王惠惠，胡正義，朱曉琦，周國慧　(中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049)

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滇池柴河流域蔬菜地土壤施用生物炭包膜尿素與普通尿素的氮損失研究

王惠惠，胡正義*，朱曉琦，周國慧(中國科學院大學資源與環(huán)境學院，北京 100049)

隨著復種指數(shù)的增加，土地利用程度越來越高[1]。為了保證作物產(chǎn)量，我國成為世界上氮肥施用量最高的國家[2]。氮肥的過量施用及不合理施用方式不僅造成肥料的浪費，氮肥利用率降低[3]，而且給水資源環(huán)境帶來污染風險如水體的富營養(yǎng)化、地下水的硝酸鹽污染[3-4]以及大氣污染[5]等一系列問題。目前，如何控制和減少農(nóng)業(yè)對環(huán)境造成的污染特別是源頭控制成為農(nóng)業(yè)和環(huán)境近年來研究的主要問題。

很多研究表明，緩控釋肥料可以提高氮肥利用率，減少氮素損失[6]，特別是氨揮發(fā)和淋溶損失[7]。由于緩控釋材料生產(chǎn)工藝復雜，價格較高，緩控釋肥料價格居高不下，而且目前市場上大多聚合物包膜材料都采用化學方法合成的不可降解的高分子聚合物[6]，易對土壤結(jié)構(gòu)造成破壞，連年施用將對土壤造成污染。生物質(zhì)炭的多孔性、巨大的比表面積、表面負電荷和電荷密度等特性使其能夠吸附和固持肥料中的養(yǎng)分，實現(xiàn)其緩釋效果，明顯削減土壤氮流失量，提高土壤肥力，促進作物增產(chǎn)，維持土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡[8]。將價廉易得的作物秸稈生物質(zhì)原料經(jīng)適當炭化加工制備成適用于作緩釋肥料的炭基包膜材料。制備環(huán)境友好型炭基緩釋肥，不僅可以有效解決緩釋材料污染問題，而且可以削減農(nóng)田土壤氮素養(yǎng)分流失。

柴河流域位于昆明市晉寧縣東，是晉寧縣主要的防洪和灌溉河道之一，其河水最終流向滇池。這一流域也是昆明主要的蔬菜生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)復種指數(shù)高，化肥和農(nóng)藥的施用量普遍較高。因此，開展相關(guān)研究，從源頭減少農(nóng)田氮肥造成的面源污染，對降低該流域及滇池水體富營養(yǎng)化具有重要的意義。為此，采用盆栽試驗，從氨揮發(fā)、氮淋溶及作物產(chǎn)量3個方面，筆者比較了不同施氮水平及施用新研發(fā)的生物炭包膜尿素與普通尿素對柴河流域土壤種植小油菜的氮損失情況。該研究結(jié)果為柴河流域蔬菜種植區(qū)更科學、合理使用氮肥以及當?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染控制提供依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料供試土壤采自云南省昆明市晉寧縣的柴河流域(位于滇池流域南部)，為當?shù)氐湫褪卟说赝寥?。該區(qū)域內(nèi)土壤主要是由砂巖和礫巖發(fā)育而成的紅壤，pH為6.34，有機質(zhì)含量為2.11%，總氮含量為530 mg/kg，有效磷含量3.54 mg/kg。使用普通尿素(Urea)和生物炭包膜尿素(BCU)作為氮肥，磷肥、鉀肥分別為過磷酸鈣(CaP2H4O8)和硫酸鉀(K2SO4)。其中，BCU由中國科學院大學資環(huán)學院胡正義教授課題組內(nèi)生產(chǎn)，為生物炭包膜尿素肥料，含氮量為29%。在23 ℃條件下，通過水溶出試驗得到BCU 肥料氮素溶出時間 為28 d 左右。盆栽植物為油菜(BrassicacampestrisL.)，購自北京京研益農(nóng)科技發(fā)展中心。

1.2試驗設計盆栽試驗在北京市農(nóng)林科學研究院大棚溫室中進行。試驗設1個空白處理(CK)和2個肥料處理(Urea 和BCU)，設4種施氮水平。各處理分別為CK、U1、U2、U3、B2、B3，其對應的施氮量分別為 0、400、320、280、320、280 mg/kg。其中，U1、U2、U3處理施用Urea，B2和B3處理施用BCU。每個處理3次重復。各處理均施用P2O5275 mg/kg和K2O 62 mg/kg。

