2018, Vol. 26
2. 浙江省农业资源与环境重点实验室 杭州 310058;
3. 湖南省农业科学院土壤肥料研究所 长沙 410125
2. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, Hangzhou 310058, China;
3. Soil and Fertilizer Institute, Hunan Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410125, China
钾(K)是植物生长发育所必需的大量营养元素, 在生长代谢中发挥着重要作用[1-2]。土壤缺K会造成作物因生理失调而减产[3], 施用钾肥是缓解土壤K素亏缺的重要途径[4]。目前, 我国已成为世界主要钾肥消费国[5], 同时钾肥资源匮乏[6], 进口量位居世界第一[7]。
黄泥田属于渗育型水稻土亚类, 是我国南方稻区重要的中低产田之一[8], 面积约有140万hm2。其主要分布在山地丘陵坡上, 以耕层浅薄、土质黏重、熟化度低为主要障碍特征[9]。黄壤成土母质为酸性结晶岩、砂岩等风化物及部分第四纪红色黏土, 由于中度风化和强度淋溶, 呈酸性至强酸性, pH 4.5~5.5;土壤交换性盐基含量最低, B层盐基饱和度小于35%[10]。可见, 黄泥田土壤速效养分含量低, 肥力低下, 保肥性能差, 盲目施肥易导致养分的大量损耗[11]。其中, 缺K现象极其严重[12]。
影响K素淋溶的土壤性质主要有pH[13]、土壤矿物类型[14]、交换性K含量[15]和质地[16]等。研究表明, 偏酸性土壤中Al和羟基铝离子可占据K+的选择结合位, 抑制土壤矿物对K+的吸附, 使K+不易进入复合体而大部分留存在土壤溶液中, 从而加剧淋失[17-18]。NH4+和K+的离子半径相近, 会竞争土壤的吸附位点, 施用氮(N)肥必然影响土壤对K+的吸附[13]。马茂桐[19]研究发现, 施用尿素促进红壤中K+的流失。杜振宇等[20-21]研究发现, 铵钾肥共施显著提高肥际微域中的水溶态K含量, 减少土壤晶格对K的固定。
相关研究报道, 由于硝化抑制剂的施用显著降低土壤硝酸盐的淋溶损失, 根据溶液等电荷平衡原理, 一些土壤阳离子如K+、Ca2+、Mg2+等的淋溶损失也会相应降低[22-24]。同时, 脲酶抑制剂可以抑制土壤中脲酶活性, 减缓尿素态氮水解为NH4+-N[25]。目前, 有关不同氮肥种类对南方酸性土壤中养分淋失特征的影响研究较少, 且主要集中在N素方面。而关于配施抑制剂对K素淋溶特征的影响研究鲜见报道。因此, 采用室内模拟试验, 开展不同氮肥种类结合不同抑制剂组合对黄泥田土壤中K素淋溶特征的影响研究, 以期为中低产田更优化的施肥管理措施提供科学理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料供试土壤为黄泥田水稻土, 由第四纪红壤发育而成, 于2013年10月采自浙江省金华市婺城区琅琊镇金朱村(29°01′19″N, 119°27′96″E)的0~20 cm耕层土壤。该地区地处金衢盆地东缘, 属于中亚热带季风气候, 海拔86 m, 年均降雨量1 424 mm, 年均气温17.5 ℃。新鲜土样采回后剔除杂物及根系, 风干后过2 mm筛备用。供试土壤基本理化性质为pH(H2O)5.2(土:水=1:1), CEC 7.3 cmol·kg-1, 有机质26.2 g·kg-1, 全氮1.3 g·kg-1, 碱解氮132.3 mg·kg-1, NH4+-N 53.4 mg·kg-1, NO3--N 17.8 mg·kg-1, 有效磷4.4 mg·kg-1, 速效钾79.0 mg·kg-1, 砂粒32.8%, 粉粒44.1%, 黏粒23.1%。
供试尿素(含N 46%)、过磷酸钙(含P2O5 12%)、氯化钾(含K2O 60%)为分析纯, 由国药集团化学试剂有限公司生产; 尿素硝铵(含N 32%)为分析纯, 由中化作物营养有限公司生产; 脲酶抑制剂N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和硝化抑制剂2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(CP)24%乳油剂型为分析纯, 由浙江奥复托化工有限公司生产。
1.2 试验装置模拟土柱装置为内径10 cm、高度40 cm的PVC圆柱管[26], 底部铺2 cm厚、粒径1~2 mm的干燥石英砂, 管柱下开一个2 cm的孔, 连接塑料管以便柱内渗滤液流出, 管底及砂粒与土壤接触面分别铺一层200目的尼龙滤布。按照1.25 g·cm-3土壤容重将已处理好的风干土样装入PVC圆柱管中, 形成高约30 cm的模拟土柱。
