農業生(shēng)态環境

土壤水吸力對控釋尿素養分(fēn)釋放(fàng)特征的影響

據世界糧農組織（FAO）統計，在發展中(zhōng)國家糧食的增産55%歸功于化肥的使用。但是，目前我(wǒ)國氮肥當季利用率僅爲30%～35%。包膜控釋肥料是可以使養分(fēn)的釋放(fàng)與作物(wù)的需肥規律相同步的新型肥料，在增加作物(wù)産量、提高肥料利用率、節肥增效以及減少面源污染的可持續農業發展中(zhōng)正發揮着重要作用，在棉花和花生(shēng)等經濟作物(wù)上廣泛使用。

控釋肥的養分(fēn)釋放(fàng)受到肥料本身和環境條件（包括氣候條件、土壤溫度及水分(fēn)含量等）的影響。靜水浸提測定的釋放(fàng)率在實驗室及生(shēng)産中(zhōng)均被廣泛使用，但與實際應用中(zhōng)的釋放(fàng)規律仍有所偏差。從農業應用的角度看，作物(wù)根系從土壤中(zhōng)吸收養分(fēn)，實際養分(fēn)釋放(fàng)率應該是控釋肥料在土壤中(zhōng)所表現的養分(fēn)釋放(fàng)率 。

土壤水分(fēn)作爲水資(zī)源的一(yī)種存在形式，同時也是控釋肥養分(fēn)溶出及轉化的重要影響因素。土壤水可汽化爲水蒸氣，使施入土壤的控釋肥在土壤水不飽和的情況下(xià)，仍處在土壤孔隙水汽飽和的狀态下(xià)，水蒸氣可通過膜殼微孔緩慢(màn)進入膜内，導緻膜内膨壓增大(dà)而使膜殼微孔變大(dà)，水蒸氣進一(yī)步通過膜殼進入并溶解肥料核心養分(fēn)，養分(fēn)在水蒸氣壓差作用下(xià)不斷擴散到膜殼之外(wài)。

土壤水汽進入膜殼使膜内膨脹壓增大(dà)需要一(yī)定時間，表現爲控釋肥料初期釋放(fàng)緩慢(màn)，不可逆的膜殼膨脹使養分(fēn)溶出擴散呈現中(zhōng)期加快，但是肥料核心養分(fēn)的減少使得膜内溶液将會由過飽和或飽和狀态轉入不飽和狀态，進一(yī)步引起膜内外(wài)壓差的降低，導緻養分(fēn)溶出速率的降低，釋放(fàng)率達到穩定。

不同土壤水分(fēn)對控釋肥料的影響以及控釋肥料在幹旱地區的推廣應用也受到越來越多的關注。大(dà)量深入的研究發現，在低壓力水頭（0～100 kPa）時，土壤結構和孔徑分(fēn)布（即容重和孔隙度）是影響土壤水分(fēn)持留的主要因素；而在高壓力水頭範圍（大(dà)于100 kPa），吸附作用則成爲土壤水保持的主要因素，質地、有機質含量以及黏土礦物(wù)等通過影響土壤比表面積等性質進而影響土壤水的吸附。土壤各吸力段水分(fēn)蓄持能力均随容重增大(dà)遞減，比水容量也随容重增大(dà)遞減，土壤水分(fēn)特征曲線也受到較大(dà)影響；質地對土壤吸水持水能力的影響非常明顯，砂壤土持水能力顯著低于粉壤土。

土壤水分(fēn)可以使用土壤含水量或土壤水勢進行表征。土壤水勢又(yòu)稱土壤水吸力是指土壤水的負壓力，表征土壤基質對水分(fēn)的吸附能力，主要包括重力勢、基模勢和溶質勢。

