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《植物營養與肥料學報》2016年第二期

摘要：

【目的】氨揮發是農田氮素損失的重要途徑之一，氮肥類型或尿素氮肥緩釋處理方式直接或間接影響作物吸收及土壤理化性質，進而影響氨揮發和氮素利用效率。通過不同緩釋處理技術減低氨揮發和氮素降解釋放速率從而提高作物氮素吸收，對于提高作物氮素利用率具有重要意義。【方法】通過兩年田間原位跟蹤試驗，設置不施氮對照（CK）、硝酸鈣（CN）、常規尿素（CU）、樹脂包膜尿素（CRF）、控失尿素（LCU）、凝膠尿素（CLP）、脲甲醛（UF）七個處理，研究不同氮肥緩釋化處理對夏玉米土壤氨揮發損失量、玉米產量和氮素利用的影響。【結果】1）兩年數據表明，氨揮發主要集中于施肥后一周以內，常規尿素氨揮發累積量占整個生育期氨揮發累計總量平均為81.6%，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、脲甲醛氨揮發累積量占整個生育期氨揮發累計總量的比例介于62.2%~82.2%之間。2）2014年夏玉米田間氨揮發監測期內，常規尿素的氨揮發累計總量為N14.9kg/hm2，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、脲甲醛處理與常規尿素相比下降幅度介于21.7%~64.6%。2015年，常規尿素的氨揮發累計總量為N17.3kg/hm2，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、脲甲醛處理與常規尿素相比下降幅度介于17.3%~57.2%。3）化肥氮在常規尿素、樹脂包膜尿素以及控失尿素處理中的貢獻率較高，兩年均達60%以上，其中常規尿素中化肥氮的貢獻率平均高達76.0%。而化肥氮在脲甲醛中的貢獻率較低，平均僅為37.6%。4）與常規尿素相比，脲甲醛、凝膠尿素、控失尿素以及樹脂包膜尿素的產量也有顯著增加，兩年平均產量增幅為6.3%~18.8%.（5）不同氮肥的夏玉米氮肥利用率也有顯著差異，其中脲甲醛為最高，平均高達57.9%，其次為凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、硝酸鈣和常規尿素，分別為42.4%、38.3%、38.3%、23.5%和20.8%。【結論】氮肥中的氨揮發主要集中于施肥后一周以內。與常規尿素相比，脲甲醛、控釋尿素、樹脂包膜尿素、凝膠尿素均能明顯減少氨揮發損失、提高產量和氮肥利用率，以脲甲醛和凝膠尿素效果更顯著，是高產、高效、低損失的肥料類型。

關鍵詞：

夏玉米；緩釋氮肥；氨揮發；產量；氮素利用

氮素損失已成為我國農田生態系統中非點源污染的重要途徑之一，也是我國氮肥利用率較低的重要原因[1]。研究表明，施入土壤中的氮素，有三種歸宿：35%被作物吸收；約13%在土壤剖面中以無機氮(Nmin)形態或有機結合形態殘留；52%以各種形式發生損失，其中氨揮發損失的氮素占總損失量的21%[2-3]。氨揮發勢必會降低農田氮素利用效率，不利于農作物高產[4,8]。同時，氨也是大氣中重要的微量氣體之一，影響大氣中PM2.5的酸度，造成環境污染[9]。目前，全球每年大約有9.3×106molNH3進入大氣層[10]，并呈不斷增加的趨勢，農業生產引起的NH3排放是大氣NH3的主要來源之一[11]。在農田生態系統中，導致氨揮發增加的原因之一是肥料的養分釋放時間和強度與作物需求之間不吻合。通過改良肥料性質或加入肥料增效劑，控制養分釋放，使養分釋放時間和強度符合作物養分吸收規律，在一定程度上能夠協調土壤養分供給和作物養分需求之間的關系，從而減少肥料損失以提高肥料利用率[12]。氮肥類型主要有銨態氮肥、硝態氮肥以及酰胺態氮肥，其中，酰胺態氮肥尿素因具有含氮量高、物理性狀較好和無副成分等優點，是我國主要的農用氮肥[13]。但是，它也具有易吸濕結塊、易水解、釋放快以及易發生田間損失等缺點[13]，因此，包膜尿素、控釋尿素、脲甲醛、凝膠尿素等改良品種被廣泛應用于生產。樹脂包膜尿素是用有機高分子材料作為包膜材料，樹脂具有“膜”的作用，可溶性物質必須通過該膜向周圍環境擴散，另外，它能減少養分與土壤間的相互接觸，從而能減少周圍土壤的生物、化學和物理作用對養分的固定，因此，樹脂可用于控制肥料養分的釋放[14]。

