草酸和抑制剂对氮肥在喀斯特土壤中迁移规律的影响

2024-04-24谢富金王家凤张嘉佳陶毅才周柳强蔡秋亮

西南农业学报 2024年2期

谢富金,钟宁,王家凤,张嘉佳,田嫄,陶毅才,周柳强,蔡秋亮

(1.广西芒果生物学重点实验室,广西百色 533000;2.百色学院农业与食品工程学院,广西百色 533000;3.百色学院亚热带特色农业产业学院,广西百色 533000;4.闽南师范大学,福建漳州 363000;5.重庆三峡学院生物与食品工程学院,重庆 404100;6.广西农业科学院农业资源与环境研究所,南宁 530007)

【研究意义】我国喀斯特土壤主要分布在西南地区的贵州、广西和云南等省(区),喀斯特地貌的生态环境较脆弱[1],导致基岩裸露、植被退化,易造成环境岩漠化[2],土壤养分不平衡[3],严重影响作物生长[4]。氮肥是世界上产量最高和用量最大的肥料,适量施用氮肥可提高土壤养分和有机质含量,提高土壤肥力和作物产量[5],改善农产品质量[6],过量施用氮肥会提高农业生产成本及增加硝态氮在土壤中的淋溶风险,使农业生产受到损害,生态环境受到污染[7-8]。我国氮肥利用率仅为30%～35%,比发达国家低10%～20%[9]。氮素在土壤中迁移转化是造成氮肥利用率低、氮素损失和环境污染的主要原因[10],其中,约90%的氮素在土壤中通过径流、硝化和反硝化作用及气化挥发等方式损失[11]。通过草酸、硝化抑制剂(DMPP)和脲酶抑制剂(NBPT)与氮肥配施提高氮肥利用率的研究已有报道[12-13],但喀斯特土壤土层薄,蓄水能力差,生产上尚不清楚氮肥配施草酸、DMPP和NBPT后氮肥的利用状况。因此,探究喀斯特土壤中氮肥配施草酸、DMPP和NBPT后氮素的迁移规律,对提升喀斯特土壤肥力状况和提高氮肥的有效利用率、降低农业生产成本、缓解氮肥流失对环境的危害具有重要意义。【前人研究进展】针对氮素损失问题,学者已开展诸多研究,尤其以采取有效措施调控土壤氮素供应和减少氮素损失的研究报道较多[12]。张朝等[13]研究表明,施入尿素和硫酸铵后,土壤中氮素的迁移转化主要集中在0～50 mm土层,且硫酸铵处理的氮素转化速率较尿素处理低。杜振宇和周健民[14]研究认为,施用氯化钾能显著降低肥际微域土壤pH,但随着施肥点距离加大,土壤pH相应升高。苏同庆等[15]研究发现,土壤中的钾由肥际向非肥际的扩散距离随着钾肥施用量的增加而加大。有效提高氮肥利用率的常见方法为施用氮肥增效剂和低分子量有机酸,其中低分子量有机酸主要包括草酸、柠檬酸和苹果酸等。草酸作为一种良好的外源土壤改良剂[16],能降低土壤pH,增加土壤微生物数量,改善土壤种群结构,活化土壤养分[17],提高土壤养分有效性及含量[18];樊卫国等[19]、张乃于等[20]研究指出,施用低分子量有机酸可改善土壤养分的供给状况,进而促进植物生长。在有关草酸和氮肥增效剂与氮肥配施提高氮肥利用率的研究报道中,氮肥增效剂主要是指DMPP和NBPT,施用NBPT会抑制土壤脲酶活性,使尿素在土壤中的水解受到抑制,土壤中的氨气、氮素挥发和损失减少[21]。也有研究表明,土壤中添加草酸可有效控制氮素损失[19],DMPP与氯化铵配施后会抑制土壤的硝化作用[20],使土壤中铵态氮转化为硝态氮的速率减缓,土壤中氮素损失减少[22],从而减轻环境污染程度。还有研究认为,在喀斯特地区以化肥与有机肥配施可调控农田土壤的养分平衡,提高作物产量[23-24]。【本研究切入点】目前,针对喀斯特土壤中草酸和抑制剂与不同种类氮肥配施条件下氮素迁移规律和分布的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】采用室内模拟土柱方式,探究草酸和抑制剂与不同类型氮肥配施对喀斯特土壤中氮素迁移规律的影响,以期为农业生产上提高喀斯特土壤的氮肥有效利用率、降低生产成本及精准施肥提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

