肥料添加剂NAM对盐渍土壤理化性质及水稻氮肥农学利用效率的影响

来源:用户上传      作者:孙艳　张士荣　丁效东　曾路生　丁芳　王玲莉　石元亮

　　 摘要：采用田间试验法，研究肥料中添加NAM抑制剂对盐渍土壤理化性质及水稻氮肥农学利用效率的影响。试验设置不施肥（对照）、常规施肥、常规施肥添加NAM、常规施肥80%添加NAM四个处理。结果表明，添加NAM抑制剂可明显提高土壤有机质、碱解氮、速效钾含量，有效降低土壤电导率和pH值。与对照相比，常规施肥添加NAM处理的0～10、10～20 cm土层中土壤有机质分别增加90.52%、83.60%;全氮含量分别增加111.11%、122.22%。添加NAM处理的土壤CEC值高于对照，而ESP值明显低于对照，说明NAM抑制剂可有效影响盐渍化土壤理化性质。NAM抑制剂可提高水稻对全氮、全磷、全钾养分的吸收;与不施肥对照相比，常规施肥并添加NAM处理水稻增产22.39%。肥料减施20%添加NAM处理，其产量与常规施肥处理相当，但却有更高的氮肥农学利用效率。说明肥料中添加NAM抑制剂可明显提高氮肥利用率，这对节约肥料用量、促进水稻增产和减少农田面源污染具有重要意义。
　　关键词：NAM; 氮肥农学利用效率; 土壤养分; 水稻; 盐渍土壤
　　中图分类号：S511.062 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2020）04-0086-06
　　Abstract The field tests were carried out to study the effects of adding NAM inhibitor into fertilizer on the physical and chemical properties of saline-alkline soil and agricultural utilization efficiency of nitrogen fertilizer in rice. Four treatments were set as control（no fertilization）， conventional fertilization， conventional fertilization with NAM， and 80% of conventional fertilization with NAM. The results indicated that the addition of NAM inhibitor could significantly increase the contents of organic matter， alkali nitrogen and available potassium， and effectively reduce the soil conductivity and pH value. Compared with the control treatment， the soil organic matter content in the 0 ～ 10-cm and 10 ～ 20-cm soil layers increased by 90.52% and 83.60% respectively， and the total nitrogen content increased by 111.11% and 122.22% respectively under the treatment of conventional fertilization with NAM. Adding NAM increased the soil CEC value but decreased the ESP value compared with the control， which indicated that the NAM inhibitor could effectively affect the properties of saline soil. The NAM inhibitor also increased the absorption of total nitrogen， total phosphorus and total potassium of rice. Conventional fertilizer with NAM increased the rice yield by 22.39% compared with the control. When the fertilizer was reduced by 20% and added with the NAM inhibitor， the yield of