控失尿素是通過復合材料對尿素進行改性，將其中的養分固定在植物根際土壤中，形成分子網格吸附和固定營養元素，以滿足植物整個生長發育過程中對養分的需求，減少污染、控制肥料流失[15-16]。脲甲醛是在尿素中加入一定比例不同鏈長的甲基脲聚合物，施入農田后，快速融化為膠體被土壤緊密吸附融合，從而降低養分流失。脲甲醛緩釋氮肥含有少量游離尿素、冷水不溶氮和熱水不溶氮，具有速效和緩釋相濟的功能，可實現氮素速效和長效的完美結合，從而達到控釋養分釋放的目的[17,20]。凝膠尿素是通過在尿素中添加一種交鏈丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物緩控載體制得，此材料親水不溶于水，遇水膨脹成凝膠，通過化學吸附控釋NH4+，從而減少氨揮發，提高氮利用率[21]。研究表明包膜類肥料能顯著提高玉米產量，有效降低土壤氨揮發速率和氨揮發累積量，包膜類肥料的氮肥利用率和農學效率也均顯著高于常規尿素處理[22,25]。凝膠尿素因添加緩控載體，也可以減緩尿素的水解、銨化和硝化過程，進而控制養分釋放、提高氮素利用效率[26-27]。在尿素中添加脲酶抑制劑可以減少氨揮發，且脲酶抑制劑與硝化抑制劑配合施用可更有效地提高氮肥的回收率[28]。但這些研究均集中于同類控釋氮肥、化能緩釋類氮肥或者傳統氮肥的比較，對于各大類緩釋化處理氮肥對華北地區夏玉米田間氨揮發和氮素利用狀況影響的系統研究與評估較少。因此，本研究深入分析比較了五大類常見改性氮肥對華北地區夏玉米田間氨揮發及氮肥利用狀況的影響，為推薦施肥提供科學依據和技術手段。

1材料與方法

1.1試驗區概況本試驗于2014年和2015年設置在河北省廊坊市廣陽區萬莊鎮北中國農業科學院國際農業高新技術示范園內（N39°35′47.03″、E116°35′16.24″），該地區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均日照時數在2660h，年平均氣溫11.9℃，無霜期平均183d，年平均降水量554.9mm。種植制度為玉米與小麥輪作。供試土壤的土壤類型為潮土，土壤質地為砂壤。0—20cm土層土壤有機質含量7.4g/kg，銨態氮3.8mg/kg，硝態氮19.5mg/kg，土壤全氮0.23g/kg，速效磷21.0mg/kg，速效鉀65.7mg/kg，pH值8.2。

1.2供試材料供試肥料：供試氮肥包括常規尿素（含N46%）、硝酸鈣（含N15.5%）、樹脂包膜尿素（含N43%）、脲甲醛（含N41%，由中國農業科學院國家測土配方施肥重點實驗室提供）、控失尿素（含N44%，在常規尿素中添加控失因子制得，由心連心肥料有限公司提供）、凝膠尿素（含N46%，以水：常規尿素：丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物=100：75：2制得，為凝膠狀態，其中丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物為一種保水劑材料[29‐30]，由北京漢力淼新技術有限公司提供），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為硫酸鉀（含K2O51%）。供試作物：夏玉米，品種為鄭單958，行距為60cm，株距為21cm，試驗分別于2014年6月24日到2014年10月14日以及2015年6月19日到2015年10月19日進行。

