摘要
为探究在转鼓工艺复合肥中添加不同比例硫酸铵对碱性土壤磷移动性及小油菜生长的影响，采用土壤磷可视化方法观察磷在土壤中的扩散距离，并利用盆栽试验评价其对小油菜生长的效果。结果表明，转鼓工艺复合肥中添加硫酸铵可显著提高碱性土壤磷的扩散距离，最适添加比例为 18.66%~28.00%。且相同硫含量条件下，以硫酸铵为硫来源的复合肥对碱性土壤磷的扩散距离优于以硫酸钾为硫来源的复合肥。随着复合肥中硫酸铵比例的提高，小油菜叶鲜重、叶干重、根干重呈现先增加后降低的趋势，复合肥中添加 18.66% 的硫酸铵促进小油菜生长作用显著高于其他处理。而同等硫含量（S 4.51%）的复合肥中添加硫酸铵处理的小油菜叶绿素含量和根干重显著优于硫酸钾复合肥。试验结果为复合肥产品优化升级提供理论技术支撑，在实现磷肥高效利用方面具有一定的科学价值。
Abstract
In order to investigate the effects of adding different ratios of ammonium sulfate to compound fertilizers of rotary drum process on the mobility of phosphorus in alkaline soil and the growth of oilseed rape，soil phosphorus visualization was used to observe the diffusion distance of phosphorus in the soil，and its effect on the growth of oilseed rape was evaluated by using a pot experiment. The results showed that the addition of ammonium sulfate in compound fertilizer of rotary drum process significantly improved the diffusion distance of phosphorus in alkaline soil，and the optimum addition ratio was 18.66%– 28.00%. Under the condition of the same sulfur content，the diffusion distance of phosphorus in alkaline soil of compound fertilizer with ammonium sulfate as the source of sulfur was better than that of compound fertilizer with potassium sulfate as the source of sulfur. With the increase of ammonium sulfate ratios in compound fertilizer，the leaf fresh weight，leaf dry weight and root dry weight of oilseed rape showed the trend of increasing and then decreasing，and the addition of 18.66% ammonium sulfate in compound fertilizer promoted the growth of small oilseed rape significantly higher than other treatments. The chlorophyll content and root dry weight of small rape treated with ammonium sulfate added to compound fertilizer with the same sulfur content（S 4.51%）were