土壤氨揮發的影響因素及其與脲酶活性的關系研究

王　歡　鄭西來，2*　辛　佳，2

（1中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島266100；2中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東青島266100）

土壤氨揮發的影響因素及其與脲酶活性的關系研究

王歡1鄭西來1，2*辛佳1，2

（1中國海洋大學環境科學與工程學院，山東青島266100；2中國海洋大學海洋環境與生態教育部重點實驗室，山東青島266100）

氨揮發是氮肥氣態損失的一種重要途徑，可以降低氮肥的利用率，因此對氨揮發損失影響因素的研究是十分必要的。該文采用“密閉室吸收”法，研究了不同的肥料類型、土壤含水率及施肥深度對氨揮發量、氨累積揮發量的影響，并建立了土壤脲酶活性與氨揮發量的定量關系。研究結果表明：添加硝化抑制劑的大顆粒尿素及單獨施用大顆粒尿素處理的氨揮發損失明顯高于緩釋肥料和添加脲酶抑制劑的穩定性肥料，氨揮發損失隨著施肥深度的增加而減小，但土壤含水率對氨揮發損失影響不大；不同肥料類型和不同田間持水量處理下土壤脲酶活性與氨揮發損失具有較好的相關性，但施肥深度對兩者相關性的影響不顯著。

氨揮發；脲酶活性；肥料類型；土壤含水量；施肥深度

我國作為世界上氮肥使用量最大的國家［1］，氮肥利用率僅為30%～35%，損失率高達30%～50%，氨揮發是氮肥氣態損失的重要途徑之一［2-3］。氨揮發除了會造成氮肥利用率降低外，氨揮發至大氣可與酸性物質結合引起酸雨、水體富營養化等環境問題［4-5］。同時，氨氣是溫室氣體的一種，NH3氧化，或與-OH反應，會成為大氣中NOX的來源［6］，氨揮發造成的影響不容小覷。陳海瀟［7］等研究了3種土壤類型對氨揮發特性的影響；魏玉云［8］等研究了pH與氨揮發損失的關系，研究發現隨著pH的升高，氨揮發損失增大；鄧美華等［9］研究了不同施氮量對稻田氨揮發的影響，施肥量越高，氨揮發損失越大［10］；馬騰飛等［11］研究了不同灌溉方式對土壤氨揮發的影響，研究表明漫灌條件下氨揮發損失略高于滴灌；Li等［12］研究了溫度對氨揮發損失狀況的影響；田光明等［13］研究了植株狀況和光照條件等因素對氨揮發的影響；綜上所述，影響氨揮發的因素有土壤因素，農業措施［14］以及氣候因素等。目前改進施肥技術和施用新型肥料2種手段，能夠有效減少氨揮發損失，充分發揮氮肥的增產效益［15］。

包膜型緩釋肥料可以改變肥料養分溶出速率，具有延緩養分釋放的優點，而添加脲酶抑制劑或是硝化抑制劑的穩定性肥料能夠控制氮素轉化過程，所以這2種新型肥料的施用也會對氨揮發損失產生一定的影響。本文系統研究了在不同氮肥種類、施肥深度和土壤含水率條件下土壤氨揮發的損失狀況，建立了土壤脲酶活性與氨揮發量之間的數量關系，以期為進一步提高肥料利用率和保護生態環境提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1供試土壤采自萊西市店埠鎮東莊頭村（120°21′E，36°44′N）田間0～20cm的表層土壤。土樣風干后揀去根、莖、葉和石塊等，碾細后過2mm孔徑的篩子，備用。供試土壤的基本理化性質如下：土壤類型為砂質粘壤土，有機質13.58g/kg，堿解氮89.54mg/kg，速效磷10.37mg/kg，速效鉀68.44mg/kg，pH為6.8。

1.1.2供試氮肥尿素（Ur，含氮量為46%），由中國石油天然氣股份有限公司生產；硫包膜緩釋肥料（SCU，含氮量為37%），由山東農大肥業科技有限公司生產。

1.1.3供試抑制劑正丁基硫代磷酰三胺（NBPT，C4H14N3PS），由上海思域化工科技有限公司生產；二氰二胺（DCD，C2H4N4），由國藥集團化學試劑有限公司生產。