盆栽所用塑料花盆直徑20 cm，高度15 cm。裝盆順序(由下到上)分別為2 cm礫石(遮蓋排水孔)，600 g供試土壤，與N、P、K 肥料混合的400 g土壤(約5 cm 厚)。在小油菜種子催芽后，將其移栽到花盆，每盆5株，播種深度為0.5～1.0 cm。在試驗期間使用純凈水定量灌溉，每次灌溉500 ml，以減少其他因素的干擾。試驗中按照順序每2 d 更換一次花盆位置，以減少位置差別所帶來的誤差。盆栽試驗時間于2013年5 月30 日開始，到2013 年7 月14日收獲，共計45 d。

1.3樣品采集與分析方法密閉室吸收法是收集氨的常用方法[9]。由于稀硫酸作為吸收劑的回收率、精確度和靈敏度比硼酸吸收劑高[9]，該研究采用0.01 mol/L稀硫酸作為吸收劑，在密閉空間內(nèi)定時采集氨揮發(fā)。施肥后每天采集1次。采集后，帶回實驗室，采用靛酚藍比色法[10]測定銨態(tài)氮含量，比較各施肥處理與CK的氨揮發(fā)量，待施肥處理的氨揮發(fā)量連續(xù)幾天與CK大致相同時停止觀測。

在小油菜生長階段，共采集5次淋溶水，測定其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總氮。采取靛酚藍比色法測定水樣的銨態(tài)氮含量，采取用雙波長紫外分光光度法測定硝態(tài)氮含量，采取堿性過硫酸鉀-紫外分光光度計法測定總氮含量[10]。在試驗結(jié)束時，將植株帶回實驗室，經(jīng)洗根后稱鮮重，作為植株生物量。

1.4數(shù)據(jù)處理試驗數(shù)據(jù)均為采樣結(jié)果的平均值。文中肥料氮素的氨揮發(fā)量和氮淋失量是由各施肥處理的氨揮發(fā)量和氮淋失量減去CK計算所得。用Excel和SPSS 17.0 進行數(shù)據(jù)分析。

2結(jié)果與分析

2.1氨揮發(fā)量由圖1A、1B可知，3個不同水平Urea 處理的氨揮發(fā)量最高峰值與施氮量呈正比(U1處理>U2處理>U3處理)，Urea施用后3～5 d達到峰值，其中U1處理在第3天達到峰值，U2和U3處理在第5天達到峰值；各處理8 d后氨揮發(fā)量迅速降低且接近一致，說明此時Urea處理的氨揮發(fā)結(jié)束。而BCU處理的氨揮發(fā)動態(tài)曲線與Urea處理相似，且最高峰值氨揮發(fā)量與施氮量呈正比(B2處理>B3處理)。與Urea處理相比，同一水平施氮量BCU處理氨揮發(fā)峰值低18.4%～21.7%。施肥后8 d內(nèi)，BCU處理氨揮發(fā)量低于Urea處理，但8 d后Urea處理氨揮發(fā)幾近結(jié)束，而BCU氨揮發(fā)仍在進行，在之后的監(jiān)測時間內(nèi)BCU的氨揮發(fā)量均高于Urea處理。由此可知，BCU肥料可以長時間緩慢地釋放氮素。

由圖1C可知，各肥料處理的氨揮發(fā)累積曲線趨勢相同，但是各階段累積揮發(fā)量不同。在揮發(fā)的前8 d內(nèi)，各肥料處理氨揮發(fā)累積量增加迅速。揮發(fā)8 d后各處理累積氨揮發(fā)量增加明顯不同，Urea處理累積氨揮發(fā)量幾乎無變化，而BCU處理累積氨揮發(fā)量繼續(xù)增加但幅度很小。這與圖1A和B各肥料氨揮發(fā)動態(tài)變化相對應。在施肥后的前20 d，Urea處理的3個水平累積氨揮發(fā)量均大于BCU處理，而在施肥20 d后BCU處理累積氨揮發(fā)量大小為B2處理>U3處理。同種肥料不同施氮水平累積氨揮發(fā)量與施氮量呈正比；在相同施氮水平下，Urea處理累積氨揮發(fā)量比BCU處理高3.7%～21.9%。

2.2氮淋失量由表1可知，肥料種類和施氮量均影響各氮素形態(tài)淋失量，各施氮水平Urea處理累積硝氮和總氮淋出量均在0.05水平顯著高于BCU處理，而累積銨態(tài)氮淋出量均在0.05水平顯著低于BCU處理。同種肥料的不同施氮水平下銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮淋出量與施氮量呈正比，U1處理>U2處理>U3處理，B2處理>B3處理。因此，減少施氮量，會降低氮素淋失量。Urea處理不同施氮水平銨態(tài)氮淋失量間差異不顯著，U1處理硝態(tài)氮淋失量在0.05水平顯著高于U2處理和U3處理，而U2處理與U3處理間差異不顯著，U1處理總氮淋失量在0.05水平顯著高于U2處理，U2處理在0.05水平顯著高于U3處理；BCU處理不同施氮水平3種氮素形態(tài)B2處理>B3處理，但二者間均無顯著差異。

