草酸和抑制劑對氮肥在喀斯特土壤中遷移規律的影響

謝富金,鐘 寧,王家鳳,張嘉佳,田 嫄,陶毅才,周柳強,蔡秋亮

(1.廣西芒果生物學重點實驗室,廣西 百色 533000;2.百色學院農業與食品工程學院,廣西 百色 533000;3.百色學院亞熱帶特色農業產業學院,廣西 百色 533000;4.閩南師范大學,福建 漳州 363000;5.重慶三峽學院生物與食品工程學院,重慶 404100;6.廣西農業科學院農業資源與環境研究所,南寧 530007)

【研究意義】我國喀斯特土壤主要分布在西南地區的貴州、廣西和云南等省(區),喀斯特地貌的生態環境較脆弱[1],導致基巖裸露、植被退化,易造成環境巖漠化[2],土壤養分不平衡[3],嚴重影響作物生長[4]。氮肥是世界上產量最高和用量最大的肥料,適量施用氮肥可提高土壤養分和有機質含量,提高土壤肥力和作物產量[5],改善農產品質量[6],過量施用氮肥會提高農業生產成本及增加硝態氮在土壤中的淋溶風險,使農業生產受到損害,生態環境受到污染[7-8]。我國氮肥利用率僅為30%～35%,比發達國家低10%～20%[9]。氮素在土壤中遷移轉化是造成氮肥利用率低、氮素損失和環境污染的主要原因[10],其中,約90%的氮素在土壤中通過徑流、硝化和反硝化作用及氣化揮發等方式損失[11]。通過草酸、硝化抑制劑(DMPP)和脲酶抑制劑(NBPT)與氮肥配施提高氮肥利用率的研究已有報道[12-13],但喀斯特土壤土層薄,蓄水能力差,生產上尚不清楚氮肥配施草酸、DMPP和NBPT后氮肥的利用狀況。因此,探究喀斯特土壤中氮肥配施草酸、DMPP和NBPT后氮素的遷移規律,對提升喀斯特土壤肥力狀況和提高氮肥的有效利用率、降低農業生產成本、緩解氮肥流失對環境的危害具有重要意義。【前人研究進展】針對氮素損失問題,學者已開展諸多研究,尤其以采取有效措施調控土壤氮素供應和減少氮素損失的研究報道較多[12]。張朝等[13]研究表明,施入尿素和硫酸銨后,土壤中氮素的遷移轉化主要集中在0～50 mm土層,且硫酸銨處理的氮素轉化速率較尿素處理低。杜振宇和周健民[14]研究認為,施用氯化鉀能顯著降低肥際微域土壤pH,但隨著施肥點距離加大,土壤pH相應升高。蘇同慶等[15]研究發現,土壤中的鉀由肥際向非肥際的擴散距離隨著鉀肥施用量的增加而加大。有效提高氮肥利用率的常見方法為施用氮肥增效劑和低分子量有機酸,其中低分子量有機酸主要包括草酸、檸檬酸和蘋果酸等。草酸作為一種良好的外源土壤改良劑[16],能降低土壤pH,增加土壤微生物數量,改善土壤種群結構,活化土壤養分[17],提高土壤養分有效性及含量[18];樊衛國等[19]、張乃于等[20]研究指出,施用低分子量有機酸可改善土壤養分的供給狀況,進而促進植物生長。在有關草酸和氮肥增效劑與氮肥配施提高氮肥利用率的研究報道中,氮肥增效劑主要是指DMPP和NBPT,施用NBPT會抑制土壤脲酶活性,使尿素在土壤中的水解受到抑制,土壤中的氨氣、氮素揮發和損失減少[21]。也有研究表明,土壤中添加草酸可有效控制氮素損失[19],DMPP與氯化銨配施后會抑制土壤的硝化作用[20],使土壤中銨態氮轉化為硝態氮的速率減緩,土壤中氮素損失減少[22],從而減輕環境污染程度。還有研究認為,在喀斯特地區以化肥與有機肥配施可調控農田土壤的養分平衡,提高作物產量[23-24]。【本研究切入點】目前,針對喀斯特土壤中草酸和抑制劑與不同種類氮肥配施條件下氮素遷移規律和分布的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】采用室內模擬土柱方式,探究草酸和抑制劑與不同類型氮肥配施對喀斯特土壤中氮素遷移規律的影響,以期為農業生產上提高喀斯特土壤的氮肥有效利用率、降低生產成本及精準施肥提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