采样地位于广西西部的百色市田阳区(106°22′14″～107°8′32″ E,23°28′20″～24°6′55″ N),属低纬度南亚热带季风气候区。供试土壤为田阳区南部石山区喀斯特溶岩土。选定多点距地面深度2.0～3.0 cm 的表层土壤,采集后混合置于自然条件下(室内通风放置,室温30～39 ℃)晾干备用。混合土样呈弱酸性,pH 6.37,有机质含量5.42 g/kg,全氮含量0.56 g/kg。草酸、DMPP和NBPT及硝酸钾、氯化铵和尿素(3种氮肥均为分析纯)均购自天津市致远化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计将采集的土壤样品装袋(高25.0 cm,宽10.0 cm),覆土810.0 g(覆盖高度为18.0 cm)后注入243.0 g水以保证袋中土壤湿度为30%,静置24 h。设草酸和草酸+抑制剂(NBPT和DMPP)分别与3种氮肥配施处理(A、B和C处理),各处理的肥料分别淋施于注水静置后的土柱表层,然后覆土135.0 g(覆盖高度为3.0 cm),再次注水40.5 g使袋中土壤湿度达30%(模拟农户添加肥料经雨水或人工灌溉后的土壤湿度)。处理完毕后扎紧袋口,对土柱袋扎孔径约1.0 cm的5个小孔以保证通气,自然条件下放置培养15、30和90 d(各处理均包含15、30和90 d的培养天数;A处理中,A1处理为施用硝酸钾,A2处理为施用硝酸钾+草酸,A3处理为施用硝酸钾+草酸+DMPP,A4处理为施用硝酸钾+草酸+NBPT;B处理中,B1处理为施用氯化铵,B2处理为施用氯化铵+草酸,B3处理为施用氯化铵+草酸+DMPP,B4处理为施用氯化铵+草酸+NBPT;C处理中,C1处理为施用尿素,C2处理为施用尿素+草酸,C3处理为施用尿素+草酸+DMPP,C4处理为施用尿素+草酸+NBPT)。3次重复。在相应的时间段对土柱进行理化性质检测。

1.2.2 采样方法将培养到界定时间段的待测土样进行如下处理:土柱水平放置,每隔1.0 cm分层釆集8份土样,后继续以每隔2.5 cm 分层釆集4份土样。经预备试验发现土柱最后一段(袋尾处)土样的氮含量极低,因此废弃不用(图1)。对切割完毕的土壤样品分别进行风干、研磨和过筛(20目筛网),最终得到12份标记的土壤样品(即袋口至袋尾共切割12份土样,从左往右将切割的12份土样分别标记为1、2、3,......,12个土壤位点,12个土壤位点同时也表示12个土层,其中位点1和2为表土层)。

图1 土柱样品示意图Fig.1 Schematic diagram of soil column samples

铵态氮含量(mg)=m×1000/V

硝态氮结果校正A校正=A220-A275

式中,m为由校准曲线查得的铵态氮含量,V为水样体积(mL),A校正为吸光值的校正值,A220为波长220 nm处测得的吸光值,A275为波长275 nm处测得的吸光值。求得A校正后,从标准曲线中查得相应的硝态氮含量。

整个土柱的铵态氮和硝态氮含量以各切片厚度为权重,先计算各份土柱的可溶性无机氮(C1,C2,......,C12)含量,再进行求和(dN总),最后计算可溶性无机氮百分率(dN-总N占比率)。

可溶性无机氮百分率(%)=dN总/N×1/100

式中,N为各类铵态氮肥料中的可溶性无机氮含量。

1.3 统计分析

试验数据采用SPSS 22.0进行多因素比较和单因素分析,以Excel 2010制图。

2 结果与分析

2.1 草酸和抑制剂与硝酸钾配施对土壤可溶性无机氮含量的影响

由表1可知,A1～A4处理土壤可溶性无机氮含量的最大值均分布在表土层;随着土层深度增加,各处理的土壤可溶性无机氮含量总体上逐渐降低,其中靠后几个位点的可溶性无机氮含量间差异极小;在A2处理中,培养15 d位点1的土壤可溶性无机氮含量最高(同时也是A处理中的最大值),为0.516 mg/g,且显著高于同一培养时间的其他位点(P<0.05,下同),而培养15 d的其他位点及培养30和90 d多数位点的土壤可溶性无机氮含量均高于相应培养天数和位点的A1处理;在同一处理不同培养时间,A1、A2和A3处理内各土层的土壤可溶性无机氮含量除个别位点外均存在显著差异,其中,A1和A2处理表现为15 d>30 d>90 d,A3处理表现为90 d>30 d>15 d,而A4处理的土壤可溶性无机氮含量总体上以培养90 d时较高。从表1可看出,在培养15 d时A4处理的土壤可溶性无机氮含量除位点8外均高于A3处理,其中位点1～6和位点11～12与A3处理相应位点差异显著;在培养15和30 d时A3和A4处理的土壤可溶性无机氮含量总体上较相应的A1和A2处理低,但在培养90 d时位点1～9的土壤可溶性无机氮含量均显著高于A1和A2处理相应的位点。