本文探讨的土壤水吸力爲土壤基模勢，表征土壤固―液界面上的界面張力和土壤礦質顆粒與有機質顆粒表面對水産生(shēng)的張力，這與土壤水分(fēn)進入控釋肥料膜殼之内及膜内養分(fēn)析出膜外(wài)的過程有直接關系。雖然土壤含水量與土壤水吸力之間存在密切關系，但相同含水量的土壤釋水狀态吸力大(dà)于吸水狀态，存在明顯的滞後現象。而且，土壤含水量測定時需要破壞性取樣，帶回實驗室105℃烘幹測定，較土壤水吸力利用張力計直接測定的方式存在滞後性和諸多不便。因此，土壤水吸力表征的土壤水有效性或幹濕程度較不同質量含水量更具科學意義。

本研究采用恒溫土壤培養實驗，研究不同土壤水吸力對控釋尿素氮素溶出特性的影響，探明限制控釋尿素養分(fēn)釋放(fàng)的土壤水吸力阈值以及影響其養分(fēn)在土壤中(zhōng)釋放(fàng)的相關因素，爲控釋尿素在幹旱區作物(wù)上的合理施用提供科學依據。

1.1 供試材料

供試土壤采自山東省泰安市甯陽縣汶河河谷，土壤類型爲潮土，在中(zhōng)國土壤系統分(fēn)類中(zhōng)爲淡色潮濕雛形土，砂粒含量830.7 g kg-1，粉粒125.2 g kg-1，黏粒44.1 g kg-1，土壤質地類型爲壤質砂土（美國制）；容重1.32g cm-3，孔隙度48.70%，有機質含量4.30 g kg-1，pH 7.32。爲了對比土壤質地對水分(fēn)特征曲線的影響，選取質地爲粉壤土的土壤進行對比，采自山東泰安南(nán)郊的棕壤，在中(zhōng)國土壤系統分(fēn)類中(zhōng)爲簡育濕潤淋溶土，砂粒含量344.1 g kg-1，粉粒523.9 g kg-1，黏粒131.6 g kg-1，質地爲粉壤土；有機質含量爲12.61 g kg-1，pH 7.30。

供試肥料爲山東農業大(dà)學土肥資(zī)源高效利用國家工(gōng)程實驗室研制的作物(wù)稭稈液化改性樹(shù)脂包膜尿素，由衆德肥料（平原）有限公司生(shēng)産，含氮量44.15%，在25℃靜水中(zhōng)測得累積釋放(fàng)率爲80%時的釋放(fàng)期爲56 d。試驗于2015 年3 月至6 月在山東農業大(dà)學土肥資(zī)源高效利用國家工(gōng)程實驗室進行。

1.2 試驗方法

控釋尿素靜水浸提實驗按照《控釋肥料》行業标準（HG/T 4215-2011）進行。稱取肥料樣品10.00 g（精确至0.01 g）放(fàng)入100 目尼龍紗網做成的小(xiǎo)袋中(zhōng)，将小(xiǎo)袋放(fàng)入250 ml玻璃瓶中(zhōng)，加入200 ml蒸餾水，加蓋密封，重複3次，置于25℃恒溫培養箱中(zhōng)。取樣時間爲第24 小(xiǎo)時（第1天）、第5、10、20 、30 、40 、50 、60 、70 天（養分(fēn)溶出率達80%以上）。取樣時，将玻璃瓶上下(xià)颠倒3 次，使瓶内的液體(tǐ)濃度一(yī)緻，然後保存于10 ml指形管中(zhōng)，注意密封，并注明取樣時間及編号，以備測定。然後，重新加入200 ml的蒸餾水，封口後放(fàng)入培養箱。控釋尿素氮素釋放(fàng)量測定采用凱氏定氮法。

