氧化烟煤改性尿素：包衣与掺混对小麦生长特性及氮肥利用效率的影响机制研究

针对石灰性土壤中传统尿素氮素淋失严重、氮肥利用效率(NUE)低下的问题，本研究创新性地利用氧化烟煤(OBC)开发包衣/掺混缓释尿素。结果表明OBC包衣尿素(C1H)可显著降低硝酸盐(46.33%)和铵态氮(53.08%)淋失，提升NUE(33.35%)与氮吸收效率(NUpE)(28.53%)，在减施40%氮量条件下仍能维持小麦正常生长，为钙质土壤氮素管理提供可持续解决方案。

　　

在全球粮食安全面临严峻挑战的背景下，化肥尤其是氮肥的合理使用已成为农业生产的核心议题。尿素作为含氮量最高的固态氮肥，在全球农业中应用广泛，但其在土壤中分解速度快、养分释放与作物需求不匹配，导致氮素利用率普遍偏低。在石灰性土壤中，这一问题尤为突出——尿素施入后迅速水解产生铵离子，经硝化作用转化为硝酸盐，而硝酸根离子带负电难以被土壤胶体吸附，极易通过淋溶作用进入地下水系统。研究表明，最高可达70%的施入氮素会通过淋失和挥发途径损失，不仅造成资源浪费，更引发水体富营养化、土壤酸化等环境问题。

为应对这一挑战，缓释肥料(slow-release fertilizers, SRFs)应运而生。这类肥料通过物理或化学手段控制养分释放速率，使养分供应与作物吸收规律同步，从而减少损失、提高利用效率。然而，现有包衣材料如聚合物、石膏等虽有效但成本较高，且可能带来二次污染，制约了其大规模应用。近年来，碳基材料因其丰富的孔隙结构和表面官能团展现出作为肥料改良剂的潜力。其中，氧化烟煤(oxidized bituminous coal, OBC)作为一种天然易得的材料，在自然氧化过程中生成大量羧基、羰基等含氧官能团，对铵离子和硝酸根具有较强的吸附能力，同时能抑制脲酶活性、延缓尿素水解。更值得注意的是，OBC本身含有腐殖酸等有机成分，可改善土壤团粒结构、提升阳离子交换量(CEC)，为作物生长创造有利环境。尽管OBC在土壤改良方面已有研究，但其作为尿素改良剂在石灰性土壤中的应用尚未系统探索。

在此背景下，研究团队在《Plant Physiology and Biochemistry》发表了创新性研究，系统比较了OBC包衣与掺混两种改性方式对小麦氮素利用效率及生长特性的影响。研究人员通过温室盆栽实验，设置两种OBC与尿素配比(60:40和35:65)的包衣组(C1、C2)和掺混组(B1、B2)，以100%和60%推荐氮量为施肥水平，全面评估了改性尿素对氮素淋失、植株氮吸收、农艺性状及土壤养分残留的影响。

研究采用多项关键技术方法：通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)分析材料表面官能团变化，利用扫描电子显微镜(SEM)观察肥料形貌特征；采用盆栽淋溶实验模拟氮素流失过程，使用分光光度法测定淋溶液硝酸盐和铵态氮含量；通过凯氏定氮法测定植株全氮含量，计算氮肥利用效率(NUE)和氮吸收效率(NUpE)等指标；运用叶面积仪测定叶面积指数(LAI)，采用分光光度法测定叶绿素含量；最后通过主成分分析(PCA)和Pearson相关性分析整合多维度数据。所有实验均采用完全随机设计，数据经过正态性和方差齐性检验，采用Tukey's HSD进行显著性分析。

3.1. OBC-尿素肥料特性

FT-IR分析显示，高比例OBC处理组(C1、B1)的尿素羰基峰发生红移(约11.57 cm^-1)，氨基峰强度减弱，表明OBC与尿素间形成了氢键作用。SEM图像显示包衣尿素表面形成连续致密的OBC覆盖层，而掺混尿素中OBC分布均匀性较差。元素分析证实改性肥料碳氮比显著变化，为后续缓释效果提供结构基础。

3.2. 土壤氮素淋失特征

淋溶实验结果表明，所有OBC改性处理均显著降低硝酸盐和铵态氮淋失。其中包衣型C1H效果最优，较普通尿素分别降低46.33%和53.08%。相同配比下包衣处理较掺混处理减少22.97-33.12%的氮素流失，证明物理包覆屏障与化学吸附协同作用的重要性。

3.3. 植株氮素利用效率

C1H处理使小麦氮吸收量提升28.48%，NUE和NUpE分别提高33.35%和28.53%。值得注意的是，减量施肥组C1L(60%氮量)的NUE甚至超过全量普通尿素组，证明OBC包衣可实现"减氮增效"目标。

3.4. 生长指标与生理响应

包衣处理显著改善农艺性状：C1H处理的叶面积指数(LAI)增加29.01%，分蘖数提高32.15%，地上部鲜重增加10.63%。生理指标同步改善，叶绿素总量提升33.88%，蛋白质含量增加24.19%。相关分析显示LAI与叶绿素含量呈显著正相关(r=+0.75)。

3.5. 养分协同吸收效应

OBC改性促进了钾磷吸收协同性。C1L处理的钾吸收量较普通尿素增加31.65%，且减氮处理的磷钾吸收量与全量尿素处理无显著差异，表明缓释氮肥可通过改善养分释放同步性促进元素平衡吸收。

3.6. 土壤养分残留

收获后土壤检测发现，包衣处理组土壤氮残留量较普通尿素组高22-25%，印证了其缓释特性。对照组土壤磷钾残留量显著高于施肥组，反映氮素缺乏限制了作物对其它养分的吸收能力。

本研究通过多角度证据链证实，OBC包衣尿素通过双重机制提升氮素利用率：物理层面形成扩散屏障延缓溶出，化学层面通过表面官能团吸附氮素养分。特别是60:40配比的包衣尿素(C1)，在减少40%施氮量情况下仍能维持作物正常生长，这为解决石灰性土壤氮素管理难题提供了创新方案。讨论部分深入解析了OBC与尿素的氢键作用机制，指出包衣处理较掺混处理更具优势的原因在于形成更完整的保护层。研究结果与Jia等(2021)关于生物炭包衣尿素、Saha等(2019)关于褐煤改良尿素的研究结论相互印证，但首次系统比较了包衣与掺混两种工艺的差异效应。

该技术的环境效益尤为突出：一方面通过减少氮淋失降低面源污染风险，另一方面OBC的碳封存作用有助于缓解温室效应。从农业实践角度，本研究为开发低成本、环境友好的缓释肥料提供了理论依据和技术路径，对推进化肥减量增效、实现农业可持续发展具有重要实践意义。未来研究可进一步探索OBC改性肥料在不同土壤类型和气候条件下的适用性，以及其长期施用对土壤微生物群落结构的影响。