生态学报  2019, Vol. 39 Issue (5): 1804-1814

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周旋, 吴良欢, 董春华, 贾磊
ZHOU Xuan, WU Lianghuan, DONG Chunhua, JIA Lei
氮肥配施生化抑制剂组合对黄泥田土壤氮素淋溶特征的影响
Effects of nitrogen fertilization combined with biochemical inhibitors on leaching characteristics of soil nitrogen in yellow clayey soil
生态学报. 2019, 39(5): 1804-1814
Acta Ecologica Sinica. 2019, 39(5): 1804-1814
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201706091047

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收稿日期: 2017-06-09
网络出版日期: 2018-12-21
氮肥配施生化抑制剂组合对黄泥田土壤氮素淋溶特征的影响
周旋1,2,3 , 吴良欢2,3 , 董春华1 , 贾磊4     
1. 湖南省农业科学院土壤肥料研究所, 长沙 410125;
2. 教育部环境修复与生态健康重点实验室/浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058;
3. 浙江省农业资源与环境重点实验室/浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058;
4. 上海市农业科学院农业科技信息研究所, 上海 201403
摘要: 揭示尿素类肥料添加生化抑制剂组合后,在黄泥田土壤中硝态氮(NO3--N)和铵态氮(NH4+-N)的淋溶损失规律。采用室内土柱淋溶培养试验,研究脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和硝化抑制剂2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(CP)单独添加及配合施用对尿素和尿素硝铵(300 kg N/hm2)中氮(N)素在土体中淋溶损失的影响。结果表明:尿素和尿素硝铵处理淋溶液中NH4+-N和NO3--N浓度均呈先升后降的变化趋势,而出峰时间不一。NH4+-N和NO3--N淋失量随着时间的延长,处理间差异逐渐变大。NBPT处理可以减缓尿素水解,有效抑制NH4+-N生成,延缓其出峰时间,减少NH4+-N流失;CP处理可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化,减少NO3--N流失。与单独添加NBPT和CP处理相比,两者配施对N素淋溶损失有明显的协同抑制效果在黄泥田土壤中,既能减缓尿素水解,保持土壤中较高NH4+-N含量,又能降低淋溶液中NO3--N浓度。培养结束时(第72天),UAN处理中NO3--N、NH4+-N、矿质态N淋失总量及硝化率较U处理高34.39%、5.32%、31.72%和15.71%。U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别显著降低NO3--N淋失总量达15.58%、114.77%和73.45%;UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别显著降低达15.88%、54.87%和37.46%。不同处理NO3--N淋失总量大小表现为:UAN > UAN+NBPT > U > UAN+NBPT+CP > U+NBPT > UAN+CP > U+NBPT+CP > U+CP > CK。在一定施肥量条件下,NBPT和CP单独施用或配施均可降低黄泥田土壤中NO3--N累积淋失量。对各处理淋溶液中NO3--N淋失量(y)随时间(x)的变化进行拟合,其中以线性方程(y=ax+b)的拟合度较高,且各抑制剂处理ab值均存在明显差异。总体认为,在黄泥田土壤中施用CP及其与NBPT配施可以显著降低土壤NO3--N淋溶损失,减少N素淋失风险,提高肥料利用率。
关键词: 黄泥田    尿素    尿素硝铵    脲酶抑制剂    硝化抑制剂    硝酸盐    淋溶损失    
Effects of nitrogen fertilization combined with biochemical inhibitors on leaching characteristics of soil nitrogen in yellow clayey soil
ZHOU Xuan1,2,3 , WU Lianghuan2,3 , DONG Chunhua1 , JIA Lei4     
1. Soil and Fertilizer Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China;
2. Key Laboratory of Environmental Remediation and Ecosystem Health, Ministry of Education, College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China;
4. Agricultural Information Institute of Science and Technology, Shanghai Academy of Agricultural Sciences, Shanghai 201403, China
Abstract: The objective of this study was to determine the effects of combined biochemical inhibitors on the transformation and leaching loss of NO3--N and NH4+-N from urea-based fertilizer in yellow clayey soil. A soil column leaching experiment was conducted in a greenhouse to observe nitrogen (N) transformation and leaching loss following the application of urea and UAN (300 kg N/hm2) with a urease inhibitor N-(n-butyl) thiophosphoric triamide (NBPT), a nitrification inhibitor 2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine (CP), or both. The results showed that the contents of NH4+-N and NO3--N from the leacheate of urea and UAN both rose first and then fell with different peak times. The differences in the leaching loss of NH4+-N and NO3--N across treatments increased over time. NBPT can slow urea hydrolysis, and effectively inhibit the generation of NH4+-N to retard the peak time and reduce NH4+-N loss. CP can effectively inhibit the transformation of NH4+-N to NO3--N to reduce NO3--N loss. Compared with the application of NBPT and CP alone, their combination exhibited a synergistic inhibition effect on N leaching loss in yellow clayey soil, namely not only did it slow down urea hydrolysis and maintain high NH4+-N content in the soil, but it also reduced NO3--N content in the leacheate. At the end of the incubaton (72 days), the leaching loss of NO3--N, NH4+-N, and mineral N, and nitrification rate from UAN treatment were higher than those from the U treatment by 34.39%, 5.32%, 31.72%, and 15.71%, repectively. Compared with the U treatment, U+NBPT, U+CP, and U+NBPT+CP treatments significantly reduced the leaching loss of NO3--N by 15.58%, 114.77%, and 73.45%, respectively. Compared with UAN treatment, UAN+NBPT, UAN+CP, and UAN+NBPT+CP treatments significantly reduced leaching loss by 15.88%, 54.87%, and 37.46%, respectively. The leaching loss of NO3--N from different treatments ranked UAN > UAN+NBPT > U > UAN+NBPT+CP > U+NBPT > UAN+CP > U+NBPT+CP > U+CP > CK. Within a certain range of fertilizer rate, adding NBPT and CP alone or both can reduce NO3--N leaching loss in yellow clayey soil. Equation models were used to describe the relationship between NO3--N leaching loss (y) and time (x). The linear equation (y=ax+b) fit well, a and b values in adding inhibitor treatments were obviously different. In conclusion, application of NBPT in yellow clayey soil combined with CP can significantly reduce the leaching loss of soil NO3--N and N leaching risk, to improve fertilizer use efficiency.
Key Words: yellow clayey soil    urea    UAN    urease inhibitor    nitrification inhibitor    nitrate    leaching loss    

