土壤水吸力對(duì)控釋尿素養(yǎng)分釋放特征的影響

據(jù)世界糧農(nóng)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，在發(fā)展中國(guó)家糧食的增產(chǎn)55%歸功于化肥的使用。但是，目前我國(guó)氮肥當(dāng)季利用率僅為30%～35%。包膜控釋肥料是可以使養(yǎng)分的釋放與作物的需肥規(guī)律相同步的新型肥料，在增加作物產(chǎn)量、提高肥料利用率、節(jié)肥增效以及減少面源污染的可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展中正發(fā)揮著重要作用，在棉花和花生等經(jīng)濟(jì)作物上廣泛使用。

控釋肥的養(yǎng)分釋放受到肥料本身和環(huán)境條件（包括氣候條件、土壤溫度及水分含量等）的影響。靜水浸提測(cè)定的釋放率在實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)中均被廣泛使用，但與實(shí)際應(yīng)用中的釋放規(guī)律仍有所偏差。從農(nóng)業(yè)應(yīng)用的角度看，作物根系從土壤中吸收養(yǎng)分，實(shí)際養(yǎng)分釋放率應(yīng)該是控釋肥料在土壤中所表現(xiàn)的養(yǎng)分釋放率 。

土壤水分作為水資源的一種存在形式，同時(shí)也是控釋肥養(yǎng)分溶出及轉(zhuǎn)化的重要影響因素。土壤水可汽化為水蒸氣，使施入土壤的控釋肥在土壤水不飽和的情況下，仍處在土壤孔隙水汽飽和的狀態(tài)下，水蒸氣可通過膜殼微孔緩慢進(jìn)入膜內(nèi)，導(dǎo)致膜內(nèi)膨壓增大而使膜殼微孔變大，水蒸氣進(jìn)一步通過膜殼進(jìn)入并溶解肥料核心養(yǎng)分，養(yǎng)分在水蒸氣壓差作用下不斷擴(kuò)散到膜殼之外。

土壤水汽進(jìn)入膜殼使膜內(nèi)膨脹壓增大需要一定時(shí)間，表現(xiàn)為控釋肥料初期釋放緩慢，不可逆的膜殼膨脹使養(yǎng)分溶出擴(kuò)散呈現(xiàn)中期加快，但是肥料核心養(yǎng)分的減少使得膜內(nèi)溶液將會(huì)由過飽和或飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)入不飽和狀態(tài)，進(jìn)一步引起膜內(nèi)外壓差的降低，導(dǎo)致養(yǎng)分溶出速率的降低，釋放率達(dá)到穩(wěn)定。

不同土壤水分對(duì)控釋肥料的影響以及控釋肥料在干旱地區(qū)的推廣應(yīng)用也受到越來越多的關(guān)注。大量深入的研究發(fā)現(xiàn)，在低壓力水頭（0～100 kPa）時(shí)，土壤結(jié)構(gòu)和孔徑分布（即容重和孔隙度）是影響土壤水分持留的主要因素；而在高壓力水頭范圍（大于100 kPa），吸附作用則成為土壤水保持的主要因素，質(zhì)地、有機(jī)質(zhì)含量以及黏土礦物等通過影響土壤比表面積等性質(zhì)進(jìn)而影響土壤水的吸附。土壤各吸力段水分蓄持能力均隨容重增大遞減，比水容量也隨容重增大遞減，土壤水分特征曲線也受到較大影響；質(zhì)地對(duì)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。

土壤水分可以使用土壤含水量或土壤水勢(shì)進(jìn)行表征。土壤水勢(shì)又稱土壤水吸力是指土壤水的負(fù)壓力，表征土壤基質(zhì)對(duì)水分的吸附能力，主要包括重力勢(shì)、基模勢(shì)和溶質(zhì)勢(shì)。

本文探討的土壤水吸力為土壤基模勢(shì)，表征土壤固―液界面上的界面張力和土壤礦質(zhì)顆粒與有機(jī)質(zhì)顆粒表面對(duì)水產(chǎn)生的張力，這與土壤水分進(jìn)入控釋肥料膜殼之內(nèi)及膜內(nèi)養(yǎng)分析出膜外的過程有直接關(guān)系。雖然土壤含水量與土壤水吸力之間存在密切關(guān)系，但相同含水量的土壤釋水狀態(tài)吸力大于吸水狀態(tài)，存在明顯的滯后現(xiàn)象。而且，土壤含水量測(cè)定時(shí)需要破壞性取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室105℃烘干測(cè)定，較土壤水吸力利用張力計(jì)直接測(cè)定的方式存在滯后性和諸多不便。因此，土壤水吸力表征的土壤水有效性或干濕程度較不同質(zhì)量含水量更具科學(xué)意義。

