DMPP对稻田田面水氮素转化及流失潜能的影响

俞巧钢,陈英旭(.浙江大学环境与资源学院,浙江 杭州 30029；2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 3002)

DMPP对稻田田面水氮素转化及流失潜能的影响

俞巧钢1,2*,陈英旭1(1.浙江大学环境与资源学院,浙江 杭州 310029；2.浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)

采用杭嘉湖地区典型的小粉土和青紫泥土壤,进行水稻盆栽试验,研究新型硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)对稻田田面水氮素转化及径流流失潜能的影响.结果表明,小粉土和青紫泥土壤稻田应用添加DMPP抑制剂的尿素,与常规尿素处理相比,田面水中铵态氮的浓度增加24.8%和16.7%,硝态氮浓度降低47.7%和70.9%,亚硝态氮浓度降低90.6%和88.9%,总无机氮浓度下降13.5%与23.1%,能显著减轻农田氮素流失对水环境存在的污染;DMPP可使田面水的电导率下降,降低盐基离子随农田排水或暴雨径流所导致的流失风险,有助于保护河流水体等地表水环境.

硝化抑制剂；3,4-二甲基吡唑磷酸盐；淹水稻田；氮素转化；径流流失

Abstract：In a rice pot incubation experiment, the nitrogen transformation in the rice field surface water and potential nitrogen runoff loss risk were studied by applied urea with new nitrification inhibitor 3,4-dimethyl pyrazole phosphate (DMPP) in the powder soil and blue clayey paddy soil. The results showed that, in the powder soil and blue clayey paddy soil, the ammonium concentration were increased 24.8% and 16.7%, nitrate, nitrite and total inorganic nitrogen concentrations were declined 47.7% and 70.9%, 90.6% and 88.9%, 13.5% and 23.1% in the rice field surface water, respectively. So, the potential nitrogen runoff loss risk could greatly be decreased when the storm or field drainage happened. Furthermore, the electric conductivity value was also declined in the rice field surface water with the DMPP addition in the urea, decreasing the salt-ion runoff loss risk at the storm or field drainage and being beneficial for protecting the water body.

Key words：nitrification inhibitor；3,4-dimethyl pyrazole phosphate；rice fields；nitrogen transformation；runoff loss

旱地氮素利用率为40%～60%,而稻田仅有20%～40%[1].氮肥施入土壤后,通过气态挥发、淋溶和径流途径损失,不仅造成肥料、能源的浪费,且对环境产生污染[2-4].近年来,我国沿海稻田不断增加氮肥用量使水稻获得高产,但由于氮肥利用率较低,流失严重,加重了水体富营养化和地下水污染并危及人类健康[2,4-5].提高肥料氮利用率的重要途径之一是改善氮肥性能,如氮肥中加入硝化抑制剂,延缓铵态氮向硝态氮的转化,利用土壤对铵态氮和硝态氮不同的理化特性,减轻氮素流失,降低对水体环境的污染[6-8].3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)是一种新型硝化抑制剂,其在减少旱季土壤氮素径流和渗漏损失时有着优良的效果[9-12].本研究从尿素添加DMPP新型硝化抑制剂角度,研究其对渍水环境下水相氮素迁移转化的影响,进而为控制稻田氮素流失,防治水体氮素面源污染提供科学依据.

1 材料与方法

1.1供试材料

供试土壤为杭嘉湖地区典型小粉土和青紫泥,采样深度为30cm,土壤性质见表1.水稻品种为早稻,在4月中旬移栽,7月上旬收获,栽培管理方式与当地习惯相同.

表1 土壤基本理化性状Table 1 Some physical and chemical properties of soil

1.2试验内容与分析方法

将田间采集土样自然风干压碎,剔除根系,用孔径大小为1mm×1mm粗筛过筛.混合均匀后称取7.5kg土壤移入陶瓷盆(20×20×25cm)中,再分别添加5L去离子水,使土壤保持在淹水泡田的一种状态.1周后,排出表层土壤水,将肥料以基肥的形式均匀施入土壤,然后移栽水稻苗10棵.在水稻移栽5周后,进行第2次的施肥(追肥).两种土壤的水稻施肥采用以下处理:对照(CK),不施氮肥;常规尿素(UA);常规尿素+DMPP抑制剂(DP),各处理重复3次,氮肥用量折纯氮为基肥90kg/ha,第2次施肥90kg/ha,DMPP用量为尿素氮含量的1%.试验通过添加去离子水使水稻保持淹水3cm,10周后不再加水,让其自然落干,直到水稻完全成熟.在水稻生长过程中每隔一段时间采集田面水,过滤后用奈氏试剂比色法测定铵态氮,紫外分光光度法测定硝态氮,盐酸萘乙二胺络合显色法测定亚硝态氮,同时测定水样的电导率.