农业生产过程中过量氮(N)肥施用及不合理的管理措施都将导致氨挥发、硝酸盐(NO3-)淋溶及反硝化等途径的N素损失, 造成利用率下降[1]。其中, 土壤NO3-淋失是N素损失的重要途径之一, 约占2%—10%[2], 也是导致地下水NO3-污染的重要原因[3-5]。因此, 控制或减缓铵态氮(NH4+-N)向硝态氮(NO3--N)转化有助于减少土壤中N素向水体的迁移[2]。影响农田N素淋溶损失的主要因素有降雨和灌溉、施肥状况、土壤性质、耕作方式、作物种类和种植方式等方面[6]

目前, 改进施肥方式、优化N肥管理、推广缓释N肥及改善土地利用方式等是提高N肥利用率、减少N素淋溶损失的重要措施[6]。通过添加硝化抑制剂, 或与脲酶抑制剂配施来延缓尿素的水解及水解产物NH4+的氧化过程, 可以高效利用尿素N、减轻农田N肥污染[7-8]。硝化抑制剂可以对氨单加氧酶(AMO)进行竞争性抑制, 从而抑制硝化作用的第一步反应(NH4+氧化为NO2-过程)[9], 使土壤中NH4+-N库较长时间保持在较高水平, 相应地促进作物对NH4+-N的吸收和微生物固持[2, 10], 减少NO3-的淋失风险[11]。而脲酶抑制剂可以抑制土壤脲酶活性, 延缓尿素水解, 降低土壤中NH4+-N生成, 减少淋溶液中N素水平[12]

