双氰胺对不同质地土壤硝态氮转化的影响

双氰胺对不同质地土壤硝态氮转化的影响

氮素是作物养分需求的主要因素之一，也是影响作物产量和品质的重要因素之一。我国的氮肥用量占世界氮肥用量的30.1%,并出现进一步增加态势。然而氮肥利用率往往不高,研究表明我国氮肥利用率仅为35%左右,单位使用量的增产效益自20世纪90年代逐渐下降。故氮素养分资源的高效利用与氮肥合理施用一直以来都是研究的重点,且主要集中在氮高效基因型育种、氮肥施用技术、新型氮肥及其增效剂使用等方面。最近研究表明,通过铵、硝混合营养可显著提高小麦、棉花、小白菜、菠菜等作物的产量与品质。然而要达到铵硝混合营养,必需通过硝化抑制剂控制作物根区铵、硝供给比例。众所周知,旱地土壤中氮素的供应形态绝大多数是以硝态氮(NO3--N)为主,即使施用铵态氮(NH4+-N)肥或尿素,其在很短时间内也将转化为NO3--N。高效硝化抑制剂及其科学使用方法是实现作物铵硝混合营养的必要前提,硝化抑制剂主要通过抑制土壤中的亚硝化单胞菌属(NitrosomonasH.)的数量与种群结构,减少微生物分泌氨单加氧酶和羟胺还原酶的数量或降低其活性,从而抑制土壤中NH4+被氧化为NO2-,最终达到抑制土壤硝化作用和优化控制土壤中一定硝铵(NH4+/NO3-)比例的目的。双氰胺(DCD)是一种具有挥发性弱、易溶、残留低的硝化抑制剂。国内外有关DCD的研究多侧重于其对不同土壤的抑制效果,或者多集中于南方酸性土壤中施用效果,在干旱区石灰性土壤上关于DCD的硝化抑制效应及其剂量方面的研究并不多见。新疆是目前全国面积最大的节水滴灌区,氮肥往往是通过滴灌管道以“少量薄肥、多次勤施”的方式进行施用,这为通过硝化抑制剂优化调控滴灌作物根区NH4+/NO3-比例,进而建立促进作物生长和节肥增效的施氮新技术提供了可能性。本试验比较系统地研究了DCD在北疆不同质地石灰性土壤中硝化抑制作用的强度与剂量效应,旨在探讨滴灌条件下DCD的施用剂量与施用方法,为硝化抑制剂的合理使用提供理论参考。1材料和方法1.1试验处理及培养模式供试土壤为新疆石灰性土壤——灌溉灰漠土(calcaricfluvisals,FAO),采自新疆石河子莫索湾垦区147团,其基本理化性质见表1。新鲜土样剔除杂物及残留根系,风干后过2mm筛备用。双氰胺(dicyandiamide,DCD,含量98.0%,分析纯,上海山浦化工有限公司生产)用量分别为:纯氮量的0%(对照,用CK表示)、1.0%、2.0%、3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、6.0%和7.0%共10个水平,每处理3次重复。供试氮肥(硫酸铵,ammoniumsoleplate,ASN,含量99.0%)用量为每1kg风干土纯氮0.5g。将相当于1kg烘干土的鲜土与所需ASN和DCD充分混匀,装入长30cm、宽18cm的密封袋中,在靠近土壤上方1cm处扎1横排通气小孔(共6个,每个直径0.5cm)以创造好气环境,然后置于25℃人工气候室中恒温黑暗培养。培养期间,每天采用称重法补水1次,使土壤含水量保持在田间持水量的60%~65%,并使补水后土水充分混匀,在培养试验开始后的第2d、4d、8d、10d、15d、25d、30d分别取样,每次取样25g左右,每次取样后,土样立即用2.0mol·L-1KCl溶液浸提,浸提溶液放置于-20℃冰箱(防止土壤无机氮的转化)保存待测。1.2硝化抑制剂对土壤培养前后no3--n含量之差的影响土壤中NO3--N含量采用铜镉还原柱法测定,NH4+-N含量用靛酚蓝比色法测定。硝化抑制率根据下式计算:式中,A为不加抑制剂处理的土壤培养前后NO3--N含量之差(mg·kg-1),B为添加硝化抑制剂处理的土壤培养前后NO3--N含量之差(mg·kg-1)。土壤表观硝化率根据下式计算:土壤表观硝化率=NO3--N含量/(NO3--N含量+试验数据采用Excel2003和SPSS17.0统计分析软件进行统计分析。2结果与分析2.1dcd对土壤no3--n含量的影响在一定的土壤含水量条件下,土壤本身的NH4+-N与施用ASN带入土壤中的NH4+-N很快可以转化为NO3--N。加入不同剂量硝化抑制剂可以抑制NH4+-N向NO3--N转化的强度和持续时间。