试验数据采用Excel 2000和SPSS10.0进行统计分析,图中误差线表示标准偏差SD.

2 结果与讨论

2.1铵态氮含量动态变化分析

从图1可见,2种土壤中不施肥处理田面水铵态氮的含量极低,维持在1mg/L左右的水平,施肥处理铵态氮的含量则显著增加.在小粉土处理中,第1次施氮后,水中铵态氮的含量迅速提高,至第7d达到最高值,之后平缓下降.常规尿素处理田面水在第7d铵态氮的浓度达到峰值为24.25mg/L,至35d后降到3.01mg/L,而DMPP处理铵态氮浓度的变化则是从27.06mg/L降为5.20mg/L.在青紫泥处理中, 田面水中铵态氮的浓度变化趋势与在小粉土中相似,铵态氮的含量表现为在施肥后迅速提高,至第7d达到最高水平,之后平缓下降.常规尿素处理田面水铵态氮的浓度在第7d的峰值为16.59mg/L,至35d后降到2.54mg/L,而DMPP处理铵态氮浓度的变化则是从19.44mg/L降为3.69mg/L.在2种土壤中,添加抑制剂DMPP使田面水铵态氮的浓度增加,表明使用硝化抑制剂能抑制水相铵态氮的形态转化,但随着时间的延长,铵态氮转化的趋势加强,两者在施氮28d后差异不明显.

追肥后,2种土壤田面水中铵态氮的含量变化与第1次施肥相似,第7d达到最高值,之后急剧下降.21d后,常规尿素与添加DMPP的处理田面水铵态氮的含量相近,之后至35d小于4mg/L.与第1次施肥相比较,追肥后田面水中铵态氮的含量较低,下降的趋势也较快,这可能是由于水稻苗期对氮素吸收量低,而后期水稻生长快、根系发达,对氮素的吸收量急剧增加,导致水相中铵态氮的含量较快下降.另外从图1还可知,青紫泥处理田面水铵态氮的含量低于小粉土处理,这与土壤的理化性质如土壤吸附特性、CEC(阳离子交换量)等有关.青紫泥土壤具有较高的CEC值,增加了对田面水中铵态氮的吸附能力,致使水相铵态氮的浓度降低[2,10].在70d内,常规尿素处理在小粉土和青紫泥土壤中田面水的铵态氮的平均浓度分别为11.23mg/L和7.85mg/L,而添加DMPP抑制剂田面水的铵态氮的平均浓度分别为14.01mg/L和9.16mg/L,表明使用抑制剂DMPP可使田面水铵态氮浓度增加24.8%和16.7%.

图1 田面水铵态氮含量动态变化Fig.1 Temporal changes of ammonium concentration in the rice field surface water

图2 田面水硝态氮含量动态变化Fig.2 Temporal changes of nitrate concentration in the rice field surface water

2.2硝态氮含量动态变化分析

从图2可见,2种土壤不施肥处理田面水硝态氮含量变化不大,施肥处理硝态氮的含量有显著变化.在小粉土处理中,第1次施氮后,常规尿素处理田面水硝态氮的含量迅速提高,第3d时田面水硝态氮的浓度为12.08mg/L,14d后达到峰值14.15mg/L,之后至35d一直维持在7.70mg/L以上的水平.而添加DMPP抑制剂处理硝态氮的浓度在前一段时间有下降的趋势,从第3d时的7.29mg/L降为第21d时的4.27mg/L,之后至35d缓慢增加至5.47mg/L.在青紫泥土壤处理中,硝态氮的浓度变化趋势与在小粉土中相似,常规尿素处理田面水硝态氮的浓度在初期急剧增加,从第3d时的2.73mg/L增加为第14d时的8.45mg/L,之后硝态氮的浓度逐渐降低,至35d后降到3.82mg/L.而添加抑制剂DMPP处理硝态氮的浓度在35d内始终维持在1.36～2.09mg/L的低浓度水平.2种土壤中,添加抑制剂DMPP处理硝态氮浓度都显著低于常规尿素处理,表明使用硝化抑制剂能抑制水相硝态氮的形成.