相关研究表明, 土壤吸附程度和肥料溶解度是肥料N淋失数量和形式的主要影响因素[13]。NH4+-N肥中N素能被土壤胶体吸附, 淋失的可能性甚小;经硝化作用形成NO3--N后, 易发生淋失[14-15]。此外, 抑制剂对N素的作用受不同试验条件如土壤类型、温度、降雨量及土壤质地等的影响[16-17]。单独添加硝化抑制剂2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(CP)或脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)在土壤中N素转化方面的研究较多[18], 但CP与NBPT两者配施对土壤N素迁移淋溶的研究鲜有报道。目前, 我国黄泥田水稻生产大多采用常规尿素, N肥利用率较低[19]。因此, 通过间歇淋溶模拟实验, 在不同N肥种类条件下开展NBPT、CP及其配施对黄泥田土壤中N素垂直迁移转化及降低淋溶损失影响的研究, 以期为减少农田N素淋失和防治水环境污染提供科学理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试土壤为黄泥田水稻土, 于2013年10月采自浙江省金华市婺城区琅琊镇金朱村(29°01′19″N, 119°27′96″E)的0—20 cm耕层土壤。该地区基本情况参见文献[20-21]。新鲜土样采回后剔除杂物及根系, 风干后过2 mm筛备用。供试土壤基本理化性质为pH 5.24, CEC 7.32 cmol/kg, 有机质和全N分别为26.20 g/kg和1.25 g/kg, 碱解N、NH4+-N和NO3--N分别为132.3、53.40 mg/kg和17.81 mg/kg, 有效磷和速效钾分别为4.43 mg/kg和79.00 mg/kg, 砂粒、粉粒和黏粒分别为32.82%、44.13%和23.05%。

供试尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O5 12%)、氯化钾(含K2O 60%)为分析纯, 由国药集团化学试剂有限公司生产;尿素硝铵(含N 32 %;硝酸铵:尿素:水=47 : 37 : 16)为分析纯, 由中化作物营养有限公司生产;N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(CP)24%乳油剂型为分析纯, 由浙江奥复托化工有限公司生产。

1.2 试验装置

模拟土柱装置由PVC圆柱管制成, 内径10 cm、高度40 cm[22];底部铺粒径1—2 mm的干燥石英砂, 2 cm厚;管柱底部开一个2 cm的孔, 由塑料管连接, 以便收集渗滤液;管底及砂粒与土壤接触面均铺有一层200目的尼龙滤布。以1.25 g/cm3土壤容重将已处理好的风干土样装入PVC圆柱管中, 形成模拟土柱, 高约30 cm。

1.3 试验设计

试验于2015年4—6月在浙江省杭州市浙江大学紫金港校区实验室内进行, 室内温度基本保持在25—35℃, 不种任何作物。试验共设置9个处理, 3次重复, 如表 1所示。肥料施用方法参照文献[20-21]。N用量为300 kg/hm2, P2O5和K2O用量均为150 kg/hm2

表 1 土柱试验处理 Table 1 Experimental treatments of soil column
处理
Treatment
N肥种类
N source
施N量
N rate/ (kg/hm2)
抑制剂类型
Inhibitor type
添加量(以N为基础)
N Inhibitor rate/%
CK CK
U 尿素Urea 300
U+NBPT 尿素Urea 300 NBPT 0.5
U+CP 尿素Urea 300 CP 0.3
U+NBPT+CP 尿素Urea 300 NBPT+CP 0.5+0.3
UAN 尿素硝铵UAN 300
UAN+NBPT 尿素硝铵UAN 300 NBPT 0.5
UAN+CP 尿素硝铵UAN 300 CP 0.3
UAN+NBPT+CP 尿素硝铵UAN 300 NBPT+CP 0.5+0.3
* U:尿素, Urea;UAN:尿素硝铵, Urea-ammonium nitrate;NBPT:N-丁基硫代磷酰三胺, N-(n-butyl) thiophosphoric triamide;CP:2-氯-6-(三氯甲基)吡啶, 2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine
1.4 试验方法 1.4.1 样品采集

