施肥过程中尿素的迁移与转化研究

唐敏+许文来+郭宗会

摘要：采用土柱实验模拟降雨施肥过程，分析了农耕土内三氮（NH+4-N、NO3--N、NO-2-N）在土壤层中的迁移与转化，对更有效地利用尿素肥提出了建议。

关键词：氮；迁移；转化；土柱淋滤

中图分类号：X701

文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2017）6-0059-03

1 引言

近年来，随着农业化肥的大量使用，氮污染越来越受到人们的关注。一方面氮元素是农作物生长必不可缺的，另一方面氮也是造成土壤污染和水污染的重要因素。在农田中施入的氮肥被作物吸收的仅有30%～40%，更多的则是在各种途径中流失到环境里，对地表水和地下水造成污染[1，2]。氮的毒性表现为水中硝酸盐、亚硝酸盐过量使得血变性红蛋白增高，削弱血液输氧能力[3]。同时亚硝酸盐还是一种严重的致癌、致突变物质。在川中红层地区，因土层浅薄、地形起伏大，加之降雨集中，导致农作物氮肥的吸收率相比其他地区更低，为了使农作物得以正常生长，当地农民必须投放更多的化肥。吸收率的降低使得氮肥流失量大大增加，流入环境中的氮素几乎是其他地区的两倍。因此，有必要对红层农业区土壤中氮元素的吸附和迁移进行研究和分析，为水体氮污染的治理和控制提供科学的依据。

基于此，本文研究了自然条件下土壤在降雨条件下对氮素的吸附与解吸特征，致力于考察耕地土壤吸附氮素的规律和能力，丰富和发展农业面源污染控制与修复理论。

2 材料和方法

2.1 材料来源与性质

土壤来源于四川省南充市一在建公路旁耕地，有良好的地层出露，土层分界明显。分层取土，取土量大致与土层厚度成比例，现场用塑料袋封好，保存其水分，并分别贴上标签以备用。

2.2 土柱设计

如图1所示，管长100 cm，内径14.4 cm，下部管孔垫纱布，铺细粒卵石（0.2～0.5 cm），厚5 cm，卵石上垫纱网，根据野外地层出露从下到上依次填装，不断压实，使密度与野外土壤一致，每层厚度对应成比例，总厚度85 cm，对应关系如表1。土柱上管口施加18 g尿素肥（相当于一亩地施肥量均分到土柱截面的量），上方用马氏瓶供水，以蒸馏水模拟雨水，以输液器调节阀控制水量，模拟连续降雨条件下，尿素肥在土壤中的迁移转化。

2.3 水量设计

实验模拟连续降雨条件下氮素肥在土体中的运移和转化，以施肥季节降雨量在降雨时长上的平均降雨量作为供水水量。

2.4 尿素肥在土壤中的转化过程

尿素肥（CO（NH2）2）相对于碳酸氢铵（NH4HCO3）、氯化铵（NH4CL）有较大不同，属于有机肥，需要经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被植物吸收利用[4]，这个过程大约需要3～6 d。水解氮素以游离氨（NH+4）形式存在，NH+4会在硝化细菌作用下转化为硝酸盐，氨的硝化是在氨氧化细菌（又称亚硝化细菌）和亚硝酸盐氧化细菌（硝化细菌）共同作用下进行的，硝化过程为：NH+4→NO-2→NO-3，其中后一步相对前一步要快的多。整个尿素在土壤中的转化过程为：

CO（NH2）2脲酶NH+4氨氧化细菌NO-2亚销酸盐氧化细菌NO-3

3 实验结果与分析

3.1 淋滤试验

以约0.29 mL/s的流量持续淋滤，下部接水槽以天为单位取水，分别测定水样中NH+4、NO-2、NO-3的变化。监测方法为ρ （硝酸盐氮） 的测定采用酚二磺酸光度法；ρ （亚硝酸盐氮） 采用N- （1 萘基） -乙二胺光度法；氨氮的测定是采用纳氏试剂比色法。检测结果均以氮素质量浓度为指标，方便对比分析。