significantly better than those of potassium sulfate compound fertilizer. The test results provided theoretical and technical support for the optimization and upgrading of compound fertilizer products，and had certain scientific value in realizing the efficient use of phosphorus fertilizer.
我国从 20 世纪 70 年代后期大量开始使用磷肥，且过量施用的现象较为普遍。当前磷肥与土壤性质不匹配是导致磷肥利用率低的首要原因。北方以碱性土壤为主，南方主要为酸性土壤，而目前肥料行业市场上我国北方施用磷酸二铵占主导地位[1]，这样不仅降低了磷的利用效率，还造成了极大的资源浪费和环境污染。
作物吸收利用土壤养分通常有 3 种方式：质流、扩散和截获。有部分研究结果表明，NO3 -、 Ca2+、Mg2+ 主要通过质流被作物吸收，而磷、钾、 NH4 + 主要通过扩散方式吸收[2]。磷是作物生长发育不可缺少的营养元素，土壤中有效磷的含量直接影响农作物的生产水平。然而，世界上大部分地区土壤均处于磷元素缺乏的现状[3]。因此，在农业生产过程中通常施用化学磷肥改善作物生长的养分环境，促进作物生长和农业生产。但我国磷肥当季利用率仅能够达到 10%~25%[4]，大部分磷进入土壤后很容易被土壤金属离子或金属氧化物固定，进而转化为较难被作物吸收利用的固态难溶性磷。而在我国北方碱性土壤中，磷的有效性更低。土壤对磷的固定作用占比很大，主要与钙相互作用，形成 Ca-P 沉淀[5]。因此，如何提高复合肥中的磷在碱性土壤上的有效性，进而提高磷肥的利用效率，促进我国北方碱性土壤区域农作物产量和质量的提升是亟需解决的问题。
硫酸铵是一种性价比高的生理酸性肥料，富含氮、硫 2 种元素，NH4 + 对促进植物叶片、茎秆、根系发育起重要作用，而 S04 2- 可为作物提供硫元素，促进作物蛋白质、酶和维生素等生物分子的合成，对植物的生长发育有重要影响。研究表明，植物根系分泌的质子、有机酸、酸性磷酸酶可以显著提高根际土壤中磷的有效性[6-8]，且硫酸铵可增加土壤中磷的有效性，但对磷有效性的影响具体表现和衡量指标鲜有研究，多为对作物产量及性状的影响，如在西北旱地石灰性土壤上，在磷肥减施的基础上用硫酸铵替代尿素可增加玉米植株对磷素的吸收利用，进而保证玉米产量的稳定和磷肥利用效率的提高[9]。行业上对硫的研究表明，施用固体硫磺能显著降低碱性土壤 pH，提高土壤有效磷含量[10-11]。而硫磺在土壤中的转化利用过程缓慢，土壤微生物的分解利用需经过半年甚至一年的时间才能转化为酸性基团，进而降低土壤 pH。硫酸铵主要利用植物代谢分泌酸，从而影响植物根际产生酸化[12]，进而达到快速降低土壤根际 pH 的作用，而硫在石灰性土壤上严重缺乏。因此，研究硫酸铵在复合肥中的添加对北方碱性土壤中磷移动性的影响，对提高北方碱性土壤磷的养分有效性有重要意义。
小油菜（Brassica campestris L.）是叶菜类作物中的代表性作物，营养丰富，生长周期短，复种指数高[13]，适宜形态的氮肥不仅可以促进小油菜的生长，而且可以提高氮素的利用效率[14]。对于蔬菜作物，铵态氮和硝态氮配合施用的效果优于单施效果，其最佳比例因作物生育期和种类而异；除了铵态氮外，添加适当比例的酰胺态氮也对蔬菜的产量和品质有一定影响[15]。磷肥在油菜生长过程中也起着重要的作用，如磷肥促进根系发育，增强养分吸收能力，同时磷参与三磷酸腺苷的形成，影响能量代谢及改善土壤结构等功能[16]；氮磷协同作用可促进养分平衡，同时可提高氮的利用效率，促进蛋白质合成，增强油菜的抗逆性等[17]。本试验以小油菜为研究对象，利用盆栽试验方法，探讨复合肥中添加不同比例硫酸铵对小油菜作物产量的影响，目的在于研究其对叶菜类作物的促生长作用是否有明显差异，为复合肥产品的开发提供理论支撑。
1 材料和方法
1.1 试验区域概况