室内模拟實驗根據實驗所需供試土壤田間持水量19.5%以及預設相對含水量100%、70%、40%、20%、5%和0%，得出相應的質量含水量分(fēn)别爲19.5%、13.7%、7.8%、3.9%、1.0%和0%。從土壤水分(fēn)特性曲線計算不同的土壤水吸力，6 個處理分(fēn)别爲：1）ADS，風幹土；2）SWS525（土壤水吸力爲525 kPa）；3）SWS260（土壤水吸力爲260

kPa）；4）SWS75（土壤水吸力爲75 kPa）；5）SWS30（土壤水吸力爲30 kPa）；6）SWS0即土壤飽和水處理。6個處理分(fēn)别加入不同量的蒸餾水，将300.0 g供試土壤裝入自封塑料袋，将水土充分(fēn)混勻後測定實際含水量，根據測得供試土壤田間持水量（19.5%）計算得到相對含水量（表1）。同時将5.0 g控釋尿素裝入尼龍網指形袋，分(fēn)别放(fàng)入不同土壤水吸力處理的自封袋土壤中(zhōng)，密封後放(fàng)入25℃恒溫培養箱中(zhōng)。每個處理30 次重複，每次破壞性取樣3 個尼龍網指形袋，測定控釋尿素的養分(fēn)釋放(fàng)率。

注：ADS，風幹土；SWS525、SWS260、SWS75、SWS30 和SWS0分(fēn)别表示土壤水吸力525 kPa、260 kPa、75 kPa、30 kPa和0 kPa。下(xià)同

土壤水分(fēn)會以水蒸氣形态彌散在土壤孔隙中(zhōng)，進一(yī)步對控釋尿素養分(fēn)溶出釋放(fàng)起作用，用幹燥器封閉水汽達到平衡，模拟土壤孔隙中(zhōng)空氣相對濕度，可以用溫濕度計進行測定。将6 個水分(fēn)處理的土壤稱取500.0 g于幹燥器底部，将溫濕度計（T&H meter，凱隆達，天津）放(fàng)置墊闆之上，用凡士林封口，确保溫濕度計密封，裝置安頓好之後，将幹燥器整體(tǐ)置于25℃的恒溫培養箱中(zhōng)，不打開(kāi)幹燥器，隔着玻璃進行讀數并記錄相對濕度，記錄間隔爲1 h，直至讀數恒定，6 個處理的土壤空氣相對濕度分(fēn)别爲38%、84%、91%、95%、98%和99%（表1）。

1.3 測定項目與方法

采用1500 F1 型 15 Bar壓力膜儀（SEC，美國）測定供試土壤的水分(fēn)特征曲線：首先用橡皮筋将濾紙(zhǐ)固定于配套的塑膠環刀上，将過2 mm篩的風幹土壤樣品小(xiǎo)心裝入環刀中(zhōng)，使土壤約與環刀上沿齊平，整體(tǐ)成爲土樣環并稱重記錄。将土樣環置于提前浸好的陶土闆上并小(xiǎo)心在陶土闆上加水，使土壤樣品吸水達到充分(fēn)飽和，然後用吸管吸掉陶土闆上多餘的水分(fēn)。将壓力室組裝好，調節壓力調節閥，逐漸加到所需壓力。若出水管口不再滴水則可認爲達到平衡。反向轉動調壓閥到1 個标準大(dà)氣壓，打開(kāi)壓力室後立即稱量土樣環的質量。設定0、100、300、500和1500 kPa共5 個壓力，測定各平衡時的土樣環重量， 根據初始的風幹土重計算每次的質量含水量， 最終得出土壤水分(fēn)特征曲線。

控釋尿素的養分(fēn)釋放(fàng)率測定：分(fēn)别于實驗開(kāi)始後第1、5、10、20、30、40、50、60、70 天取出自封袋中(zhōng)的肥料袋，用自來水沖洗2～3次，去(qù)除表面的土粒，将肥料置于鋁盒于60℃烘箱中(zhōng)烘至恒重。冷卻後用萬分(fēn)之一(yī)天平稱重。用差減法計算控釋尿素養分(fēn)的釋放(fàng)量并求出釋放(fàng)率。

1.4 數據處理

試驗相關數據通過Excel 2003 和SAS 8.2 軟件完成單因素方差分(fēn)析（ANOVA）及鄧肯（Duncan）差異顯著性檢驗，并用Excel 2003 軟件進行作圖。