土柱安装好后参照当地平均降雨量25.5 mm, 每天从顶部用注射器缓慢注入200 mL水。待有淋洗液流出时, 从第6天开始采用间歇淋溶法进行模拟降雨, 每6天一次200 mL的降水, 共13次。并于试验开展的第1、6、12、18、24、30、36、42、48、54、60、66、72天收集淋溶液, 并记录淋溶液量。

1.4.2 测定项目与方法

土壤基本理化性质采用常规方法测定[23]。将淋溶液过滤后, 立即低温保存。NH4+-N浓度采用靛酚蓝比色法测定, NO3--N浓度采用紫外分光光度法测定。

1.5 数据分析

采用Excel 2003和SPSS 17.0数据分析软件进行统计分析, 采用邓肯氏新复极差检验法进行处理间差异显著性比较。

2 结果与分析 2.1 土柱淋溶液中NO3--N的动态变化 2.1.1 NO3--N淋失浓度

图 1可知, 培养期间土柱淋溶液中NO3--N浓度整体上呈先升后降的变化趋势;CK处理呈较低水平, 保持平稳。培养前期各处理土柱淋溶液中NO3--N浓度均较高, 这与供试土壤质地和含N背景值有关。U和UAN处理淋溶液中NO3--N浓度分别于第54天(51.00 mg/L)和第66天(62.39 mg/L)达到峰值。尿素中淋溶液NO3--N浓度U处理整体上最高, 于第66天起较U+NBPT处理开始降低;添加CP处理整体保持较低水平。尿素硝铵中淋溶液NO3--N浓度UAN处理整体上最高;添加CP处理整体保持较低水平。说明不同种类N肥中添加CP均能有效延缓淋溶液中NO3--N峰值的出现, 减少NO3--N淋溶损失。第54天, 尿素中淋溶液NO3--N浓度大小表现为U> U+NBPT> U+NBPT+CP> U+CP, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别降低17.12%、68.46%和55.69%。第66天, 尿素硝铵中淋溶液NO3--N浓度大小表现为UAN> UAN+NBPT> UAN+NBPT+CP> UAN+CP, 其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别降低23.33%、91.01%和35.42%。说明添加NBPT能有效延缓尿素水解, 从而降低淋溶液中NO3--N浓度;添加CP能有效抑制NH4+-N向NO3--N转化;NBPT+CP组合较NBPT单独施用作用效果更好。

图 1 不同处理下土柱淋溶液中NO3--N浓度 Fig. 1 NO3--N content in the leachate of soil columns under different treatments * U:尿素, Urea;UAN:尿素硝铵, Urea-ammonium nitrate;NBPT:N-丁基硫代磷酰三胺, N-(n-butyl) thiophosphoric triamide;CP:2-氯-6-(三氯甲基)吡啶, 2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine
2.1.2 NO3--N淋失累积量

图 2可知, 培养期间土柱淋溶液中NO3--N淋失累积量整体上呈上升趋势;CK处理呈较低水平, 平稳增加。尿素和尿素硝铵淋溶液中NO3--N淋失累积量前期增长缓慢, 分别于第42天和第24天开始急剧增加, 这与不同种类N肥形态和尿素水解时间有关。培养结束时(第72天), UAN处理NO3--N淋失累积量较U处理增加34.39%。尿素中淋溶液NO3--N累积量大小表现为U> U+NBPT> U+NBPT+CP> U+CP, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别降低15.58%、114.77%和73.45%。尿素硝铵中淋溶液NO3--N累积量大小表现为UAN> UAN+NBPT> UAN+NBPT+CP> UAN+CP, 其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别降低15.88%、54.87%和37.46%。说明添加CP和NBPT能显著降低黄泥田土壤中NO3--N的淋失;尿素中添加CP较尿素硝铵作用效果更好, 可能与尿素水解时间有关。