供试土壤取自于内蒙古巴彦淖尔碱性土壤，具体基础性状指标见表1。
表1供试土壤基础性状指标
1.2 试验材料
1.2.1 肥料原料
供试肥料选用的复合肥采用常用尿素、磷酸一铵、罗布泊硫酸钾、氯化铵、硫酸铵、填充料为原材料制备获得。
1.2.2 试验试剂和耗材
试验试剂：98% 硫酸（优级纯）、68% 硝酸 （分析纯）、37% 盐酸（分析纯）、26.5% 氨水、钼酸铵、孔雀石绿、九水硝酸铁。
试验耗材：2 mm 筛、0.25 mm 筛、研钵、塑料托盘、塑料镊子、烧杯、Whatman No.1 9 cm 滤纸、吸水纸、密封袋、电子天平、勺子、9 cm 培养皿、保鲜膜、注射器、针头、马克笔、玻璃棒、塑料水槽、橡胶手套、盆、烧杯、量筒、培养皿等。
1.3 试验设计
本试验以转鼓工艺复合肥为基础，设计配方 N-P2O5-K2O=16-12-14，在不同复合肥处理中添加不同比例的硫酸铵，分别为 0%、9.33%、18.66%、 28.00%，同时针对 9.33%、18.66% 硫酸铵比例处理设计不同硫来源且相同硫含量的硫酸钾复合肥处理（配方同为 16-12-14），硫含量分别为 2.26%、4.51%。因此，试验共设 7 个处理，分别为对照（CK）：不施肥、T1：16-12-14 复合肥-1（硫酸铵 0%）、T2： 16-12-14 复合肥-2（ 硫酸铵 9.33%）、T3：16-12-14 复合肥-3（硫酸铵 18.66%）、T4：16-12-14 复合肥-4（硫酸铵 28.00%）、K1：16-12-14 复合肥-5（硫酸钾 S-2.26%）、K2：16-12-14 复合肥-6（硫酸钾 S-4.51%）。具体试验信息如表2所示。
表2不同试验处理基础配方和关键衡量指标
注：表中硫酸铵比例为硫酸铵在复合肥料配方所占百分比，pH 为复合肥料（施肥量 750 kg/hm2，约 1 g/kg 土）与土壤混合后的酸碱度。
1.4 土壤培养方法
供试土壤风干后研磨，过 0.25 mm 筛，装入 9 cm 直径培养皿中，质量为 105 g，缓慢浇超纯水至土壤含水量达到田间持水量。确保土壤表面平整后用保鲜膜密封后装入自封袋中。在 25℃温度条件下恒温培养过夜。第二天打开培养皿，用勺子在培养皿中间挖一深度为 3 mm 的小洞，分别加入含 8 mg 磷的复合肥料，将土壤回填，用保鲜膜密封，装入密封袋中在 25℃条件下恒温培养，定期称量培养皿质量，及时补充水分，使其保持田间持水量不变。
1.5 磷扩散范围可视化显色与图像处理
装有复合肥的土壤培养 1、3、5、7、10、14、 21、28、42 d 进行磷可视化显色，采用 Degryse 等[18]提出的方法：
（1）制备氧化铁滤纸：将 9 mm Whatman Ⅰ号滤纸浸没在 0.37 mol/L 硝酸铁溶液中 15 min 以上，再用干净的塑料镊子夹出浸泡完全的滤纸，每次一张，使滤纸边缘接触吸水纸，去除多余的溶液，将滤纸转移到 2.7 mol/L 氨水中，每面接触 15 s，转移滤纸至超纯水中漂洗干净后放置在干净的托盘中，晾干后装入密封袋密闭保存；
（2）滤纸固定磷：取样时打开培养皿，在氧化铁滤纸边缘编号，将滤纸浸入超纯水中润湿后放置在土壤表面（带编号一面与土壤接触），可轻轻按压滤纸使其与土壤充分接触避免产生气泡，（肥料培养 1 d 使滤纸与土壤接触反应 5 min，培养 7 d 接触反应 10 min，培养 30 d 以上接触反应 30 min），充分接触后用塑料镊子取下滤纸，再用超纯水冲洗干净；
（3）滤纸显色：将冲洗干净的滤纸放入 10 g/L 钼酸铵溶液中浸泡 30 min，转移滤纸至 10 g/L 钼酸铵 +1 mol/L 硝酸溶液中浸泡 15 min，取出浸没完成的滤纸放置在干净的托盘中，分别均匀滴加 1.2 mL 的显色剂（4 g/L 孔雀石绿 +1 mol/L 盐酸），显色 15 min，用超纯水漂洗滤纸，转移至 1 mol/L 硫酸溶液中，浸泡 10 min 待滤纸上的砖红色消失后用超纯水漂洗干净，放置在干净的托盘中晾干后待用；
（4）图像处理：使用 GIMP 2.10.12 进行图像处理，根据设定图像颜色调整阈值范围，获得高磷区域图像并计算磷扩散半径。