1.1.4其他主要使用的化學試劑包括甲苯、尿素、檸檬酸、氫氧化鉀、苯酚、甲醇、丙酮、乙醇、氫氧化鈉、次氯酸鈉、硫酸銨、硼酸、硫酸。以上試劑均為國藥集團化學試劑有限公司生產的分析純試劑。

1.2試驗方法

1.2.1試驗設計（1）肥料類型：設置土壤含水量為80%田間持水量，施肥方式為表施（即施肥深度為0cm），試驗設置1組無肥對照和5組施肥處理：a.不施肥對照（ck）；b.大顆粒尿素（Ur）；c.硫包膜緩釋肥料（SCU）；d.大顆粒尿素+脲酶抑制劑（Ur+NBPT）；e.大顆粒尿素+硝化抑制劑（Ur+DCD）；f.大顆粒尿素+脲酶抑制劑+硝化抑制劑（Ur+ NBPT+DCD）。每個處理的施氮量是800mgN·kg-1風干土樣。其中脲酶抑制劑NBPT用量為處理中施氮量的0.2%，硝化抑制劑DCD用量為處理中施氮量的5%。（2）土壤含水率：施用肥料類型為大顆粒尿素，施肥方式為表施，試驗設置4組不同土壤含水量處理：分別是田間持水量的40%、60%、80%、100%。空白試驗同上。每個處理的施氮量是800mgN·kg-1風干土樣。（3）施肥深度：施用肥料類型為大顆粒尿素，土壤含水量為80%田間持水量，試驗設置4組不同施肥深度處理：施肥深度分別為0cm、3cm、6cm、9cm。空白試驗同上，每個處理的施氮量是800mgN·kg-1風干土樣。施肥深度為3cm、6cm和9cm時，先將相應處理的表層相應深度的土層移去，將尿素均勻撒施后用土覆蓋。以上所有試驗每個處理均設置6個重復，3組重復用來測定氨揮發，另3組重復用來測定土壤脲酶活性。

1.2.2測試方法采用“密閉室靜態吸收法”［16］測定，將20mL2%的硼酸溶液加入50mL的蒸發皿中，用鐵絲架架起，使蒸發皿的頂部與土壤表面保持7cm左右的距離，再用塑料薄膜密封，置于智能光照培養箱中，25℃條件下恒溫連續培養，每天更換硼酸吸收液，用標準酸滴定硼酸，所吸收的NH3的數量即為氨揮發損失量，計算每次揮發量。在試驗的第1天、3天、5天、7天、13天、23天，取土樣測定土壤脲酶活性。土壤脲酶活性的測定采用苯酚-次氯酸鈉比色法。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1　氨揮發裝置

1.3數據處理采用Microsoft Excel 2010軟件進行數據處理和方差分析，采用AutoCAD 2010繪制裝置結構圖，采用Origin 8.0軟件對數據進行作圖。

2　結果與分析

2.1不同因素對氨揮發損失量的影響肥料施入土壤后，尿素態氮在土壤脲酶的作用下，水解成NH4+，一部分被土壤膠體吸附，一部分進入溶液中，溶液中的NH4+存在如下平衡過程：NH4++OH-→NH3↑+H2O，NH3通過土壤表面揮發到空氣中。