本研究采用恒溫土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，研究不同土壤水吸力對(duì)控釋尿素氮素溶出特性的影響，探明限制控釋尿素養(yǎng)分釋放的土壤水吸力閾值以及影響其養(yǎng)分在土壤中釋放的相關(guān)因素，為控釋尿素在干旱區(qū)作物上的合理施用提供科學(xué)依據(jù)。

1.1 供試材料

供試土壤采自山東省泰安市寧陽縣汶河河谷，土壤類型為潮土，在中國(guó)土壤系統(tǒng)分類中為淡色潮濕雛形土，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(zhì)地類型為壤質(zhì)砂土（美國(guó)制）；容重1.32g cm-3，孔隙度48.70%，有機(jī)質(zhì)含量4.30 g kg-1，pH 7.32。為了對(duì)比土壤質(zhì)地對(duì)水分特征曲線的影響，選取質(zhì)地為粉壤土的土壤進(jìn)行對(duì)比，采自山東泰安南郊的棕壤，在中國(guó)土壤系統(tǒng)分類中為簡(jiǎn)育濕潤(rùn)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(zhì)地為粉壤土；有機(jī)質(zhì)含量為12.61 g kg-1，pH 7.30。

供試肥料為山東農(nóng)業(yè)大學(xué)土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室研制的作物秸稈液化改性樹脂包膜尿素，由眾德肥料（平原）有限公司生產(chǎn)，含氮量44.15%，在25℃靜水中測(cè)得累積釋放率為80%時(shí)的釋放期為56 d。試驗(yàn)于2015 年3 月至6 月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

控釋尿素靜水浸提實(shí)驗(yàn)按照《控釋肥料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（HG/T 4215-2011）進(jìn)行。稱取肥料樣品10.00 g（精確至0.01 g）放入100 目尼龍紗網(wǎng)做成的小袋中，將小袋放入250 ml玻璃瓶中，加入200 ml蒸餾水，加蓋密封，重復(fù)3次，置于25℃恒溫培養(yǎng)箱中。取樣時(shí)間為第24 小時(shí)（第1天）、第5、10、20 、30 、40 、50 、60 、70 天（養(yǎng)分溶出率達(dá)80%以上）。取樣時(shí)，將玻璃瓶上下顛倒3 次，使瓶?jī)?nèi)的液體濃度一致，然后保存于10 ml指形管中，注意密封，并注明取樣時(shí)間及編號(hào)，以備測(cè)定。然后，重新加入200 ml的蒸餾水，封口后放入培養(yǎng)箱?？蒯屇蛩氐蒯尫帕繙y(cè)定采用凱氏定氮法。

室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所需供試土壤田間持水量19.5%以及預(yù)設(shè)相對(duì)含水量100%、70%、40%、20%、5%和0%，得出相應(yīng)的質(zhì)量含水量分別為19.5%、13.7%、7.8%、3.9%、1.0%和0%。從土壤水分特性曲線計(jì)算不同的土壤水吸力，6 個(gè)處理分別為：1）ADS，風(fēng)干土；2）SWS525（土壤水吸力為525 kPa）；3）SWS260（土壤水吸力為260

kPa）；4）SWS75（土壤水吸力為75 kPa）；5）SWS30（土壤水吸力為30 kPa）；6）SWS0即土壤飽和水處理。6個(gè)處理分別加入不同量的蒸餾水，將300.0 g供試土壤裝入自封塑料袋，將水土充分混勻后測(cè)定實(shí)際含水量，根據(jù)測(cè)得供試土壤田間持水量（19.5%）計(jì)算得到相對(duì)含水量（表1）。同時(shí)將5.0 g控釋尿素裝入尼龍網(wǎng)指形袋，分別放入不同土壤水吸力處理的自封袋土壤中，密封后放入25℃恒溫培養(yǎng)箱中。每個(gè)處理30 次重復(fù)，每次破壞性取樣3 個(gè)尼龍網(wǎng)指形袋，測(cè)定控釋尿素的養(yǎng)分釋放率。

注：ADS，風(fēng)干土；SWS525、SWS260、SWS75、SWS30 和SWS0分別表示土壤水吸力525 kPa、260 kPa、75 kPa、30 kPa和0 kPa。下同