1.3 试验设计试验于2015年4—6月在浙江省杭州市浙江大学紫金港校区实验室进行, 室内温度基本保持在25~35 ℃, 不种任何作物。试验共2组, 每组设置9个处理, 重复3次, 如表 1所示。装土柱时, 将土壤分为两层装入, 0~10 cm和10~30 cm(从上到下)。尿素/尿素硝铵和生化抑制剂混匀, 再与过磷酸钙和氯化钾同0~10 cm土壤充分混匀后, 填装在土壤表面。N用量为300 kg·hm-2, P2O5和K2O用量均为150 kg·hm-2。
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表1 不同氮肥配施生化抑制剂下土柱试验处理 Table 1 Experimental treatments of soil column of different N fertilizations combined with biochemical inhibitors |
土柱安装好后每天从顶部用注射器缓慢注入200 mL水(参照当地平均降雨量25.5 mm)[26]。为接近自然降水状态, 采用间歇淋溶法, 让土壤有一定的反应时间。待有淋溶液流出, 从第6 d开始模拟降雨, 每隔6 d一次, 每次200 mL, 尔后收集淋溶液, 并记录淋溶液量, 共13次。在试验开展的第1 d、6 d、12 d、18 d、24 d、30 d、36 d、42 d、48 d、54 d、60 d、66 d、72 d收集水样。第36 d和72 d时, 各取1组土柱进行土样分层采集(0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm、15~20 cm、20~25 cm、25~30 cm共6层), 用于检测土壤剖面速效钾含量随土层深度的动态分布。
1.4.2 测定项目与方法土壤基本理化性状采用常规方法测定[27]。在每次收取淋溶液后, 将其充分混匀, 测量淋溶液体积, 采用火焰光度计法测定淋溶液中K+浓度, 采用紫外分光光度法测定淋溶液中NO3--N浓度。每次淋溶量相加得到累积淋溶量[28]。分层采集的土样立即用1 mol∙L-1 NH4AC浸提, 采用火焰光度计法测定浸提液中K+浓度。
1.4.3 计算公式| $ \begin{array}{l} {{\rm{K}}^ + }{\rm{淋溶率}}\left( \% \right) = \left( {{\rm{施 N 处理}}} \right.{{\rm{K}}^{\rm{ + }}}{\rm{累积淋溶量}} - \\ \left. {{\rm{CK 处理}}{{\rm{K}}^{\rm{ + }}}{\rm{累积淋溶量}}} \right)/{\rm{施 K 量}} \times 100{\% ^{[29 - 30]}} \end{array} $ | (1) |
采用Microsoft Excel 2003和SPSS 17.0数据分析软件进行统计分析, 处理间差异显著性比较采用邓肯氏新复极差检验法。
2 结果与分析 2.1 氮肥配施生化抑制剂下土壤淋溶液中K+浓度由图 1可知, 整个培养期间各处理土壤淋溶液中K+浓度变化总体保持平稳, CK处理幅度为55.8~92.0 mg·kg-1, U各处理为62.0~112.3 mg·kg-1, UAN各处理为71.5~137.5 mg·kg-1。不同氮肥种类处理土壤淋溶液中, K+平均浓度表现为UAN处理(103.0 mg·kg-1)高于U处理(93.9 mg·kg-1), 各抑制剂处理间存在差异。培养前期(第18 d), U各处理土壤淋溶液中K+浓度为U(104.3 mg·kg-1) > CK(84.5 mg·kg-1) > U+NBPT(82.8 mg·kg-1) > U+ NBPT+CP(70.5 mg·kg-1) > U+CP(66.8 mg·kg-1), UAN各处理为UAN(124.5 mg·kg-1) > UAN+NBPT(86.8 mg·kg-1) > UAN+NBPT+CP(86.5 mg·kg-1) > CK(84.5 mg·kg-1) > UAN+CP(82.5 mg·kg-1)。说明培养期间, 不同种类氮肥施用会加剧土壤K+的淋失, 其中以UAN处理较高; 添加抑制剂可以有效缓解土壤K+淋失风险, 其中以CP处理效果较好。
