黏土礦物混合生物炭包膜尿素的制備及其氮素污染減排潛力

王思源, 寧建鳳, 王榮輝, 李盟軍, 姚建武, 申 健, 周凱軍, 艾紹英

(廣東省農業科學院農業資源與環境研究所, 農業部南方植物營養與肥料重點實驗室,廣東省養分資源循環利用與耕地保育重點實驗室, 廣州 510640)

1 材料與方法

1.1 包膜肥料研制

1.1.1 供試材料及設備 生物炭以玉米芯為材料在450℃厭氧熱解2 h制備而來。硝化抑制劑采用DMPP，購買于上海江萊生物科技有限公司。粘結劑采用2%聚丙烯酸。尿素含氮46.63%，購買于廣州新農科肥業科技有限公司。膨潤土采購于東莞市瑞恒礦產品有限公司。采用開放式旋轉型包衣機制備包膜尿素。

1.1.2 包膜尿素的制備及其氮素含量分析 將包膜材料與純化肥尿素(F1)按1∶1質量配比，即設定包膜尿素氮素養分含量為23%左右。每種混合包膜材料中混合材料質量比1∶1，即礦物/生物炭包膜尿素中礦物和生物炭質量比1∶1。硝化抑制劑型礦物/生物炭包膜尿素中硝化抑制劑添加量為氮肥氮素含量(折純)的1%，礦物和生物炭質量比1∶1。在勻速轉動的包衣機中加顆粒尿素，撒施部分包裹材料粉末，轉動片刻，噴淋一部分粘結劑，使顆粒尿素表面形成一層粘結液，從而形成一層緊密的包裹層。繼續添加粘結劑以浸潤包膜層，撒施部分包裹粉末，繼續轉動，重復上述過程3或4次，直到粘結劑完全浸潤包裹層，外表出現油亮光澤為止，由此制備成5種包膜尿素，分別記為F2：膨潤土包膜尿素，F3：生物炭包膜尿素，F4：膨潤土混合生物炭包膜尿素。為進一步明確添加硝化抑制劑是否具有更優的氮素減排效果，試驗設置F5處理：添加硝化抑制劑型膨潤土混合生物炭包膜尿素。在混合催化劑的作用下采用濃硫酸消化后用凱氏定氮儀測定純化肥尿素和不同包膜尿素氮素含量，結果見表1。

1.2 包膜尿素氮素淋溶特征評價

表1 肥料配方及氮素含量

表2 供試土壤基本理化性狀

1.2.3 包膜尿素N2O排放特征測定 N2O收集采用靜態箱—氣相色譜法測定。根據上述淋溶模擬試驗土柱內徑設計配套的靜態箱。靜態箱直徑18 cm，高36 cm，頂部裝有風扇，有線連接到箱體外的電池組和開關。采集N2O過程中將靜態箱底部鑲入土壤中1 cm保持密封，同時通過頂部的電池組開關控制箱體風扇從而保持箱體內空氣流動。N2O采集從生菜移栽后(2017年12月1日)開始到生長期結束為止，收集維持5個周期，即前3個周期采集淋溶水的同時采集N2O，后兩個周期只采集N2O。N2O采集頻率為每次施肥后前3 d每天采集一次，之后每隔2 d 采集一次。每次N2O采集于上午9～10點進行，采集時間30 min。每次蓋上箱體后立刻用20 ml醫用注射器采集一次箱體內氣體，記錄為零時刻，之后每隔15 min各采集一次箱體內氣體。采集到的氣體用Agilent 7890A 氣相色譜儀分析測定N2O含量，測定用的檢測器為ECD(電子捕獲檢測器)，分離柱內填充料為80～100目PorpakQ，載氣為高純氮氣，尾吹氣為ArCH4(Ar 90%，CH410%)，尾吹氣流量為2 ml/min。

N2O排放通量計算公式[18]為:

式中：F為N2O排放通量[mg/(m2·h)]；t為箱內溫度；28為每mol N2O分子中N的質量數；22.4為溫度為273 K時的N2O摩爾體積；H為采樣箱高度(cm)；c為N2O氣體濃度(μl/L)；t為關箱時間(min)；dc/dt為采樣箱內N2O氣體濃度的變化率[μl/(L/min)]。