土壤水分會(huì)以水蒸氣形態(tài)彌散在土壤孔隙中，進(jìn)一步對(duì)控釋尿素養(yǎng)分溶出釋放起作用，用干燥器封閉水汽達(dá)到平衡，模擬土壤孔隙中空氣相對(duì)濕度，可以用溫濕度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。將6 個(gè)水分處理的土壤稱取500.0 g于干燥器底部，將溫濕度計(jì)（T&H meter，凱隆達(dá)，天津）放置墊板之上，用凡士林封口，確保溫濕度計(jì)密封，裝置安頓好之后，將干燥器整體置于25℃的恒溫培養(yǎng)箱中，不打開干燥器，隔著玻璃進(jìn)行讀數(shù)并記錄相對(duì)濕度，記錄間隔為1 h，直至讀數(shù)恒定，6 個(gè)處理的土壤空氣相對(duì)濕度分別為38%、84%、91%、95%、98%和99%（表1）。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用1500 F1 型 15 Bar壓力膜儀（SEC，美國(guó)）測(cè)定供試土壤的水分特征曲線：首先用橡皮筋將濾紙固定于配套的塑膠環(huán)刀上，將過2 mm篩的風(fēng)干土壤樣品小心裝入環(huán)刀中，使土壤約與環(huán)刀上沿齊平，整體成為土樣環(huán)并稱重記錄。將土樣環(huán)置于提前浸好的陶土板上并小心在陶土板上加水，使土壤樣品吸水達(dá)到充分飽和，然后用吸管吸掉陶土板上多余的水分。將壓力室組裝好，調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥，逐漸加到所需壓力。若出水管口不再滴水則可認(rèn)為達(dá)到平衡。反向轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)壓閥到1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，打開壓力室后立即稱量土樣環(huán)的質(zhì)量。設(shè)定0、100、300、500和1500 kPa共5 個(gè)壓力，測(cè)定各平衡時(shí)的土樣環(huán)重量， 根據(jù)初始的風(fēng)干土重計(jì)算每次的質(zhì)量含水量， 最終得出土壤水分特征曲線。

控釋尿素的養(yǎng)分釋放率測(cè)定：分別于實(shí)驗(yàn)開始后第1、5、10、20、30、40、50、60、70 天取出自封袋中的肥料袋，用自來水沖洗2～3次，去除表面的土粒，將肥料置于鋁盒于60℃烘箱中烘至恒重。冷卻后用萬分之一天平稱重。用差減法計(jì)算控釋尿素養(yǎng)分的釋放量并求出釋放率。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)通過Excel 2003 和SAS 8.2 軟件完成單因素方差分析（ANOVA）及鄧肯（Duncan）差異顯著性檢驗(yàn)，并用Excel 2003 軟件進(jìn)行作圖。

2.1 兩種土壤的水分特征曲線

土壤水分特征曲線為含水量和基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線， 隨著含水量的變化， 吸力也發(fā)生變化。兩種供試土壤的水分特征曲線如圖1 所示，可以看出，質(zhì)地對(duì)土壤水分特征曲線影響顯著。在土壤水吸力1500 kPa時(shí)壤質(zhì)砂土質(zhì)量含水量?jī)H為1.6%，粉壤土的質(zhì)量含水量高達(dá)5.9%；在土壤水吸力100～300 kPa范圍，壤質(zhì)砂土質(zhì)量含水量為2.9 % ～ 3.9 % ， 而粉壤土的質(zhì)量含水量為10.7%～12.7%。土壤水分特征曲線受到質(zhì)地的影響，可為合理確定植物生長(zhǎng)所需的水吸力提供理論依據(jù)。

圖1 供試土壤水分特征曲線

在相同水吸力時(shí)，不同質(zhì)地土壤對(duì)有效水的控制力不同；相同的質(zhì)量含水量在不同質(zhì)地土壤中水的有效性不同，說明控制不同土壤質(zhì)量含水量并不能夠準(zhǔn)確表示土壤水分的有效性?？刂葡嗤繒r(shí)，控釋尿素的釋放受到多方面影響，而控制相同的土壤水吸力可以排除土壤基質(zhì)對(duì)水的吸附影響，使實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更符合田間土壤孔隙中空氣的水汽壓實(shí)際情況。壤質(zhì)砂土在質(zhì)量含水量1.7%與粉壤土質(zhì)量含水量5.9%的土壤水吸力一致，因此，室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)供試土壤選用壤質(zhì)砂土（LS）。

