马尾松袋控缓释肥中氮素的释放特性研究
2021-01-16梁乃鹏曹继钊邓小军
潘 波,蒋 华,罗 蜜,梁乃鹏,曹继钊,唐 健,邓小军
(1.广西壮族自治区林业科学研究院,广西南宁 530002;2.全州县咸水林场,广西全州 541511;3.北京林业大学,北京 100083;4.广西壮族自治区国有维都林场,广西来宾 546100)
目前,林木施肥费时费工等问题较突出;林木肥料以速效性为主,通常情况下,传统施肥2 个月后,肥料中90%以上的氮和钾元素通过随水流失、地面挥发和地下渗透等途径被消耗,75%以上的磷元素也会在3 个月内被土壤固定,难以持续供给植物养分[1-4]。研制高质、高效且生态环保的新型肥料是提高肥料利用率的重点,其中缓控释肥已成为肥料创新研究和技术革新的热点[5-9]。本研究通过盆栽埋袋释放试验,研究不同马尾松袋控缓释肥中养分的释放特性和流失情况,可为减少肥料流失率、提高林木产量和品质提供科学依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验所用肥料为3 种马尾松袋控缓释肥和1 种马尾松专用肥。4 种复合肥料的原料氮肥均为尿素(N),磷肥均为钙镁磷肥(P2O5),钾肥均为氯化钾(K2O),N∶P2O5∶K2O 均为16∶6∶10。3 种马尾松袋控缓释肥料采用的是获得国家专利的复层材料袋包,3 者的区别为袋包材料配方不同;马尾松专用肥料采用的是100 目尼龙网袋封装,为普通复混肥料[10]。
供试的1年生马尾松苗由广西壮族自治区林业科学研究院培育,各植株生长基本一致,无病虫害,根系发育良好,已达到出圃要求。供试容器为塑料花盆,内径为28 cm,高为35 cm[10]。
在广西壮族自治区林业科学研究院试验基地(108°21'E,22°55'N)开展盆栽试验。所用土壤为红壤基质,有机质含量为12.56 g/kg,pH 值为4.50,碱解氮含量为148.7 mg/kg,有效磷含量为1.2 mg/kg,速效钾含量为34.0 mg/kg。
1.2 试验设计与方法
试验共设置4 组,使用的肥料均为20 g。其中,F1、F2 和F3 分别为3 种不同马尾松袋控缓释肥,F4为马尾松专用肥。将处理好的小袋肥料(10 g/袋)施入土壤,再覆盖一层约3 cm 的厚细土,定植1 棵植株,每盆装土8 kg,施2 袋肥料。每组试验设置5个处理,3 次重复。盆底部设有接水容器,用于接收渗透水。种植后每3 ~6 天浇水1 次,浇水量为400 mL,取样前1 天浇水600 mL。共采样6 次,分别为试验开始后的第47、99、175、279、354 和447天,收集每个盆栽的土壤、肥料、植株和水样品,进行检测与分析。
1.3 样品采集
准备干净的塑料布和塑封袋。采样时,将盆栽中的基质全部倒在塑料布上,采用四分法取多于1 kg 的土壤装入塑封袋中,并做好记录。在实验室内,将土壤风干并研磨过1 mm 孔径的筛子,封装备用。
用去离子水将植株样本洗净,切碎烘干48 h,磨细过筛,备用。
采样时,量取接水容器中水溶液的总体积,并做好记录。过滤后,量取约200 mL的水溶液装入塑料瓶中,密封保存,备用[11]。
将肥料全部转入预先称重的称量瓶中,60 ℃烘干,备用[12]。
1.4 测定方法
土壤各项理化性质指标采用常规方法[13]测定;采用物理称重法[13]计算总质量损失率;采用GB/T 23348-2009[14]中的公式计算养分释放率。
1.5 数据处理
采用Excel 2007软件进行统计与分析。
2 结果与分析
2.1 4种肥料的氮素释放差异
4 种肥料的氮剩余量均随着肥料施放时间的延长呈L 型变化,前期下降速率快,中后期较缓慢(图1)。F1、F2 和F3 的变化曲线差异较小,说明不同配方制成的纸布复合材料在缓释性能方面差异不大。F4 的下降速度较F1 、F2 和F3 快,在肥料施放的前47 天,其绝大部分氮素养分已释放。说明马尾松袋控缓释肥的氮养分释放量远低于普通复混肥。
图1 不同肥料的氮剩余量Fig.1 Nitrogen residue of different fertilizers
在肥料施放的前47 天,F1、F2 和F3 的氮累积释放率分别为17.24%、10.91%和16.21%,F4的氮累积释放率为83.63%;至肥料施放的第175 天,F1、F2和F3 的氮累积释放率分别为84.11%、81.06%和68.54%,F4 的氮累积释放率为98.88%,基本释放完毕;至肥料施放的第354天,F1、F2和F3的氮累积释放率分别为89.57%、92.13%和83.63%(图2)。
图2 不同肥料的氮累积释放率Fig.2 Accumulative nitrogen release rate of different fertilizers
2.2 4种肥料的氮素释放率及释放特征
肥料养分释放是各元素的集中释放,通常用物理称重法来测定其总重量损失率、化学法测定各养分元素的释放率。本研究先用化学法测算实际的氮释放率、物理称重法测定肥料的总质量损失率,然后建立两者之间的关系模型,并进行预测。
2.2.1 F1肥料氮释放率及释放特征预测模型的建立
F1 肥料中,氮累积释放率与养分总质量损失率的变化曲线见图3。氮累积释放率曲线的R2为0.833,肥料养分总质量损失率曲线的R2为0.948。幼龄期马尾松在施肥后的前47 天对氮素的吸收较少,可认为肥料养分的总质量损失率与总养分流失率相同。经计算,与F4 相比,F1 的总养分流失率减少了37.18%。采用一元二次方程建立F1 肥料氮累积释放率与总质量损失率的关系模型(图4),模型表达式为:
式中,x表示物理法测定的总质量损失率,y表示化学法测定的氮累积释放率。该模型的预计精度R2为0.992,精度较高,可满足生产需求。