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图 1 不同氮肥配施生化抑制剂处理下土壤淋溶液中K+浓度 Figure 1 K+ concentrations in soil leaching solutions in different treatments of N fertilizations combined with biochemical inhibitors |
由图 2可知, 整个培养期间各处理土壤淋溶液中K+累积量变化总体呈上升趋势。随着时间延长, 处理间差异变大。培养中期(第36 d), UAN处理土壤K+淋失累积量较U处理增加9.9%。U各处理土壤淋溶液中K+累积量表现为U > U+NBPT > U+NBPT+CP > U+CP > CK, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别降低12.5%、22.3%和22.7%; UAN各处理表现为UAN > UAN+NBPT+CP > UAN+CP > UAN+NBPT > CK, 其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别降低15.2%、15.2%和12.5%。培养结束(第72 d), UAN处理土壤K+淋失累积量较U处理增加6.7%。U各处理土壤淋溶液中K+累积量表现为U > U+NBPT > U+NBPT+CP > U+CP > CK, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别降低8.7%、20.2%和14.9%; UAN各处理表现为UAN > UAN+NBPT > UAN+NBPT+CP > UAN+ CP > CK, 其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+ NBPT+ CP处理较UAN处理分别降低6.0%、13.8%和9.2%。说明添加CP和NBPT可以有效降低黄泥田土壤中K+的淋溶损失, 且U处理配施CP较UAN处理作用效果更好, 可能与尿素水解过程及肥料N素形态变化有关。
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图 2 不同氮肥配施生化抑制剂处理下土壤淋溶液中K+累积淋失量 Figure 2 K+ accumulation in soil leaching solution in different treatments of N fertilizations combined with biochemical inhibitors |
由图 3可知, 培养结束(第72 d), UAN处理(13.7%)土壤K+淋溶率较U处理(10.8%)增加26.7%。U各处理土壤K+淋溶率表现为U > U+NBPT > U+NBPT+CP > U+ CP, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别显著降低34.6%(P < 0.05)、80.6%(P < 0.05)和59.7%(P < 0.05); UAN各处理表现为UAN > UAN+NBPT > UAN+NBPT+CP > UAN+CP, 其中UAN+NBPT、UAN+ CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别降低20.1%、46.3%(P < 0.05)和31.0%(P < 0.05)。说明添加CP和NBPT可以显著降低黄泥田土壤中K+的淋溶损失, 且U添加CP较UAN作用效果更好。
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图 3 不同氮肥配施生化抑制剂处理下土壤K+淋溶率 Figure 3 K+ leaching rates of soil under different treatments of N fertilizations combined with biochemical inhibitors 柱上不同字母表示处理间差异达5%显著水平. Different letters above the bars mean significant differences among treatments at 5% level. |
由图 4可知, 土壤淋溶液中NO3-淋失累积量整体上呈上升趋势。CK处理呈较低水平, 整个培养期间平稳增加, 无较大波动。U和UAN淋溶液中NO3-淋失累积量前期增长缓慢, 分别于第42 d和第24 d开始急剧增加。
