不同肥料增效劑對(duì)雙季稻田土壤及地表水中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響

不同肥料增效劑對(duì)雙季稻田土壤及地表水中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的影響

氮是作物必要的養(yǎng)分。使用氮肥可以顯著提高作物產(chǎn)量，但過度使用的氮素會(huì)通過清洗和損失污染環(huán)境。調(diào)查顯示,我國(guó)菜地、稻田等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用地中均存在氮肥過量施用現(xiàn)象,且利用率很低,肥料資源的浪費(fèi)不僅造成了經(jīng)濟(jì)損失,還給環(huán)境質(zhì)量安全乃至人類健康構(gòu)成了潛在的威脅。如何有效地提高氮肥利用率、減少氮素?fù)p失一直是農(nóng)田生態(tài)中研究的熱點(diǎn),許多試驗(yàn)從肥料種類、施肥方式、耕作方式等方面探索合理途徑,也已經(jīng)取得了一定的成效。然而,農(nóng)田氮肥用量過大、利用率低等突出問題仍未從根本上有效解決。配施肥料增效劑是減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世紀(jì)90年代開始,就有不同種類的肥料增效劑在玉米、大豆、蔬菜等作物上的應(yīng)用報(bào)道。近些年,一些納米碳、智能肽等新型增效劑也得到應(yīng)用,較多地集中在旱地上施用,且大多處于試驗(yàn)階段,大田應(yīng)用較少,在南方水稻田上應(yīng)用的研究鮮見。本研究選用湖南省土肥所自主研制的3種肥料增效劑,開展其與不同用量化肥配施的田間試驗(yàn),通過對(duì)雙季稻田產(chǎn)量、土壤及地表水中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的動(dòng)態(tài)分析,揭示肥料增效劑對(duì)產(chǎn)量的影響以及對(duì)稻田無機(jī)氮的短期效應(yīng)規(guī)律,旨在構(gòu)建一套合理地減量施肥與氮肥的增效技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的最大化。1材料和方法1.1水稻品種:嘉育早-嘉育早試驗(yàn)于2011年4月至11月在湖南省長(zhǎng)沙縣干杉鄉(xiāng)雙季稻田進(jìn)行。供試土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的紅黃泥,土壤基本理化性質(zhì)為:pH值5.4,有機(jī)質(zhì)17.6g/kg,堿解氮116mg/kg,有效磷14.8mg/kg,速效鉀52mg/kg。水稻品種:早稻品種為嘉育早17號(hào),晚稻品種為湘晚秈13號(hào)。供試肥料:45%復(fù)合肥,尿素,過磷酸鈣,氯化鉀,湖南省土肥所自主研制的中試產(chǎn)品肥料增效A、增效劑D、增效劑Q,3種肥料增效劑均以硝化抑制劑和脲酶抑制劑為主要原料,結(jié)合少量的輔助原料,按照不同的成分、比例配制而成,增效劑用量很少(約為15kg/667m2),成本較低。1.2測(cè)試方法1.2.1不同施肥方案n-2o,主要有(1)常規(guī)施肥(CK);(2)減少5%氮肥用量+增效劑A(-5%N+A);(3)減少10%氮肥用量+增效劑A(-10%N+A);(4)減少15%氮肥用量+增效劑A(-15%N+A);(5)減少10%氮肥用量+增效劑D(-10%N+D);(6)減少10%氮肥用量+增效劑Q(-10%N+Q)。復(fù)合肥、磷肥和肥料增效劑作為基肥,一次施用,肥料增效劑與化肥充分混勻后,直接撒施。隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次。早稻、晚稻常規(guī)施肥處理N-P2O5-K2O的施用量分別為165-75-105kg/hm2、180-45-150kg/hm2。小區(qū)面積為4m×6m=24m2,小區(qū)之間的田埂用塑料薄膜鋪蓋,防止小區(qū)間串水。種植密度早稻為13.3cm×20cm,晚稻為20cm×20cm。其他管理措施按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)操作進(jìn)行。1.2.2無機(jī)氮含量測(cè)定在水稻的主要生育期(分蘗始期、分蘗盛期、拔節(jié)期、孕穗期、抽穗期、成熟期),取0~20cm耕層土壤混合樣品和水樣,測(cè)定土壤和水樣中的無機(jī)氮(硝態(tài)氮NO3--N、銨態(tài)氮NH4+-N)的含量。測(cè)定方法參照文獻(xiàn)。水稻收獲時(shí)每個(gè)小區(qū)單收,單計(jì)產(chǎn),測(cè)定每個(gè)小區(qū)稻谷的實(shí)際產(chǎn)量。