，并对淋溶水的铵态氮、硝态氮和总氮进行了分析。采集的样品即刻用靛酚蓝比色法测定水样的铵态氮含量，用双波长紫外分光光度法测定硝态氮含量，用碱性过硫酸钾 －紫外分光光度计法［22］测定总氮含量。试验结束时将收获的全部植株带回实验室。经洗根后于 105℃烘箱中杀青 30 min，然后 80℃烘干，称量干重，计算各处理平均生物量。收获后剩下的土壤带回实验室，取鲜样经 KCl 浸提后用靛酚蓝比色法［22］测定土壤铵态氮含量。

　　1． 4 数据处理

　　数据均为采样结果的平均值。本文中肥料氮素的氨挥发量和氮淋失量是由各施肥处理的氨挥发量和氮淋失量减去 CK 处理计算所得。氨挥发量和氮淋失量的单位采用 mg N/kg 土( 本研究中每盆装土 1 kg，mg N/kg 土即相当于 mg N/盆) 。采用 Origin8． 0 和 SPSS17． 0 进行数据分析。

　　2 结果与分析

　　2． 1 氨挥发量

　　图 1A ～ E 为氨挥发随时间的变化规律。可以看出，尿素处理在施肥后即产生氨挥发。其中U1 处理在第 5 d 达到氨挥发峰值( 2． 99 mg N / kg土) ，而 U2 和 U3 处理在第 3 d 就已经达到氨挥发峰值( 分别为2． 56 mg N/kg 土和2． 46 mg N/kg土) 。尿素处理的最大氨挥发量与施氮量成正比。各尿素处理的氨挥发量达到峰值后，开始快速下降。在第 8 d 后，其氨挥发量极低，这表明施加尿素处理的氨挥发已基本结束。而 CＲU 处理在施肥后第 1 d 基本没有检测到氨挥发，之后CＲU 处理开始产生氨挥发。氨挥发量随时间也有所增加，在施肥后 10 d 左右，CＲU 处理的氨挥发量开始大幅增加，并在之后的 2 周内一直处于较高水平，出现不同峰值。在第 13 d 时，C2 处理和 C3 处理的氨挥发量分别为 1． 49 mg N/kg 土和 0． 79 mg N/kg 土。在第 17 d 时，C2 处理和 C3处理的氨挥发量分别为 1． 11 mg N/kg 土和0． 84 mg N / kg 土。CＲU 处理的瞬时氨挥发量与施氮量成正比。

　　在施肥后的前 10 d，3 个不同施氮水平的尿素处理的氨挥发量远远高于 2 个 CＲU 处理，这也与杜建军等［23］氨挥发模拟实验结果相一致。但在 10 d 后，CＲU 处理的氨挥发量逐渐提高，并在10 ～ 24 d 这段时间内超过尿素各处理的氨挥发值。由此可以看出，使用树脂包膜的 CＲU 肥料在施肥前期氮释放率较低，能够较好的控制氨挥发。

　　随着时间延长，CＲU 肥料氨挥发逐渐增大。这说明后期 CＲU 肥料的氮释放率增大。普通尿素肥料在施入土壤后很快溶解并水解，导致施肥前期土体内氨浓度迅速增高，带来了大部分的氨挥发损失，而后期氨挥发损失极小。

　　图 1F 为各处理肥料氨挥发累积曲线。可以看出，在施肥前 10 d，CＲU 肥料产生的累积氨挥发量增加趋势不大，而尿素产生的累积氨挥发量增加趋势非常明显。而在施肥 10 d 后，CＲU 处理的累积氨挥发量的增加趋势逐渐变化，而尿素处理则几乎没有变化，这与图 1A ～ E 所表示的 2 种肥料的动态氨挥发情况相对应。在施肥 10 d 后，尿素肥料几乎不再产生氨挥发，而 CＲU 肥料此时仍然产生氨挥发。在施肥后的前20 d 3 个不同施氮水平的尿素处理的挥发量均大于 2 个 CＲU 处理。但在 20 d 后，C2 处理的累积氨挥发量超过U3 处理。同种肥料不同施氮水平相比，累积氨挥发量与施氮量成正比，施氮量最高的 U1 处理的氨挥发量最高。不同肥料相同施氮水平比较，U2 处理的累积氨挥发量与 C2 处理相差不大，而 U3 处理比 C3 处理高 13． 25%。