2.2 土壤水飽和時(shí)控釋尿素的養(yǎng)分釋放特性

包膜控釋尿素在25 ℃ 恒溫培養(yǎng)靜水浸提試驗(yàn)（ SWT：Stillwatertest） 和土壤埋袋試驗(yàn)（SWS0：Soil water suction=0 kPa）飽和水條件下的釋放曲線呈現(xiàn)基本一致的規(guī)律（圖2），均呈現(xiàn)S 形，且養(yǎng)分釋放率在1～7 d較慢，7～14 d釋放逐漸加快，于21 d以后達(dá)到穩(wěn)定。在靜水浸提中第1 天釋放率為1.5%，第30 天累積釋放率為50.7%，符合《控釋肥料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。靜水浸提中測(cè)得累積釋放率達(dá)到80%時(shí)為55.9 d，在土壤中測(cè)得累積釋放率達(dá)到80%時(shí)為63.6 d，可能由于土壤中控釋尿素的顆粒被裝在網(wǎng)袋中，通過失重法測(cè)定會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，其相對(duì)相差為12.9%，仍在《控釋肥料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20%誤差范圍之內(nèi)。

注：SWT-Time 為靜水浸提試驗(yàn)（SWT）處理的時(shí)段釋放率；SW S0-Time 為SWS0 處理的時(shí)段釋放率； SWT-Cumulative 為SWT 處理的累積釋放率；SWS0-Cumulative 為SWS0 處理的累積釋放率

圖2　控釋尿素氮素累積釋放特征

2.3 不同土壤水吸力對(duì)控釋尿素養(yǎng)分釋放的影響

在恒溫25℃的模擬實(shí)驗(yàn)中，水分作為影響控釋尿素養(yǎng)分釋放的單一因素，在前5 天土壤水分對(duì)控釋尿素釋放率影響不顯著（圖3）。土壤水不飽和時(shí)，水分對(duì)控釋尿素的作用是通過汽化成水蒸氣進(jìn)入控釋尿素膜殼的微孔，而進(jìn)入微孔使膜內(nèi)膨脹壓增大并溶解養(yǎng)分需要一定的時(shí)間，控釋尿素氮素第5天開始溶出釋放。在土壤水吸力為525 kPa時(shí)，土壤空氣相對(duì)濕度為84%，土壤水汽未達(dá)到飽和，養(yǎng)分析出后未能及時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)出，使得控釋尿素釋放受到明顯抑制；而風(fēng)干土的處理，土壤空氣相對(duì)濕度為38%，土壤孔隙中水蒸氣不足以進(jìn)入控釋尿素膜殼，控釋尿素釋放率始終為初期釋放率，而無后續(xù)的增加，表明風(fēng)干土中埋置的控釋尿素未釋放。

圖3 恒溫（25℃）模擬實(shí)驗(yàn)中控釋尿素在不同土壤水吸力下的累積釋放特征

土壤水吸力在260 kPa時(shí)，土壤空氣相對(duì)濕度為91%，進(jìn)入控釋尿素膜殼的水蒸氣量增多，但是由于未達(dá)飽和，釋放速度仍受到抑制。土壤水吸力低于75 kPa時(shí)，土壤空氣相對(duì)濕度均為95%以上，土壤水汽達(dá)到飽和，表現(xiàn)為水分條件對(duì)控釋尿素釋放產(chǎn)生的影響一致。

對(duì)土壤埋袋中包膜尿素在土壤不同水吸力下的氮素累積釋放率曲線（圖3）進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸分析，以氮素累積釋放率為自變量（x），以釋放天數(shù)d 為因變量（y）建立回歸方程（表2）。用相應(yīng)的多項(xiàng)式方程能很好地模擬和反映不同土壤水吸力時(shí)的氮素釋放特征，除SWS525處理擬合的方程R2 達(dá)0.95 以外，其余四個(gè)處理的方程擬合度較高，R2均達(dá)0.98 以上。利用相應(yīng)方程可以較準(zhǔn)確地根據(jù)不同時(shí)段的氮素累積釋放率計(jì)算出不同土壤水吸力時(shí)的控釋尿素的釋放期，判斷土壤水吸力對(duì)控釋尿素釋放期的影響，進(jìn)而在推廣使用中根據(jù)實(shí)際的水分條件選擇更加合適的控釋尿素。

注：控釋尿素養(yǎng)分在ADS（風(fēng)干土）處理中未釋放，故無擬合方程

通過回歸方程可以計(jì)算出不同土壤水吸力時(shí)的釋放期（表3），飽和水分的土壤中釋放期63.6 d，土壤水吸力在30 kPa時(shí)控釋尿素釋放期72.7 d，相對(duì)相差為13.3%，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的20%誤差范圍之內(nèi)。土壤水吸力在75～525 kPa范圍內(nèi)，隨著土壤水吸力的增大，控釋尿素的養(yǎng)分釋放減慢，養(yǎng)分釋放期逐漸變長(zhǎng)?；貧w方程計(jì)算的SWS525 和SWS260 處理的釋放期分別為416.4和117.0 d，相對(duì)相差分別為146.8%和59.1%，遠(yuǎn)超《控釋肥料》行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許差（20%），說明控釋尿素釋放受到了土壤水吸力過高的限制，土壤顆粒對(duì)水分的吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肥料核心對(duì)水分的吸力。