1.6 盆栽效果试验
采用完全随机方法进行盆栽效果试验。种植作物前将已采集巴彦淖尔碱性土壤进行风干，去除杂质后，将其研磨过 2 mm 筛并充分混匀。试验用盆高度 × 底径 × 口径 =13 cm×11 cm×15 cm，每盆装 1.5 kg 土，共设计 7 个处理：CK（不施肥处理）、T1 （16-12-14 复合肥-1）、T2（16-12-14 复合肥-2）、 T3（16-12-14 复合肥-3）、T4（16-12-14 复合肥-4）、 K1（16-12-14 复合肥-5）、K2（16-12-14 复合肥-6），每个处理设计 4 次重复，共计 28 盆。施肥水平按照 750 kg/hm2 核算，施肥量为 1.5 g/ 盆，所有肥料均作为基肥于播种前施入土壤，将各处理肥料分别与土壤充分混匀后，装盆育苗，小油菜出苗后间苗，均匀定植 1 株。各处理均在小油菜生长期间适期浇水，并进行常规管理，培养生长期为 45 d。
供试作物为小油菜（Brassica chinensis L.），品种为‘上海青’。
1.7 数据处理
采用 Excel 2016 处理数据，采用 SPSS 20. 0 进行显著性分析（P<0.05）。
2 结果与分析
2.1 复合肥中添加不同比例硫酸铵对碱性土壤磷移动性的影响
如表3、4所示，与 CK 处理相比，碱性土壤中添加硫酸铵的复合肥处理均增加了土壤中高磷区域的面积，且高磷区域的面积随着时间的增加有所变化。CK 处理随着时间变化磷扩散距离没有变化，为 0 mm。复合肥中添加不同比例的硫酸铵在碱性土壤上随着时间变化磷扩散距离变化趋势相同， T1、T2、T3 和 T4 处理磷扩散距离随着时间变化呈现先降低后升高再降低的趋势，第 5 d 扩散距离达到峰值，分别是 16.89、18.23、19.17 和 21.11 mm，随后扩散距离逐渐下降，7 d 后不同处理随着时间变化趋势逐渐趋于平稳。在培养第 3、5、10、14 和 42 d 时，随着复合肥中硫酸铵比例的增加，磷扩散距离逐渐增加，且各处理间具备显著性差异。
表3土壤培养 1~10 d 复合肥中不同比例硫酸铵对碱性土壤磷扩散距离的影响
注：表中的数值表示磷在土壤中的扩散距离，且同一列不同处理间不同字母表示处理间在统计学上有显著性差异（P<0.05），对照不参与数据分析对比。表4 同。
表4土壤培养 14~42 d 复合肥中不同比例硫酸铵对碱性土壤磷扩散距离的影响
2.2 复合肥中不同硫来源对碱性土壤磷移动性的影响
本试验复合肥中硫来源主要为硫酸铵或硫酸钾。添加硫酸铵复合肥处理土壤中高磷区域的面积优于硫酸钾复合肥，且随着时间增加有所变化（图1）。如图1所示，不同硫来源复合肥在碱性土壤上随着时间变化磷扩散距离变化总体趋势相同，T2、 T3、K1、K2 处理磷扩散距离随着时间变化呈现先降低后升高再降低后期趋于平稳的趋势。同等硫含量（S-2.26%）条件下，T2 处理磷扩散距离在第 3、 5、7、10、21、28、42 d 均高于 K1 处理，且在第 7 d 达到显著水平，但其他时间扩散距离差异不显著。而同等硫含量（S-4.51%）条件下 T3 处理在所有测试时间点磷扩散距离均高于 K2 处理，且在第 3、5、 10、28、42 d 达到显著水平，分别增加了 22.93%、 31.58%、21.14%、24.14%、29.39%。
图1复合肥中不同硫来源对碱性土壤磷扩散距离的影响
注：16-12-14（硫酸铵 9.33%）、16-12-14（硫酸钾 S-2.26%）处理编号分别为 T2、K1，硫含量均为 2.26%；16-12-14（硫酸铵 18.66%）、16-12-14 硫酸钾（S-4.51%）处理编号分别为 T3、K2，硫含量均为 4.51%。
2.3 复合肥中不同比例硫酸铵对小油菜生长的影响
