不同肥料增效剂对双季稻田土壤及地表水中硝态氮和铵态氮的影响

不同肥料增效剂对双季稻田土壤及地表水中硝态氮和铵态氮的影响

氮是作物必要的养分。使用氮肥可以显著提高作物产量，但过度使用的氮素会通过清洗和损失污染环境。调查显示,我国菜地、稻田等农业生产用地中均存在氮肥过量施用现象,且利用率很低,肥料资源的浪费不仅造成了经济损失,还给环境质量安全乃至人类健康构成了潜在的威胁。如何有效地提高氮肥利用率、减少氮素损失一直是农田生态中研究的热点,许多试验从肥料种类、施肥方式、耕作方式等方面探索合理途径,也已经取得了一定的成效。然而,农田氮肥用量过大、利用率低等突出问题仍未从根本上有效解决。配施肥料增效剂是减少肥料用量和提高肥料利用率的有效手段之一,且主要偏重于提高氮肥的效用。自20世纪90年代开始,就有不同种类的肥料增效剂在玉米、大豆、蔬菜等作物上的应用报道。近些年,一些纳米碳、智能肽等新型增效剂也得到应用,较多地集中在旱地上施用,且大多处于试验阶段,大田应用较少,在南方水稻田上应用的研究鲜见。本研究选用湖南省土肥所自主研制的3种肥料增效剂,开展其与不同用量化肥配施的田间试验,通过对双季稻田产量、土壤及地表水中硝态氮和铵态氮的动态分析,揭示肥料增效剂对产量的影响以及对稻田无机氮的短期效应规律,旨在构建一套合理地减量施肥与氮肥的增效技术,最终实现经济效益和生态效益的最大化。1材料和方法1.1水稻品种:嘉育早-嘉育早试验于2011年4月至11月在湖南省长沙县干杉乡双季稻田进行。供试土壤为第四纪红色粘土发育的红黄泥,土壤基本理化性质为:pH值5.4,有机质17.6g/kg,碱解氮116mg/kg,有效磷14.8mg/kg,速效钾52mg/kg。水稻品种:早稻品种为嘉育早17号,晚稻品种为湘晚籼13号。供试肥料:45%复合肥,尿素,过磷酸钙,氯化钾,湖南省土肥所自主研制的中试产品肥料增效A、增效剂D、增效剂Q,3种肥料增效剂均以硝化抑制剂和脲酶抑制剂为主要原料,结合少量的辅助原料,按照不同的成分、比例配制而成,增效剂用量很少(约为15kg/667m2),成本较低。1.2测试方法1.2.1不同施肥方案n-2o,主要有(1)常规施肥(CK);(2)减少5%氮肥用量+增效剂A(-5%N+A);(3)减少10%氮肥用量+增效剂A(-10%N+A);(4)减少15%氮肥用量+增效剂A(-15%N+A);(5)减少10%氮肥用量+增效剂D(-10%N+D);(6)减少10%氮肥用量+增效剂Q(-10%N+Q)。复合肥、磷肥和肥料增效剂作为基肥,一次施用,肥料增效剂与化肥充分混匀后,直接撒施。随机区组排列,重复3次。早稻、晚稻常规施肥处理N-P2O5-K2O的施用量分别为165-75-105kg/hm2、180-45-150kg/hm2。小区面积为4m×6m=24m2,小区之间的田埂用塑料薄膜铺盖,防止小区间串水。种植密度早稻为13.3cm×20cm,晚稻为20cm×20cm。其他管理措施按当地常规操作进行。1.2.2无机氮含量测定在水稻的主要生育期(分蘖始期、分蘖盛期、拔节期、孕穗期、抽穗期、成熟期),取0~20cm耕层土壤混合样品和水样,测定土壤和水样中的无机氮(硝态氮NO3--N、铵态氮NH4+-N)的含量。测定方法参照文献。水稻收获时每个小区单收,单计产,测定每个小区稻谷的实际产量。