就Urea處理而言，銨態(tài)氮的淋失量占總氮淋失的1.0%～2.0%，硝態(tài)氮占大部分總氮淋失量的76.0%～95.7%；而BCU處理銨態(tài)氮和硝態(tài)氮淋失量分別占總氮淋失的29.7%～31.7%和51.6%～53.5%。2種肥料氮素淋失均以硝氮為主，還有小部分溶解的有機態(tài)氮。這與薛高峰等[11-12]研究結(jié)果一致。而BCU處理中高淋出量的銨態(tài)氮也說明10 d后Urea處理幾乎無氨揮發(fā)，而BCU處理有持續(xù)氨揮發(fā)出現(xiàn)的情況。

表1　各處理不同形態(tài)氮素淋失量　mg/盆

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

2.3產(chǎn)量效應由圖2可知，各施肥處理植株生物量均高于CK，且施肥處理間植株生物產(chǎn)量與施氮量呈正比，但各處理間差異不顯著；在相同施氮水平間，BCU處理產(chǎn)量略高于Urea處理1.25%左右。2種肥料類型減少施氮20%～30%，對產(chǎn)量無顯著影響。

2.4氮素損失量氮損失量為氨揮發(fā)與氮淋失量之和。由表2可知，氮損失量與施氮量呈正比，氮素淋失量均高于氨揮發(fā)量。因此，使用兩種肥料，氮素損失主要來源于淋失作用，占氮損失量的69.45%～81.20%。同一施肥水平的2種肥料氨揮發(fā)、氮素淋失和氮素損失量間差異在0.05水平顯著(Urea處理>BCU處理)，各水平Urea處理和BCU處理氨揮發(fā)百分比分別為3.74%～4.07%和3.19%～3.64%，氮淋失百分比分別為14.46%～16.18%和6.89%～7.25%，氮素損失量分別為18.11%～19.92%和9.41%～9.71%。不同處理氮淋失百分比在6.89%～16.18%之間，與其他研究范圍[12-14]相似。就Urea而言，不同施氮水平間氨揮發(fā)、氮淋失和氮損失量差異在0.05水平顯著(U1處理>U2處理>U3處理)；而對于BCU處理，不同施氮水平僅氨揮發(fā)差異顯著(B2處理>B3處理)，但氮淋失和氮損失量差異均不顯著。同種肥料相比，氮損失與施氮量呈正比，施氮量越高，氮損失越高。不同肥料相同施氮水平相比，在施氮量為320和280 mg/kg的水平下，BCU處理氮損失分別比Urea處理低43.47%～45.45%，其中氨揮發(fā)低3.7%～21.7%，氮淋溶低49.8%～52.1%。結(jié)果表明，減少20%～30%施氮量對產(chǎn)量無顯著影響，而BCU的施用可以更多地減少氮素損失。

3討論

揮發(fā)、淋溶和徑流是農(nóng)田肥料氮素損失的主要途徑[15]。原位觀測農(nóng)田肥料氮素損失，受到很多條件的制約如種植條件、環(huán)境因素和人力物力等，使得定量計算氮素損失具有很多的不確定性。為此，該研究采用盆栽，并且結(jié)合室內(nèi)培養(yǎng)，嚴格控制土壤、肥料和水分等條件，準確收集揮發(fā)氨、淋溶氮素，但是由于盆栽的局限性，研究中無徑流水可以收集，在前人的研究中氧化亞氮揮發(fā)量較少，分別只占揮發(fā)損失和氮損失的0.19%～0.35%和0.026～0.064%[16-17]。因此，該研究也忽略氧化亞氮的收集，只考慮氮素大量損失途徑中氮素的監(jiān)測。

