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尿素利用率不足30%导致资源浪费、环境污染如何提高利用率?
作者:ag体育官方网站  来源:  时间:2021-12-16 08:45  点击:

  尿素是目前世界上和我国农业生产中应用最广、数量最多的氮肥品种,约占50%的世界氮肥生产及消费市场。

  尿素含氮量高,达到46%,但是尿素受化学和肥料学性质所限 (易溶于水,易释放,易损失等 ) ,水解、氨化、硝化耗时较短,作物氮素利用率通常低于30% ,其余70%氮素通过氨挥发、硝化、反硝化等途径损失,造成农业生产资料的浪费,成为环境氮污染的主要来源。 因此,控制尿素在土壤中的分解速率和转化途径是提高其氮素利用率,降低农业生产成本及控制环境污染的关键所在。

  尿素在土壤中的水解速率受土壤脲酶活性、 pH值、温度、水分、质地、尿素起始浓度等因素的影响,以脲酶最为关键。

  脲酶对尿素转化的影响最为关键。研究表明,尿素分解速度随脲酶用量和作用时间增加而加快。10分钟内,2ml 脲酶分解尿素27.2%,10ml脲酶几乎全部分解尿素;2ml脲酶作用1小时可分解尿素 63%,20小时分解 99%。

  在pH为4.5-5的酸性土壤中,当温度为10℃时,尿素完全水解需要5-7天;pH值大于5.6的土壤,无论温度高低,尿素3天即可完全分解。

  随着温度升高尿素分解速率加快,春季在10-14℃条件下尿素分解的氨挥发高峰需时6天;夏季气温33-35℃时尿素3天即达氨挥发高峰。

  当土壤水分含量为田间持水量的50%时施用尿素,较水分过多或过少时易分解;在田间持水量60%至淹水状态,尿素水解基本稳定。此外,尿素水解反应与土壤水分的关系还与许多其它因素有关,如尿素施用浓度和方式,土壤温度以及降水与施肥的时间等。因此,在耕作土壤中,尿素水解不一定受土壤干燥的影响。

  不同质地土壤中尿素的分解速率以粘土大于砂土,因粘质土壤中脲酶的活性通常强于砂质土壤。由于腐殖质含量高的肥沃土壤的脲酶含量比贫瘠土壤高,在肥沃的土壤中,尿素完全水解只需4天时间,贫瘠的沙土则需要6个星期。

  土壤氧化还原状态与尿素水解关系密切。 氧化状态土壤、还原状态土壤和淹水土壤的尿素水解速度依次减弱。还原状态土壤和淹水土壤缺乏氧气,与土壤脲酶活性有关的微生物生存和繁殖受到抑制,从而降低了土壤脲酶活性,阻止了尿素水解。此外,脲酶抑制剂能调控土壤脲酶活性,可延缓尿素水解,延长施肥点尿素的扩散时间。

  根据酶促反应动力学理论,酶浓度恒定,底物浓度减少,酶未饱和时,水解速度取决于尿素的起始浓度,二者为线μg/g浓度范围,尿素水解速率随起始浓度升高而增加,二者之间为显著线性相关。

  Bremner等研究表明,底物浓度氮为250-1000μg/g时尿素水解过程符合零级反应;氮超过1000μg/g后,则符合米氏方程。

  尿素水解生成的碳酸铵、碳酸氢铵和氢氧化铵都是不稳定化合物,一定条件下,会有相当数量的氨气逸出,成为尿素损失的主要途径。

  中国科学院南京土壤研究所朱兆良院士研究表明,氨挥发损失的氮量可占稻田施入氮量的5%-47%,主要受土壤性质(pH值、ECE)、气象条件 (大气湿度、风速)、氮肥使用时期、施肥深度与其它肥料的配合等因子的影响。

  国内外研究结果表明,尿素水解后产生的氨,可使稻田水层pH值明显上升 (有时可达9.0以上),加上水层中藻类快速生长大量利用二氧化碳,使水中的氢氧根难与二氧化碳结合,氨挥发可能会进一步加剧,达到施入氮量的30%以上,约占水田氮损失总量的50%-80%。