由图1可知,在整个培养过程的30d中,各剂量DCD处理的砂土土壤NO3--N含量均随培养时间延长而增加。与CK处理相比,在培养的前10d,各DCD处理的土壤NO3--N含量与CK处理土壤差异不显著(P>0.05);而培养第10d以后,处理土壤与CK土壤间的NO3--N含量差异达到极显著水平(P<0.01)。如在培养的第15d和30d,CK处理土壤NO3--N含量为77.8mg·kg-1和324.8mg·kg-1,而不同浓度的DCD处理土壤NO3--N含量为14.4~19.0mg·kg-1和16.9~27.8mg·kg-1。另外,土壤NO3--N含量随DCD浓度的增加而呈现下降趋势,说明DCD剂量越大,硝化抑制效果越明显。但是剂量效应并不明显,如DCD用量从纯氮的1.0%增加到7.0%时,土壤中NO3--N含量在处理30d时仅比第2d时增加1.9~10.7mg·kg-1。土壤NO3--N含量变化与NH4+-N含量紧密耦合,呈现出此消彼长的变化规律。各处理土壤的NH4+-N含量均随培养时间明显下降,在培养的最初10d,不同处理间NH4+-N含量差异并不显著,从第10d开始加入不同浓度的DCD各处理NH4+-N浓度显著高于CK处理(P<0.05)。此外,DCD处理土壤的NH4+-N含量始终显著高于NO3--N含量。2.2不同浓度的dcd对土壤no3--n含量的影响由图1可知,在整个培养过程的30d中,各剂量DCD处理的壤土土壤NO3--N含量均随培养时间而增加,从培养第2d开始各处理土壤与CK之间NO3--N含量差异达到极显著水平(P<0.01)。如在培养的第2d和30d,CK处理土壤NO3--N含量为35.0mg·kg-1和427.5mg·kg-1,而不同浓度的DCD处理土壤NO3--N含量分别为13.7~24.3mg·kg-1和94.7~221.0mg·kg-1。同时,土壤NO3--N含量随DCD浓度的增加而呈现下降趋势,说明DCD剂量越大,硝化抑制效果越明显。在整个培养过程中,加入不同剂量的DCD处理土壤中NH4+-N浓度始终显著高于CK处理(P<0.05)。且各处理土壤的NH4+-N含量均随培养时间明显下降,其中低剂量DCD(纯氮的1.0%和2.0%)处理在培养第30d时NH4+-N含量分别为72.9mg·kg-1和151.0mg·kg-1,与高剂量处理中的NH4+-N含量差异显著(P<0.05)。2.3dcd对土壤no3--n含量的影响由图1可知,各剂量DCD处理的黏土土壤NO3--N含量均随培养时间而增加。在培养的前8d,添加DCD处理土壤的NO3--N含量与CK处理间差异不显著(P>0.05),而从第10d开始添加DCD处理土壤的NO3--N含量极显著低于CK处理(P<0.01)。如在培养的第10d和30d,CK处理土壤中NO3--N含量为137.1mg·kg-1和369.6mg·kg-1,而不同浓度DCD处理土壤NO3--N含量为26.9~70.4mg·kg-1和75.8~146.2mg·kg-1。同时,土壤NO3--N含量随DCD浓度增加呈现下降趋势,说明DCD剂量越大,硝化抑制效果越明显。各处理土壤的NH4+-N含量均随培养时间明显下降,但在培养的最初8d,不同处理间NH4+-N含量差异并不显著,从第10d开始加入不同剂量的DCD各处理NH4+-N含量显著高于CK处理(P<0.05)。2.4不同剂量的sdd对砂、土和粘土的硝化率和表观硝化率的影响2.4.1dcd的施用量硝化抑制率是表征硝化抑制剂对土壤硝化过程抑制强度的一个重要指标,其值越高表明硝化抑制剂对土壤硝化过程抑制强度越强。由表2可知,在培养过程中,DCD在砂土上的施用效果最好,在30d时各浓度处理的硝化抑制率为96.5%~99.4%,平均为98.3%;壤土中硝化抑制率为49.3%~79.4%,平均为67.7%;黏土中硝化抑制率为66.9%~85.6%,平均为77.6%;在3种质地土壤中DCD的施用效果总体表现为:砂土>黏土>壤土。