淺談磷酸脲在西北鹽堿土壤上的應(yīng)用

賀小云, 楊瑞山, 董合林, 鄭蒼松, 李鵬程

(1.甘肅甕福化工有限責(zé)任公司 甘肅金昌 737200;2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物育種及產(chǎn)業(yè)技術(shù)國家工程研究中心 河南安陽 455000)

土壤鹽漬化是許多干旱與半干旱地區(qū)引起作物產(chǎn)量下降的主要原因,是影響生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全球化問題。土壤中過高的鹽分使土壤的理化性狀發(fā)生改變,從而使眾多作物的生長環(huán)境遭到破壞。鹽堿土分布范圍較廣,幾乎遍布世界各地,全球面積約有9.55×108hm2,其中歐亞大陸、非洲和美洲西部分布較多。鹽堿土的分布與所處地理位置和氣候條件有緊密的聯(lián)系,干旱與半干旱地區(qū)是主要分布地。中國、澳大利亞和前蘇聯(lián)是世界上鹽堿土面積最大的3個國家。中國鹽漬化土壤分布廣泛,面積約3.69×107hm2,特別是西北地區(qū)的青海、寧夏、新疆以及甘肅河西走廊等區(qū)域,均出現(xiàn)了不同程度的鹽漬化危害[1]。

隨著世界人口急劇增加、土地生產(chǎn)力下降,出現(xiàn)了糧食供應(yīng)不足的問題,全球高度關(guān)注對鹽堿地的開發(fā)利用與改良。鹽堿土的改良利用不僅能夠提高作物產(chǎn)量,緩解糧食危機,還能優(yōu)化生態(tài)環(huán)境,改善人們的生活水平。我國是一個人口眾多、物質(zhì)資源豐富的大國,但人均土地和水資源遠低于世界平均水平,保護和合理開發(fā)利用水、土地資源迫在眉睫。鹽堿土作為一種潛在的可利用資源可彌補我國耕地不足的問題,因此,改良鹽堿土已成為一項艱巨且意義重大的任務(wù)。

磷酸脲是一種含氮、磷的高濃度速效酸性肥料,易溶于水,水溶液呈酸性,1%(質(zhì)量分數(shù),下同)磷酸脲溶液的pH為1.89,施入土壤后,能夠有限降低土體或者土壤微區(qū)的pH,改變土壤酸堿平衡,起到改善土壤理化性狀、改良土壤結(jié)構(gòu)、促進作物生長等作用[2]。

1 鹽堿土的形成與危害

鹽土和堿土被合稱為鹽堿土,鹽土的土壤中含有過量的可溶性鹽類,堿土的土壤中含有較多的交換性鈉。從性質(zhì)角度分析,二者在很多方面都大相徑庭,但從發(fā)生和形成原因方面考慮,二者卻又密不可分,通常交錯分布,常被統(tǒng)稱為鹽堿土。鹽堿土的形成是多種原因共同作用的結(jié)果,有自然因素,也有人類活動的影響,自然因素為主導(dǎo)原因,人類活動則加速了鹽堿化的歷程。氣候干旱少雨,地表蒸發(fā)強烈,地形低,地下水埋深淺、礦化度較高,成土母質(zhì)及土壤中含鹽量較多,不合理地開發(fā)利用水資源等,是內(nèi)陸鹽堿土形成的主要原因。一般來說,表層土壤水與土壤地下水保持相對穩(wěn)定的狀態(tài),地下水位不變,表層土壤中的離子含量變化幅度不大。當氣候少雨干旱時,蒸發(fā)較強,導(dǎo)致土壤中的水分含量迅速減少,使得地下水沿著土壤毛細管從下往上移動,土壤中的鹽分也隨著水分移動方向一起運動。水分蒸發(fā)后,鹽分就積累在土壤的表層,當鹽分的含量超過某一臨界值后,土壤就發(fā)生鹽漬化。所以,鹽堿土在干旱、半干旱地區(qū)較多。鹽堿土的危害主要表現(xiàn)在作物生理干旱、直接毒害作用、惡化土壤的理化性狀等3個方面。

