唐 沖,楊勁松,姚榮江,王 勝,王相平,謝文萍
(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學院南京土壤研究所),南京 210008;2 中國科學院大學,北京 100049;3山東勝偉鹽堿地科技有限公司,山東濰坊 261000)
土壤鹽漬化是全世界范圍內(nèi)的一個難題,已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要障礙[1]。江蘇省海岸線長,沿著海岸線分布著大面積的灘涂,且灘涂面積還在不斷增加,根據(jù)2009年《江蘇沿海地區(qū)發(fā)展規(guī)劃》,截至2020年,共新增18萬hm2灘涂,其中 60% 用于農(nóng)業(yè)[2]。新圍墾的灘涂具有鹽堿程度高、地下水礦化度高、養(yǎng)分含量低以及淡水資源稀缺等特點。灘涂鹽漬土壤中含有的大量可溶性鹽以及交換性離子,對土壤的物理性質(zhì)、化學性質(zhì)和生物學性質(zhì)都有影響[3],例如過多的Na+,會減少土壤顆粒的絮凝以及土壤養(yǎng)分的保持[4],對土壤及作物都有不利的影響[5]。
氮作為大量營養(yǎng)元素之一,在作物生長與產(chǎn)量形成中有著不可替代的作用,作物吸收利用的氮素主要是銨態(tài)氮和硝態(tài)氮[6]?;瘜W氮肥的施用,是促進作物豐產(chǎn)的重要措施,但是不合理的氮肥施用一方面導致經(jīng)濟效益低,另一方面會增加氮肥在土壤中的殘留以及大氣和水體中的損失,污染環(huán)境[7]。鹽漬土壤由于特殊的環(huán)境,對土壤中氮素有效性與作物氮素吸收有著不利的影響。在濱海鹽漬土中,Cl–在陰離子中占據(jù)著主導地位,而過多的Cl–會和形成競爭量官能團以及各種礦質(zhì)元素的特性,在土壤改良中被廣泛利用[15-16]。尿素中添加硝化/脲酶抑制劑通過降低尿素水解和隨后發(fā)生的硝化作用,從而可以提高氮肥利用率和減少氮素氣態(tài)損失。已有學者將生物質(zhì)炭和硝化/脲酶抑制劑配合施用,對氮肥的氣態(tài)損失、作物產(chǎn)量和氮利用率開展了相關(guān)研究[17],但是在鹽漬土中的應用卻鮮有報道。因此,本研究以蘇北濱海鹽漬土為研究對象,采用盆栽試驗研究生物質(zhì)炭及脲酶抑制劑 N-丁基硫代磷酰三胺 (NBPT) 和硝化抑制劑雙氰胺 (DCD) 對濱海鹽漬土土壤鹽分、氮素轉(zhuǎn)化及作物氮素吸收利用的影響,驗證硝化/脲酶抑制劑在鹽漬土壤上應用的可能性,以期為濱海鹽漬農(nóng)田氮肥高效利用提供新的思路。
作用,減少植物對NO–3的吸收利用[8]。也有學者認為,Cl–會干擾膜轉(zhuǎn)運系統(tǒng),導致氮的吸收同化減少[9]。另外,大量的通過固定和氨揮發(fā)的形式損失[10]。因此,在鹽漬土壤中,作物氮素利用率往往較低,且隨著鹽分含量的增加而降低[11]。
目前,對土壤氮素有效性提升的研究主要著眼于有機無機配合施用[12-13]、氮肥調(diào)控劑(硝化/脲酶抑制劑)施用及改良材料(生物質(zhì)炭、腐殖酸等)添加[14]等。生物質(zhì)炭是一種在無氧或者低氧的條件下經(jīng)高溫裂解形成的含碳固體殘渣,由于其富碳、多孔、含有大
供試盆栽土壤采自江蘇省東臺市弶港鎮(zhèn)沿海經(jīng)濟 開 發(fā)區(qū)條 子 泥墾區(qū)(32°38′42.01′′N, 120°54′8.04′′E),是于2015年新圍墾的灘涂土壤。該地區(qū)土壤質(zhì)地為粉砂壤土,其中砂粒(2 ~ 0.02 mm)、粉砂(0.02 ~0.002 mm)、黏粒<0.002 mm)的質(zhì)量分數(shù)分別為3.48%、75.76%、20.76%,土壤類型為沖積鹽土類,潮鹽土亞類,是典型的淤泥質(zhì)海岸帶鹽漬土[18]。
供試作物為大麥,由上海海豐大豐種業(yè)有限公司提供。試驗所用生物質(zhì)炭由江蘇華豐農(nóng)業(yè)生物工程有限公司提供(原材料為秸稈稻殼,炭化溫度600℃,炭化時間20 s)。供試土壤和生物質(zhì)炭的基本性質(zhì)如表1所示。
供試硝化抑制劑為雙氰胺(DCD),由上海麥克林生化科技有限公司提供;脲酶抑制劑為N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT),由山東千貝化工有限公司提供。
表1 供試土壤和生物質(zhì)炭基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of tested soil and biochar in pot experiment