2結(jié)果與分析2.1各處理間產(chǎn)量和效率分析由表1可知,從早稻來看,小區(qū)產(chǎn)量在17.11~17.89kg之間,以常規(guī)處理的產(chǎn)量最高;但是方差分析表明,各處理間的差異不顯著。從晚稻來看,小區(qū)產(chǎn)量在15.12~15.63kg之間,其中-10%N+A處理最高;與早稻一樣,各處理間的差異不顯著。可見,3種肥料增效劑施用后,盡管氮肥減少了5%~15%,但是產(chǎn)量的變化并不明顯。另外,可能由于水稻品種、栽培密度不同的原因,早稻的產(chǎn)量要明顯高于晚稻。2.2對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響水稻生育期間土壤無機(jī)氮的變化如圖1所示。早稻期間,各處理耕層土壤中銨態(tài)氮的含量在分蘗始期達(dá)到最大值,其中CK處理的銨態(tài)氮含量最高,-15%N+A處理相對(duì)較低。隨著水稻的生長(zhǎng),其對(duì)氮素的需求量不斷增加,土壤中銨態(tài)氮不斷地減少,直至抽穗期后,又有一定的提高,但是幅度較小。從整個(gè)生長(zhǎng)期來看,各處理銨態(tài)氮含量在分蘗始期的含量差距較大,但是到后期,差距逐漸減小,到收獲期,各處理的含量變化曲線基本上重合。各處理土壤中硝態(tài)氮的含量變化差異較大,但是從含量曲線變化總體趨勢(shì)來看,分蘗始期和拔節(jié)期相對(duì)較高,分蘗盛期、孕穗期較低,而到成熟期后,各處理的硝態(tài)氮含量有了個(gè)較大的提高,且各處理含量非常接近。晚稻土壤中的銨態(tài)氮含量的變化曲線和早稻的較相似(見圖1),在分蘗始期達(dá)到一個(gè)峰值,這時(shí)期各處理的土壤銨態(tài)氮含量差異較大。隨著水稻的生長(zhǎng),土壤銨態(tài)氮含量逐漸降低,最后降至一個(gè)低值,這與早稻成熟期有所提高不同,可能是晚稻生長(zhǎng)旺盛,對(duì)氮的耗竭所致。整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi),各處理土壤中銨態(tài)氮含量逐漸減少,且處理間越來越接近。晚稻期間土壤硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)和早稻有一定的相似,但是,各處理間的差異比早稻要小,變化趨勢(shì)十分明了,分蘗始期有一個(gè)低值,其中CK處理相對(duì)較高,隨后到分蘗盛期和拔節(jié)期有一定程度的增加,孕穗期和抽穗期又逐漸減低,到成熟期的時(shí)候,含量明顯增加。2.3水稻和水稻中銨態(tài)氮含量的變化由于水稻生長(zhǎng)過程中有曬田時(shí)期,水土同步取樣時(shí),水樣采集次數(shù)較少。由圖2可以看出,早稻水體中銨態(tài)氮在施肥后至分蘗始期達(dá)到一個(gè)峰值,其中以CK處理略高于其他處理;之后含量不斷地降低,在拔節(jié)期達(dá)到最低值,而孕穗期又有所提高,這可能由于氮肥作為穗肥施入,部分溶解在水中,使得銨態(tài)氮含量有所提高。而水體中的硝態(tài)氮含量,隨著水稻的生長(zhǎng),從施肥前的較高值一直下降,至分蘗盛期達(dá)到一個(gè)最低值,拔節(jié)期和孕穗期又有所提高。從晚稻來看(圖2),水體中銨態(tài)氮的含量變化趨勢(shì)和早稻比較一致,也是在分蘗始期達(dá)到最大值,隨后不斷地降低,但分蘗盛期水體中的銨態(tài)氮較早稻下降的要快,這可能由于晚稻期間氣溫高,生長(zhǎng)茂盛,分蘗期間消耗了大量的氮素,使得溶解在水中的銨態(tài)氮含量下降較快。晚稻水體硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)也和早稻基本相同,在水稻拔節(jié)期,硝態(tài)氮含量達(dá)到最低值,孕穗期有所提高。不論早稻或者晚稻,不同處理中水體的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的差異均表現(xiàn)為前期較大,隨著水稻的生長(zhǎng)越來越小。3對(duì)各處理水稻土壤中硝化的影響氮素是農(nóng)作物生長(zhǎng)必需的營(yíng)養(yǎng)元素,對(duì)水稻的生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高起到了不可忽視的作用,因此氮肥的施用成為了控制高產(chǎn)的主要因素,但是如果氮肥過量的增施,土壤和水體積累過多的硝態(tài)氮又給環(huán)境帶來污染的風(fēng)險(xiǎn)。肥料增效劑進(jìn)入土壤環(huán)境能夠影響土壤生化環(huán)境,調(diào)節(jié)某些酶活性,影響微生物對(duì)肥料的作用,一定程度地降低肥料的損失。硝化抑制劑和脲酶抑制劑通過調(diào)控脲酶水解和硝化反應(yīng),是目前調(diào)節(jié)氮素轉(zhuǎn)化,提高氮素利用率較常用的氮肥增效劑。本研究篩選和配制出以硝化抑制劑和脲酶抑制劑為主要原料的肥料增效劑,將其應(yīng)用于南方雙季稻田,有利于探索經(jīng)濟(jì)、生態(tài)綜合效益最好的產(chǎn)品以及合理的配施技術(shù)。