1.3試驗設計采用單因素設計，試驗設置7個處理：（1）不施氮對照（CK）；（2）硝酸鈣（CN）；（3）常規尿素（CU）；（4）樹脂包膜尿素（CRF）；（5）控失尿素（LCU）；（6）凝膠尿素（CLP）；（7）脲甲醛（UF）。每個處理3次重復，小區面積3m×8m，共21個小區，隨機區組排列。氮肥、磷肥、鉀肥用量分別為180kg/hm2，90kg/hm2，90kg/hm2。氮磷鉀肥均為一次性條施，施肥深度為10~12cm，其他田間管理按照常規方式進行。

1.4樣品采集與分析

1.4.1氨氣的捕獲方法氨揮發測定方法為通氣法[31-32]，該裝置由聚氯乙烯硬質塑料管制成，內徑為15cm，高為10cm（圖2），測定過程中分別將兩塊厚度均為2cm，直徑為16cm的海綿均勻浸以15ml的磷酸甘油溶液（50ml磷酸+40ml丙三醇，定容至1000ml）后，置于硬質塑料管中，下層的海綿距管底5cm，其中下層1cm塑料管沒入土壤中，上層海綿與管頂部相平。為防止降雨對測定裝置的影響，在各裝置頂部30cm處支起一半徑大于收集裝置半徑的頂蓋。土壤揮發氨的捕獲在施肥后的當天開始，于各小區的不同位置，分別放置3個通氣法氨捕獲裝置，第二天早晨7:00取樣。取樣時，將通氣裝置下層海綿取出，迅速編號后分別裝入自封袋中，密封，同時換上另一塊剛剛浸過磷酸甘油的海綿。變動擺放位置以后，將裝置重新放好，以備下一次田間吸收。上層的海綿視其干濕情況3~7d更換1次。把取下的下層海綿帶回試驗室后，分別裝入500ml的塑料瓶中，加300ml1.0mol/L的KCl溶液，使海綿完全浸于其中，振蕩1h后，采用連續流動分析儀（SealAA3）測定浸取液中的銨態氮。開始的1周，每天取樣1次；第2~3周，根據測到的揮發氨數量多少，每1~3d取樣1次，以后取樣間隔可延長到7d，直至監測不到氨揮發。土壤氨揮發速率的計算公式為：氨揮發速率：NH3-N（kg/（hm2•d））=（M/（A×D））×10-2其中M為通氣法單個裝置平均每次測得的氨量（NH3-N，mg）；A為捕獲裝置的橫截面積（m2）；D為每次連續捕獲的時間（d）。

1.4.2產量的測定及植株樣品的采集在玉米成熟期，將試驗小區全部收獲，進行實打實收計產。在每個小區選擇3株有代表性的玉米植株，裝入網袋帶回實驗室，分為秸稈和籽粒，烘干后全部粉碎，采用H2SO4–H2O2消煮提取，用連續流動分析。

1.5數據處理每日氨揮發通量：NH3-N（kg/hm2）=（M/A）×10-2其中M為通氣法單個裝置平均每日測得的氨量（NH3-N，mg）；A為捕獲裝置的橫截面積（m2）。氨揮發累積量=測定時期內每日氨揮發通量之和氨揮發累積量中化肥的貢獻率（%）=（施肥 處理氨揮發量−不施肥對照氨揮發量）/施肥處理氨揮發量×100氨揮發累積量占施肥量的比例（%）=（施肥處理氨揮發量−不施肥對照氨揮發量）/施氮量×100吸氮量（g/hm2）=氮含量干重（g/hm2）氮收獲指數（NHI，%）=籽粒吸氮量/植株吸氮量×100氮肥農學利用效率（NAE，kg/kg）=（施氮區產量－不施氮區產量）/施氮量氮肥利用率（NFUE，%）=（施氮區地上部分吸氮量－不施氮區地上部分吸氮量）/施氮量×100試驗數據采用Excel2003軟件對數據進行處理和作圖，采用SAS9.1統計軟件Duncan方法進行方差分析。