rice was equivalent to that of the conventional fertilization， however， it had higher nitrogen agronomic utilization efficiency. In conclusion， the addition of NAM inhibitor in fertilizer could significantly improve the utilization rate of nitrogen fertilizer， which is of great significance for saving fertilizer， increasing rice yield and reducing non-point source pollution.
　　Keywords NAM; Nitrogen fertilizer agronomic utilization efficiency; Soil nutrients; Rice; Saline soil
　　
　　聯合国粮农组织（FAO）的统计资料表明，目前世界禾谷类作物氮肥利用率约为33%，发达和发展中国家的氮肥利用率分别为42%和29%[1]。我国施用氮肥普遍存在利用率低、肥效期短、损失严重等突出问题，农田氮肥表观利用率在30%～35%，全国农业生产中氮肥的损失率高达30%～50%[2]。 　　氮素通过氨挥发、硝态氮淋溶及反硝化等途径损失，引起地下水污染、水体富营养化、大气温室气体增加等问题[3]。因此，在保证作物产量前提下，提高氮肥利用率、减少环境负面影响已经成为世界农业领域和环境领域的研究热点。串丽敏等[4]研究表明，硝化抑制剂对土壤的硝化作用有显著的抑制效果，使土壤中铵态氮库较长时间保持在较高水平，相应地促进作物对铵态氮的吸收和微生物固持。Zerulla[5]、Pasda[6]等研究认为，硝化抑制剂能通过抑制亚硝化细菌活性有效延缓 NH+4-N 向移動性强的NO-3-N转化，减少肥料氮的淋溶损失，提高肥料利用率。现有研究表明，对铵态氮肥及产铵氮肥来说，抑制剂的使用能延缓或抑制其硝化作用，这是减少氮素损失、提高氮肥利用率及减低环境危害的重要措施[7]。抑制剂在我国肥料改良、提高肥料利用率及改革施肥方式等方面起到积极作用，并且以效果明显及价格低的优势在农业生产中得到广泛应用[8，9]。
　　土壤盐渍化是21世纪以来地球面临的一个十分严峻的问题[10]。联合国粮农组织的资料表明，世界盐渍土面积约为9.54×108 hm2[11]。盐渍土的理化性状相对于普通土壤较差[12]。由于大量Na+依附于土壤胶体表面，把土壤胶体表面上的Ca2+、Mg2+等离子置换下来，导致土粒分散，严重破坏土壤结构。一般情况下，其孔隙度较小，通气透水性都较差，土壤易于板结，且碳、氮矿质化程度都较低，严重抑制土壤酶活性，进而对土壤微生物活动和土壤离子的动态变化以及土壤中腐殖质等有机质的转化产生影响[13]。盐渍化不但会使耕地生产力降低，还会严重制约耕地的可持续性利用，继而影响我国农业可持续发展。因此，土壤盐渍化是一个十分棘手的世界性难题[14，15]。在中国，人口持续增长对粮食的需求日益增大，导致耕地压力越来越重。研究如何提高盐碱地肥料利用效率，对于发挥耕地的增产潜力、确保其可持续利用具有重要意义。
　　NAM是一种长效复合肥添加剂，是由脲酶抑制剂、硝化抑制剂和磷素活化剂复配而成，使肥料中氮素具有长效缓释功能，对磷素具有活化和保护作用。古慧娟等[16]研究认为施用NAM添加剂，在一定时间内，使土壤NH+4-N保持较高水平，延缓土壤NH+4-N向NO-3-N的转化，减少氮素损失，从而保证有效氮能够满足作物后期的生长需要。本试验采用大田试验法研究肥料添加NAM抑制剂对盐渍土理化性质、水稻产量及氮肥利用效率的影响，以期为NAM在盐碱地改良中的推广应用提供科学依据。
　　1 材料与方法
　　1.1 试验地概况及材料
　　试验于2018年6—10月在山东省东营市胜坨镇进行。该区地处东经118°5′，北纬38°15′，年均气温12.5℃，多年平均降水量550～600 mm，7—8月降水量约占全年的50%，无霜期206 d。供试土壤为盐渍化水稻土，利用黄河水灌溉种植水稻。土壤有机质含量13.3 g/kg、碱解氮54.5 mg/kg、速效磷43.2 mg/kg、速效钾57.8 mg/kg，pH值8.5，电导率741 μS/cm。
　　供试抑制剂NAM为灰白色粉末，溶于水，熔点170℃，常温下储存稳定，主要成分是脲酶抑制剂、硝化抑制剂和磷活化剂，由中国科学院沈阳应用生态研究所研发并提供。
　　1.2 试验设计及方法