化肥的施用極大地提高了水稻的產(chǎn)量,但過量施肥經(jīng)濟(jì)效益降低,且?guī)硪幌盗协h(huán)境問題。肥料增效劑的施用能一定程度地提高肥料利用率,減少肥料的用量,節(jié)約肥料成本,也能降低污染環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)。從本研究產(chǎn)量結(jié)果來看,減施化肥與不同增效劑的產(chǎn)量略有差異,但是不顯著,早稻各處理產(chǎn)量均比常規(guī)對(duì)照處理有所降低;晚稻-10%N+A處理產(chǎn)量最高,其他施用了增效劑的處理均略低于常規(guī)對(duì)照處理,差異也不明顯。總體上來看,3種肥料增效劑均有一定的應(yīng)用效果,綜合早晚稻產(chǎn)量來看,以-10%N+A處理最理想,且當(dāng)肥料用量減少至15%以后,水稻產(chǎn)量降低也不明顯。因此,研究認(rèn)為,南方稻田中,結(jié)合增效劑的推廣施用,可以減少10%~15%的化肥用量,一方面在保證水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上,降低了肥料成本,獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益;另一方面既節(jié)約了肥料資源,又降低了化肥施用可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)。銨態(tài)氮和硝態(tài)氮是土壤和水體中無機(jī)氮最主要的存在形式,也是植物吸收氮素的主要形式。氮肥主要是銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥(—CONH2-N),但是施入土壤后,一部分被作物吸收,一部分轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,如果不能及時(shí)被吸收利用,就容易造成地表水和地下水的硝酸鹽污染。因此,控制氮肥的施用總量和降低銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化速率是減少環(huán)境硝酸鹽污染的有效途徑。本研究中選用硝化抑制劑和脲酶抑制劑,以抑制氮的硝化和尿素的水解速率,來提高氮肥的利用效率。從早稻和晚稻土壤中的硝態(tài)氮變化趨勢(shì)來分析,氮肥施入稻田后,土壤中的銨態(tài)氮含量達(dá)到最大值,由于對(duì)照處理中的氮肥用量最大,銨態(tài)氮含量也相對(duì)較高;而其他處理氮肥用量有差異,處理間土壤銨態(tài)氮含量在分蘗始期表現(xiàn)出的差異比較明顯,但是隨著銨態(tài)氮的轉(zhuǎn)化和被吸收,土壤中銨態(tài)氮含量逐漸減小,各處理的差異也減小。土壤中的硝態(tài)氮含量變化趨勢(shì)與銨態(tài)氮變化有明顯的差異。水稻移栽后,吸收了土壤中部分的硝態(tài)氮,此時(shí)化肥中銨態(tài)氮較少轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,因此初期土壤硝態(tài)氮含量出現(xiàn)了一個(gè)下降的趨勢(shì),由于晚稻長(zhǎng)勢(shì)好,消耗氮素較多,所以表現(xiàn)得更明顯,該時(shí)期常規(guī)對(duì)照處理土壤中的硝態(tài)氮明顯地高于其他增效劑處理。而抽穗期過后,水稻主要為生殖生長(zhǎng),對(duì)氮的吸收量減少,同時(shí)銨態(tài)氮不斷地轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,因此成熟期,各處理土壤中的硝態(tài)氮含量達(dá)到最高值,且各處理含量接近。因此,可以認(rèn)為,3種肥料增效劑能一定程地降低土壤中硝態(tài)氮含量,對(duì)銨態(tài)氮的硝化起了一定的抑制作用,保證了土壤中銨態(tài)氮的含量,且主要作用于水稻生長(zhǎng)前期。稻田水體中硝態(tài)氮含量過高,容易形成硝酸鹽富集,一方面通過地表水下滲直接污染地下水;另外,南方雨量豐富,硝態(tài)氮隨著稻田排水,污染其他區(qū)域,造成面源污染。本研究表明,水體中的銨態(tài)氮的變化趨勢(shì)和土壤中銨態(tài)氮基本一致,在水稻的分蘗始期,肥料增效劑與氮肥減量配施的5個(gè)處理比常規(guī)對(duì)照處理略低,之后銨態(tài)氮含量不斷地降低。水體中硝態(tài)氮的含量在水稻生長(zhǎng)前期有所下降,其主要原因是由于營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)對(duì)氮素的吸收;后期有所提高,則是由于銨態(tài)氮不斷的轉(zhuǎn)化和植株吸收量減少所致。但是,從整體效果來看,肥料增效劑與氮肥減量配施對(duì)水體中銨態(tài)氮及硝態(tài)氮的影響并不顯著,且集中在前期,