追肥后,2种土壤田面水硝态氮含量的变化与第1次施肥相似,第14d达到最高值,之后发生下降.这是由于铵态氮是尿素的最初分解产物,水体硝态氮的含量与硝化-反硝化有关,随着时间的推移,硝化作用变得强烈,远远大于反硝化作用,致使硝态氮的含量不断增加;随后,虽然硝化作用仍在发生,但由于水稻对铵态氮的吸收使其含量下降,导致硝化反应所需的底物铵态氮减少,硝态氮的含量随之下降[6-7].从图2还可知,青紫泥土壤田面水硝态氮的含量低于小粉土处理,并且添加DMPP处理与不施肥处理相近.这是由于硝化抑制剂DMPP能有效阻碍氨氧化进程,抑制土壤硝化反应的第1个步骤亚硝态氮产生[11],同时减少了土壤由亚硝态氮进一步转化形成的硝态氮数量.DMPP在青紫泥土壤中的抑制效果优于小粉土,其原因可能是由于青紫泥土壤的阳离子交换量相对较大(表1),能有效吸附铵态氮和抑制剂DMPP,致使土壤中铵态氮的微域点同时有较高的含量的DMPP,导致土壤硝化反应受到高效抑制.在70d内,常规尿素处理在小粉土和青紫泥土壤田面水中的硝态氮平均浓度分别为9.66mg/L和5.19mg/L,而添加DMPP抑制剂田面水的硝态氮的平均浓度分别为5.05mg/L和1.51mg/L,表明使用抑制剂DMPP可使田面水硝态氮浓度降低47.7%和70.9%,有效降低硝态氮的流失风险.

2.3亚硝态氮含量的动态变化分析

从图3可见,稻田田面水中亚硝态氮的含量很低,表明其不是氮素存在的主要形态.但亚硝态氮在生物体内会转化形成强致癌物质亚硝胺.因此,亚硝态氮含量过高对水环境的污染较大.在小粉土和青紫泥的常规尿素处理中,亚硝态氮的变化趋势相近,第1次施肥后,随着硝化作用的进行,中间产物亚硝态氮的含量迅速增加,至14d达到最高值,分别为2.70mg/L与2.53mg/L,35d后降为0.36mg/L与0.09mg/L,与对照不施氮接近.在小粉土和青紫泥中加入DMPP抑制剂处理的尿素,35d内其亚硝态氮的含量分别在0.02～0.28mg/L与0.01～0.23mg/L的范围,表明DMPP显著降低亚硝态氮的含量,也表明DMPP作为硝化抑制剂主要抑制硝化反应的第1个步骤[6,11].

追肥后,2种土壤田面水中亚硝态氮的含量变化与第1次施肥相似,常规尿素处理第7d分别达到最高值2.55mg/L与2.44mg/L,14d后发生较快下降至0.07mg/L与0.04mg/L,而DMPP处理的尿素,35d内其亚硝态氮的含量分别在0.01～0.28mg/L与0.02～0.34mg/L的范围(图3).但与第1次施肥相比,追肥后的第2周,田面水中亚硝氮含量未出现第1次施肥时的快速增加趋势,而是表现为亚硝氮含量基本不变.硝化反应可分为2个步骤:第1步为在铵氧化细菌作用下,NH4++ 3/2O2= NO2-+ H2O +2H+;第2步为亚硝酸氧化细菌参与下,NO2-+ 1/2O2=NO3-[2,6].因此,田面水中亚硝态氮含量取决于第1步和第2步的反应速率.追肥后的第2周,亚硝态氮含量未出现快速增加,而是维持基本不变,这可能是因为在追肥时水稻生长根系已经较发达,水稻生长对氮素的大量吸收,消耗了硝化反应所需的底物铵态氮,使田面水中亚硝态氮的形成量少;另外水稻根系的生理泌氧功能较强,水中溶解氧含量增加,加快了硝化反应第2步的进程,促进亚硝态氮快速完成形态转化.在70d内,常规尿素处理在小粉土和青紫泥土壤中田面水的亚硝态氮的平均浓度分别为1.27mg/L和0.99mg/L,而添加DMPP抑制剂田面水的亚硝态氮的平均浓度分别为0.12mg/L和0.11mg/L,表明使用抑制剂DMPP可使田面水亚硝态氮浓度降低90.6%和88.9%.