2結果與討論

2.1不同氮肥的田間氨揮發監測

2.1.1不同氮肥的田間氨揮發速率動態特征在2014年及2015年氨揮發監測期間，施基肥后，整體上各處理的氨揮發速率表現為先增加后降低的趨勢，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、常規尿素均在施肥后第2~3天達到峰值（圖3）。常規尿素氨揮發速率峰值在兩年內均為最大，分別為N4.3和4.6kg/(hm2•d)。2014年凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素氨揮發速率峰值分別為N3.3、3.1、2.3kg/(hm2•d)；2015年凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素氨揮發速率峰值分別為N3.5、2.9、2.5kg/(hm2•d)。常規尿素與其他三處理之間差異性顯著。出現峰值以后，常規尿素、凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素的氨揮發速率開始降低，2014年因降水影響，在施肥后第5天，四處理的氨揮發速率又有一定幅度升高，氨揮發速率處于緩慢降低的狀態。脲甲醛在施肥后第6、7天達到氨揮發速率峰值，但僅為N0.9和1.0kg/(hm2•d)。硝酸鈣作為非銨態類肥料，氨揮發速率一直較低，與空白對照無差異。

2.1.2不同氮肥的田間氨揮發累積量在監測期間，各施肥處理的氨揮發累積量與氨揮發速率變化趨勢一致（圖4）。兩年數據表明，監測開始一周內，常規尿素氨揮發累積量分別占整個生育期氨揮發累計總量的82.9%和80.2%，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、脲甲醛氨揮發累積量占整個生育期氨揮發累計總量的比例介于62.2%~82.2%之間。2014年夏玉米田間氨揮發監測期內，常規尿素的氨揮發累計總量為N14.9kg/hm2，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、脲甲醛處理與常規尿素相比分別降低了40.0%、22.6%、21.7%和64.6%。2015年，常規尿素的氨揮發累計總量為N17.3kg/hm2，凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素、脲甲醛處理與常規尿素相比分別降低了35.3%、17.3%、19.1%和57.2%（表1）。在各處理中，常規尿素氨揮發的化肥貢獻率為最高，為74.5%，脲甲醛為最低，僅為27.9%。樹脂包膜尿素以及控失尿素氨揮發的化肥貢獻率介于常規尿素和凝膠尿素之間，且樹脂包膜尿素和控失尿素之間差異性不顯著，但與凝膠尿素之間差異性顯著。

2.2不同氮肥對夏玉米產量和氮素利用的影響從表2可以看出，不同氮肥處理對夏玉米產量影響各異。與不施肥處理相比，脲甲醛、凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素以及常規尿素的產量均有顯著增加，平均產量增幅為10.3%~31.0%。與常規尿素相比，脲甲醛、凝膠尿素、控失尿素以及樹脂包膜尿素的產量也有顯著增加，平均產量增幅為6.3%~18.8%。且在各處理中，脲甲醛的增產幅度最大，其次依次為凝膠尿素、控失尿素和樹脂包膜尿素。不同氮肥品種對夏玉米收獲指數的影響相對較小，收獲指數介于58.2%~62.0%之間，脲甲醛的平均收獲指數在各處理中為最大。不同氮肥處理下，夏玉米的生物量、籽粒吸氮量各異（如表3），其中，脲甲醛的生物量為最高，兩年平均為22.9t/hm2，并與其他處理之間呈顯著性差異，其次為控失尿素、樹脂包膜尿素、凝膠尿素、硝酸鈣、常規尿素。脲甲醛的籽粒吸氮量平均高達151.2kg/hm2，在各處理中為最高，其次為凝膠尿素、樹脂包膜尿素、控失尿素、硝酸鈣、常規尿素，分別為138.1、131.1、125.9、116.5、111.0kg/hm2。夏玉米氮肥農學效率是單位施肥量對作物籽粒產量增加的反映，是農業生產中最重要的經濟指標之一。脲甲醛的氮肥農學利用效率為最高，平均高達14.7kg/kg。常規尿素作為普通肥料對照，其氮素農學利用效率為最低，僅為4.8kg/kg（如表4）。凝膠尿素、樹脂包膜尿素、控失尿素的氮素農學利用效率差異性不顯著，這說明夏玉米對脲甲醛的利用效果最好。與常規尿素相比，脲甲醛、凝膠尿素、控失尿素和樹脂包膜尿素氮肥利用率的也有顯著提高，僅有非銨態類肥料硝酸鈣與常規尿素之間無差異。在各處理中，脲甲氮肥利用率為最高，高達54.9%，凝膠尿素的氮肥利用率為42.4%。