采樣地位于廣西西部的百色市田陽區(106°22′14″～107°8′32″ E,23°28′20″～24°6′55″ N),屬低緯度南亞熱帶季風氣候區。供試土壤為田陽區南部石山區喀斯特溶巖土。選定多點距地面深度2.0～3.0 cm 的表層土壤,采集后混合置于自然條件下(室內通風放置,室溫30～39 ℃)晾干備用。混合土樣呈弱酸性,pH 6.37,有機質含量5.42 g/kg,全氮含量0.56 g/kg。草酸、DMPP和NBPT及硝酸鉀、氯化銨和尿素(3種氮肥均為分析純)均購自天津市致遠化學試劑有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 將采集的土壤樣品裝袋(高25.0 cm,寬10.0 cm),覆土810.0 g(覆蓋高度為18.0 cm)后注入243.0 g水以保證袋中土壤濕度為30%,靜置24 h。設草酸和草酸+抑制劑(NBPT和DMPP)分別與3種氮肥配施處理(A、B和C處理),各處理的肥料分別淋施于注水靜置后的土柱表層,然后覆土135.0 g(覆蓋高度為3.0 cm),再次注水40.5 g使袋中土壤濕度達30%(模擬農戶添加肥料經雨水或人工灌溉后的土壤濕度)。處理完畢后扎緊袋口,對土柱袋扎孔徑約1.0 cm的5個小孔以保證通氣,自然條件下放置培養15、30和90 d(各處理均包含15、30和90 d的培養天數;A處理中,A1處理為施用硝酸鉀,A2處理為施用硝酸鉀+草酸,A3處理為施用硝酸鉀+草酸+DMPP,A4處理為施用硝酸鉀+草酸+NBPT;B處理中,B1處理為施用氯化銨,B2處理為施用氯化銨+草酸,B3處理為施用氯化銨+草酸+DMPP,B4處理為施用氯化銨+草酸+NBPT;C處理中,C1處理為施用尿素,C2處理為施用尿素+草酸,C3處理為施用尿素+草酸+DMPP,C4處理為施用尿素+草酸+NBPT)。3次重復。在相應的時間段對土柱進行理化性質檢測。

1.2.2 采樣方法 將培養到界定時間段的待測土樣進行如下處理:土柱水平放置,每隔1.0 cm分層釆集8份土樣,后繼續以每隔2.5 cm 分層釆集4份土樣。經預備試驗發現土柱最后一段(袋尾處)土樣的氮含量極低,因此廢棄不用(圖1)。對切割完畢的土壤樣品分別進行風干、研磨和過篩(20目篩網),最終得到12份標記的土壤樣品(即袋口至袋尾共切割12份土樣,從左往右將切割的12份土樣分別標記為1、2、3,......,12個土壤位點,12個土壤位點同時也表示12個土層,其中位點1和2為表土層)。

圖1 土柱樣品示意圖Fig.1 Schematic diagram of soil column samples

銨態氮含量(mg)=m×1000/V

硝態氮結果校正A校正=A220-A275

式中,m為由校準曲線查得的銨態氮含量,V為水樣體積(mL),A校正為吸光值的校正值,A220為波長220 nm處測得的吸光值,A275為波長275 nm處測得的吸光值。求得A校正后,從標準曲線中查得相應的硝態氮含量。

整個土柱的銨態氮和硝態氮含量以各切片厚度為權重,先計算各份土柱的可溶性無機氮(C1,C2,......,C12)含量,再進行求和(dN總),最后計算可溶性無機氮百分率(dN-總N占比率)。

可溶性無機氮百分率(%)=dN總/N×1/100

式中,N為各類銨態氮肥料中的可溶性無機氮含量。

1.3 統計分析

試驗數據采用SPSS 22.0進行多因素比較和單因素分析,以Excel 2010制圖。

2 結果與分析

2.1 草酸和抑制劑與硝酸鉀配施對土壤可溶性無機氮含量的影響

由表1可知,A1～A4處理土壤可溶性無機氮含量的最大值均分布在表土層;隨著土層深度增加,各處理的土壤可溶性無機氮含量總體上逐漸降低,其中靠后幾個位點的可溶性無機氮含量間差異極小;在A2處理中,培養15 d位點1的土壤可溶性無機氮含量最高(同時也是A處理中的最大值),為0.516 mg/g,且顯著高于同一培養時間的其他位點(P<0.05,下同),而培養15 d的其他位點及培養30和90 d多數位點的土壤可溶性無機氮含量均高于相應培養天數和位點的A1處理;在同一處理不同培養時間,A1、A2和A3處理內各土層的土壤可溶性無機氮含量除個別位點外均存在顯著差異,其中,A1和A2處理表現為15 d>30 d>90 d,A3處理表現為90 d>30 d>15 d,而A4處理的土壤可溶性無機氮含量總體上以培養90 d時較高。從表1可看出,在培養15 d時A4處理的土壤可溶性無機氮含量除位點8外均高于A3處理,其中位點1～6和位點11～12與A3處理相應位點差異顯著;在培養15和30 d時A3和A4處理的土壤可溶性無機氮含量總體上較相應的A1和A2處理低,但在培養90 d時位點1～9的土壤可溶性無機氮含量均顯著高于A1和A2處理相應的位點。