不同剂量DCD对砂土、壤土、黏土的硝化抑制率作用效果存在明显差异,如在砂土上DCD浓度从纯氮的1.0%提高到7.0%,其硝化抑制率从96.5%增加到99.3%,仅增加2.8%,且各剂量处理间并无显著差异;在壤土、黏土上硝化抑制率总体表现为随DCD浓度增加而显著提高(P<0.05),如在壤土上,高浓度DCD处理(纯氮的5.0%、6.0%、7.0%)的硝化抑制率最高达到74%以上,而低浓度DCD处理(纯氮的1.0%和2.0%)硝化抑制率仅为49%。2.4.2土壤、土壤、黏土的表观硝化率土壤表观硝化率为土壤NO3--N含量占土壤矿质氮总量的百分量,其值越低说明硝化抑制剂对土壤硝化过程抑制强度越弱,其值越高表明土壤硝化过程强度越高。从表3可知,3种土壤表观硝化率均随培养时间延长呈增高趋势,但在不同质地土壤中的增加幅度不同。DCD在砂土上的土壤表观硝化率最低,在2d、15d、30d时各浓度DCD处理(除CK)的表观硝化率平均值分别为4.8%、5.7%、8.3%;相同时间,各浓度DCD处理壤土的表观硝化率平均值分别为3.7%、19.3%、40.9%,黏土的表观硝化率平均值分别为6.4%、6.8%、32.9%。砂土在培养过程中表观硝化率增加的最少,仅为3.5%;其次是黏土,为26.5%;增加最多的为壤土,达37.2%。在3种质地土壤中土壤表观硝化率总体表现为壤土>黏土>砂土。不同剂量的DCD对砂土、壤土、黏土的表观硝化率有明显影响。如在砂土上DCD浓度从纯氮的1.0%提高到7.0%,在2d、15d、30d时土壤表观硝化率并没有显著差异(P>0.05),其中6.0%DCD处理在培养过程中始终维持最低的土壤表观硝化率。在壤土、黏土上表观硝化率总体表现为随DCD浓度增加而显著降低(P<0.05),如在第30d时,壤土的表观硝化率由1.0%时的75.2%降低到7.0%时的25.1%。3土壤硝化作用DCD对土壤硝化过程的抑制作用可能是由于DCD具有一定的氨稳定剂功能,伯氨基和仲氨基与游离氨有氢键缔合团簇作用,降低了NH3挥发期间的pH和NH3表观浓度。DCD的施用不仅可保持较高的NH4+-N浓度,降低NO3--N淋失的风险性,而且可以增加NH4+-N的稳定性,减少NH3的直接挥发量,并增强土壤黏粒对NH4+-N的固定作用,从而延长肥效期,提高氮素利用率。前人研究结果表明,凡是容易发生氮肥淋溶损失和硝化-反硝化损失的土壤,硝化抑制剂均有较好的硝化抑制效果。但其效果的发挥与土壤温度、质地、有机质含量等因素有密切关系。土壤质地对土壤硝化作用影响很大,如李永梅等研究发现,在质地较黏重的土壤中,硝化速率较小,硝化作用持续时间较长;杨春霞等研究也表明,轻黏土中的硝化作用快于其在砂壤土、中壤土中的硝化作用。本试验中,在壤土和黏土中,随着DCD浓度的增加NO3--N含量下降程度明显高于砂土,说明DCD的剂量效应在质地重的土壤上高于轻质土壤。杨春霞等研究发现在中壤土中加入相同量的硝化抑制剂,对NH4+-N含量≥50%处理的抑制效果更好,过多剂量DCD则不利于抑制硝化作用,这与本试验的结果相似。黏土矿物类型不同,对铵的固定不同,如2︰1型黏土矿物有很强的固定土壤NH4+-N能力。本试验是在土壤钾含量较高的基础上进行的,加之土壤氧化还原电位(redoxpotential,Eh)较高,因此黏土矿物的大部分晶格位点被K+所占据,且同晶异质代换的量与铵的总浓度差异很大,因此分析土壤铵的固定对结果的影响几乎可以忽略。在有机质含量高、含砂量低、质地重的土壤中,DCD降解速率要高于在有机质含量低、含砂量高的轻质土壤。Sahrawat等研究发现,砂壤土在30℃有氧培养过程中20μg·g-1DCD在14d时就能显著抑制NH4+-N的硝化作用,但是在有机质含量高的土壤中不论是20μg·g-1还是100μg·g-1DCD均不能有效延缓NO3--N的产生,由此说明有机质含量较高的土壤可能发生DCD降解,或者是由于有机质对DCD的吸附从而影响其硝化抑制效果。本试验结果表明,DCD在3种质地土壤上的施用效果表现为砂土最好,其次是黏土,最后为壤土,且在砂土培养结束时各剂量DCD处理的NO3--N仅增加1.9~10.7mg·kg-1,可能是因为砂土有机质含量(12.2g·kg-1)明显低于壤土(15.8g·kg-1)和黏土(16.6g·kg-1),故砂土中的微生物数量和活性尤其是硝化细菌的数量可能明显弱于其他2种质地的土壤。4土壤硝化强度本试验结果表明,施用DCD可显著抑制新疆石灰性土壤的硝化作用过程。处理30d时,DCD对不同质