图 2 不同处理下土柱淋溶液中NO3--N淋失累积量 Fig. 2 Accumulation losses of NO3--N in the leachate of soil columns under different treatments
2.2 土柱淋溶液中NH4+-N的动态变化 2.2.1 NH4+-N淋失浓度

图 3可知, 培养期间土柱淋溶液中NH4+-N浓度整体上呈先升后降的趋势;CK处理呈较低水平, 平稳降低。U和UAN处理淋溶液中NH4+-N浓度分别于第42天(37.47 mg/L)和第24天(36.70 mg/L)达到峰值。说明尿素较尿素硝铵在黄泥田土壤中水解转化慢。尿素中淋溶液NH4+-N浓度U处理始终最高, 添加NBPT处理整体保持较低水平;尿素硝铵中淋溶液UAN处理NH4+-N浓度于第54天起开始降低, 而添加抑制剂处理峰值较UAN处理延缓12天。说明添加抑制剂能有效延缓淋溶液中NH4+-N峰值的出现。第24天, 尿素硝铵中淋溶液NH4+-N浓度大小表现为UAN> UAN+NBPT+CP> UAN+CP> UAN+NBPT, 其中UAN+NBPT处理较UAN处理降低32.90%;第42天, 尿素中淋溶液NH4+-N浓度大小表现为U> U+NBPT+CP> U+CP> U+NBPT, 其中U+NBPT处理较U处理降低30.75%。说明添加NBPT能有效延缓尿素水解, 降低淋溶液中NH4+-N浓度;添加CP不会过多提高淋溶液中NH4+-N浓度;NBPT+CP配施较单施NBPT或CP处理可能增加土壤中NH4+-N的淋溶损失。

图 3 不同处理下土柱淋溶液中NH4+-N浓度 Fig. 3 NH4+-N content in the leachate of soil columns under different treatments
2.2.2 NH4+-N淋失累积量

图 4可知, 培养期间土柱淋溶液中NH4+-N淋失累积量整体上呈上升趋势;CK处理呈较低水平, 平稳增加。尿素和尿素硝铵中淋溶液NH4+-N淋失累积量前期增长缓慢, 分别于第30天和第12天开始急剧增加, 这与不同种类N肥形态和尿素水解时间有关。培养结束时(第72天), UAN处理NH4+-N淋失累积量较U处理增加5.32%。尿素中淋溶液NH4+-N累积量大小表现为U> U+NBPT+CP> U+CP> U+NBPT, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别降低25.45%、16.90%和6.34%。尿素硝铵中淋溶液NH4+-N累积量大小表现为UAN> UAN+NBPT+CP> UAN+CP> UAN+NBPT, 其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别降低19.59%、16.42%和8.66%。说明添加CP和NBPT能显著降低土壤中NH4+-N的淋失, 而NBPT+CP组合对降低土壤中NH4+-N的淋失作用不显著。可能是由于NBPT+CP组合在培养期间土壤中NH4+-N浓度较高, 超过土壤胶体的吸附范围, 导致过多的NH4+-N淋失出来。

图 4 不同处理下土柱淋溶液中NH4+-N淋失累积量 Fig. 4 Accumulation losses of NH4+-N in the leachate of soil columns under different treatments
2.3 矿质态N淋失累积量