2.1 兩種土壤的水分(fēn)特征曲線

土壤水分(fēn)特征曲線爲含水量和基質吸力的關系曲線， 随着含水量的變化， 吸力也發生(shēng)變化。兩種供試土壤的水分(fēn)特征曲線如圖1 所示，可以看出，質地對土壤水分(fēn)特征曲線影響顯著。在土壤水吸力1500 kPa時壤質砂土質量含水量僅爲1.6%，粉壤土的質量含水量高達5.9%；在土壤水吸力100～300 kPa範圍，壤質砂土質量含水量爲2.9 % ～ 3.9 % ， 而粉壤土的質量含水量爲10.7%～12.7%。土壤水分(fēn)特征曲線受到質地的影響，可爲合理确定植物(wù)生(shēng)長所需的水吸力提供理論依據。

圖1 供試土壤水分(fēn)特征曲線

在相同水吸力時，不同質地土壤對有效水的控制力不同；相同的質量含水量在不同質地土壤中(zhōng)水的有效性不同，說明控制不同土壤質量含水量并不能夠準确表示土壤水分(fēn)的有效性。控制相同含水量時，控釋尿素的釋放(fàng)受到多方面影響，而控制相同的土壤水吸力可以排除土壤基質對水的吸附影響，使實驗設計更符合田間土壤孔隙中(zhōng)空氣的水汽壓實際情況。壤質砂土在質量含水量1.7%與粉壤土質量含水量5.9%的土壤水吸力一(yī)緻，因此，室内培養實驗供試土壤選用壤質砂土（LS）。

2.2 土壤水飽和時控釋尿素的養分(fēn)釋放(fàng)特性

包膜控釋尿素在25 ℃ 恒溫培養靜水浸提試驗（ SWT：Stillwatertest） 和土壤埋袋試驗（SWS0：Soil water suction=0 kPa）飽和水條件下(xià)的釋放(fàng)曲線呈現基本一(yī)緻的規律（圖2），均呈現S 形，且養分(fēn)釋放(fàng)率在1～7 d較慢(màn)，7～14 d釋放(fàng)逐漸加快，于21 d以後達到穩定。在靜水浸提中(zhōng)第1 天釋放(fàng)率爲1.5%，第30 天累積釋放(fàng)率爲50.7%，符合《控釋肥料》行業标準的要求。靜水浸提中(zhōng)測得累積釋放(fàng)率達到80%時爲55.9 d，在土壤中(zhōng)測得累積釋放(fàng)率達到80%時爲63.6 d，可能由于土壤中(zhōng)控釋尿素的顆粒被裝在網袋中(zhōng)，通過失重法測定會産生(shēng)較大(dà)的誤差，其相對相差爲12.9%，仍在《控釋肥料》行業标準規定的20%誤差範圍之内。

注：SWT-Time 爲靜水浸提試驗（SWT）處理的時段釋放(fàng)率；SW S0-Time 爲SWS0 處理的時段釋放(fàng)率； SWT-Cumulative 爲SWT 處理的累積釋放(fàng)率；SWS0-Cumulative 爲SWS0 處理的累積釋放(fàng)率

圖2　控釋尿素氮素累積釋放(fàng)特征

2.3 不同土壤水吸力對控釋尿素養分(fēn)釋放(fàng)的影響

在恒溫25℃的模拟實驗中(zhōng)，水分(fēn)作爲影響控釋尿素養分(fēn)釋放(fàng)的單一(yī)因素，在前5 天土壤水分(fēn)對控釋尿素釋放(fàng)率影響不顯著（圖3）。土壤水不飽和時，水分(fēn)對控釋尿素的作用是通過汽化成水蒸氣進入控釋尿素膜殼的微孔，而進入微孔使膜内膨脹壓增大(dà)并溶解養分(fēn)需要一(yī)定的時間，控釋尿素氮素第5天開(kāi)始溶出釋放(fàng)。在土壤水吸力爲525 kPa時，土壤空氣相對濕度爲84%，土壤水汽未達到飽和，養分(fēn)析出後未能及時轉運出，使得控釋尿素釋放(fàng)受到明顯抑制；而風幹土的處理，土壤空氣相對濕度爲38%，土壤孔隙中(zhōng)水蒸氣不足以進入控釋尿素膜殼，控釋尿素釋放(fàng)率始終爲初期釋放(fàng)率，而無後續的增加，表明風幹土中(zhōng)埋置的控釋尿素未釋放(fàng)。