3討論與結論

3.1不同氮肥對氨揮發的影響氨揮發是氮肥施入土壤后造成氮素氣態損失的重要途徑，主要受土壤條件、環境因子及施肥狀況等因素的影響。在本試驗中，施肥量和田間條件是一致的，因而氨揮發主要受肥料類型的影響。在本研究中，土壤氨揮發峰值多出現在灌溉施肥后1~3天，之后迅速下降進入低揮發階段，這與董文旭等[33]的研究結果一致。另外，各處理的氨揮發累積量表現為常規尿素>樹脂包膜尿素>控失尿素>凝膠尿素>脲甲醛>對照>硝酸鈣。且脲甲醛、控失尿素、樹脂包膜尿素、凝膠尿素與常規尿素相比，均能顯著減少氨揮發，尤其是脲甲醛，降低氨揮發的幅度最大，這是因為脲甲醛緩釋肥料是不同鏈長的甲基脲聚合物，具有不同的水溶性氮含量，施入土壤后，靠土壤微生物分解釋放氮素，可便于作物在不同時期的吸收利用，另外，緩溶性物質阻隔肥料與土壤脲酶的直接接觸及減少尿素態氮的溶出，從而達到降低和延緩土壤氨揮發的效果。樹脂包膜尿素，是在肥料顆粒表面包裹一層控釋膜，利用膜層將高濃度速效養分與土壤分割開來，膜層具有的空隙結構可以控制養分按一定的速率釋放，與此同時，也可以阻隔尿素態氮與土壤中酶的直接接觸，從而減少土壤氨揮發。凝膠尿素和控失尿素中添加的材料為網狀結構，它可以減緩尿素氨化，這是其氨揮發較低的重要原因[34,39]，由此可以推測，脲甲醛、樹脂包膜尿素減少氨揮發是因為緩釋材料阻隔了尿素態氮與土壤脲酶的直接接觸，而土壤脲酶是氨揮發的重要影響因素，所以可以減少氨揮發。凝膠尿素和控失尿素中添加的網狀材料，可以減緩尿素在土壤中的轉化過程，進而使養分更多的供給作物吸收利用，在延緩尿素氨化、水解等過程的同時，減少氨揮發。

3.2不同氮肥對產量和氮素利用的影響脲甲醛、控失尿素、樹脂包膜尿素、凝膠尿素與常規尿素相比均能提高產量，且差異性顯著。其中脲甲醛的增產效果最為明顯，比常規尿素平均增產18.8%，其次為凝膠尿素、控失尿素、樹脂包膜尿素，分別比常規尿素平均增產16.7%、13.5%和13.5%，且脲甲醛的氮肥利用率也較高，高達54.9%。而我國的氮肥利用率平均為30%~35%，其顯著高于我國氮肥利用率的平均水平[40,41]。這與脲甲醛和凝膠尿素的控釋機理有關，脲甲醛肥料施入土地后，快速融化為膠體被土壤緊密吸附融合，從而保證養分長期毫不流失。脲甲醛的生物有效性取決于土壤微生物作用，在土壤微生物的作用下逐步分解并釋放氮。在整個生長季節脲甲醛可以為土壤微生物提供碳源和氮源，持續平穩地向土壤釋放氮營養[37,39]。另外，本研究采用的凝膠尿素添加了一種交鏈丙烯酰胺-丙烯酸鉀交聚物緩控載體，該緩控載體不是肥，它屬陰離子型，所以能控制陽離子釋放。從農業經濟角度，它能吸附尿素，因為是非電解質肥，可通過CLP網狀結構減緩尿素的水解、銨化和硝化過程提高夏玉米產量和氮肥利用率[18-19]。可見，脲甲醛和凝膠尿素在減少氨揮發、提高氮肥利用方面較其他處理效果更好。

作者：周麗平 楊俐蘋 白由路 盧艷麗 王磊 倪露 單位：中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所/農業部植物營養與肥料重點實驗室