对黄泥田土壤各处理土壤淋溶液中K+累积量(y)随NO3-累积量(x)的变化, 分别以y=ax+b、y=alnx+b、y=axb、lny=ax+b方程进行回归分析(表 2)。各拟合方程R2值均达到极显著水平(P < 0.01), 说明各处理土壤K+淋溶量均随NO3-淋溶量的增加而增加。对于U和UAN处理均以直线方程y=ax+b拟合效果较好, 说明y=ax+b能较好地描述土壤K+淋溶量随NO3-淋溶量的动态变化特征。其中, a表示K+随NO3-变化的速率。U各处理a值表现为U < U+NBPT < U+NBPT+ CP < U+ CP; UAN各处理表现为UAN < UAN+NBPT < UAN+ NBPT+CP < UAN+CP。b为K+初始淋溶量。U各处理b值表现为U > U+NBPT > U+NBPT+CP > U+CP; UAN各处理大小表现为UAN > UAN+NBPT > UAN+NBPT+ CP > UAN+CP。说明黄泥田土壤K+淋失与NO3-变化密切相关; 添加抑制剂可以维持土壤中N素的存在形态, 改变NO3-的存在时间, 从而影响K+的吸附与解析。
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图 4 不同氮肥配施生化抑制剂处理下土壤淋溶液中NO3-淋失累积量 Figure 4 NO3- accumulation in soil leaching solution in different treatments of N fertilizations combined with biochemical inhibitors |
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表2 不同氮肥配施生化抑制剂处理土壤K+淋失量(y, kg·hm-2)与NO3-淋失量(x, kg·hm-2)的拟合方程 Table 2 Fitting equations between leaching amounts of K+ (y, kg·hm-2) and NO3- (x, kg·hm-2) of soils under different treatments of N fertilizations combined with biochemical inhibitors |
由图 5可知, 黄泥田土壤肥际微域中不同处理速效钾含量在0~30 cm土层均随距施肥点距离增加而逐渐降低, K+在表层土(0~10 cm)中迁移速度较快。U和UAN处理培养期间较CK处理促进K+的垂直迁移。培养中期(第36 d), U处理0~5 cm土层速效钾含量较UAN处理高9.2%。U各处理0~5 cm速效钾含量表现为U+CP > U+NBPT+CP > U+NBPT > U, 其中U+NBPT、U+CP和U+NBPT+CP处理较U处理分别提高2.0%、35.0%和6.2%; UAN各处理表现为UAN+CP > UAN+NBPT > UAN+NBPT+CP > UAN, 其中UAN+NBPT、UAN+CP和UAN+NBPT+CP处理较UAN处理分别提高27.1%、28.7%和24.7%。说明添加CP和NBPT可以维持黄泥田土壤中有效钾含量, 且U中添加抑制剂较UAN作用效果更好, 可能与尿素水解时间有关。
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图 5 不同氮肥配施生化抑制剂处理下K+在黄泥田土壤肥际微域中的迁移量 Figure 5 Movement amount of K+ applied in fertilizer microsites in yellow clayey soil under different treatments of N fertilizations combined with biochemical inhibitors |