2结果与分析2.1各处理间产量和效率分析由表1可知,从早稻来看,小区产量在17.11~17.89kg之间,以常规处理的产量最高;但是方差分析表明,各处理间的差异不显著。从晚稻来看,小区产量在15.12~15.63kg之间,其中-10%N+A处理最高;与早稻一样,各处理间的差异不显著。可见,3种肥料增效剂施用后,尽管氮肥减少了5%~15%,但是产量的变化并不明显。另外,可能由于水稻品种、栽培密度不同的原因,早稻的产量要明显高于晚稻。2.2对土壤铵态氮含量的影响水稻生育期间土壤无机氮的变化如图1所示。早稻期间,各处理耕层土壤中铵态氮的含量在分蘖始期达到最大值,其中CK处理的铵态氮含量最高,-15%N+A处理相对较低。随着水稻的生长,其对氮素的需求量不断增加,土壤中铵态氮不断地减少,直至抽穗期后,又有一定的提高,但是幅度较小。从整个生长期来看,各处理铵态氮含量在分蘖始期的含量差距较大,但是到后期,差距逐渐减小,到收获期,各处理的含量变化曲线基本上重合。各处理土壤中硝态氮的含量变化差异较大,但是从含量曲线变化总体趋势来看,分蘖始期和拔节期相对较高,分蘖盛期、孕穗期较低,而到成熟期后,各处理的硝态氮含量有了个较大的提高,且各处理含量非常接近。晚稻土壤中的铵态氮含量的变化曲线和早稻的较相似(见图1),在分蘖始期达到一个峰值,这时期各处理的土壤铵态氮含量差异较大。随着水稻的生长,土壤铵态氮含量逐渐降低,最后降至一个低值,这与早稻成熟期有所提高不同,可能是晚稻生长旺盛,对氮的耗竭所致。整个生长期内,各处理土壤中铵态氮含量逐渐减少,且处理间越来越接近。晚稻期间土壤硝态氮含量变化趋势和早稻有一定的相似,但是,各处理间的差异比早稻要小,变化趋势十分明了,分蘖始期有一个低值,其中CK处理相对较高,随后到分蘖盛期和拔节期有一定程度的增加,孕穗期和抽穗期又逐渐减低,到成熟期的时候,含量明显增加。2.3水稻和水稻中铵态氮含量的变化由于水稻生长过程中有晒田时期,水土同步取样时,水样采集次数较少。由图2可以看出,早稻水体中铵态氮在施肥后至分蘖始期达到一个峰值,其中以CK处理略高于其他处理;之后含量不断地降低,在拔节期达到最低值,而孕穗期又有所提高,这可能由于氮肥作为穗肥施入,部分溶解在水中,使得铵态氮含量有所提高。而水体中的硝态氮含量,随着水稻的生长,从施肥前的较高值一直下降,至分蘖盛期达到一个最低值,拔节期和孕穗期又有所提高。从晚稻来看(图2),水体中铵态氮的含量变化趋势和早稻比较一致,也是在分蘖始期达到最大值,随后不断地降低,但分蘖盛期水体中的铵态氮较早稻下降的要快,这可能由于晚稻期间气温高,生长茂盛,分蘖期间消耗了大量的氮素,使得溶解在水中的铵态氮含量下降较快。晚稻水体硝态氮含量变化趋势也和早稻基本相同,在水稻拔节期,硝态氮含量达到最低值,孕穗期有所提高。不论早稻或者晚稻,不同处理中水体的硝态氮和铵态氮的差异均表现为前期较大,随着水稻的生长越来越小。3对各处理水稻土壤中硝化的影响氮素是农作物生长必需的营养元素,对水稻的生长和产量的提高起到了不可忽视的作用,因此氮肥的施用成为了控制高产的主要因素,但是如果氮肥过量的增施,土壤和水体积累过多的硝态氮又给环境带来污染的风险。肥料增效剂进入土壤环境能够影响土壤生化环境,调节某些酶活性,影响微生物对肥料的作用,一定程度地降低肥料的损失。