表1 草酸和抑制剂与硝酸钾配施的土壤可溶性无机氮含量比较Table 1 Comparison of soluble inorganic nitrogen content in soil applied with oxalic acid and inhibitor and potassium nitrate

综上所述,在草酸和抑制剂与硝酸钾配施的各处理中,土壤可溶性无机氮含量总体上均随着土层深度的增加逐渐降低;硝酸钾配施草酸对提高土壤可溶性无机氮含量的效果优于硝酸钾配施草酸+DMPP和硝酸钾配施草酸+NBPT;随着培养时间的延长,硝酸钾配施草酸+DMPP和硝酸钾配施草酸+NBPT均可提高土壤的可溶性无机氮含量。

2.2 草酸和抑制剂与氯化铵配施对土壤可溶性无机氮含量的影响

由表2可知,B1～B4处理土壤可溶性无机氮含量的最大值均分布在位点1～3;随着土层深度增加,各处理的土壤可溶性无机氮含量总体上表现波动降低,尤其在位点10后极低;在B2处理中,培养30 d位点1的土壤可溶性无机氮含量较高(同时也是B处理中的第二大值),为3.266 mg/g,且显著高于同一培养时间的其他位点,而培养30 d的其他位点及培养15和90 d多数位点的土壤可溶性无机氮含量均高于相应培养天数和位点的B1处理;B处理中的土壤可溶性无机氮含量最大值出现在B3处理培养15 d位点1,为3.612 mg/g。从表2可看出,在培养90 d时,B1和B2处理位点1～9(B2处理培养90 d位点9除外)的土壤可溶性无机氮含量均显著低于培养15 d时,多数位点表现为15 d>30 d>90 d,而位点10～12的土壤可溶性无机氮含量均显著高于培养15 d时,表现为30 d>90 d>15 d;B3和B4处理位点1～8的土壤可溶性无机氮含量总体上均显著低于培养15 d时(B3处理培养90 d位点8和B4处理位点3除外),其中B3处理多数位点表现为15 d>30 d>90 d,B4处理多数位点表现为15 d>90 d>30 d,而位点9～12的土壤可溶性无机氮含量均显著高于培养15 d时,表现为90 d>30 d>15 d;B3处理各培养时间和位点的多数土壤可溶性无机氮含量均高于B1和B2处理的相应培养时间和位点,同时,其培养15和30 d多数位点的土壤可溶性无机氮含量高于B4处理的相应培养时间和位点,培养90 d的部分土壤可溶性无机氮含量也高于B4处理相应培养时间和位点;在B3处理中,培养15 d位点1～9、培养30 d位点1～9和培养90 d位点1～10的土壤可溶性无机氮含量分别为0.735～3.612、0.873～3.165和0.659～2.286 mg/g,其中,培养90 d位点10的土壤可溶性无机氮含量(0.659 mg/g)在B处理的同一位点中最高,说明B3处理的土壤氮素迁移距离最长。

表2 草酸和抑制剂与氯化铵配施的土壤可溶性无机氮含量比较Table 2 Comparison of soluble inorganic nitrogen in soil applied with oxalic acid and inhibitor and ammonium chloride

综上所述,在氯化铵配施草酸+抑制剂的各处理中,土壤可溶性无机氮含量均随着土层深度的增加而降低,总体上以氯化铵配施草酸+DMPP对提高土壤可溶性无机氮含量的效果更佳。