表1 草酸和抑制劑與硝酸鉀配施的土壤可溶性無機氮含量比較Table 1 Comparison of soluble inorganic nitrogen content in soil applied with oxalic acid and inhibitor and potassium nitrate

綜上所述,在草酸和抑制劑與硝酸鉀配施的各處理中,土壤可溶性無機氮含量總體上均隨著土層深度的增加逐漸降低;硝酸鉀配施草酸對提高土壤可溶性無機氮含量的效果優于硝酸鉀配施草酸+DMPP和硝酸鉀配施草酸+NBPT;隨著培養時間的延長,硝酸鉀配施草酸+DMPP和硝酸鉀配施草酸+NBPT均可提高土壤的可溶性無機氮含量。

2.2 草酸和抑制劑與氯化銨配施對土壤可溶性無機氮含量的影響

由表2可知,B1～B4處理土壤可溶性無機氮含量的最大值均分布在位點1～3;隨著土層深度增加,各處理的土壤可溶性無機氮含量總體上表現波動降低,尤其在位點10后極低;在B2處理中,培養30 d位點1的土壤可溶性無機氮含量較高(同時也是B處理中的第二大值),為3.266 mg/g,且顯著高于同一培養時間的其他位點,而培養30 d的其他位點及培養15和90 d多數位點的土壤可溶性無機氮含量均高于相應培養天數和位點的B1處理;B處理中的土壤可溶性無機氮含量最大值出現在B3處理培養15 d位點1,為3.612 mg/g。從表2可看出,在培養90 d時,B1和B2處理位點1～9(B2處理培養90 d位點9除外)的土壤可溶性無機氮含量均顯著低于培養15 d時,多數位點表現為15 d>30 d>90 d,而位點10～12的土壤可溶性無機氮含量均顯著高于培養15 d時,表現為30 d>90 d>15 d;B3和B4處理位點1～8的土壤可溶性無機氮含量總體上均顯著低于培養15 d時(B3處理培養90 d位點8和B4處理位點3除外),其中B3處理多數位點表現為15 d>30 d>90 d,B4處理多數位點表現為15 d>90 d>30 d,而位點9～12的土壤可溶性無機氮含量均顯著高于培養15 d時,表現為90 d>30 d>15 d;B3處理各培養時間和位點的多數土壤可溶性無機氮含量均高于B1和B2處理的相應培養時間和位點,同時,其培養15和30 d多數位點的土壤可溶性無機氮含量高于B4處理的相應培養時間和位點,培養90 d的部分土壤可溶性無機氮含量也高于B4處理相應培養時間和位點;在B3處理中,培養15 d位點1～9、培養30 d位點1～9和培養90 d位點1～10的土壤可溶性無機氮含量分別為0.735～3.612、0.873～3.165和0.659～2.286 mg/g,其中,培養90 d位點10的土壤可溶性無機氮含量(0.659 mg/g)在B處理的同一位點中最高,說明B3處理的土壤氮素遷移距離最長。

表2 草酸和抑制劑與氯化銨配施的土壤可溶性無機氮含量比較Table 2 Comparison of soluble inorganic nitrogen in soil applied with oxalic acid and inhibitor and ammonium chloride

綜上所述,在氯化銨配施草酸+抑制劑的各處理中,土壤可溶性無機氮含量均隨著土層深度的增加而降低,總體上以氯化銨配施草酸+DMPP對提高土壤可溶性無機氮含量的效果更佳。