圖3 恒溫（25℃）模拟實驗中(zhōng)控釋尿素在不同土壤水吸力下(xià)的累積釋放(fàng)特征

土壤水吸力在260 kPa時，土壤空氣相對濕度爲91%，進入控釋尿素膜殼的水蒸氣量增多，但是由于未達飽和，釋放(fàng)速度仍受到抑制。土壤水吸力低于75 kPa時，土壤空氣相對濕度均爲95%以上，土壤水汽達到飽和，表現爲水分(fēn)條件對控釋尿素釋放(fàng)産生(shēng)的影響一(yī)緻。

對土壤埋袋中(zhōng)包膜尿素在土壤不同水吸力下(xià)的氮素累積釋放(fàng)率曲線（圖3）進行數學回歸分(fēn)析，以氮素累積釋放(fàng)率爲自變量（x），以釋放(fàng)天數d 爲因變量（y）建立回歸方程（表2）。用相應的多項式方程能很好地模拟和反映不同土壤水吸力時的氮素釋放(fàng)特征，除SWS525處理拟合的方程R2 達0.95 以外(wài)，其餘四個處理的方程拟合度較高，R2均達0.98 以上。利用相應方程可以較準确地根據不同時段的氮素累積釋放(fàng)率計算出不同土壤水吸力時的控釋尿素的釋放(fàng)期，判斷土壤水吸力對控釋尿素釋放(fàng)期的影響，進而在推廣使用中(zhōng)根據實際的水分(fēn)條件選擇更加合适的控釋尿素。

注：控釋尿素養分(fēn)在ADS（風幹土）處理中(zhōng)未釋放(fàng)，故無拟合方程

通過回歸方程可以計算出不同土壤水吸力時的釋放(fàng)期（表3），飽和水分(fēn)的土壤中(zhōng)釋放(fàng)期63.6 d，土壤水吸力在30 kPa時控釋尿素釋放(fàng)期72.7 d，相對相差爲13.3%，在行業标準規定的20%誤差範圍之内。土壤水吸力在75～525 kPa範圍内，随着土壤水吸力的增大(dà)，控釋尿素的養分(fēn)釋放(fàng)減慢(màn)，養分(fēn)釋放(fàng)期逐漸變長。回歸方程計算的SWS525 和SWS260 處理的釋放(fàng)期分(fēn)别爲416.4和117.0 d，相對相差分(fēn)别爲146.8%和59.1%，遠超《控釋肥料》行業标準規定的允許差（20%），說明控釋尿素釋放(fàng)受到了土壤水吸力過高的限制，土壤顆粒對水分(fēn)的吸力遠遠大(dà)于肥料核心對水分(fēn)的吸力。

注：1）SWS0 和SWS30 爲實測釋放(fàng)期，其他處理的釋放(fàng)期由表3 拟合方程進行計算；2）相對相差爲不同土壤水吸力的釋放(fàng)期相對于SWS0的釋放(fàng)期的相對相差；3）同一(yī)列中(zhōng)的平均數值用鄧肯多重比較，标有相同字母的表示其差異不顯著（p＞0.05）