2.3 草酸和抑制剂与尿素配施对土壤可溶性无机氮含量的影响

从表3可看出,C1～C4处理土壤可溶性无机氮含量的最大值均分布在位点1～4;随着土层深度的增加,各处理的土壤可溶性无机氮含量总体呈下降趋势;随着培养时间的延长,C1处理各位点的土壤可溶性无机氮含量除位点11和12外均有所升高;C2处理各位点的土壤可溶性无机氮含量(除培养30 d位点11和12外)均较相应培养时间和位点的C1处理有所提高,最高含量为培养30 d位点2的0.958 mg/g,较C1处理中的最高含量(0.680 mg/g)提高40.9%,说明尿素配施草酸可改良氮肥在土壤中的有效性;C3处理培养15 d时各位点的土壤可溶性无机氮含量总体上均显著低于培养30和90 d时的相应位点(培养15 d位点4除外),最大值分布在表土层(培养30 d位点2),为0.940 mg/g,C3处理位点1～3的土壤可溶性无机氮含量均高于除C2处理培养30 d位点2和培养90 d位点4外C1、C2和C4处理的其他位点;C4处理各培养时间和多数位点的土壤可溶性无机氮含量较相应培养时间和位点的C3处理均有所降低,且在3个培养时间的位点1～5分布较均匀(培养15 d时为0.545～0.694 mg/g,培养30 d时为0.536～0.653 mg/g,培养90 d时为0.574～0.669 mg/g);C1～C4处理中培养30和90 d多数位点的土壤可溶性无机氮含量差异较小,且二者均高于培养15 d时;C3处理培养15 d位点1～4、培养30 d位点1～9和培养90 的d位点1～6土壤可溶性无机氮含量总体上均高于C处理其他相应培养时间和位点(除C2处理培养30 d位点2外),其中C3处理的土壤可溶性无机氮含量在培养15 d时高于0.500 mg/g的位点延伸至位点6,培养30 d时延伸至位点9,培养90 d时延伸至位点11,说明尿素配施草酸+DMPP能提高土壤中的可溶性无机氮含量。

表3 草酸和抑制剂与尿素配施的土壤可溶性无机氮含量比较Table 3 Comparison of soluble inorganic nitrogen content in soil treated with oxalic acid and inhibitor and urea

可见,在尿素配施草酸+抑制剂的各处理中,尿素配施草酸+DMPP的表层土壤可溶性无机氮含量总体上随着培养时间的延长呈增加趋势。

2.4 草酸和抑制剂与不同氮肥配施对土壤可溶性无机氮百分率的影响

从图2可看出,在培养15、30和90 d时,A1处理的土壤可溶性无机氮百分率分别为15.98%、11.22%和5.57%,A2处理分别为16.68%、11.35%和6.12%;B1处理的土壤可溶性无机氮百分率分别为40.78%、37.84%和30.03%,B2处理分别为41.28%、40.90%和30.69%;C1处理的土壤可溶性无机氮百分率分别为9.01%、9.34%和9.72%,C2处理分别为10.29%、10.59%和11.02%,说明A2、B2和C2处理不同培养时间的土壤可溶性无机氮百分率均分别较A1、B1和C1处理相应培养时间的土壤可溶性无机氮百分率有所提高,即硝酸钾或氯化铵或尿素配施草酸的土壤可溶性无机氮百分率均高于单施硝酸钾或氯化铵或尿素。在培养15、30和90 d时,A3处理的土壤可溶性无机氮百分率分别为5.03%、7.04%和10.02%,A4处理分别为6.57%、7.11%和8.57%,说明二者培养15和30 d的土壤可溶性无机氮百分率均较相应的A1处理有所降低,但培养90 d时较相应的A1处理有所升高,说明硝酸钾配施草酸+抑制剂在培养至90 d时土壤可溶性无机氮含量得以提高;B3处理的土壤可溶性无机氮百分率分别为45.48%、38.14%和34.69%,B4处理分别为37.38%、32.42%和31.64%,说明B3处理各培养时间中除培养30 d外的土壤可溶性无机氮含量均明显高于相应培养时间的B1、B2和B4处理,即氯化铵配施草酸+DMPP可明显提高土壤的可溶性无机氮含量;C3处理的土壤可溶性无机氮百分率分别为6.59%、9.89%和11.19%,C4处理分别为4.81%、7.39%和6.35%,其中培养30和90 d时的土壤可溶性无机氮含量高于相应培养时间的C1和C2处理。在不同培养时间下,A1、A2、B1、B2、B3和B4处理的土壤可溶性无机氮百分率均表现为15 d>30 d>90 d,呈随着培养时间延长而下降的变化趋势,A3、A4、C1、C2和C3处理的土壤可溶性无机氮百分率表现为90 d>30 d>15 d,呈随着培养时间延长而上升的变化趋势,说明硝酸钾或氯化铵或尿素配施草酸+抑制剂会在一定程度上改变其在土壤中的迁移和留存状况;在相同培养时间下,不同处理的土壤可溶性无机氮百分率也存在差异,从总体上看,A和C处理的土壤可溶性无机氮百分率均低于20.00%,且均低于相应培养时间的B处理,其中,B3处理培养15 d时的土壤可溶性无机氮百分率最高,为45.48%,说明氯化铵配施草酸+DMPP具有更佳的提高土壤可溶性无机氮含量效果。