图 5可知, 培养期间土柱淋溶液中矿质态N(NH4+-N+NO3--N)淋失累积量整体上呈上升趋势;CK处理呈较低水平, 平稳增加。尿素和尿素硝铵中淋溶液矿质态N淋失累积量前期增长缓慢, 分别于第36天和第24天开始急剧增加, 这与不同种类N肥形态有关。培养结束时(第72天), UAN处理矿质态N淋失累积量及硝化率较U处理增加31.72%和15.71%。尿素中淋溶液矿质态N累积量大小表现为U> U+NBPT> U+NBPT+CP> U+CP, 硝化率大小表现为U+NBPT> U> U+NBPT+CP> U+CP, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理矿质态N累积量较U处理分别降低18.74%、37.38%和26.53%, 硝化率分别降低-6.47%、25.64%和21.53%。尿素硝铵中淋溶液矿质态N累积量大小表现为UAN> UAN+NBPT> UAN+NBPT+CP> UAN+CP, 硝化率大小表现为UAN+NBPT> UAN> UAN+NBPT+CP> UAN+CP。其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理矿质态N累积量较UAN处理分别降低17.18%、41.37%和27.34%, 硝化率分别降低-1.57%、23.03%和13.92%。

图 5 不同处理下土柱淋溶液中矿质态N淋失累积量 Fig. 5 Accumulation losses of mineral N in the leachate of soil columns under different treatments
2.4 NO3--N淋溶特征曲线拟合

对黄泥田土壤各处理淋溶液中NO3--N累积量(y)随时间(x)的变化, 分别以y=ax+b, y=alnx+b, y=axb, lny=ax+b方程进行回归分析(表 2)。各拟合方程R2值均达到极显著水平(P < 0.01), 说明各处理NO3--N淋失量均随时间的延长而增加。对于U和UAN各处理均以直线方程y=ax+b拟合效果较好, 说明y=ax+b能较好地描述不同N肥种类淋溶液中NO3--N淋失量随培养时间的动态变化特征。其中, a表示NO3--N淋失量随时间变化的速率。U和UAN各处理a值大小表现为U(UAN)> U(UAN)+NBPT> U(UAN)+NBPT+CP> U(UAN)+CP。b表示NO3--N初始淋失量。U和UAN各处理b值大小表现为U(UAN)+CP> U(UAN)+NBPT+CP> U(UAN)+NBPT> U(UAN)。说明黄泥田土壤中NO3--N淋失量与时间变化密切相关;添加抑制剂可以改变土壤中NO3--N的存在时间, 从而影响NO3--N的吸附与解析。

表 2 不同处理下NO3--N淋失量(y)与时间(x)的拟合方程 Table 2 The fitting equations between the leaching loss of NO3--N and time under different treatments
处理
Treatment
y=ax+b y=alnx+b y=axb lny=ax+b
a b R2 a b R2 a b R2 a b R2
CK 0.20 8.81 0.99** 3.24 5.53 0.73** 7.43 0.23 0.83** 0.01 9.64 0.98**
U 0.72 -0.77 0.89** 10.29 -7.69 0.49** 4.49 0.47 0.63** 0.03 6.82 0.96**
U+NBPT 0.60 0.16 0.88** 8.56 -5.68 0.49** 4.19 0.45 0.66** 0.03 6.35 0.97**
U+CP 0.26 4.82 0.92** 3.97 1.70 0.55** 5.08 0.30 0.68** 0.02 6.77 0.97**
U+NBPT+CP 0.35 3.78 0.90** 5.14 0.11 0.51** 5.04 0.33 0.64** 0.02 6.82 0.97**
UAN 1.05 3.78 0.97** 16.67 -11.70 0.66** 5.69 0.56 0.92** 0.03 11.8 0.95**
UAN+NBPT 0.84 6.39 0.96** 13.72 -6.97 0.68** 6.11 0.51 0.93** 0.03 12.1 0.92**
UAN+CP 0.39 11.85 0.96** 7.27 2.84 0.87** 7.10 0.38 0.98** 0.02 12.62 0.80**
UAN+NBPT+CP 0.54 9.65 0.92** 8.86 0.84 0.66** 7.73 0.38 0.88** 0.02 12.83 0.89**
U:尿素, Urea;UAN:尿素硝铵, Urea-ammonium nitrate;NBPT:N-丁基硫代磷酰三胺, N-(n-butyl) thiophosphoric triamide;CP:2-氯-6-(三氯甲基)吡啶, 2-chloro-6-(trichloromethyl) pyridine; **:P < 0.01
3 讨论 3.1 N肥种类对土壤N素淋溶损失的影响