注：1）SWS0 和SWS30 為實(shí)測(cè)釋放期，其他處理的釋放期由表3 擬合方程進(jìn)行計(jì)算；2）相對(duì)相差為不同土壤水吸力的釋放期相對(duì)于SWS0的釋放期的相對(duì)相差；3）同一列中的平均數(shù)值用鄧肯多重比較，標(biāo)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(duì)氮素時(shí)段釋放率的影響

土壤水吸力75 kPa、30 kPa和0 kPa的3 種處理中控釋尿素的釋放高峰均在20～30 d之間出現(xiàn)，20 d的時(shí)段釋放率分別為18.3%、22.2%和15.3%，且在時(shí)間上呈現(xiàn)一致性（圖4）。30 d的時(shí)段釋放率均為16.0%，之后的釋放趨于一致，且在40 d以后達(dá)到緩慢釋放。表明不考慮水分流動(dòng)及養(yǎng)分?jǐn)U散狀況影響時(shí)，土壤孔隙空氣相對(duì)濕度高于95%，土壤水汽達(dá)到飽和，土壤水吸力不再是影響包膜控釋尿素養(yǎng)分在土壤中釋放的主要因素。

注：SWS75-Time、SWS30-Time、SWS0-Time 分別為SWS75、SWS30 和SWS0 處理的時(shí)段釋放率； SWS75-Cumulative、SWS30 - Cumulative 和SWS0 - Cumulative 分別為SWS75 、SWS30、SWS0 的累積釋放率

圖4 土壤水吸力低于或等于75 kPa條件下控釋尿素養(yǎng)分時(shí)段釋放率

但是，在土壤水吸力高于75 kPa時(shí)，控釋尿素養(yǎng)分釋放開始受到土壤水吸力過高的影響（圖5），SWS260 和SWS525 的2 個(gè)處理，土壤孔隙空氣相對(duì)濕度分別為91%和84%，可以看出，水汽減少限制了控釋尿素的養(yǎng)分釋放。SWS525 處理的釋放高峰不明顯，分別在30 d和70 d出現(xiàn)兩次。SWS260 的處理則在10 d、30 d和60 d出現(xiàn)釋放高峰，時(shí)段釋放率分別為10.1%、11.8%和11.2%，表明在土壤水吸力260 kPa時(shí)控釋尿素釋放緩慢，整體上均勻增長(zhǎng)，土壤空氣相對(duì)濕度為91%，土壤水汽雖然未飽和，但是在后續(xù)能得到補(bǔ)充，使得釋放時(shí)間延長(zhǎng)。整體而言，土壤水分早期進(jìn)入控釋尿素膜殼越快越多，使得后期肥料核心尿素濃度變低，肥料膜殼內(nèi)外濃度差變小，后期釋放動(dòng)力不足。土壤水吸力過高明顯地限制了控釋肥料養(yǎng)分溶出速率，進(jìn)而使釋放時(shí)間延長(zhǎng)，表明水汽未達(dá)飽和時(shí)，控釋尿素的釋放率和釋放期受到土壤水分含量過低的抑制。

圖5 土壤水吸力大于或等于260 kPa條件下養(yǎng)分時(shí)段釋放率

不同土壤水吸力對(duì)控釋尿素釋放的影響結(jié)果之間差異顯著。本試驗(yàn)條件下土壤水吸力低于或等于75 kPa時(shí)，土壤水汽飽和，不考慮水分流動(dòng)及養(yǎng)分?jǐn)U散狀況影響時(shí)，土壤水吸力不再影響控釋尿素養(yǎng)分在土壤中釋放；而土壤水吸力高于或等于260 kPa即土壤水汽未達(dá)飽和時(shí)，土壤顆粒對(duì)水分的吸力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于肥料核心對(duì)水分的吸力，控釋尿素的釋放受到抑制。土壤水吸力大小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影響因素的直觀指標(biāo)。

來源：《土壤學(xué)報(bào)》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(jì)彪⁴

單位：1.土肥資源高效利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院  2.眾德肥料（平原）有限公司  3.山東省土壤肥料總站  4.臨沂大學(xué)水土保持與環(huán)境保育研究所