　　2． 2 氮淋失量

　　表 1 为各处理不同形态氮淋失累计量。尿素处理的氮淋失量整体高于 CＲU 处理。各处理的铵态氮、硝态氮和总氮淋失量的大小关系均表现为: U1 ＞ U2 ＞ U3 ＞ C2 ＞ C3。同种肥料不同施氮水平相比，淋溶水铵态氮、硝态氮和总氮淋失量与施氮量成正比。因此，减少施氮量会降低肥料的氮淋失。相同施氮水平不同肥料间相比，尿素处理的铵态氮、硝态氮和总氮的淋失量均高于 CＲU处理。

　　肥料种类和施肥量对不同形态氮淋失量均有影响。同种肥料不同施氮水平间，铵态氮淋失量差异并不显着，但相同施氮水平不同肥料处理间，尿素处理的铵态氮淋失量显着高于 CＲU 处理。

　　3 个尿素处理相比较，U1 处理的硝态氮和总氮淋失量都显着高于 U2 和 U3 处理，而 U2 和 U3 处理之间差异并不显着。2 个 CＲU 处理相比较，C2 和C3 处理间硝态氮和总氮淋失量均有显着差异。

　　相同施氮水平不同肥料处理间相比较，U2 和 C2处理的硝态氮淋失量差异不显着，但总氮淋失量 U2 处理显着高于 C2 处理，而 U3 处理的硝态氮淋失量和总氮淋失量均显着高于 C3 处理。可以看出，铵态氮淋失量只占总氮淋失量很小的一部分，大部分以硝态氮形式存在，还有小部分溶解性有机氮存在。这与姚建武等［24］的研究结果一致。

　　图 2 为各处理植株生物量干重。各施肥处理的植株干重均显着高于 CK 处理，但各施肥处理间并没有显着差异。因此，减量施氮对作物产量并没有显着影响。表 2 为不同处理氮损失情况，通过计算可以得到氮损失量和氮损失百分比( 氮损失量由氨挥发量和氮淋失量相加得到) 。可以看出，两种氮肥所有施氮水平处理的氮淋溶量都明显大于氨挥发量。因此，施用两种氮肥产生的氮损失主要来源于淋失作用。已有研究表明红壤地区 氮 肥 淋 失 量 大 约 占 施 肥 量 的 3． 6% ～32. 5%［25］。本研究中不同处理总氮淋失百分比在 8% ～17%之间，与之相符合。

　　同种肥料不同施氮水平产生的氨挥发量差异显着。施肥产生的氨挥发量随施氮量的增加而增加。相同施氮水平不同肥料处理间相比较，U2 处理与 C2 处理的氨挥发量差异不显着，但 U3 处理的氨挥发量显着高于 C3 处理。各处理肥料氮损失量与氮淋失量均表现出相同规律。3 个尿素处理相比较，U1 处理产生的氮淋失量和肥料氮损失量都显着高于 U2 和 U3 处理，而 U2 和 U3 处理之间差异并不显着。2 个 CＲU 处理相比较，C2 处理和 C3 处理的氮淋失量和氮损失量均有显着差异。相同施氮水平不同肥料处理间相比较，U2 处理的氮淋失量和氮损失量均显着高于 C2 处理，U3 处理的硝态氮淋失量和氮淋失量均显着高于C3 处理。

　　在 320 mg N/kg 土和 280 mg N/kg 土施氮水平下，尿素处理产生的累积氨挥发量分别占施氮量的 3． 64% 和 3． 57%，施用 CＲU 处理产生的累积氨挥发量分别占施氮量的 3． 64% 和 2． 78%。同时，尿素处理产生的氮淋失量大于 CＲU 处理。

　　施用尿素处理产生的氮淋失量占施氮量的 14．38% 和 14． 46% ，施用 CＲU 处理产生的氮淋溶量占施氮量 11． 60% 和 8． 37%。同种肥料相比，氮损失与施氮量成正比，施氮量越大，氮损失越高。

　　不同肥料相同施氮水平相比，在施氮量为 320 mgN /kg 土和 280 mg N / kg 土的水平下，CＲU 处理所产生的氮损失分别比尿素处理低 2． 77% 和 6．88% 。这表明在不影响作物产量的前提下，减量施加 CＲU 可以进一步降低氮素损失。