(1)作物生理干旱。土壤中含鹽量增加,土壤溶液的滲透壓不斷升高,當滲透壓超過植物正常生理狀況時,將引起植物根系吸水困難,出現(xiàn)嚴重缺水現(xiàn)象,導(dǎo)致細胞脫水,引發(fā)生理干旱。

(2)鹽分的直接毒害作用,主要是對植物細胞膜系統(tǒng)的損傷。 由于細胞內(nèi)積累眾多的鹽離子,濃度升高破壞了植物體內(nèi)動態(tài)平衡,危害植物正常生理活動[3];細胞膜上的Ca2+被Na+取代,當Na+濃度過高時阻礙植物根系對鉀、鈣的吸收,造成植物體內(nèi)離子不平衡,導(dǎo)致細胞內(nèi)酶變性或失活,影響新陳代謝。

(3)惡化土壤的物理性狀。鹽堿土中鈉鹽濃度過高時,對土壤膠體有較強的分散作用,使團聚體崩解、土粒分散,土壤結(jié)構(gòu)被破壞,導(dǎo)致表土板結(jié),通氣透水性變差,不利于植物生長。

2 磷酸脲改良鹽堿土的原理

堿性土壤中的主要堿性物質(zhì)為鈣、鎂、鈉的碳酸鹽和重碳酸鹽,以及交替表面吸附的交換性鈉。碳酸鈉和碳酸氫鈉是水溶性的,所以鈉離子在土壤溶液中的濃度基本是保持恒定的,即對根系的毒害影響能力是固定的。但鈣、鎂、鐵等元素的碳酸鹽或重碳酸鹽都是非水溶性的強堿弱酸鹽,不溶于水,很難被作物直接快速吸收,但碳酸鹽和重碳酸鹽等遇到酸性更強的磷酸脲,會釋放出二氧化碳和鈣、鎂、鐵等,降低了土壤微區(qū)的酸堿度,活化了鈣、鎂、鐵等有益元素,釋放出的鈣離子可以抑制植物根系對鈉離子的吸收。

2.1 控制土壤微區(qū)pH

對于我國北方大面積的鹽堿土區(qū),尤其是當堿土區(qū)土壤的pH升高時,對土壤理化性狀、土壤結(jié)構(gòu)以及該區(qū)域的植物生長和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都是不利的。1%磷酸脲溶液的pH為1.89,同時磷酸脲還是一種入土即解離為尿素和磷酸并釋放少量CO2和NH3的不穩(wěn)定絡(luò)合物,所以磷酸脲作為酸性肥料及鹽堿土改良劑施入土壤后,能夠有限降低土體或者土壤微區(qū)的pH(見圖1),調(diào)整土壤酸堿平衡,從而起到改善土壤理化性狀、改良土壤結(jié)構(gòu)、促進作物生長等作用。

圖1 磷酸脲在馬鈴薯、苜蓿上的應(yīng)用

2.2 減少土壤中氨的揮發(fā)

氨揮發(fā)是土壤氮素損失的主要途徑,土壤pH是影響氨揮發(fā)的重要因素之一,土壤pH越高,氨揮發(fā)越多。在部分有利于氨揮發(fā)的土壤上,氨揮發(fā)損失的氮素量可以占到土壤總施氮量的40%～50%[4]。因此,控制土壤中銨態(tài)氮含量和土壤pH是減少土壤氨揮發(fā)、提高氮肥利用率的關(guān)鍵。磷酸脲作為酸性肥料,可以有效降低土壤微區(qū)的pH,進而減少氨的揮發(fā),提高氮肥利用率。

2.3 增加中微量元素的供應(yīng)

在植物生長發(fā)育過程中,鈣、鎂、錳、鋅等中微量營養(yǎng)元素是必需的。但由于堿性土壤的pH高,土壤中存在大量的OH-,中微量營養(yǎng)元素與OH-發(fā)生反應(yīng)生成難溶性物質(zhì),降低了這些元素的有效性。磷酸脲作為酸性絡(luò)合氮磷復(fù)合肥施入土壤后,增加了土壤中的氫離子,降低了土壤的pH,增大了鈣、鎂、鋅、錳等元素的溶解量,提升了植物對中微量元素的吸收效果。