2 結果與分析

2.1 包膜材料對氨氮、硝氮的吸附作用

表3 不同包膜材料氨氮、硝氮吸附量

2.2 包膜尿素氮素淋溶特征分析

圖1 不同肥料處理氮素淋溶損失率

2.3 包膜尿素對土壤氨態氮、硝態氮含量的影響

2.4 包膜尿素N2O排放特征分析

包膜尿素N2O排放結果(圖3)顯示，在淋溶監測周期(12.3～12.28)各施肥處理N2O排放量大小依次為F3>F1>F4>F2>F5。在非淋溶監測周期(12.29～1.13)F1的N2O排放量最大，顯著高于各包膜尿素N2O排放量。包膜尿素N2O排放量大小次依次為F3>F2>F4>F5，說明添加硝化抑制劑的包膜尿素N2O排放量最低，減排效果最好。黏土礦物生物炭包膜尿素N2O減排效果次之。根據監測到的N2O排放通量對整個非淋溶監測周期內包膜尿素N2O排放量進行估算，得出包膜尿素F2，F3，F4，F5的N2O排放量相對于F1分別降低了65.7%，55.9%，71.8%和77.8%。同時由各施肥處理N2O排放規律可以看出N2O排放量峰值多數發生在施肥的第二天，且在每個淋溶周期內淋溶作用發生時N2O排放量均顯著增加。

表4 不同肥料處理土壤硝氮含量 mg/kg

3 討 論

圖2 不同肥料處理0-20 cm土層氨氮、硝氮含量

圖3 不同肥料處理包膜尿素N2O排放特征

包膜尿素N2O排放結果顯示不論在淋溶監測期和非淋溶監測期，添加硝化抑制劑的包膜尿素N2O排放量最低，其減排效果優于黏土礦物生物炭包膜尿素，與純化肥尿素相比上述兩種包膜尿素分別可降低N2O排放通量77.8%和71.8%。這主要是由于硝化抑制劑可以調控硝化和反硝化進程，延緩尿素酰胺態氮的水解和銨態氮的硝化過程，從而使氮素轉化全過程得到有效控制[24]。Bai等通過室內培養試驗發現，與普通尿素相比，DMPP對草甸棕壤N2O減排率為75.9%[25]。孫祥鑫等研究也指出相對于純化肥尿素添加DMPP后可使水田N2O減排率為74.9%[26]，這些均予本研究結果相一致。DMPP對硝化作用的抑制在于可以有效減弱尿素水解產生的銨態氮的氧化作用，銨態氮濃度升高，促進了氨揮發，同時較弱的銨態氮氧化作用減少了土壤硝態氮含量，抑制了N2O的形成[27]。而包膜材料的吸附作用主要在于物理化學性控制，其控釋性能受土壤含水量影響較大，從而表現出在非淋溶監測周期內N2O排放量較淋溶監測周期顯著降低。原因在包膜材料生物炭和膨潤土具有較大的水分持留能力，進入土壤后就像一個海綿體能吸持周圍養分，抑制土壤氮素向N2O轉化，但是這種吸持效應通常發生水分含量在0.2～0.4 cm3/cm3[28]。另一方面生物炭的較大的孔隙結構和膨潤土吸水膨脹性能可以改善非淋溶期土內土壤的通透性和微生物生境，提高土壤氧氣供應，進而調節硝化和反硝化進程影響N2O排放[29-31]。

N2O排放量隨間歇淋溶不斷變化，在淋溶發生期N2O排放量增加。這是因為淋溶造成土壤含水量不斷變化，從而影響了土壤通氣性能和氧化還原狀況。在土壤含水量較低時，土壤通透性能較好，氧氣充足，此時硝化作用占主導，但硝化和反硝化作用均隨土壤含水量的增加而增強，致使N2O排放隨土壤含水量的增加而增加。隨著土壤含水量增加，土壤趨于厭氧環境，此過程中反硝化速率增加，當硝化作用和反硝化作用同時達到最大時N2O排放最多。當土壤含水量進一步增加時土壤硝化作用受到抑制，反硝化過程也逐漸向產生N2O的相反的生物化學平衡態移動，致使N2O的排放量隨之變小。Wei等研究也表明N2O排放與土壤表層(0—12 cm)水含量顯著相關，當土壤表層充水孔隙度在60%時N2O排放出現峰值，因為土壤濕度促進了土壤硝化和反硝化作用進程從而加劇了N2O排放[32]。

4 結 論