　　3 讨论

　　在旱作条件下，挥发、淋溶和径流是肥料氮素损失及其向周边水体迁移的主要途径。在田间农业种植中，由于受到自然条件和种植过程中多种因素的干扰，淋溶通量的观测有很大的不确定性。

　　为此，本研究采取室内温室培养试验，在严格控制土壤、肥料和水分等条件下准确收集淋溶水，并通过氮浓度的测定来准确估计氮淋失量。但由于室内盆栽试验的局限性，本研究无法观测径流氮流失。氮的挥发损失包括氨气挥发和氧化亚氮挥发，本研究中只检测了氨挥发。

　　已有研究表明淋失作用是导致氮肥利用率低的主要原因［26，27］。而在本研究结果中也发现，氮淋溶损失量显着大于氨挥发量。因此，氮素淋溶是造成氮损失的主要原因。Morrill 和 Dawson［28］的研究结果表明，当土壤 pH 在 5． 01 ～ 6． 38 时，土壤硝化作用进程为铵态氮快速氧化成硝态氮。

　　本研究中，供试土壤实验前 pH 为 6． 34，非常适合铵态氮快速硝化作用。已有前期试验也证实，尿素施入滇池流域土壤后 3 d 就可全部转化为硝酸盐［29］。本研究中两种氮肥处理的淋溶水中铵态氮浓度都很小，而通过测定发现试验后土壤中的铵态氮浓度仅为 2． 74 ～8． 04 mg N/kg 土。因此，氮淋溶量大主要是由于供试土壤硝化能力较强，土壤硝化速率快，铵态氮进入土壤后可快速转化成为硝态氮。此外，通过表 2 可以看出，各处理氨挥发量均较小，也可验证供试土壤硝化速率较快。

　　CＲU 处理比尿素处理的氮淋失量低主要是由于尿素肥料的速溶性。尿素施肥后迅速释放氮养分，酰胺态氮在脲酶作用下将迅速转变为铵态氮，而铵态氮经土壤中微生物的硝化作用转化为硝态氮，大量的硝态氮容易发生淋溶损失。而试验所选用的控释尿素被封闭在树脂膜内，其氮形态转化可能有两种途径: 一是尿素缓慢渗出树脂膜，在土壤中水解，随后在脲酶和土壤微生物的硝化作用下转化为易淋溶硝态氮; 二是脲酶和与硝化作用有关的土壤微生物扩散进入膜内，之后铵态氮扩散出树脂膜或者在膜内直接转化为硝态氮再渗出树脂膜，进入土壤。可见，CＲU 转化为硝态氮并进入到土壤发生淋溶作用都会受到树脂膜的阻隔，导致氮素释放速率较慢。而尿素施入土壤后，直接与土壤接触，脲酶和与硝化作用有关的微生物数量都很高。因此，尿素水解快，从而产生的氨挥发量较大，同时由于硝化速率快，产生的氮淋失量较高。在实际的农业生产中，在降雨和灌溉的作用下，土壤中的氮大部分以可溶性硝态氮形式渗入到土壤下层。因此，氮淋失已成为部分地区地下水硝酸盐污染的重要原因。杨莉琳等［30］发现过量施氮是土壤中硝态氮淋失的根本原 因。 本 研 究 中，尿 素 处 理 施 氮 量 从400 mg N / kg 土减少到 280 mg N / kg 土时，氮淋失占施氮量的百分比由 16． 2% 减少到 14． 5%。而CＲU 处 理 施 氮 量 从 320 mg N / kg 土 减 少 到280 mg N / kg 土时，氮淋失占施氮量的百分比由11． 6% 减少到 8． 4% 。由此可见，减少施氮量可以显着降低肥料的氮淋失量。

　　本研究结果表明，控释氮肥的施用结合减量施氮能够有效控制供试土壤的氮淋溶损失，将蔬菜种植过程中由施肥所带来的水环境影响减少到最低限度。由于控释肥料养分释放需要一定的时间，容易造成作物生长前期短时脱肥，后期养分供应过量，导致作物生长前弱后旺。在常规农业种植中，农户往往通过关键生育期追施常规氮肥，对植株生长发育进行调控。根据这一施肥习惯以及树脂包膜的控释尿素和普通尿素肥料的氮损失特征，建议将树脂包膜的控释尿素和普通尿素配合施用。这样可以实现两种肥料的优势互补，在整个作物生长阶段无需追肥，在增产减污的同时也减少了工作量。

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