　　试验设置4个处理，分别为CK：不施肥料;常规施肥：复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）750 kg/hm2做基肥，尿素225 kg/hm2做追肥;常规施肥+NAM：常规施肥总量添加NAM抑制剂充分混匀后一次性基施;常规施肥80%+NAM：常规施肥总量的80%添加NAM抑制剂做基肥。其中，NAM按氮素总量的0.7%加入。随机区组排列，重复3次。小区面积30 m2。小区之间有高20 cm、宽30 cm的土壤隔离。当地常规品种，先育秧后于6月16日插秧移栽，每公顷种植密度为24万穴。常规施肥处理中，水稻返青期和分蘖期各追肥一次。灌溉水源为黄河水，进水沟与排水沟分离。水稻生长期间保持2～6 cm 的水面，当地常规管理，10月15日收获。
　　1.3 测定指标及方法
　　水稻收获后分别采集0～10、10～20 cm土壤样品，参考鲍士旦[17]的方法测定土壤有机质、全氮、碱解氮、速效钾、土壤电导率、pH值及土壤阴阳离子浓度等。
　　收获期每小区采集水稻植株样品，测定小区产量。植株全氮用半微量蒸馏法、全磷用钒钼黄分光光度计法、全钾用火焰光度计法测定。
　　1.4 数据分析及计算
　　土壤碱化度的计算：碱化度（ESP）指土壤胶体吸附的交换性Na+占阳离子交换量（CEC）的百分率。ESP=交换性Na+ /CEC×100% 。
　　肥料偏生产力（kg/kg）=施肥后所得作物产量/化肥纯养分投入量;氮肥农学利用率（kg/kg）=（施氮处理产量-[JP]不施氮处理产量）/施氮量。
　　试验数据用Microsoft Excel 2007软件进行整理及作图，用SPSS 20.0软件进行数据分析。
　　2 结果与分析
　　2.1 NAM抑制剂对盐渍土壤理化性质的影响
　　由表1看出，0～10 cm土层，常规施肥+NAM处理的土壤有机质含量显著高于CK、常规施肥和常规施肥80%+NAM处理，分别提高90.52%、35.47%和30.49%;10～20 cm土层，分别提高83.60%、14.83%和28.90%。常规施肥+NAM处理的全氮、速效钾等土壤养分含量也高于其它处理。其中，0～10 cm土层全氮含量分别比CK、常规施肥和常规施肥80%+NAM处理提高111.11%、25.47%和30.39%;10～20 cm土层，分别提高122.22%、19.40%和52.38%。说明肥料中添加抑制剂可以有效提高土壤养分含量，具有保肥及延长肥效的作用。常规施肥80%+NAM处理的土壤有机质、碱解氮和速效钾含量基本显著高于CK，但与常规施肥处理差异不显著，说明在添加NAM抑制剂的前提下，减少氮肥用量20%依然可以使土壤保持较高的养分含量，对提高肥料利用率和保护环境具有重要意义。添加NAM的两处理土壤电导率较CK和常规施肥处理低，说明抑制剂可以降低土壤的电导率，从而减少土壤盐渍化。从表1中还可看出，10～20 cm土层pH值略高于0～10 cm土层，这可能是土壤中的盐离子随水下渗造成的。 　　2.2 NAM抑制剂对盐渍土壤水溶性阳离子的影响
　　由图1可以看出，水稻盐渍土中水溶性Na+含量较其它阳离子高，而常规施肥+NAM处理中Na+含量明显低于CK、常规施肥、常规施肥80%+NAM处理，0～10 cm土层分别降低16.66%、32.10%、30.96%，10～20 cm土层[JP]分别降低24.67%、37.63%、34.83%。相对于常规施肥处理，常规施肥+NAM处理的土壤中水溶性Na+含量明显降低，说明NAM抑制剂可以有效降低盐渍土中的水溶性Na+含量，起到改良盐渍土的作用。常规施肥+NAM处理和常规施肥80%+NAM处理的土壤中Mg2+和Ca2+含量均高于CK和常规施肥处理，说明施用NAM可使土壤中含有较高的水溶性Mg2+和Ca2+，有利于土壤理化性质的改善，从而促进作物生长。各处理土壤中K+含量均较高，可能是因为当地习惯将K2SO4型复合肥作为钾肥施用。
　　2.3 NAM抑制剂对盐渍土壤水溶性阴离子的影响
　　由图2可以看出，常规施肥+NAM处理的HCO3-含量低于CK、常规施肥、常规施肥80%+NAM处理，0～10 cm土层分别降低12.38%、8.91%、11.54%，10～20 cm土层分别降低15.89%、12.62%、11.76%。常规施肥80%+NAM处理的水溶性HCO-3含量低于CK，表层土壤低0.10 mg/kg，亚表层土壤低0.50 mg/kg，与常规施肥处理差异不显著。说明NAM抑制剂可以有效减少盐渍土壤中的HCO-3含量，改善盐渍土的理化性质，进而起到改良盐渍土的作用。此外，试验地土壤中的CO2-3含量极低，各处理间Cl-含量无明显差异。各处理中SO2-4含量较高，这是由于K2SO4作为钾肥提高了土壤SO2-4含量。
　　2.4 抑制剂NAM对盐渍土壤碱化度的影响