图3 田面水亚硝态氮含量动态变化Fig.3 Temporal changes of nitrite concentration in the rice field surface water

从田面水中总无机氮含量的变化分析可知(表2),不施肥处理的总无机氮含量变化不大,而施肥则显著增加田面水无机氮含量.第1次施肥后,在小粉土和青紫泥处理中,常规尿素和使用DMPP抑制剂处理的总无机氮浓度最高峰都出现在第7d,之后不断下降.第2次追肥后,总无机氮浓度在第7d达最高值,但之后下降较快,这主要是第2次追肥水稻吸收大量氮素所致.表2还表明,施肥后2周内是控制氮素流失的关键时期,尤其是在施基肥后的时期,这主要是因为水稻在生育苗期其根系尚未充分发育完全而处于非活跃时期,对氮素营养物质吸收能力弱、需求量小,肥料没有被植株充分吸收,如发生降雨径流极易发生流失.因此,减少目前基肥过高投入将对水体的保护起到积极的作用.目前水稻生产通常应用50%的基肥投入量,应考虑降低水平,以控制氮素流失的潜能.在水稻生长的70d内,常规尿素在小粉土和青紫泥处理中,总无机氮的平均浓度分别为22.16mg/L与14.02mg/L,添加DMPP处理总无机氮的平均浓度分别为19.17mg/L与10.78mg/L, DMPP抑制剂处理总无机氮含量下降13.5%与23.1%.这表明DMPP能有效降低田面水总无机氮的浓度,减轻人为排水或者降雨径流引发的氮素流失潜能,其主要原因是铵态氮能被土壤固相胶体有效吸附而固持,只有部分的铵态氮进入水相,而硝态氮则不能被土壤相的胶体所吸附,其大部分极易释放到田面水中[2,9].

表2 田面水中总无机氮含量动态变化(mg/L)Table 2 Temporal changes of total inorganic nitrogen concentration in the rice field surface water(mg/L)

2.4DMPP对田面水电导率的影响分析

从施氮对田面水电导率的动态变化可见(图4),在小粉土和青紫泥中,施肥增加了田面水的电导率,第1次施肥后7～28d的电导率较高,第14d时常规尿素处理田面水电导率的峰值分别为1.07、0.79µs/cm,而添加DMPP抑制剂处理第14d时田面水电导率的峰值分别为0.97、0.70µs/cm,含DMPP抑制剂尿素的电导率一直低于常规尿素处理,说明DMPP的使用降低了田面水体的电导率;第2次施肥后,2种土壤中电导率的变化与第1次相似.电导率的大小与其溶液中阴阳离子的浓度密切相关,低电导率表明水溶液中游离的阳离子钾、钙、钠、镁及相应的氮素等阴阳盐基离子总量较低,说明DMPP有助于减轻盐基离子向水体的迁移释放,可能是因为应用DMPP减少了无机阴离子硝态氮含量,根据等电荷效应,致使田面水盐基阳离子的含量相应降低[12-14].

图4 DMPP对田面水电导率的影响Fig.4 Effect of DMPP addition on Electric Conductivity value in the rice field surface water

3 结论

3.1硝化抑制剂DMPP能显著阻碍氨氧化反应的进程,使小粉土和青紫泥土壤田面水铵态氮浓度提高24.8%和16.7%.但由于土壤对铵态氮有很强的吸附作用,减弱了施用DMPP使田面水铵态氮含量增加的趋势.

3.2DMPP可使小粉土和青紫泥土壤田面水硝态氮浓度降低47.7%和70.9%,亚硝态氮浓度降低90.6%和88.9%,总无机氮浓度下降13.5%与23.1%,能显著降低田面水硝态氮和总无机氮浓度,从而显著减轻农田氮素流失对水环境存在的潜在污染风险.

3.3添加DMPP抑制剂于尿素,有效降低田面水的电导率,显著降低盐基离子随农田排水或暴雨径流所导致的流失风险.

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Influences of nitrification inhibitor 3,4-dimethylpyrazole phosphate on nitrogen transformation and potential

runoff loss in rice fields.

YU Qiao-gang1,2*, CHEN Ying-xu1(1.College of Natural Resources and Environmental Science, Zhejiang University, Hangzhou 310029, China；2.Institute of Environment, Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China). China Environmental Science, 2010,30(9)：1274～1280

X131.2;X522;S143.1

A

1000-6923(2010)09-1274-07

2010-01-07

国家“973”项目(2002CB410807);浙江省自然科学基金资助项目(Y3090180)

* 责任作者, 副研究员, yqganghzzj@sina.com