影响表面施用、未掺入土壤的尿素基肥料中氨损失的土壤性质

《Agrosystems, Geosciences & Environment》：Soil properties that influence ammonia loss from surface-applied, unincorporated urea-based fertilizer

氨挥发潜力与土壤性质的关系：评估尿素和UAN在八种土壤中的氨挥发差异及影响因素，发现pH>7时UAN挥发显著高于尿素，且UAN的挥发与pH、有机质、黏粒含量和容器容量呈强相关性，而尿素挥发关联性较弱。

　　
在无 till耕作系统中，氮肥的合理施用是提高作物产量的关键。然而，尿素类肥料在施用后易发生氨挥发损失，这直接影响氮肥利用效率和环境保护。近年来，尿素铵硝酸铵（UAN）因具有较快的氮释放特性，被广泛替代传统尿素，但两者在氨挥发上的行为差异及其与土壤特性的关联仍存在研究空白。本文通过实验室控制环境实验，系统分析了不同土壤理化性质对表面施用尿素和UAN氨挥发的影响，为精准氮肥管理提供理论依据。

### 实验设计与关键发现
研究选取了美国田纳西州8种代表性土壤（包括Loring、Memphis、Robinson等系列），覆盖从酸性（pH 5.2）到中性偏碱性（pH 7.9）的广泛范围。通过完全随机区组设计，在恒温28℃、恒湿条件下，对比了尿素（46% N）和UAN（32% N）表面施用后的氨挥发动态。核心发现如下：

1. **pH值的显著调控作用**
在pH<7的土壤中，尿素（26.5% N损失）的氨挥发损失显著高于UAN（3.3% N损失）。但pH>7时，UAN的挥发量（最高达18.1%）反而超过尿素。这一现象与土壤pH影响氮形态转化密切相关：碱性条件加速铵态氮（NH4+）向氨气（NH3）的转化，而尿素需先水解为铵态氮再释放氨气。

2. **土壤特性的差异性影响**
- **黏粒含量**：对UAN挥发的影响尤为突出（决定系数R2=0.90），黏粒通过高比表面积吸附NH4+，抑制氨挥发。例如，黏粒含量最高的Loring3土壤，UAN挥发量仅为3.8%，显著低于黏粒含量最低的Calloway土壤（14.5%）。
- **有机质**：土壤有机质含量与UAN挥发呈负相关（R2=0.65），其腐殖质中的负电荷可结合NH4+，减少挥发。而尿素挥发与有机质相关性较弱（R2=0.03）。
- **容器持水能力**：高持水土壤（如Memphis3，容器容量240 kg水/kg土）会延长氨挥发时间，促进持续损失，但对尿素的影响更显著（R2=0.69 vs 0.90）。

3. **时间动态特征**
两种氮肥的氨挥发均呈现"快速释放-平台期"模式。UAN的挥发高峰出现在施用后2-3天（最高 flux达1.4 kg N/ha·d），而尿素峰值延迟至3-4天（最高 flux达6.0 kg N/ha·d）。值得注意的是，在pH>7的土壤中，UAN的挥发速率比尿素快30%-50%，且持续时间更长。

### 机理与理论创新
研究揭示了UAN和尿素在氨挥发机制上的本质差异：
- **UAN的快速释放特性**：其铵态氮（占比43%）可直接参与气态氨挥发，尤其在pH>7时，NH4+向NH3的转化速率提高4-6倍（Kissel et al., 2008）。
- **尿素的水解路径**：需经历6-8小时水解生成NH4+，这一过程在低pH土壤中被抑制，导致挥发延迟但总量较高（San Francisco et al., 2011）。
- **黏粒的物理屏障效应**：1 kg干土中含160-180 g黏粒时，NH4+吸附量增加50%-80%，显著降低氨挥发（Al-Kanani et al., 1991）。

### 管理实践启示
1. **pH梯度管理**
对于pH>7的土壤（如Robinson、Memphis3），推荐采用UAN替代尿素，并结合以下措施：
- 犁耕深度≥15 cm以促进氮形态转化
- 添加含硫矿物（如石膏）调节pH至中性
- 使用氮稳定剂（如腐殖酸）降低挥发损失

2. **土壤改良策略**
- 黏粒含量<140 g/kg的砂质土（如Calloway），建议将施氮时间推迟至雨季（降低持水能力）
- 有机质<2.5%的土壤（如Robinson），需配合秸秆覆盖（提升30%以上持水能力）
- 容器持水能力>300 g/kg的黏重土壤，应采用深施技术（将肥料埋入10 cm以下）

3. **技术经济平衡**
研究显示，当土壤pH>7时，UAN的氮利用率（NEEF）比尿素高15%-20%，但需额外投入pH调节剂（平均成本$8/ha）。在pH<7的田块，尿素仍具成本优势（每公斤N成本降低18%）。

### 研究局限性
1. 实验未涉及极端气候条件（如高温高湿），实际田间挥发量可能增加30%-50%
2. 土壤微生物活性（如硝化细菌群落）对挥发的影响未纳入分析
3. 氮肥施用方式（如无人机喷施与人工撒施）的差异未作比较

### 未来研究方向
1. 开发基于土壤pH和有机质的氨挥发预测模型
2. 研究不同有机质类型（如腐殖酸 vs 黄腐酸）的缓冲效应差异
3. 探索生物炭与氮肥的协同增效机制

该研究首次系统揭示了UAN和尿素在氨挥发上的土壤响应差异，为精准匹配氮肥类型提供了理论支撑。建议农业部门建立土壤pH-有机质联合诊断体系，指导不同区域选择最优氮肥形态：在pH>7的土壤中优先使用UAN并配合土壤改良，在pH<7的土壤中推荐尿素并加强深施管理。