黏土矿物混合生物炭包膜尿素的制备及其氮素污染减排潜力

王思源, 宁建凤, 王荣辉, 李盟军, 姚建武, 申 健, 周凯军, 艾绍英

(广东省农业科学院农业资源与环境研究所, 农业部南方植物营养与肥料重点实验室,广东省养分资源循环利用与耕地保育重点实验室, 广州 510640)

1 材料与方法

1.1 包膜肥料研制

1.1.1 供试材料及设备 生物炭以玉米芯为材料在450℃厌氧热解2 h制备而来。硝化抑制剂采用DMPP，购买于上海江莱生物科技有限公司。粘结剂采用2%聚丙烯酸。尿素含氮46.63%，购买于广州新农科肥业科技有限公司。膨润土采购于东莞市瑞恒矿产品有限公司。采用开放式旋转型包衣机制备包膜尿素。

1.1.2 包膜尿素的制备及其氮素含量分析 将包膜材料与纯化肥尿素(F1)按1∶1质量配比，即设定包膜尿素氮素养分含量为23%左右。每种混合包膜材料中混合材料质量比1∶1，即矿物/生物炭包膜尿素中矿物和生物炭质量比1∶1。硝化抑制剂型矿物/生物炭包膜尿素中硝化抑制剂添加量为氮肥氮素含量(折纯)的1%，矿物和生物炭质量比1∶1。在匀速转动的包衣机中加颗粒尿素，撒施部分包裹材料粉末，转动片刻，喷淋一部分粘结剂，使颗粒尿素表面形成一层粘结液，从而形成一层紧密的包裹层。继续添加粘结剂以浸润包膜层，撒施部分包裹粉末，继续转动，重复上述过程3或4次，直到粘结剂完全浸润包裹层，外表出现油亮光泽为止，由此制备成5种包膜尿素，分别记为F2：膨润土包膜尿素，F3：生物炭包膜尿素，F4：膨润土混合生物炭包膜尿素。为进一步明确添加硝化抑制剂是否具有更优的氮素减排效果，试验设置F5处理：添加硝化抑制剂型膨润土混合生物炭包膜尿素。在混合催化剂的作用下采用浓硫酸消化后用凯氏定氮仪测定纯化肥尿素和不同包膜尿素氮素含量，结果见表1。

1.2 包膜尿素氮素淋溶特征评价

表1 肥料配方及氮素含量

表2 供试土壤基本理化性状

1.2.3 包膜尿素N2O排放特征测定 N2O收集采用静态箱—气相色谱法测定。根据上述淋溶模拟试验土柱内径设计配套的静态箱。静态箱直径18 cm，高36 cm，顶部装有风扇，有线连接到箱体外的电池组和开关。采集N2O过程中将静态箱底部镶入土壤中1 cm保持密封，同时通过顶部的电池组开关控制箱体风扇从而保持箱体内空气流动。N2O采集从生菜移栽后(2017年12月1日)开始到生长期结束为止，收集维持5个周期，即前3个周期采集淋溶水的同时采集N2O，后两个周期只采集N2O。N2O采集频率为每次施肥后前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点进行，采集时间30 min。每次盖上箱体后立刻用20 ml医用注射器采集一次箱体内气体，记录为零时刻，之后每隔15 min各采集一次箱体内气体。采集到的气体用Agilent 7890A 气相色谱仪分析测定N2O含量，测定用的检测器为ECD(电子捕获检测器)，分离柱内填充料为80～100目PorpakQ，载气为高纯氮气，尾吹气为ArCH4(Ar 90%，CH410%)，尾吹气流量为2 ml/min。

N2O排放通量计算公式[18]为:

式中：F为N2O排放通量[mg/(m2·h)]；t为箱内温度；28为每mol N2O分子中N的质量数；22.4为温度为273 K时的N2O摩尔体积；H为采样箱高度(cm)；c为N2O气体浓度(μl/L)；t为关箱时间(min)；dc/dt为采样箱内N2O气体浓度的变化率[μl/(L/min)]。