通常土壤中不同形态N素的淋溶损失强度由大到小依次为NO3--N、NO2--N、NH4+-N、有机N[6]。在各种常规N肥中N素淋失量:硝酸钾>尿素>硫酸铵和碳铵[24]。NO3--N在土壤中不易被胶体吸附、移动性强, 成为N素淋失的主要形式, 其淋失量随施肥量的增加而显著增加[25];NH4+-N在土壤中易被胶体吸附和被矿物晶格固定, 其淋溶损失不如NO3--N强烈, 但由于土壤胶体吸附阳离子的能力有限, 当施肥量超过吸附容量时, NH4+-N也存在明显的淋溶损失[26-27]。本研究中, 从淋失N素形态来看, 尿素和尿素硝铵中淋失N素均以NO3--N为主。尿素中NO3--N淋溶会伴随尿素的水解过程出现一定的滞后效应。不同N肥种类淋溶液中NO3--N累积量(y)随培养时间(x)的变化均可用线性方程进行描述。

N素淋失量会随N肥品种和用量而发生变化[6]。陈子明等[28]研究发现, 硝铵和硝酸钾的淋失量远高于尿素和硫酸铵, 而控释性肥料较普通化肥的淋失量大为降低。齐英杰等[29]采用室内模拟研究运动场砂基坪床中N肥类型与N素水平的淋洗迁移发现, 同种类型肥料的淋失量随施N量的增加而增加;等N条件下, 控释N肥较普通尿素显著降低养分淋失;不同施肥处理淋失N素均以尿素态N为主, 其次为NO3--N, NH4+-N最少。本研究中, UAN处理中NO3--N和NH4+-N淋失量较U处理高34.39%和5.32%, 这主要取决于不同种类N肥的N素存在形态。

3.2 抑制剂对N素淋溶损失的影响

硝化抑制剂能有效抑制NH4+-N向NO3--N的转化, 使土壤中NH4+-N含量保持较高水平, 显著降低NO3--N在土壤中累积, 从而减少N素淋溶损失[30-31]。俞巧钢等[32]采用原状土柱模拟发现, 小粉土施用尿素(400 kg/hm2)60天后, 10—40 cm土壤水中NO3--N浓度达12.97—16.22 mg/L, 而配施DMPP处理30—40 cm土壤水中仅为0.32—4.44 mg/L。Di等[33]研究发现, 尿素与牛尿添加DCD同施牧草能使砂壤土淋滤液中NO3--N浓度降低60 mg/L, 淋失总量由85 kg/hm2/a下降至20—22 kg/hm2/a, 减少74%—76%。Chaves等[34]比较蔬菜残渣添加抑制剂发现, 配施DCD和DMPP减少NO3--N淋失分别达45%和64%, 且DMPP未影响N的矿化作用;其抑制效果分别持续50天和95天。Wolt等[35]总结多种作物和土壤应用CP发现, NO3--N淋溶损失量降低16%。李兆君等[36]研究指出, 培养27天内吡啶类硝化抑制剂能显著抑制土壤铵氧化过程, 明显降低NO3--N垂直迁移, 深层土壤地下水NO3--N浓度显著降低。本研究结果表明, CP处理可以有效抑制NH4+-N向NO3--N转化, 减少土壤NO3--N流失。同时, CP会降低土壤N素矿化, 进而减轻培养期间淋溶风险, 但后期会表现出更高的总矿化速率[37]。添加CP处理淋溶液NH4+-N浓度仍低于施N处理, 可能是由于土壤对有效态N素的固持, 引起土壤pH上升, 从而增加氨挥发潜势, 最终使NH4+-N淋失量降低。配施NBPT能延长尿素水解时间, 而一旦硝化过程发生, 可能因增加参与硝化作用的N量, 导致N素淋溶损失[12]。本研究结果表明, NBPT处理可以减缓尿素水解, 有效抑制NH4+-N生成, 延缓其出峰时间, 减少NH4+-N流失。同时, NH4+-N可能被土壤固持吸附, 或增加N素在土壤中的残留量和有机N流失的可能性。Gioacchini等[14]研究发现, 尿素配施NBPT+DCD未减少肥料中N的淋失, 反而使土壤中部分N的淋溶显著增加。陈振华等[15]研究发现, 相同环境条件下总硝化率随着培养时间的延长而增加, 而HQ+DCD组合的淋溶潜势较小。本研究结果表明, 与单独添加NBPT和CP处理相比, 两者配施表现出对N素淋溶损失有明显的协同抑制效果。既减缓尿素水解速率, 又抑制NH4+-N转化为NO3--N, 加之土壤对NH4+-N的强吸附特性, 迁移总量低, 有效减轻对地下水造成污染的风险。而淋溶后期可能会随着NO3--N流失的增多, 而增加NH4+-N淋溶的可能性。