3 磷酸脲在西北鹽堿土壤上的應(yīng)用效果

在新疆水資源緊缺以及南疆開展的“滴水出苗”探索的背景下,利用磷酸脲作為促苗肥,在新疆喀什地區(qū)巴楚縣、新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師51團、第一師8團分別開展了百畝田間試驗示范,考察磷酸脲在新疆棉田的應(yīng)用效果。

3.1 磷酸脲對棉花出苗率的影響

3.1.1 不同水溶性鹽含量的土壤施用磷酸脲對棉花出苗率的影響

利用盆栽試驗,采用裂區(qū)設(shè)計,設(shè)置1.5、3.0、6.0 g/kg等3個土壤水溶性鹽梯度,每個土壤鹽梯度下設(shè)置4個磷酸脲處理,質(zhì)量濃度分別為0、0.05、0.1、0.2 g/L,用量分別為0、1、2、4 kg/畝(1畝=667 m2,折算成每盆用量分別為0、0.2、0.4、0.8 g)。試驗盆缽置于控溫溫室內(nèi),自然光照,日溫25 ℃、夜溫10 ℃,考察磷酸脲作為基肥對棉花(品種為中棉所96A)出苗率的影響,結(jié)果見圖2。

圖2 土壤水溶性鹽含量對棉花出苗率的影響

由圖2可知:土壤水溶性鹽質(zhì)量分數(shù)為1.5 g/kg時,各處理播種后7 d的出苗率均達到50%以上;后續(xù)出苗率增加放緩,以磷酸脲用量4 kg/畝處理的出苗率為最高,較清水處理的提高19%。土壤水溶性鹽質(zhì)量分數(shù)為3.0 g/kg時,各處理播種后7 d的出苗率均達到40%以上,磷酸脲用量2 kg/畝和4 kg/畝處理的出苗率達到50%;后續(xù)出苗率逐漸增加,以磷酸脲用量4 kg/畝處理的出苗率為最高,較清水處理的提高27%。土壤水溶性鹽質(zhì)量分數(shù)為6.0 g/kg時,各處理播種后7 d的出苗率均在30%以下,后續(xù)出苗率增速加快;磷酸脲用量2 kg/畝和4 kg/畝處理在播種后10 d的出苗率可達到40%以上,以磷酸脲用量4 kg/畝處理的出苗率為最高,較清水處理的提高37%。

土壤水溶性鹽含量對棉花出苗率的影響明顯,較高的水溶性鹽含量會抑制棉花出苗速率;在試驗的3個土壤水溶性鹽含量水平下,磷酸脲處理的棉花出苗率均高于清水處理的,且隨著磷酸脲用量的增加,出苗率有增大的趨勢。

3.1.2 不同環(huán)境溫度下施用磷酸脲對棉花出苗率的影響

不同環(huán)境溫度下施用磷酸脲的棉花出苗率見圖3。在晝、夜溫度分別為30、15 ℃的情況下,對照處理和磷酸脲處理播種7 d后均表現(xiàn)出較高的出苗率,播種后8～14 d陸續(xù)出苗的數(shù)量較少;在晝、夜溫度分別為25、10 ℃的情況下,對照處理和磷酸脲處理的出苗率和出苗速率均受到明顯影響,播種后8～14 d陸續(xù)出苗的數(shù)量增加,且播種后14 d的出苗率明顯低于較高環(huán)境溫度的處理。

圖3 環(huán)境溫度對棉花出苗率的影響

環(huán)境溫度對鹽堿土棉花出苗率影響明顯,較高的溫度能夠促進棉花盡快出苗、齊苗;而在低環(huán)境溫度下,磷酸脲處理的棉花出苗率高于對照處理的,說明磷酸脲能夠減輕低溫環(huán)境對棉花種子出苗率的影響。

3.2 磷酸脲在鹽堿土上的遷移特征

利用土箱進行水分運移測定,共設(shè)置3個處理,分別為等體積的清水、磷酸一銨溶液、磷酸脲溶液(與磷酸一銨濃度一致),分別取潤濕上下層進行養(yǎng)分分析,考察磷酸脲溶液在鹽堿土上遷移及土壤的有效性特征,結(jié)果見圖4。