2.3 草酸和抑制劑與尿素配施對土壤可溶性無機氮含量的影響

從表3可看出,C1～C4處理土壤可溶性無機氮含量的最大值均分布在位點1～4;隨著土層深度的增加,各處理的土壤可溶性無機氮含量總體呈下降趨勢;隨著培養時間的延長,C1處理各位點的土壤可溶性無機氮含量除位點11和12外均有所升高;C2處理各位點的土壤可溶性無機氮含量(除培養30 d位點11和12外)均較相應培養時間和位點的C1處理有所提高,最高含量為培養30 d位點2的0.958 mg/g,較C1處理中的最高含量(0.680 mg/g)提高40.9%,說明尿素配施草酸可改良氮肥在土壤中的有效性;C3處理培養15 d時各位點的土壤可溶性無機氮含量總體上均顯著低于培養30和90 d時的相應位點(培養15 d位點4除外),最大值分布在表土層(培養30 d位點2),為0.940 mg/g,C3處理位點1～3的土壤可溶性無機氮含量均高于除C2處理培養30 d位點2和培養90 d位點4外C1、C2和C4處理的其他位點;C4處理各培養時間和多數位點的土壤可溶性無機氮含量較相應培養時間和位點的C3處理均有所降低,且在3個培養時間的位點1～5分布較均勻(培養15 d時為0.545～0.694 mg/g,培養30 d時為0.536～0.653 mg/g,培養90 d時為0.574～0.669 mg/g);C1～C4處理中培養30和90 d多數位點的土壤可溶性無機氮含量差異較小,且二者均高于培養15 d時;C3處理培養15 d位點1～4、培養30 d位點1～9和培養90 的d位點1～6土壤可溶性無機氮含量總體上均高于C處理其他相應培養時間和位點(除C2處理培養30 d位點2外),其中C3處理的土壤可溶性無機氮含量在培養15 d時高于0.500 mg/g的位點延伸至位點6,培養30 d時延伸至位點9,培養90 d時延伸至位點11,說明尿素配施草酸+DMPP能提高土壤中的可溶性無機氮含量。

表3 草酸和抑制劑與尿素配施的土壤可溶性無機氮含量比較Table 3 Comparison of soluble inorganic nitrogen content in soil treated with oxalic acid and inhibitor and urea

可見,在尿素配施草酸+抑制劑的各處理中,尿素配施草酸+DMPP的表層土壤可溶性無機氮含量總體上隨著培養時間的延長呈增加趨勢。

2.4 草酸和抑制劑與不同氮肥配施對土壤可溶性無機氮百分率的影響

從圖2可看出,在培養15、30和90 d時,A1處理的土壤可溶性無機氮百分率分別為15.98%、11.22%和5.57%,A2處理分別為16.68%、11.35%和6.12%;B1處理的土壤可溶性無機氮百分率分別為40.78%、37.84%和30.03%,B2處理分別為41.28%、40.90%和30.69%;C1處理的土壤可溶性無機氮百分率分別為9.01%、9.34%和9.72%,C2處理分別為10.29%、10.59%和11.02%,說明A2、B2和C2處理不同培養時間的土壤可溶性無機氮百分率均分別較A1、B1和C1處理相應培養時間的土壤可溶性無機氮百分率有所提高,即硝酸鉀或氯化銨或尿素配施草酸的土壤可溶性無機氮百分率均高于單施硝酸鉀或氯化銨或尿素。在培養15、30和90 d時,A3處理的土壤可溶性無機氮百分率分別為5.03%、7.04%和10.02%,A4處理分別為6.57%、7.11%和8.57%,說明二者培養15和30 d的土壤可溶性無機氮百分率均較相應的A1處理有所降低,但培養90 d時較相應的A1處理有所升高,說明硝酸鉀配施草酸+抑制劑在培養至90 d時土壤可溶性無機氮含量得以提高;B3處理的土壤可溶性無機氮百分率分別為45.48%、38.14%和34.69%,B4處理分別為37.38%、32.42%和31.64%,說明B3處理各培養時間中除培養30 d外的土壤可溶性無機氮含量均明顯高于相應培養時間的B1、B2和B4處理,即氯化銨配施草酸+DMPP可明顯提高土壤的可溶性無機氮含量;C3處理的土壤可溶性無機氮百分率分別為6.59%、9.89%和11.19%,C4處理分別為4.81%、7.39%和6.35%,其中培養30和90 d時的土壤可溶性無機氮含量高于相應培養時間的C1和C2處理。在不同培養時間下,A1、A2、B1、B2、B3和B4處理的土壤可溶性無機氮百分率均表現為15 d>30 d>90 d,呈隨著培養時間延長而下降的變化趨勢,A3、A4、C1、C2和C3處理的土壤可溶性無機氮百分率表現為90 d>30 d>15 d,呈隨著培養時間延長而上升的變化趨勢,說明硝酸鉀或氯化銨或尿素配施草酸+抑制劑會在一定程度上改變其在土壤中的遷移和留存狀況;在相同培養時間下,不同處理的土壤可溶性無機氮百分率也存在差異,從總體上看,A和C處理的土壤可溶性無機氮百分率均低于20.00%,且均低于相應培養時間的B處理,其中,B3處理培養15 d時的土壤可溶性無機氮百分率最高,為45.48%,說明氯化銨配施草酸+DMPP具有更佳的提高土壤可溶性無機氮含量效果。