林清火[31]研究发现, 氮肥种类对砖红壤盐基离子淋失的影响表现为硫酸铵 > 硝酸铵 > 尿素。罗微等[30]通过盆栽试验研究发现, 不同氮肥种类的砖红壤淋溶液中, K+浓度及累计淋溶量大小表现为复混肥b > 碳铵≈尿素 > 复混肥a。余泺等[28]研究发现, 盐基离子淋溶总量(kg·hm-2)表现为硫酸铵(1 821.1) > 硝酸铵(1 080.3) > 尿素(872.2) > N0(417.2);迁移速率表现为硫酸铵(26.3%) > 硝酸铵(13.4%) > 尿素(11.8%)。本研究结果与余泺等[28]研究结果相似, 不同氮肥种类处理对K+在黄泥田土壤中淋溶特征的影响较大。培养期间K+平均浓度表现为UAN > U。培养结束(第72 d), UAN处理K+淋失量和淋溶率均高于U处理, 说明K+在黄泥田土壤中淋溶特征与肥料中N素存在形态有关。每1 mol NH4+转化为NO3-释放出4 mol的H+, NH4+-N较尿素施入土壤产生更强的酸化作用, H+越多越易将土壤胶体上的盐基离子替换[28]。UAN中含大部分NH4+-N和NO3--N, 较尿素更直接与土壤作用。培养期前18 d内, K+淋溶量随时间的推移缓慢上升, 且处理间差别不大; 之后, 各处理淋溶液中K+累积量迅速增加, 曲线斜率不断增大, 淋溶速率加快(图 2), 与尿素水解过程有关[25]。尿素经土壤脲酶水解为NH4+-N, 再由硝化作用转化为NO3--N, 作用过程需要一定的时间。
3.2 抑制剂对土壤K素淋溶的影响NO3--N在土壤中不易被胶体吸附、移动性强, 成为N素淋失的主要形式; NH4+-N在土壤中易被胶体吸附和被矿物晶格固定, 其淋溶损失不如NO3--N强烈, 但由于土壤胶体吸附阳离子的能力有限, 当施肥量超过吸附容量时, NH4+-N也存在明显的淋溶损失[31-32]。NH4+与K+有几乎相同的离子半径和水化能, 会被黏土矿物晶格固定。由于NH4+与K+竞争固定位点, 其存在可能改变K+的固定及释放特征[33]。Di等[34-35]研究发现, 硝化抑制剂减少草地土壤中阳离子(如K+、Ca2+、Mg2+等)的淋失, 而NO3-浓度与阳离子总量呈线性关系。本研究结果表明, 添加抑制剂可以有效维持土壤中较高的速效钾含量, 减缓土层中K+向下迁移, 并提高土壤表层K素有效性, 与NO3-淋失特征有关(表 2)。NBPT延缓尿素水解, CP有效降低NO3-的淋失, 且两者配施具有一定的协同抑制效应[25]。各处理K+淋溶率表现为UAN > UAN+ NBPT > U > UAN+NBPT+CP > UAN+CP > U+NBPT > U+NBPT+CP > U+CP。添加CP有效降低淋溶液中K+浓度及累积量, 而添加NBPT较CP对淋溶液中K+的影响较小。在一定施肥量条件下, 单施CP或与NBPT配施均可显著降低黄泥田土壤中K+淋失量, 减轻养分淋失风险。
3.3 黄泥田土壤K素淋溶特征研究表明, 氮肥用量、降雨量、气温以及土壤性质均会影响K素的移动与淋失[13, 36]。占丽平等[37]研究认为, 土壤黏粒含量越高, 吸持K+数量越多, 阻滞因子与各土层黏粒含量呈极显著线性关系。酸性土壤为高度风化的淋溶土纲, 黏粒含量较高, 土壤颗粒所吸附或固定的K+在淋溶初期较多被交换淋溶[38], 又随着施肥淋溶的不断进行, H+不断积累, 土壤电化学平衡被打破后, K+与土壤的结合能量随pH降低而急剧减少, 使淋溶后期K+释放加剧[28]。杜振宇等[20]研究发现, 随着培养时间增加, NH4+在土壤中逐渐被硝化减少, 所产生的H+相应增多, 其吸附能力较大, 对K+的交换能力要强于NH4+。林清火等[39]研究发现, NO3-淋溶量与盐基离子的耦合性较好, 随着NO3-淋失量的增加, 盐基离子淋失量增大; 砖红壤上盐基离子随NO3-的迁移速率表现为硫酸铵 > 硝酸铵 > 尿素。南方黄泥田的主要特征是土壤熟化度低、有机质缺乏、有效磷钾低、酸性强以及耕性不良[40-42]。在盈余条件下, 由于红壤性稻田主要以非胀缩性的高岭土矿物为主, 固钾能力较低[40], 增加的水溶性钾或交换性钾离子难以进入矿物层间而被固定。本研究结果表明, 黄泥田土壤中, U和UAN处理肥际微域中土壤速效钾含量显著降低, 减少土壤晶格对K+的固定; H+的存在和NO3-的淋失导致土壤对K+的吸持比例减小, 加大K+淋溶风险。土壤K+的淋失与土壤NO3-淋失具有耦合迁移特征。
4 结论本试验条件下, 不同处理K+淋溶率表现为UAN > UAN+NBPT > U > UAN+NBPT+CP > UAN+CP > U+NBPT > U+NBPT+CP > U+CP。不同氮肥种类处理淋溶液中K+累积量(y)随NO3-累积量(x)的变化特征均可用线性方程和Elovich方程进行描述。在黄泥田土壤中单施CP, 或与NBPT配施可以有效增加K+吸附, 降低土壤中K+淋溶损失, 减轻养分淋失风险, 提高肥料利用率。目前的试验结果是在室内模拟下, 没有作物吸收养分的前提下所得出的结论, NBPT+CP组合在黄泥田中实际施用效果需要进行田间试验进一步研究。
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