圖4 磷酸脲溶液在鹽堿土上的遷移特征

從圖4可知:在灌水量為5 m3/畝的條件下,清水和2種溶液的潤濕深度均表現(xiàn)為在前3 h快速增加,之后增加緩慢;磷酸脲溶液的垂直遷移速率明顯高于磷酸一銨的,而二者均高于清水的。可見,溶液pH越小,其在鹽堿土中24 h后的縱向遷移距離越深。

在初始土壤pH為7.8、總水溶性鹽質(zhì)量分數(shù)為9.3 g/kg、全氮質(zhì)量分數(shù)為0.74 g/kg、速效磷質(zhì)量分數(shù)為50.8 mg/kg的基礎(chǔ)條件下,進一步分析滴灌不同磷肥(質(zhì)量分數(shù)0.01%)及清水對鹽堿土養(yǎng)分有效性的影響,結(jié)果見表1。

表1 滴灌不同磷肥(質(zhì)量分數(shù)0.01%)及清水對鹽堿土養(yǎng)分有效性的影響

與滴灌前相比:滴灌后各處理潤濕層上層土壤的pH和速效磷含量升高,水溶性鹽濃度和全氮含量下降;潤濕層下層土壤的pH和速效磷含量下降,水溶性鹽濃度和全氮含量升高。

滴灌后的土壤水溶性鹽濃度在潤濕層上層土壤下降了約50%,說明鹽堿土中的水溶性鹽基離子隨水運動特征明顯;然而潤濕層下層土壤水溶性鹽濃度僅增加約14%,說明水溶性鹽基離子隨水運動時存在離子固定現(xiàn)象。滴灌后的土壤速效磷含量在潤濕層上層土壤表現(xiàn)為升高,但在潤濕層下層土壤表現(xiàn)為下降,這可能是水溶性磷與上層隨水移動到下層的鹽基離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后固定造成的。

由此可以認為,因特殊的化學(xué)性質(zhì),磷酸脲作為磷肥在鹽堿土上施用具有較強的縱向運移、抗固定、磷養(yǎng)分活性高等特點。

3.3 磷酸脲隨水滴施對棉苗生長發(fā)育的影響

2020年,以相同的棉花品種(中棉所96A)為試驗對象,在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師51團開展了磷酸脲滴施田間對比試驗,試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 磷酸脲滴施對棉花苗期生長的影響

表3 磷酸脲滴施對棉花蕾期生長的影響

從表2可知:磷酸脲處理的棉花在苗期的生長優(yōu)于對照處理的,磷酸脲處理的棉花根、莖、葉干物質(zhì)質(zhì)量較高,且葉面積較大,更利于棉苗前期的生長。

由表3可知:磷酸脲處理的棉花株高高于對照處理的,主要表現(xiàn)為前三節(jié)主莖節(jié)長度大,進而出葉速度快,為棉花后期機械采摘奠定了良好的果枝使節(jié)高度;棉花現(xiàn)蕾數(shù)有增加趨勢,奠定了后期產(chǎn)量的基礎(chǔ)。

3.4 磷酸脲隨水滴施對棉花產(chǎn)量的影響

2020年,收獲期田間調(diào)查及農(nóng)戶實際收獲產(chǎn)量表明(見表4):磷酸脲處理的棉花成鈴數(shù)和衣分高于對照處理的,但單鈴質(zhì)量與對照處理的相同;磷酸脲處理實際收獲的籽棉產(chǎn)量比對照處理的增加15.1 kg/畝。

4 結(jié)語

許多鹽堿地改良方法都能獲得一定程度的改良效果,可以使土壤理化性狀發(fā)生改變、促進植物生長、增加作物產(chǎn)量,但均有不足和局限性。隨著時代的進步、社會發(fā)展的需求和人們安全意識的提高,快速、安全改良鹽堿地越來越受到重視,這就對改良方法和改良材料的選擇提出了更高的要求。

磷酸脲水溶液因呈酸性,能夠降低堿性土壤pH,抑制氨的揮發(fā),提高鈣、鎂、錳、鋅的活性,提升養(yǎng)分利用率、作物產(chǎn)量,是化學(xué)改良鹽堿土壤的一種重要物質(zhì),尤其在西北干旱地區(qū)應(yīng)用前景良好;而且磷酸脲的推廣使用會促進水肥一體化施肥技術(shù)的不斷發(fā)展,對推廣節(jié)水施肥意義重大。