2.1.1肥料類型不同肥料類型處理下，土壤氨揮發損失量隨試驗時間的變化如圖2，土壤氨累積揮發量隨試驗時間的變化如圖3。

圖2　不同肥料類型處理的氨揮發動態變化

圖3　不同肥料類型處理的氨累積揮發量

從圖2可以看出，在實驗開始2d后，從Ur和Ur+DCD處理可以監測到氨揮發；在實驗開始3d后，Ur和Ur+DCD處理氨揮發量達到峰值，分別為31.11mg·kg-1·d-1、37.20mg·kg-1·d-1（以N計）；之后，氨揮發量逐漸降低。Ur處理氨揮發量較高的主要原因是大顆粒尿素遇水很快水解，并在土壤脲酶的作用下轉化為銨根離子，反應（1）向右移動，土壤中氨的濃度提高，氨揮發量增加。Ur+DCD處理比Ur處理氨揮發量峰值增加了19.58%，其主要原因是硝化抑制劑DCD的加入，銨態氮向硝態氮的轉化受到抑制，土壤中銨根離子濃度較高，因而氨揮發量較高。在試驗開始13d后SCU、Ur+NBPT處理的氨揮發量分別達到最大值2.94mg·kg-1·d-1，4.39mg·kg-1·d-1（以N計），而在試驗開始7d后Ur+NBPT+DCD處理達到氨揮發量的最大值6.04mg·kg-1·d-1（以N計），說明SCU、Ur+NBPT、Ur+NBPT+ DCD處理的氨揮發量明顯低于前2種處理。脲酶抑制劑主要是通過抑制土壤脲酶的活性，抑制了NH4+的產生，從而減少氨揮發損失。緩釋肥料的養分能夠隨著時間緩慢釋放，利于農業上作物吸收利用，進而提高了氮肥的利用率。由于SCU的包膜對養分釋放的阻礙作用，肥料的養分釋放較為緩慢，所以氨揮發量一直較低。對于Ur+NBPT處理，由于脲酶抑制劑NBPT的加入，抑制了大顆粒尿素的水解，所以土壤中銨態氮的濃度較低，氨揮發損失較少。雖然在Ur+NBPT+DCD處理中同時添加了脲酶抑制劑NBPT和硝化抑制劑DCD，但在試驗前期脲酶抑制劑NBPT抑制了尿素的水解，而硝化抑制劑DCD的作用并不明顯，所以土壤中銨態氮濃度較低，氨的揮發量較少。

肥料施入土壤后，隨著時間的延長，各處理氨累積揮發量均逐漸增加，但各處理之間氨累積揮發量增加的程度有所不同。從圖3可以看出，從第2天開始Ur、Ur+DCD處理試驗的氨累積揮發量呈現快速增長的趨勢，而SCU、 Ur+NBPT、Ur+NBPT+DCD處理氨累積揮發量卻一直緩慢增長。整個試驗過程，Ur、SCU、Ur+NBPT、Ur+DCD、Ur+ NBPT+DCD處理的總氨揮發量分別占施氮量的22.06%、6.91%、10.33%、26.91%、13.66%。Ur+DCD較Ur氨揮發累積量增加21.97%，SCU、Ur+NBPT、Ur+NBPT+DCD分別較Ur減少68.69%、53.16%、38.10%。以上研究結果表明，緩釋肥料SCU能夠有效減少氨的揮發，提高氨的利用率，且其具有肥效緩慢釋放的優點；脲酶抑制劑的加入能夠抑制尿素的水解，從而有效地減少了氨的揮發損失。

2.1.2土壤含水量在土壤含水量為40%、60%、80%、100%田間持水量條件下，土壤氨揮發量隨試驗時間變化如圖4，土壤氨累積揮發量隨試驗時間變化如圖5。

圖4　不同土壤含水量處理的氨揮發動態變化

圖5　不同土壤含水量處理的氨累積揮發量

由圖4可以看出，在試驗開始3d后不同土壤含水量處理的氨揮發量達到峰值，而且40%、60%、80%、100%田間持水量4種處理氨揮發量的峰值分別為28.22mg·kg-1·d-1、33.74mg·kg-1·d-1、31.11mg·kg-1·d-1、31.15mg·kg-1·d-1（以N計），且不同處理氨揮發量峰值差異并不顯著。40%、60%、80%、100%田間持水量4種處理30d氨累積揮發量分別為183.74mg·kg-1、198.82mg·kg-1、176.47mg·kg-1、193.26mg·kg-1（以N計），不同處理間氨累積揮發量的差異也并不明顯。對于大顆粒尿素，遇水很快水解，不同土壤含水量對氨揮發的影響不顯著。40%、60%、80%、100%田間持水量4種處理氨累積揮發量分別占施氮量的22.97%、24.85%、22.06%、24.16%。

2.1.3施肥深度在施肥深度為0cm、3cm、6cm、9cm條件下，土壤氨揮發量隨試驗時間的變化如圖6，土壤氨累積揮發量隨試驗時間的變化如圖7。

圖6　不同施肥深度處理的氨揮發動態變化

圖7　不同施肥深度處理的氨累積揮發量

由圖6可以看出，在表施條件下，試驗開始2d后可以監測到氨揮發，試驗開始3d后氨揮發量達到峰值（31.11mg·kg-1·d-1（以N計）），之后氨揮發量逐漸減小；施肥深度為3cm時，試驗開始6d后氨揮發量達到峰值，氨揮發量峰值為5.09mg·kg-1·d-1（以N計），比表施的氨揮發量峰值降低了83.64%，試驗開始6d之后氨揮發量逐漸降低。施肥深度為6cm、9cm時，整個試驗階段，基本監測不到氨的揮發。在施肥深度較淺時，肥料中的氮素被吸附和轉化的空間和時間都不夠充分，所以大量的氨會逸出而損失掉。深施氨揮發損失較小的主要原因是由于施入土壤的氮肥一部分被土壤所吸附，一部分轉化為硝態氮，因而減少了氨的揮發損失［17］。研究結果表明，適當的深施有助于減少氨的揮發損失。