同一小图同一处理图柱上不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters on the bar of the same small picture represent significant difference(P<0.05).图2 草酸和抑制剂与不同氮肥配施的土壤可溶性无机氮百分率比较Fig.2 Comparison of soluble inorganic nitrogen percentage of soil with oxalic acid and inhibitor combined with different nitrogen fertilizers

综上所述,硝酸钾配施草酸、氯化铵配施草酸+DMPP均可明显提高土壤可溶性无机氮含量,但土壤可溶性无机氮含量随着培养时间的延长而降低;尿素配施草酸+DMPP可提高土壤可溶性无机氮含量,且土壤可溶性无机氮含量随着培养时间延长而升高。

3 讨论

本研究结果表明,在草酸和抑制剂与硝酸钾配施的各处理中,草酸与硝酸钾配施的土壤可溶性无机氮含量最高,与薛金元[25]的研究结果相似,而硝酸钾配施草酸+抑制剂后土壤的可溶性无机氮含量明显降低的研究结果与薛金元[25]的研究结果不一致,说明抑制剂对硝酸钾在不同土壤类型中的有效性产生了影响。在草酸和抑制剂与氯化铵配施的各处理中,氯化铵配施草酸+DMPP的土壤可溶性无机氮含量明显高于单施氯化铵、草酸与氯化铵配施及草酸+NBPT与氯化铵配施处理,说明草酸+DMPP与氯化铵配施后氮素在土层中迁移距离最长,与Liu等[26]、傅伟等[27]研究获得氯化铵配施DMPP后抑制土壤的硝化作用、使氯化铵中的铵态氮在土壤中保留时间变长且向硝态氮转化速率受到抑制,从而提高土壤可溶性无机氮含量的结果一致。在草酸和抑制剂与尿素配施的各处理中,尿素配施草酸+DMPP对提高土壤可溶性无机氮含量的效果最佳,说明添加DMPP可延长尿素在土壤中的肥效和迁移距离,与Muneer[28]、Xu等[29]研究认为尿素配施草酸和DMPP可抑制土壤的硝化作用,使得氨态氮能在土壤中保留时间较长,同时也改变了土壤中铵态氮与硝态氮的比例并在一定程度上减少氮素损失的观点一致。

本研究中,3种氮肥配施草酸的土壤可溶性无机氮百分率均高于单施氮肥,与薛文涛等[16]、卢越等[17]的研究结果一致,说明土壤中添加一定量的有机酸,可在一定程度上改良土壤的理化性质;硝酸钾配施草酸+DMPP和硝酸钾配施草酸+NBPT处理培养15和30 d的土壤可溶性无机氮百分率均较相应的单施硝酸钾处理有所降低,但培养90 d的土壤可溶性无机氮百分率较相应的单施硝酸钾处理有所升高;氯化铵配施草酸+DMPP处理培养15 d的土壤可溶性无机氮百分率最高达45.48%,表明氯化铵配施草酸+DMPP后氯化铵在土壤中水解并使土壤发生酸化作用,土壤pH降低,土壤硝化细菌繁殖受到抑制,土壤中铵态氮含量由于土壤硝化作用减弱而大量增加且易被土壤固定,在土壤湿度为30%条件下,氮素也不易转化为不稳定的硝态氮而流失;尿素配施草酸+DMPP处理培养90 d的土壤可溶性无机氮百分率均高于对应的单施尿素和尿素配施草酸处理。可见,氯化铵和尿素分别配施草酸+DMPP对延长氮素在土壤中迁移时间的效果较佳。

本研究还发现,硝酸钾和尿素分别配施草酸+抑制剂各处理的土壤可溶性无机氮百分率均低于20.00%,可能与硝酸钾施入土壤后氮素以氮气和氧化亚氮的形式、尿素中的氮素极大部分以气态氨的形式发生流失有关[30]。此外,由于土壤类型不同,尤其是土壤粘性及土壤胶体的吸收与吸附-解吸能力存在差异[31]也会影响土壤对氮素的吸附能力。因此,氮肥在喀斯特不同类型土壤中的施用效果仍有待进一步探究。