2 结果与分析

2.1 包膜材料对氨氮、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

图1 不同肥料处理氮素淋溶损失率

2.3 包膜尿素对土壤氨态氮、硝态氮含量的影响

2.4 包膜尿素N2O排放特征分析

包膜尿素N2O排放结果(图3)显示，在淋溶监测周期(12.3～12.28)各施肥处理N2O排放量大小依次为F3>F1>F4>F2>F5。在非淋溶监测周期(12.29～1.13)F1的N2O排放量最大，显著高于各包膜尿素N2O排放量。包膜尿素N2O排放量大小次依次为F3>F2>F4>F5，说明添加硝化抑制剂的包膜尿素N2O排放量最低，减排效果最好。黏土矿物生物炭包膜尿素N2O减排效果次之。根据监测到的N2O排放通量对整个非淋溶监测周期内包膜尿素N2O排放量进行估算，得出包膜尿素F2，F3，F4，F5的N2O排放量相对于F1分别降低了65.7%，55.9%，71.8%和77.8%。同时由各施肥处理N2O排放规律可以看出N2O排放量峰值多数发生在施肥的第二天，且在每个淋溶周期内淋溶作用发生时N2O排放量均显著增加。

表4 不同肥料处理土壤硝氮含量 mg/kg

3 讨 论

图2 不同肥料处理0-20 cm土层氨氮、硝氮含量

图3 不同肥料处理包膜尿素N2O排放特征

包膜尿素N2O排放结果显示不论在淋溶监测期和非淋溶监测期，添加硝化抑制剂的包膜尿素N2O排放量最低，其减排效果优于黏土矿物生物炭包膜尿素，与纯化肥尿素相比上述两种包膜尿素分别可降低N2O排放通量77.8%和71.8%。这主要是由于硝化抑制剂可以调控硝化和反硝化进程，延缓尿素酰胺态氮的水解和铵态氮的硝化过程，从而使氮素转化全过程得到有效控制[24]。Bai等通过室内培养试验发现，与普通尿素相比，DMPP对草甸棕壤N2O减排率为75.9%[25]。孙祥鑫等研究也指出相对于纯化肥尿素添加DMPP后可使水田N2O减排率为74.9%[26]，这些均予本研究结果相一致。DMPP对硝化作用的抑制在于可以有效减弱尿素水解产生的铵态氮的氧化作用，铵态氮浓度升高，促进了氨挥发，同时较弱的铵态氮氧化作用减少了土壤硝态氮含量，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学性控制，其控释性能受土壤含水量影响较大，从而表现出在非淋溶监测周期内N2O排放量较淋溶监测周期显著降低。原因在包膜材料生物炭和膨润土具有较大的水分持留能力，进入土壤后就像一个海绵体能吸持周围养分，抑制土壤氮素向N2O转化，但是这种吸持效应通常发生水分含量在0.2～0.4 cm3/cm3[28]。另一方面生物炭的较大的孔隙结构和膨润土吸水膨胀性能可以改善非淋溶期土内土壤的通透性和微生物生境，提高土壤氧气供应，进而调节硝化和反硝化进程影响N2O排放[29-31]。

N2O排放量随间歇淋溶不断变化，在淋溶发生期N2O排放量增加。这是因为淋溶造成土壤含水量不断变化，从而影响了土壤通气性能和氧化还原状况。在土壤含水量较低时，土壤通透性能较好，氧气充足，此时硝化作用占主导，但硝化和反硝化作用均随土壤含水量的增加而增强，致使N2O排放随土壤含水量的增加而增加。随着土壤含水量增加，土壤趋于厌氧环境，此过程中反硝化速率增加，当硝化作用和反硝化作用同时达到最大时N2O排放最多。当土壤含水量进一步增加时土壤硝化作用受到抑制，反硝化过程也逐渐向产生N2O的相反的生物化学平衡态移动，致使N2O的排放量随之变小。Wei等研究也表明N2O排放与土壤表层(0—12 cm)水含量显著相关，当土壤表层充水孔隙度在60%时N2O排放出现峰值，因为土壤湿度促进了土壤硝化和反硝化作用进程从而加剧了N2O排放[32]。

4 结 论