  因此,尿素即使是用于酸性土壤水田,同样也存在着氨挥发问题。 受土壤表面或水田表面氨分压和风速的影响,尿素于不同作物、不同地理位置表施所引起氨的挥发损失平均占施N量的23%,高的可达50%以上。

  夏季高温高湿条件下,尿素用于玉米种植中氨挥发损失占全年的70%-85%。

  近年来的研究发现,氨对大气有污染,逸失氨的10%和氢氧根反应生成NO2占进入大气中NO2总量的10%,其对大气变暖的间接效果将大于直接效果。

  尿素水解后可能积累大量NH4+,使土壤局部pH值升高2-3个单位。硝化细菌在足够氧气供应时,迅速硝化NH4+,生成NO3-N被作物利用。未被作物吸收的NO3-N富集于土壤被降水淋失,成为地下水的主要污染物;或反硝化逸失N2O,破坏臭氧层。

  陕西灌溉地区土壤中硝态氮的淋失问题严重,陕北黄绵土淋出根区的硝态氮含量占施入量的40%,关中土占30%,反硝化损失因缺乏田间原位观测方法而难以估计,从总损失与氨挥发之差计算,表观硝化、反硝化损失为15%-41%。

  环境中氮素过量会导致水域富营养化。但是富营养化过程中氮的作用仍难定量评价。硝化反硝化过程中产生的N2O近年来受到人们的普遍关注,它对温室效应的贡献约5%-10%,其潜在的增强作用是二氧化碳的200倍。

  尿素在土壤中的溶解、氨化、硝化三大过程需时较短,氮损失严重,植物对氮素的利用率一般为30%-40%。水田中施用尿素,氨挥发损失集中在10%-30%,约占水田氮损失量的50%-80%。

  旱地施用尿素,氨挥发损失主要发生在pH7.5的石灰性或碱性土壤,损失量可占施入氮量的12%-60%。尿素氮的植物利用率低,主要原因一是其特殊的农化性状;二是施用技术缺乏合理性和科学性。

  我国从20世纪80年代对脲酶抑制剂开始研究,基本弄清抑制剂对尿素水解进程和尿素氮在土壤中的一系列转化及其与作物氮素利用率的关系,肯定了脲酶抑制剂在抑制尿素水解减少氨挥发损失中的作用。

  研究发现,施用苯基磷酰二胺(PPD)可显著减少氨挥发,施肥15天后,氨挥发仅为对照的1/4-1/10。我国研究较多的是氢醌 (HQ) ,油菜田间试验中施用氢醌,氨挥发为对照的30%-75%;小麦试验使用氢醌后,氮素挥发损失率下降5-10个百分点。值得注意的是,脲酶抑制剂的抑制效果大多很短,一般仅使尿素水解延迟1-4 天,减少氮素总损失量并不稳定,值得进一步研究。

  硝化抑制剂在一定程度上能抑制铵盐的硝化速率,减缓铵态氮向硝态氮转化,减少氮素反硝化损失和硝酸盐的淋溶损失,可能降低果蔬等作物中硝酸盐的积累。

  我国试验较多的是双氰胺(DCD)与 3、4二甲基吡唑磷酸盐 (DMPP)。 非石灰性土壤上施用硝化抑制剂减少肥料氮损失的效果明显优于石灰性土壤,这可能是由于施用硝化抑制剂后,石灰性土壤中存留有较多的铵而引起氨挥发损失加重所致。

  近年来,脲酶抑制剂和硝化抑制剂的配合施用受到重视。二者配合能有效延缓土壤中尿素水解,帮助水解后形成的铵在土壤中较长时间保持较高水平,降低土壤硝态氮的富集、氨挥发损失及氮氧化物的生成。 添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂的缓释尿素作底肥施用,氮素利用率达50%-80%,有效期较普通尿素长数周至数月。

  包膜的肥料有效氮释放速度、利用率均较普通尿素有不同程度的改善。 硫衣尿素在这类缓释肥中占有特殊地位,其含氮量一般为36%-37%,适于生长期较长的农作物,氮素有效利用率比普通尿素提高1倍。

  尿素加过磷酸钙加氯化钾制成的磷包尿素总养分在30%以上,增产达21.2%,优于长效尿素。

  树脂聚合物包衣尿素能大大减少土壤硝酸盐淋失量,维持作物生长后期耕层较高的无机氮含量水平,提高尿素利用率约10个百分点。目前在国外作为商品出售的品种有脲甲醛、脲乙醛、脲异丁醛和草酰胺等,但这类肥料因价格较高,未能在国内推广。