同一小圖同一處理圖柱上不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters on the bar of the same small picture represent significant difference(P<0.05).圖2 草酸和抑制劑與不同氮肥配施的土壤可溶性無機氮百分率比較Fig.2 Comparison of soluble inorganic nitrogen percentage of soil with oxalic acid and inhibitor combined with different nitrogen fertilizers

綜上所述,硝酸鉀配施草酸、氯化銨配施草酸+DMPP均可明顯提高土壤可溶性無機氮含量,但土壤可溶性無機氮含量隨著培養時間的延長而降低;尿素配施草酸+DMPP可提高土壤可溶性無機氮含量,且土壤可溶性無機氮含量隨著培養時間延長而升高。

3 討 論

本研究結果表明,在草酸和抑制劑與硝酸鉀配施的各處理中,草酸與硝酸鉀配施的土壤可溶性無機氮含量最高,與薛金元[25]的研究結果相似,而硝酸鉀配施草酸+抑制劑后土壤的可溶性無機氮含量明顯降低的研究結果與薛金元[25]的研究結果不一致,說明抑制劑對硝酸鉀在不同土壤類型中的有效性產生了影響。在草酸和抑制劑與氯化銨配施的各處理中,氯化銨配施草酸+DMPP的土壤可溶性無機氮含量明顯高于單施氯化銨、草酸與氯化銨配施及草酸+NBPT與氯化銨配施處理,說明草酸+DMPP與氯化銨配施后氮素在土層中遷移距離最長,與Liu等[26]、傅偉等[27]研究獲得氯化銨配施DMPP后抑制土壤的硝化作用、使氯化銨中的銨態氮在土壤中保留時間變長且向硝態氮轉化速率受到抑制,從而提高土壤可溶性無機氮含量的結果一致。在草酸和抑制劑與尿素配施的各處理中,尿素配施草酸+DMPP對提高土壤可溶性無機氮含量的效果最佳,說明添加DMPP可延長尿素在土壤中的肥效和遷移距離,與Muneer[28]、Xu等[29]研究認為尿素配施草酸和DMPP可抑制土壤的硝化作用,使得氨態氮能在土壤中保留時間較長,同時也改變了土壤中銨態氮與硝態氮的比例并在一定程度上減少氮素損失的觀點一致。

本研究中,3種氮肥配施草酸的土壤可溶性無機氮百分率均高于單施氮肥,與薛文濤等[16]、盧越等[17]的研究結果一致,說明土壤中添加一定量的有機酸,可在一定程度上改良土壤的理化性質;硝酸鉀配施草酸+DMPP和硝酸鉀配施草酸+NBPT處理培養15和30 d的土壤可溶性無機氮百分率均較相應的單施硝酸鉀處理有所降低,但培養90 d的土壤可溶性無機氮百分率較相應的單施硝酸鉀處理有所升高;氯化銨配施草酸+DMPP處理培養15 d的土壤可溶性無機氮百分率最高達45.48%,表明氯化銨配施草酸+DMPP后氯化銨在土壤中水解并使土壤發生酸化作用,土壤pH降低,土壤硝化細菌繁殖受到抑制,土壤中銨態氮含量由于土壤硝化作用減弱而大量增加且易被土壤固定,在土壤濕度為30%條件下,氮素也不易轉化為不穩定的硝態氮而流失;尿素配施草酸+DMPP處理培養90 d的土壤可溶性無機氮百分率均高于對應的單施尿素和尿素配施草酸處理。可見,氯化銨和尿素分別配施草酸+DMPP對延長氮素在土壤中遷移時間的效果較佳。

本研究還發現,硝酸鉀和尿素分別配施草酸+抑制劑各處理的土壤可溶性無機氮百分率均低于20.00%,可能與硝酸鉀施入土壤后氮素以氮氣和氧化亞氮的形式、尿素中的氮素極大部分以氣態氨的形式發生流失有關[30]。此外,由于土壤類型不同,尤其是土壤粘性及土壤膠體的吸收與吸附-解吸能力存在差異[31]也會影響土壤對氮素的吸附能力。因此,氮肥在喀斯特不同類型土壤中的施用效果仍有待進一步探究。

4 結 論

硝酸鉀、氯化銨和尿素分別配施草酸均能提高喀斯特土壤的可溶性無機氮含量,促進氮素向深層次土壤遷移,氯化銨和尿素分別配施草酸+DMPP均可延長氮素在土壤中的遷移時間,提高土壤可溶性無機氮含量,農業生產上可參考應用這些高效利用氮肥的施肥方式。