3.2 氨氮浓度变化

在实验中由于是预先施肥淋滤，雨水先溶解表层化肥，并随雨水下渗，在下渗的过程中再被土壤颗粒吸附溶解的氨氮。图2出水氨氮浓度呈现先增高后降低的特征，在2～3 d之内迅速达到最大值，浓度10～18 mg/L，之后再相对缓慢地降低，在9～10 d后趋近平缓，出水氨氮浓度维持在2～4 mg/L。尿素肥在土壤中需要在脲酶的作用下分解转化为游离铵才可以被植物吸收，相对于其他氮素肥可以在土壤中停留更久的时间，有效作用时间更长，2～3 d刚好是脲酶达到活跃上限的时间，与图中曲线吻合。土壤对铵态氮有较强的吸附作用[5]，在吸附达到饱和后，转变为清洁雨水下渗状态下的解吸过程，由于大量的氨氮被吸附于土壤内，相当长的时间内土壤中仍然会有氨氮随雨水渗出，也就是说在相当长的时间里会有不能被植物所吸收的氨氮进入到地下水中，并对当地当地地下水水体造成污染。

3.3 硝态氮浓度变化研究

硝酸盐属于在土壤中较易迁移的物质[5]，出水NO-3—浓度可以较清晰反映尿素在土壤中转化为硝态氮的量。试验中4个土柱硝态氮浓度均呈反“S”型趋势，这与正常氨氮转化的趋势不同[6]，硝态氮作为氨氮氧化的最后产物不应在初始阶段有如此高的浓度。在之后的研究中发现，尿素肥中本身就有一定量的硝态氮，在淋滤过程中同时尿素也在分解并氧化为硝态氮，使得硝态氮初始浓度没有急剧下降，反而呈现出反“S”状曲线（图3）。

尿素肥中硝态氮可能来源于化肥本身变质或不纯，这部分硝态氮与氨氮转化的硝态氮混合，使得出水初始硝态氮含量高，当自身这一本分硝态氮淋滤完毕，分解产生的氨氮又在氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌作用下分解为硝态氮，其过程连续，实验中的硝态氮变化曲线实际上是自身携带硝态氮流逝与氨氮转化的叠加曲线。

3.4 亚硝态氮浓度变化研究

淋滤实验中亚硝酸盐含量很低，于第5～6 d出现，并在第10 d回落至低谷，作为氨氮向硝态氮转化的中间产物，其量反映了氨氮转化为效果氮过程中氨氧化菌、亚硝酸盐氧化菌活性变化。在脲酶开始分解尿素，产生大量游离氨以后，氨氧化细菌开始活跃，亚硝酸盐开始少量积累，亚硝酸盐的积累促进了亚硝酸氧化细菌活跃，促进亚硝酸盐氧化为硝酸盐。

亚硝酸盐的浓度变化反应氨氧化细菌开始活跃是在施肥第6～7 d，在之后1～2 d内亚硝酸盐氧化细菌活性猛增，其转化效率很快超过氨氧化细菌，使得亚硝酸盐含量迅速降低。整个实验期间，亚硝酸盐浓度适中维持在相对较低的浓度，其峰值甚至小于检测期间硝态氮的最低浓度，仅作为中间产物显示了氨氧化细菌、亚硝酸盐氧化细菌活跃表现时间（图4）。

4 结论

尿素肥中氮素在土壤中的迁移、转化表现出一定的规律，初期以尿素水解和土壤对游离氨的吸附为主，由于土壤颗粒对氨氮有较强吸附效果并迅速吸附至饱和，氨氮不会很快流逝，表现为随雨水下渗过程中的缓慢解吸。约7 d后，氨氧化细菌开始活跃、氧化土壤中的氨氮，转化为亚硝酸盐，又在亚酸盐氧化细菌作用下氧化为硝酸盐。试验中出水氨氮浓度适中较高，氨氧化需要在好氧环境下进行，在无复氧淋滤下，氨氮会解吸附进入地下水水体中。

浅薄土壤中施肥量过大会导致施肥初期大量氮素肥流逝，少量、多次数施肥是减少化肥流失、降低环境污染、提高化肥利用率的有效措施。

参考文献：

[1]蒋 辉.环境水化学[M].北京：化学工业出版社，2003.

[2]林学钰，陈梦熊.松嫩盆地地下水资源与可持续发展研究[M].北京：地震出版社，2000.

[3]廖资生，林学钰.松嫩盆地的地下水化学特征及水质变化规律[J].地球科学——中国地质大学学报，2004，29（1）：96～102.

[4]蔡丹丹，田秀平. 养殖池塘底泥脲酶活性與水体NH4+-N关系的研究[J].沈阳农业大学学报，2009，40（3）：301～304.

[5]孙大志.氨氮在土壤中吸附/解吸的动力学与热力学研究[J].北华大学学报（自然科学版），2007-12.

[6]闫佰忠，唐国林.氮在土壤中的迁移与转化研究[J].中国环境管理，2009.