  尿素颗粒的大小对尿素肥效也有明显影响,试验表明,作物对尿素氮的吸收随着尿素颗粒的增大而增加。大颗粒尿素的肥效期较普通尿素长约1倍,氮素利用率可高达85%。

  近年来,我国和澳大利亚有关研究者探索如何将表面膜技术应用于水田中尿素水解转化过程氨挥发的田面水控制技术。宁夏灌区节氮节水试验表明,抑氨膜能明显减少氨挥发损失,节约氮肥25%,氮素利用率提高7.8%-9.4%。但是表面膜易被微生物分解,或受到风速的影响,需要定期加入,以长期维持覆盖效果。

  传统农业中尿素常在秋季施入,造成气态氮损失或有效氮被土壤固定,其损失达24%-31% ,而春季施肥氮素损失仅11%-21%,因此,秋季施用尿素时应选择合理的施用方法。

  尿素深施是目前提出的减少氮素损失,提高其利用率的最好且较稳定的方法,尿素忌撒施。

  旱地尿素深施10-15cm利用率最高,平均达到52.62%;水田条件下,尿素以深施10cm利用率最高,比表施利用率提高18.04%。水稻栽培中水肥综合管理是一项提高尿素利用率的有效措施,水肥综合管理可使利用率提高12-16个百分点,每千克氮增产的稻谷量为5.1-3.9kg,增产率达到8.5%-11%。

  我国农田土壤磷素供应不足,大部分土壤缺钾。氮磷钾或氮磷的配合施用,已成为发挥氮肥增产潜力的一项重要的施肥原则。磷是作物吸收氮素的最主要的限制因子,在缺磷条件下,尿素氮利用率只有5.1%。

  钙镁磷肥与尿素混施具有降低铵态氮挥发和提高氮素利用率的显著作用,在轻度碱化水稻土进行的水稻分栽试验表明,钙镁磷肥尿素使铵态氮挥发损失率降低了27.62%-33.46%。过磷酸钙与尿素混施对脲酶也有一定的抑制作用,能有效降低水稻生长期田面水的pH值。有机无机肥配施可使尿素氮利用率提高10-20个百分点,达到42%-49%。

  尿素分子体积小,容易被叶片吸收,是最适合叶面喷施的化肥。叶面喷施针对性强,吸收速度快,不受土壤环境因素影响,养分利用率高,且施肥量少,增产效果显著,尤其在土壤环境不良,水分过多或干旱,土壤过酸或过碱造成根系吸收作用受阻和作物急需氮素营养以及作物生长后期根系活力衰退时,采用叶面喷施可以弥补根系吸肥的不足。

  尿素施入土壤后,要转化成氨才能被作物吸收,其转化速度在碱性条件下比在酸性条件下慢得多。碳铵施入土壤后呈碱性反应,pH 值为8.2-8.4。农田混施碳铵和尿素,会使尿素转化成氨的速度大大减慢,容易造成尿素的流失和挥发损失。因此,尿素与碳铵不宜混用或同时施用。

  尿素撒施在地表,常温下要经过4-5 天转化过程才能被作物吸收,大部分氮素在铵化过程中被挥发掉,利用率只有30%左右,如果在碱性土壤和有机质含量高的土壤撒施,氮素的损失更快更多。所以,氮素不能地表撒施。

  尿素在生产过程中,常产生少量的缩二脲。缩二脲含量超过2%,就会对种子和幼苗产生毒害。尿素进入种子和幼苗中,会使蛋白质变性,影响种子发芽和幼苗生长。

  尿素是氨态氮肥,施后必须转化成氨态氮才能被作物吸收利用。转化过程因土质、水分和温度等条件不同,时间有长有短,一般在经过2-10天才能完成,若尿素施后马上灌排水或旱地在大雨前施用,尿素就会溶于水而流失。

  尿素施后须转化成氨态氮才能被作物利用。氨态氮在碱性条件下,大部分氮素会变成氨气挥发掉,所以尿素不能与石灰、草木灰、钙镁磷肥等碱性肥料混施或同时施用。

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