表2　各處理不同途徑氮素損失量

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

已有研究表明，氨揮發(fā)和氮淋溶是導致氮肥利用率低的主要原因。其中，氮淋失占主導作用。研究中氮素淋溶損失占損失量的69.45%～81.20%，因此氮素淋溶是造成氮素損失的主要原因。而硝態(tài)氮是氮素淋溶損失的主要形態(tài)[12]，研究中硝態(tài)氮占氮素淋溶損失的51.6%～95.7%。其原因主要在于土壤的硝化作用促使銨態(tài)氮被轉(zhuǎn)化成更易淋失的硝態(tài)氮。已有研究表明，滇池流域土壤中尿素施用3 d后可全部轉(zhuǎn)化為硝酸鹽[18]。而BCU處理銨態(tài)氮的淋失在0.05水平顯著高于尿素處理，硝態(tài)氮淋失在0.05水平顯著低于尿素處理。這主要是因為BCU中的銨態(tài)氮沒有迅速地被土壤硝化為硝態(tài)氮，因而淋溶水中有大量的銨態(tài)氮出現(xiàn)，而由于銨態(tài)氮易被土壤吸附，其流失量仍低于硝態(tài)氮，也減少了硝態(tài)氮的淋失。因此，BCU肥通過降低銨氮的硝化作用而減少氮素損失。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，過量施氮是造成硝態(tài)氮淋失的主要原因[19]。試驗結(jié)果表明，減少施氮量20%～30%，可以減少氮素損失27.07%～34.89%，其中減少氮淋失28.92%～37.45%。因此，減少施氮量是減少氮素損失的關(guān)鍵。在不影響產(chǎn)量的前提下，施用BCU并且結(jié)合減氮20%～30%，可以更有效地控制氮素損失特別是淋溶損失，在為當?shù)厥卟朔N植農(nóng)民保證經(jīng)濟收入的同時，節(jié)約肥料投入，降低當?shù)剞r(nóng)業(yè)氮素面源污染風險，保護當?shù)厮Y源環(huán)境。

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摘要[目的] 為滇池柴河流域蔬菜種植區(qū)更科學、合理使用氮肥以及當?shù)剞r(nóng)業(yè)面源污染控制提供依據(jù)。 [方法] 通過盆栽試驗, 比較施用炭基包膜尿素與普通尿素對柴河周邊蔬菜地土壤氨揮發(fā)和氮淋失的影響。[結(jié)果] 氮損失量與施氮量呈正比，氮素淋失量均高于氨揮發(fā)量；同一施肥水平的兩種肥料氨揮發(fā)、氮素淋失和氮素損失量間差異在0.05水平顯著(普通尿素>生物炭包膜尿素)；在施氮量為320和280 mg/kg的水平下，生物炭包膜尿素處理比普通尿素處理氮損失低43.5%～45.5%，其中氨揮發(fā)低3.7%～21.7%，氮淋溶低49.8%～52.1%，而硝態(tài)氮是氮素淋溶的主要形式占總氮淋出的76.0%～95.7%(普通尿素處理)和51.6%～53.5%(生物炭包膜尿素處理)。[結(jié)論] 生物炭包膜尿素主要通過減少硝氮淋失來控制氮損失。減量施氮并結(jié)合生物炭包膜尿素的施用，對控制該地區(qū)氮肥施用帶來的水體污染具有現(xiàn)實指導作用。

關(guān)鍵詞生物炭包膜尿素; 氨揮發(fā); 氮淋溶; 柴河流域

Comparison of Nitrogen Loss after Biochar Coated Urea and Common Urea Fertilization in Vegetable Soil at Chaihe Catchment of Dianchi Lake

WANG Hui-hui, HU Zheng-yi*, ZHU Xiao-qi(College of Resources and Environment, University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049)

Abstract[Objective] The research aimed to provide the basis for the scientific and reasonable application of nitrogen fertilizer and the control of agricultural nonpoint source pollution in vegetable field, Chaihe catchment, Dianchi lake. [Method] Pot experiment was carried out to compare the loss of N via NH3volatilization and N leaching after the application of biochar coated urea (BCU)and common urea (Urea). [Result] The amount of N loss was proportional to N application rate. Leaching N was higher than NH3volatilization. Compared with urea treatment, NH3volatilization and N leaching loss were significantly lower in BCU treatment at the same N application rate. At N application rate of 320 and 280 mg/kg, N loss, NH3volatilization and leaching N was 43.5%-45.5%, 3.7%-21.7% and 49.8%-52.1% lower in BCU treatment than that in Urea treatment, respectively. [Conclusion] The application of BCU could minimize N loss by the reduction of nitrate leaching loss. Low application rate combined with BCU had a practical influence on controlling risk of N pollution in Dianchi lake.

Key wordsBiochar coated urea; Ammonia volatilization; Nitrogen leaching; Chaihe catchment

收稿日期2015-04-30

作者簡介王惠惠(1983- )，女，山東濟寧人，博士研究生，研究方向：廢棄物資源化及農(nóng)業(yè)面源污染控制。*通訊作者，教授，博士，從事硫在土壤-作物中的遷移轉(zhuǎn)化、廢棄物資源化及農(nóng)業(yè)面源污染控制方面的研究。

基金項目國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102-003)。

中圖分類號S 14

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2015)18-104-04