如表5所示，随着复合肥中硫酸铵比例的升高，小油菜叶鲜重、叶干重、根干重呈现先增加后降低的趋势，其中 T3 处理达到最大值，差异达到显著水平，叶鲜重分别较 CK、T1、T2、T4 处理提高 37.1%、7.72%、7.89%、6.27%；叶片干重分别较 CK、T1、T2、T4 处理提高 38.14%、1 1.67%、9.84%、19.64%；根干重分别较 CK、T1、 T2、T4 处理提高 92.86%、92.86%、28.57%、50.0%； 叶绿素含量 T2 处理达到最大值，与 CK、T1 差异达到显著水平，分别较 CK、T1、T3、T4 处理提高 10.81%、7.35%、2.16%、3.57%。
表5复合肥中添加不同比例硫酸铵对小油菜生长指标的影响
注：叶绿素含量为 SPAD 值。同一列不同处理间不同字母表示处理间在统计学上有显著性差异（P<0.05）。下同。
2.4 同等硫含量条件下复合肥中不同硫来源对小油菜生长的影响
同等硫含量（S-2.26%）条件下，T2 处理叶鲜重、叶干重、根干重均高于 K1 处理，分别较 K1 处理提高 9.42%、4.27%、16.67%，叶绿素含量低于 K1 处理，但处理间差异不显著。而同等硫含量 （S-4.51%）条件下，T3 处理叶绿素含量、叶鲜重、叶干重、根干重均优于 K2 处理，分别较 K2 处理提高 6.74%、9.69%、13.56%、42.11%，且叶绿素含量、叶干重、根干重差异显著。说明在同等硫含量条件下，硫酸铵复合肥对于小油菜生长的影响优于硫酸钾复合肥，并且在硫含量为 4.51% 以上且添加硫酸铵的复合肥可显著促进作物的生长。
表6复合肥中不同硫来源对小油菜生长的影响
注：T2、K1 处理硫含量均为 2.26%，T3、K2 处理硫含量均为 4.51%。
3 讨论
本试验研究表明，硫酸铵可以提高碱性土壤磷扩散的距离，进而提高磷利用效率。盆栽试验结果表明，复合肥中添加硫酸铵可有效促进小油菜生长，随着硫酸铵比例提高，小油菜叶绿素含量、叶鲜重、叶干重、根干重呈现先增加后减小的趋势，这与梁宏玲等[19]、闫双堆等[20]研究结果一致。硫酸铵提高磷利用效率研究成果较多，施用硫酸铵可显著提高磷回收利用率[21]，同时提高土壤有效磷的含量[22]。张怡爽[22]研究结果表明 80% 硫酸铵与 20% 尿素配比和单施硫酸铵较单施尿素对提高土壤有效磷含量效果更好。陈惠莹[23]研究结果表明硫酸铵施用比例增加后，液态磷肥可以显著降低树脂磷和残渣磷含量，更有助于土壤有效磷含量的提升。这与本试验研究中复合肥中添加硫酸铵可显著促进磷肥的扩散距离而提高磷利用效率的结果相一致。
本研究发现，同等硫含量条件下，以硫酸铵为硫来源的复合肥对土壤磷移动性以及作物生长的效果优于以硫酸钾为硫来源的复合肥，且硫酸铵比例越高，作用越明显。这可能是由于硫酸铵是生理酸性肥料，施入土壤后为土壤提供更多的铵态氮，同时在离子交换过程中释放大量 H+，降低土壤 pH，更有利于作物对营养元素的吸收，而硫酸钾复合肥使用的钾原料为罗布泊硫酸钾，其 pH 相对偏高，不利于根际磷的移动。硫元素参与植物体内蛋白质的合成，且通过降低植物叶片电导率而增加叶绿素含量[24]，同时小油菜为喜硝作物，硫酸铵施入土壤中提供铵态氮，并且通过硝化作用转换为硝态氮，进一步促进小油菜植株的生长，也利于 K+ 的吸收[25]，因此可提高作物产量，改善品质。
综合以上试验结果可知，在碱性土壤条件下，复合肥中添加硫酸铵比例越高，越促进土壤根际 pH 下降，进而使肥料磷在土壤中移动性更强，磷养分利用效率更高，但受生产工艺和配方养分含量的影响，试验复合肥中最高硫酸铵添加量为 28.00%。而在同等硫含量条件下，复合肥中添加硫酸铵对碱性土壤磷扩散距离优于硫酸钾。由此可知，转鼓工艺复合肥应更加注重硫酸铵原料的添加和补充，不仅可以适当降低土壤根际 pH，还可以补充作物和土壤必需的硫元素，为作物蛋白质的合成及运输提供充足的养分。
4 结论
本试验研究了转鼓工艺复合肥中添加硫酸铵对石灰性土壤磷元素移动性及小油菜生长的影响，主要结论如下：
（1）转鼓工艺复合肥中硫酸铵比例越高，碱性土壤中磷元素的移动性越强，养分利用效率越高，并且小油菜增产及促长效果最明显，最适添加量为 18.66%~28.00%。
（2）在同等硫含量条件下，以硫酸铵为硫源的复合肥对碱性土壤磷的移动性影响要优于以硫酸钾为硫源的复合肥，并且与促进小油菜生长效果一致，同时，随着复合肥中硫含量的增长效果更显著，且硫含量 4.51% 以上效果更优。