由圖7可以看出，不同施肥深度處理下氨累積揮發量差異較為明顯。表施和施肥深度為3cm時，氨累積揮發量隨著時間的延長呈現逐漸增加的趨勢。表施條件下氨的累積揮發量最高，可達到176.47mg·kg-1（以N計）；施肥深度為3cm、6cm、9cm時，氨累積揮發量分別為81.25mg·kg-1、25.52mg·kg-1、0mg·kg-1（以N計），比表施分別減少了53.96%、85.54%、100%。

2.2不同處理條件下土壤脲酶活性與氨揮發的關系脲酶是土壤中的主要酶類之一，對尿素在土壤中的轉化和肥效的發揮起著關鍵的作用。脲酶活性強弱直接影響土壤氨揮發損失［18］。

2.2.1肥料類型在不同肥料類型條件下，氨揮發量與土壤脲酶活性之間的變化關系如圖8。由圖8可以看出，不同肥料類型處理脲酶活性差異很大。對于Ur處理，由于底物尿素的施入，脲酶活性被激活，脲酶活性值呈顯著上升趨勢。在試驗開始3d后，脲酶活性達到243.61 NH3-Nmg·kg-1·d-1，與氨揮發量峰值出現的時間基本相吻合，之后隨著尿素水解的進行，脲酶活性顯著降低。對于Ur+DCD處理，在試驗開始3d后，脲酶活性達到最大值，為253.97NH3-Nmg·kg-1·d-1，硝化抑制劑DCD的加入，Ur+ DCD處理的峰值雖較Ur處理無明顯差別，但培養中后期Ur+DCD處理的脲酶活性略高于Ur處理。對于Ur+NBPT處理，由于脲酶抑制劑NBPT的加入，脲酶活性值一直維持在較低的水平，變化不明顯，由于脲酶活性受到抑制，尿素水解受阻，土壤中氨含量較少，所以氨揮發量減少，氨揮發量和氨累積揮發量明顯低于Ur、Ur+DCD、Ur+NBPT+DCD3種處理。對于Ur+NBPT+DCD處理，由于脲酶抑制劑NBPT和硝化抑制劑DCD的同時加入，2種抑制劑之間可能產生相互作用。試驗開始3d后，達到峰值為96.99NH3-Nmg·kg-1·d-1，之后逐漸下降，且土壤的脲酶活性值波動較小，該處理氨揮發量峰值比脲酶活性峰值稍有滯后，可能是由于兩種抑制劑之間相互作用的結果。對于SCU處理，由于包膜的對養分釋放的影響，SCU首先要吸水溶脹，尿素態氮釋放緩慢，因而脲酶活性一直維持在較低水平，且波動不大，所以SCU處理的氨揮發量較小，變化平緩，無明顯峰值出現。由表1可以看出，不同肥料類型處理下，土壤脲酶活性與氨揮發量之間相關系數大小的順序為：Ur＞Ur+NBPT+DCD＞Ur+DCD＞SCU＞Ur+NBPT。

圖8　不同肥料類型土壤脲酶活性動態變化

表1　不同肥料類型下土壤脲酶活性（x）與氨揮發損失狀況（y）擬合結果

2.2.2土壤含水率在不同土壤含水率條件下，土壤氨揮發量與土壤脲酶活性的變化關系如圖9。由圖9可以看出，不同土壤含水量處理下土壤脲酶活性均是呈現先上升再下降的變化趨勢，且在試驗開始3d后，脲酶活性達到最大值，各處理之間差異不大。說明不同土壤含水量處理下，試驗開始3d后，尿素水解的速率均最大，土壤中氨的濃度也比較大，氨揮發達到高峰。由表2可以看出，不同土壤含水量處理下，土壤脲酶活性與各處理之間相關系數的大小順序為：80%田間持水量＞100%田間持水量＞40%田間持水量＞60%田間持水量。