　　阳离子交换量是评估土壤保肥能力和供肥能力的重要指标。阳离子交换机制对土壤中养分的保持和供应起着重要作用，当土壤溶液中阳离子吸附在胶体上时，表示阳离子养分的暂时保蓄，即保肥过程。由表2看出，0～10 cm土层，常规施肥+NAM处理的交换性Na+含量分别比CK、常规施肥、常规施肥80%+NAM处理降低24.51%、20.62%、17.20%，10～20 cm土层分别降低35.05%、32.98%、29.21%。常规施肥80%+NAM处理的土壤交换性Na+含量与CK相比，表层土壤中低0.36 cmol/kg，亚表层土壤中低0.32 cmol/kg，略低于常规施肥处理。土壤中交换性Na+含量较高，则不利于土壤的通气透水，影响作物生长，说明施用NAM有利于提高土壤的通气透水性。添加NAM的兩个施肥处理土壤CEC值均高于CK和常规施肥处理，其中常规施肥+NAM处理的CEC值比CK和常规施肥处理分别高6.50、2.30 cmol/kg，常规施肥80%+NAM处理的CEC值分别高4.60、0.40 cmol/kg，说明NAM抑制剂能提高盐渍土壤的保肥性能。此外，不同施肥处理间ESP值差异不显著，但均显著低于CK，其中常规施肥+NAM处理表现为最低。说明施用NAM抑制剂可以降低水稻田盐渍土壤的碱化度，有利于改良碱化土壤的理化性质。
　　2.5 抑制剂NAM对水稻植株N、P、K吸收的影响
　　由图3看出，水稻植株的全氮含量最高，常规施肥+NAM处理的水稻含氮量显著高于其它三个处理;添加NAM的两处理水稻含钾量无显著差异，但均显著高于CK和常规施肥处理。常规施肥+NAM处理的水稻含氮量比CK和常规施肥处理分别高4.77 g/kg和3.72 g/kg，含钾量分别高2.56 g/kg和2.24 g/kg;常规施肥80%+NAM处理比二者分别高1.23 g/kg和0.18 g/kg，含钾量分别高2.52 g/kg和2.20 g/kg。各处理间的水稻含磷量均无显著差异，但其在不同处理中的变化趋势与全氮、全钾相似。说明在盐渍土中添加NAM抑制剂能促进水稻对氮、磷、钾的吸收。
　　2.6 NAM抑制剂对水稻产量及氮肥利用效率的影响
　　由表3看出，常规施肥+NAM处理的水稻产量分别比CK、常规施肥、常规施肥80%+NAM处理增产22.39%、2.50%、0.82%;常规施肥80%+NAM处理的水稻产量与CK和常规施肥[JP]处理相比分别增产21.40%和1.66%，说明施用抑制剂能提高水稻产量。添加NAM的两处理水稻产量相当，但两者的肥料偏生产力和氮肥农学利用效率均高于其它处理，特别是常规施肥80%+NAM处理的肥料偏生产力和氮肥农学利用效率显著高于常规施肥处理。说明水稻氮肥利用效率有较大的提升潜力，添加NAM抑制剂能够提高氮素有效性，从而为提高水稻产量作贡献，对节约氮肥、提高氮肥利用率和保证较高的经济效益有重要意义。
　　3 讨论与结论
　　Prakasa等[18]经大量田间试验表明，添加抑制剂的氮肥利用率比对照明显提高，有的达到20%～30%。焦晓光等[19]研究表明，脲酶抑制剂和硝化抑制剂使NO-3-N在较长时间内保持较低水平，显著抑制土壤中NH+4的氧化，且微生物量的增多也加大了土壤对NH+4-N的固持作用，利于土壤缺氮时满足作物对氮的需求，其结论与本研究结果一致。孙爱文[20]、Chaves[21]等研究表明，氮以铵态氮的形式被植物吸收还可以增加其对磷的吸收。陈利军等[22]研究表明NAM能抑制NH+4-N向NO-3-N的转化，减少N2O的排放，节约肥料，减少能源消耗，降低温室气体的排放，对全球气候变暖有一定的缓解作用。本研究表明，常规施肥80%+NAM处理与常规施肥处理相比，显著提高了肥料利用率，在维持作物产量的基础上节约了投入，对当前的生态环境及食品安全等都具有重要意义，这与古慧娟等[16]的研究结果相一致。本研究表明，肥料中添加NAM抑制剂能提高氮肥农学利用效率使水稻高产，而Dewi等[23]也报道施用脲酶抑制剂包被的尿素能抑制脲酶活性，从而减少氮素损失，提高肥料的利用效率，使玉米获得更高产量。 　　添加NAM可增加盐渍土壤的养分含量及水溶性Ca2+和Mg2+含量，降低土壤中水溶性Na+和HCO-3含量;添加NAM的土壤CEC值显著高于其它处理，而土壤ESP值和电导率明显低于其它处理。阳离子交换量既能直接反映土壤可以提供速效养分的数量，也能表示土壤保肥能力、缓冲能力的大小[24]。施用抑制剂可以提高盐渍土壤的保肥能力和供肥能力，降低盐渍土壤的碱化作用，有效地改良盐渍土壤。同时添加NAM可提高水稻的全氮、全磷和全钾含量，对水稻增产作用效果显著。NAM的有效期较长，可在作物生长后期维持有效养分的释放。因此，农业生产中，使用NAM抑制剂具有较大的增产潜力和发展前景。
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