3.3 黄泥田土壤中NO3--N淋溶特征

土壤理化性质不同, 如土壤质地、通气性及有机质含量等, 对农田N素淋溶损失的影响很大[6]。质地粗的沙质土较质地细的黏质土淋失N素严重[38-39]。Zhou等[40]研究发现, 黏壤土中N素淋失量仅为施N量的5.7%—9.6%, 而砂壤土中可达16.2%—30.4%。习金根等[41]采用滴灌进行土柱模拟发现, 3种N肥在2种质地土壤中淋失量均表现为硝态氮肥>尿素>铵态氮肥, 且砂壤土中N素的淋失量明显高于黏壤土。Yu等[42]采用原状土柱模拟发现, 粉砂壤土和重黏土中配施DMPP 60天后, NH4+-N淋失量分别增加9.7%和6.7%, 但NO3--N淋失量分别降低66.8%和69.5%, 无机N淋失总量降幅达59.3%—63.1%。本研究中, 黄泥田土壤淋溶前期不同施肥处理均出现一定的养分损失, 这与其自身土壤性质有关。培养结束时(第72天), UAN处理中矿质态N淋失总量及硝化率较U处理高31.72%和15.71%。相关研究表明, 在降雨量大、渗透性高、阳离子交换量低的土壤中, 淋失易导致化肥利用率低[43]。黄泥田土壤黏粒含量过高, 土壤质地黏重, 田面板结, 透水性差, 犁耙困难;土壤有机质含量低, 多为酸性至弱酸性, 易造成土壤养分流失[44]。本研究结果表明, 在一定施肥量条件下, NBPT和CP两者单施或配施均可降低黄泥田土壤中NO3--N累积淋失量。U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理NO3--N累积淋失量显著降低15.58%—114.77%;UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理显著降低15.88%—54.87%。

4 结论

本试验条件下, UAN处理中NO3--N、NH4+-N、矿质态N淋失总量及硝化率较U处理高34.39%、5.32%、31.72%和15.71%。不同处理NO3--N淋失总量大小表现为:U> U+NBPT> U+NBPT+CP> U+CP> CK;UAN> UAN+NBPT> UAN+NBPT+CP> UAN+CP> CK。在一定施肥量条件下, NBPT和CP两者单施或配施均可降低黄泥田土壤中NO3--N累积淋失量。目前结果是从室内模拟中得出, NBPT+CP组合在田间的应用效果还有待进一步研究。

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