2.4 不同土壤水吸力對氮素時段釋放(fàng)率的影響

土壤水吸力75 kPa、30 kPa和0 kPa的3 種處理中(zhōng)控釋尿素的釋放(fàng)高峰均在20～30 d之間出現，20 d的時段釋放(fàng)率分(fēn)别爲18.3%、22.2%和15.3%，且在時間上呈現一(yī)緻性（圖4）。30 d的時段釋放(fàng)率均爲16.0%，之後的釋放(fàng)趨于一(yī)緻，且在40 d以後達到緩慢(màn)釋放(fàng)。表明不考慮水分(fēn)流動及養分(fēn)擴散狀況影響時，土壤孔隙空氣相對濕度高于95%，土壤水汽達到飽和，土壤水吸力不再是影響包膜控釋尿素養分(fēn)在土壤中(zhōng)釋放(fàng)的主要因素。

注：SWS75-Time、SWS30-Time、SWS0-Time 分(fēn)别爲SWS75、SWS30 和SWS0 處理的時段釋放(fàng)率； SWS75-Cumulative、SWS30 - Cumulative 和SWS0 - Cumulative 分(fēn)别爲SWS75 、SWS30、SWS0 的累積釋放(fàng)率

圖4 土壤水吸力低于或等于75 kPa條件下(xià)控釋尿素養分(fēn)時段釋放(fàng)率

但是，在土壤水吸力高于75 kPa時，控釋尿素養分(fēn)釋放(fàng)開(kāi)始受到土壤水吸力過高的影響（圖5），SWS260 和SWS525 的2 個處理，土壤孔隙空氣相對濕度分(fēn)别爲91%和84%，可以看出，水汽減少限制了控釋尿素的養分(fēn)釋放(fàng)。SWS525 處理的釋放(fàng)高峰不明顯，分(fēn)别在30 d和70 d出現兩次。SWS260 的處理則在10 d、30 d和60 d出現釋放(fàng)高峰，時段釋放(fàng)率分(fēn)别爲10.1%、11.8%和11.2%，表明在土壤水吸力260 kPa時控釋尿素釋放(fàng)緩慢(màn)，整體(tǐ)上均勻增長，土壤空氣相對濕度爲91%，土壤水汽雖然未飽和，但是在後續能得到補充，使得釋放(fàng)時間延長。整體(tǐ)而言，土壤水分(fēn)早期進入控釋尿素膜殼越快越多，使得後期肥料核心尿素濃度變低，肥料膜殼内外(wài)濃度差變小(xiǎo)，後期釋放(fàng)動力不足。土壤水吸力過高明顯地限制了控釋肥料養分(fēn)溶出速率，進而使釋放(fàng)時間延長，表明水汽未達飽和時，控釋尿素的釋放(fàng)率和釋放(fàng)期受到土壤水分(fēn)含量過低的抑制。

圖5 土壤水吸力大(dà)于或等于260 kPa條件下(xià)養分(fēn)時段釋放(fàng)率

不同土壤水吸力對控釋尿素釋放(fàng)的影響結果之間差異顯著。本試驗條件下(xià)土壤水吸力低于或等于75 kPa時，土壤水汽飽和，不考慮水分(fēn)流動及養分(fēn)擴散狀況影響時，土壤水吸力不再影響控釋尿素養分(fēn)在土壤中(zhōng)釋放(fàng)；而土壤水吸力高于或等于260 kPa即土壤水汽未達飽和時，土壤顆粒對水分(fēn)的吸力遠遠大(dà)于肥料核心對水分(fēn)的吸力，控釋尿素的釋放(fàng)受到抑制。土壤水吸力大(dà)小(xiǎo)直接影響土壤孔隙空氣濕度的飽和與否，土壤水汽是控釋尿素釋放(fàng)影響因素的直觀指标。

來源：《土壤學報》2017 年02 期

作者：王苓¹，張民^1，2，劉之廣¹，劉備²，李濤³，耿計彪⁴

單位：1.土肥資(zī)源高效利用國家工(gōng)程實驗室，國家緩控釋肥工(gōng)程技術研究中(zhōng)心，山東農業大(dà)學資(zī)源與環境學院  2.衆德肥料（平原）有限公司  3.山東省土壤肥料總站  4.臨沂大(dà)學水土保持與環境保育研究所