圖9　不同土壤含水量土壤脲酶活性動態變化

表2　不同土壤含水量下土壤脲酶活性（x）與氨揮發損失狀況（y）擬合結果

80%田間持水量100%田間持水量y=0.1544x-6.2724 y=0.1584x-4.9086 R2=0.9799 R2=0.9455土壤含水量擬合方程相關系數

2.2.3施肥深度在不同施肥深度條件下，氨揮發量與土壤脲酶活性之間的變化趨勢如圖10。由圖10可以看出，不同施肥深度處理下土壤脲酶活性的差異性還是較為顯著的。施肥深度為0cm、3cm、6cm、9cm時，試驗開始3d后脲酶活性均達到峰值，分別為243.61NH3-Nmg·kg-1·d-1、165.79NH3-Nmg·kg-1·d-1、133.46、110.65NH3-Nmg·kg-1·d-1。不同施肥深度處理下，土壤脲酶活性的差異性比氨揮發量的差異性要小，可能是微生物活性隨著施肥深度的增加而降低，所以脲酶活性有所減小。由于不同深度處理加入的底物尿素的含量是相同的，所以脲酶活性差異不大。另外，除了受到脲酶活性影響外，氨揮發損失還受到上層土壤的阻礙。因此，在不同施肥深度條件下，氨揮發損失的差異比土壤脲酶活性的差異更加明顯。除表施外，各處理脲酶活性與氨揮發損失之間相關性較差。

圖10　不同施肥深度土壤脲酶活性動態變化

3　結論

（1）經過30d的試驗研究，不同肥料類型氨累積揮發量大小的順序：Ur+DCD＞Ur＞Ur+NBPT+DCD＞Ur+NBPT＞SCU，不同施肥深度氨累積揮發量大小的順序：表施＞施肥深度3cm＞施肥深度6cm＞施肥深度為9cm；施肥深度為6cm、9cm時基本監測不到氨揮發。說明施用緩釋肥料和添加脲酶抑制劑NBPT的穩定性肥料，以及對肥料適當的深施，能夠有效減少氮肥氨揮發損失，可以提高肥料利用率。

（2）在不同土壤含水率條件下，試驗開始3d后氨揮發量達到峰值，之后各處理氨揮發量逐漸減小，而且各處理氨揮發量和氨累積揮發量差異不明顯。

（3）不同肥料處理條件下土壤脲酶活性與氨揮發相關系數大小的順序為：Ur＞Ur+NBPT+DCD＞Ur+DCD＞SCU＞Ur+NBPT；不同土壤含水率條件下土壤脲酶活性與氨揮發量相關系數大小的順序為：80%田間持水量＞100%田間持水量＞40%田間持水量＞60%田間持水量。但是，不同施肥深度時土壤脲酶活性與氨揮發量之間的相關性不顯著。

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（責編：張宏民）

Influencing Factors on Ammonia Volatilization and its Relations with Urease Activity

Wang Huan1et al.
（1College of Environmental Science and Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Ammonia volatilization is one of the important ways for nitrogen fertilizer loss.Therefore，it is necessary to study factors which affect ammonia volatilization.In our study，the effects of fertilizer types，soil moisture and fertilizer application depths on ammonia volatilization of nitrogen fertilizer and soil urease activity were investigated by closed chamber absorption method.The results show that the loss of ammonia volatilization from urea and urea with nitrification inhibitor treatments are much higher than those from slowrelease fertilizer and stability-fertilizer with treatments.The loss of ammonia volatilization decreases when the application depths of fertilizer increase，while the effect of soil moisture on ammonia volatilization is not obvious.In addition，by building the relationship between the soil urease activity and the loss of ammonia volatilization，it is indicated that different from fertilizer types and soil moisture，the application depths impact the ammonia volatilization loss not only by affecting the soil urease activity，but also the ammonia transport process.

Ammonia volatilization；Urease activity；Fertilizer types；Soil moisture；Fertilizer application depth

S145.6

A

1007-7731（2016）09-74-06

青島市重大水利科技專項（T-20140813-017）。

王歡（1990-），女，碩士，研究方向：土壤氮素損失。*通訊作者

2016-04-19