图3 F1肥料氮累积释放率与总质量损失率的变化曲线Fig.3 Change curves of accumulative nitrogen release rate and total mass loss rate in F1 fertilizer
图4 F1肥料氮累积释放率与总质量损失率的相关性曲线Fig.4 Correlation curves between accumulative nitrogen release rate and total mass loss rate in F1 fertilizer
2.2.2 F2肥料氮释放率及释放特征预测模型的建立
F2 肥料中,氮累积释放率与养分总质量损失率的变化曲线见图5。氮累积释放率曲线的R2为0.769,肥料养分总质量损失率曲线的R2为0.879。与F4 相比,F2 的总养分流失率减少了35.63%。采用一元二次方程建立F2 肥料氮累积释放率和总质量损失率的关系模型(图6),模型表达式为:
该模型的预计精度R2为0.958,精度较高,可满足生产需求。
图5 F2肥料氮累积释放率与总质量损失率的变化曲线Fig.5 Change curves of accumulative nitrogen release rate and total mass loss rate in F2 fertilizer
图6 F2肥料氮累积释放率与总质量损失率的相关性曲线Fig.6 Correlation curves between accumulative nitrogen release rate and total mass loss rate in F2 fertilizer
2.2.3 F3肥料氮释放率及释放特征预测模型的建立
F3 肥料中,氮累积释放率与养分总质量损失率的变化曲线见图7。氮累积释放率曲线的R2为0.904,肥料养分总质量损失率曲线的R2为0.952。与F4 相比,F3 的总养分流失率减少了37.53%。采用一元二次方程建立F3 肥料氮累积释放率和总质量损失率的关系模型(图8),模型表达式为:
该模型的预计精度R2为0.961,精度较高,可满足生产需求。
图7 F3肥料氮累积释放率与总质量损失率的变化曲线Fig.7 Change curves of accumulative nitrogen release rate and total mass loss rate in F3 fertilizer
图8 F3肥料氮累积释放率与总质量损失率的相关性曲线Fig.8 Correlation curves between nitrogen accumulative release rate and total mass loss rate in F3 fertilizer
2.2.4 F4肥料氮释放率及释放特征预测模型的建立
F4 肥料中,氮累积释放率与养分总质量损失率的变化曲线见图9。 氮累积释放率曲线的R2为0.692,肥料养分总质量损失率曲线的R2为0.979。采用一元二次方程建立F4 肥料氮累积释放率和总质量损失率的关系模型(图10),模型表达式为:
该模型的预计精度R2为0.921,精度较高。
图9 F4肥料氮累积释放率与总质量损失率的变化曲线Fig.9 Correlation curves between nitrogen accumulative release rate and total mass loss rate in F3 fertilizer
图10 F4肥料氮累积释放率与总质量损失率的相关性曲线Fig.10 Correlation curves between accumulative nitrogen release rate and total mass loss rate in F4 fertilizer
通过肥料总质量损失率估算氮累积释放率,以此来评价氮的实际累积释放特征,该方法是可行的,其精度取决于计算值与实测值两者的误差。经实测值拟合方程(图3、5、7、9)计算,F1、F2、F3 和F4在肥料施放的前47天,在土壤中养分的总质量损失率分别为6.70%、8.25%、6.35%和43.88%,分别将其代入相关方程,得到的氮累积释放率分别为18.39%、14.15%、19.49%和84.81%。经实测值拟合方程计算,在肥料施放的前47天,F1、F2、F3和F4四种肥料氮累积释放率的实际值分别为17.24%、10.91%、16.21%和83.63%,两者相对误差分别为1.15%、3.24%、3.28%和1.18%。F1、F2 和F3 氮累积释放率分别为89.57%、92.13%和83.63%,将其分别代入相关方程,得到的总养分损失率分别为28.23%、24.50%和25.35%。
3 结论与讨论
埋袋处理的前47天,马尾松袋控缓释肥的氮流失率比普通造粒复混肥分别减少了66.39%、72.72%和67.42%,总养分流失率分别减少了37.18%、35.63%和37.53%。马尾松袋控缓释肥在施放的前47 天,其养分释放速率与普通复混肥相比,明显较慢。这可能与袋包材料中的外层牛皮纸有关,牛皮纸在土壤中的降解时间约为30 天,在这个时间段,肥料与土壤分离,肥料养分不释放;当牛皮纸开始降解后,土壤中的水分透过空隙大量渗入肥料包,氮素被水分子融解后,其离子可通过非织造布上的孔隙向外渗透。袋控缓释肥养分的缓慢释放,可提高植物对有效养分的吸收利用,在一定程度上减少肥料养分的流失;普通复混肥养分集中且快速地释放,增加了养分流失的可能性[10]。3 种马尾松袋控缓释肥与普通复混肥建立的预测模型[12]均精度较高,可满足生产需求。