硝化抑制剂和脲酶抑制剂通过调控脲酶水解和硝化反应,是目前调节氮素转化,提高氮素利用率较常用的氮肥增效剂。本研究筛选和配制出以硝化抑制剂和脲酶抑制剂为主要原料的肥料增效剂,将其应用于南方双季稻田,有利于探索经济、生态综合效益最好的产品以及合理的配施技术。化肥的施用极大地提高了水稻的产量,但过量施肥经济效益降低,且带来一系列环境问题。肥料增效剂的施用能一定程度地提高肥料利用率,减少肥料的用量,节约肥料成本,也能降低污染环境的风险。从本研究产量结果来看,减施化肥与不同增效剂的产量略有差异,但是不显著,早稻各处理产量均比常规对照处理有所降低;晚稻-10%N+A处理产量最高,其他施用了增效剂的处理均略低于常规对照处理,差异也不明显。总体上来看,3种肥料增效剂均有一定的应用效果,综合早晚稻产量来看,以-10%N+A处理最理想,且当肥料用量减少至15%以后,水稻产量降低也不明显。因此,研究认为,南方稻田中,结合增效剂的推广施用,可以减少10%~15%的化肥用量,一方面在保证水稻产量的基础上,降低了肥料成本,获得较高的经济效益;另一方面既节约了肥料资源,又降低了化肥施用可能带来的风险。铵态氮和硝态氮是土壤和水体中无机氮最主要的存在形式,也是植物吸收氮素的主要形式。氮肥主要是铵态氮肥和酰胺态氮肥(—CONH2-N),但是施入土壤后,一部分被作物吸收,一部分转化为硝态氮,如果不能及时被吸收利用,就容易造成地表水和地下水的硝酸盐污染。因此,控制氮肥的施用总量和降低铵态氮的转化速率是减少环境硝酸盐污染的有效途径。本研究中选用硝化抑制剂和脲酶抑制剂,以抑制氮的硝化和尿素的水解速率,来提高氮肥的利用效率。从早稻和晚稻土壤中的硝态氮变化趋势来分析,氮肥施入稻田后,土壤中的铵态氮含量达到最大值,由于对照处理中的氮肥用量最大,铵态氮含量也相对较高;而其他处理氮肥用量有差异,处理间土壤铵态氮含量在分蘖始期表现出的差异比较明显,但是随着铵态氮的转化和被吸收,土壤中铵态氮含量逐渐减小,各处理的差异也减小。土壤中的硝态氮含量变化趋势与铵态氮变化有明显的差异。水稻移栽后,吸收了土壤中部分的硝态氮,此时化肥中铵态氮较少转化为硝态氮,因此初期土壤硝态氮含量出现了一个下降的趋势,由于晚稻长势好,消耗氮素较多,所以表现得更明显,该时期常规对照处理土壤中的硝态氮明显地高于其他增效剂处理。而抽穗期过后,水稻主要为生殖生长,对氮的吸收量减少,同时铵态氮不断地转化为硝态氮,因此成熟期,各处理土壤中的硝态氮含量达到最高值,且各处理含量接近。因此,可以认为,3种肥料增效剂能一定程地降低土壤中硝态氮含量,对铵态氮的硝化起了一定的抑制作用,保证了土壤中铵态氮的含量,且主要作用于水稻生长前期。稻田水体中硝态氮含量过高,容易形成硝酸盐富集,一方面通过地表水下渗直接污染地下水;另外,南方雨量丰富,硝态氮随着稻田排水,污染其他区域,造成面源污染。本研究表明,水体中的铵态氮的变化趋势和土壤中铵态氮基本一致,在水稻的分蘖始期,肥料增效剂与氮肥减量配施的5个处理比常规对照处理略低,之后铵态氮含量不断地降低。水体中硝态氮的含量在水稻生长前期有所下降,其主要原因是由于营养生长对氮素的吸收;后期有所提高,则是由于铵态氮不断的转化和植株吸收量减少所致。但是,从整体效果来看,肥料增效剂与氮肥减量配施对水体中铵态氮及硝态氮的影响并不显著,且集中在前期,