試驗于2018年12月至2019年6月在中國科學院南京土壤研究所溫室進行。共設:不施氮肥(CK)、常規(guī)化肥(F)、生物質(zhì)炭+常規(guī)化肥(BF)、常規(guī)化肥+硝化抑制劑DCD(FD)、常規(guī)化肥+脲酶抑制劑NBPT(FN)、常規(guī)化肥+DCD+NBPT(FDN)、生物質(zhì)炭+常規(guī)化肥+DCD(BFD)、生物質(zhì)炭+常規(guī)化肥+NBPT(BFN)、生物質(zhì)炭+常規(guī)化肥+DCD+NBPT(BFDN)9個處理,每個處理3次重復。不施氮肥處理指僅施用磷肥,且施用量和施氮肥處理相同,常規(guī)化肥處理指施用氮肥和磷肥,其中氮肥為尿素,施用量為N 0.15 g/kg,每盆施用1.65 g,按基追比為4∶3∶3施用;磷肥為過磷酸鈣,施用量為P2O50.1 g/kg,每盆施用1.1 g,作為基肥一次性全部施用。生物質(zhì)炭的用量為1% 干土重,硝化/脲酶抑制劑的用量均為尿素用量的1%。試驗用土經(jīng)自然風干后過10目篩混勻。試驗用盆直徑25 cm、高25 cm。試驗時,將土壤、生物質(zhì)炭、化肥及硝化/脲酶抑制劑混勻后再裝盆,每盆裝土11 kg,按田間持水量的60% 澆水,放置2 d,然后按照28株/盆的用量播種大麥。大麥生育期間,定期定量澆水,試驗用水為自來水,電導率為330.7 μS/cm,pH為7.99。
大麥收獲后,按0 ~ 10 cm和10 ~ 20 cm土層分層進行取樣,每層取3個點混合為一個樣品,經(jīng)自然風干、研磨、過篩后用于土壤pH、電導率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的測定。大麥植株收獲后,進行籽粒和秸稈的分離,將秸稈和籽粒放于烘箱中105℃殺青后再70℃恒溫烘干至恒重,粉碎、過0.5 mm篩后用于植株樣全氮的測定。
采用1∶5的土水質(zhì)量比浸提土壤,用電導率儀和pH計分別進行土壤電導率和pH的測定。土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮采用2 mol/L KCl溶液(1∶10土水質(zhì)量比)浸提,其中銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定,硝態(tài)氮采用紫外分光雙波長法測定。植株全氮采用H2SO4-H2O2消煮,靛酚藍比色法測定。
籽粒氮吸收量 (kg/hm2) = 籽粒量 × 籽粒氮含量;秸稈氮吸收量 (kg/hm2) = 秸稈量 × 秸稈氮含量;地上部氮吸收量 (kg/hm2) = 籽粒氮吸收量+秸稈氮吸收量;
氮肥表觀利用率 (%) = (施氮區(qū)地上部氮吸收量 – 對照區(qū)地上部氮吸收量)/施氮量 × 100;
氮肥農(nóng)學效率 (kg/kg) = (施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量 – 對照區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量;
氮肥偏生產(chǎn)力 (kg/kg) = 施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量/施氮量;
植株氮素吸收效率 (%) = 施氮區(qū)地上部氮吸收量/施氮量 ×100;
氮收獲指數(shù) (%) =籽粒氮吸收量/地上部氮吸收量 × 100;
土壤氮素凈礦化量 (kg/hm2) = 不施氮肥區(qū)地上部氮吸收量 + 不施氮肥區(qū)土壤無機氮殘留量– 不施氮肥區(qū)起始無機氮積累量;
氮素表觀損失量 (kg/hm2) = 施氮量 + 土壤起始無機氮積累量+ 土壤氮素凈礦化量 – 作物收獲帶走氮量 – 收獲后土壤無機氮殘留量;
土壤殘留硝態(tài)氮/銨態(tài)氮(kg/hm2)=硝態(tài)氮/銨態(tài)氮含量×每層土重;
土壤殘留無機氮(kg/hm2)=土壤殘留硝態(tài)氮+土壤殘留銨態(tài)氮。
采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理及作圖,IBM SPSS Statistics 24對數(shù)據(jù)進行方差分析,并用最小顯著性差異LSD法進行多重比較,顯著水平為5%。
從圖1可以看出,不施氮肥處理的0 ~ 10 cm土層電導率高于10 ~ 20 cm土層,而各施氮肥處理的0 ~ 10 cm土層電導率低于10 ~ 20 cm土層,這是由于不施氮肥處理植株矮小且早熟,土壤蒸發(fā)強烈,在作物生長后期造成鹽分的表聚;而施氮肥處理植株茂密,土壤蒸發(fā)相對較弱,且在盆栽條件下缺乏排水影響,在多次的灌水后,土壤表層的鹽分逐漸淋洗至底層。生物質(zhì)炭由于自身含有較高的鹽分,在大麥收獲后增加了土壤的電導率。0 ~ 10 cm土層,施氮肥處理相比不施氮肥處理顯著降低了土壤電導率,各施氮肥處理間差異不顯著,硝化/脲酶抑制劑對該土層電導率無顯著影響。10 ~ 20 cm土層,生物質(zhì)炭處理顯著增加了土壤電導率,硝化/脲酶抑制劑對該層土壤電導率無明顯影響。
由圖2所示,各施氮肥處理土壤pH大致表現(xiàn)為0 ~ 10 cm土層高于10 ~ 20 cm土層,不施氮肥處理土壤pH為0 ~ 10 cm土層低于10 ~ 20 cm土層,添加NBPT處理相比添加DCD處理略微降低了土壤pH。對于0 ~ 10 cm土層,各施氮肥處理的土壤pH均高于不施氮肥處理,各氮肥處理間差異不顯著。10~ 20 cm土層,則大致表現(xiàn)為生物質(zhì)炭處理土壤pH低于非生物質(zhì)炭處理。
由表2所示,尿素中添加硝化/脲酶抑制劑可以提高大麥籽粒產(chǎn)量,但生物質(zhì)炭處理增產(chǎn)效果更明顯,BFDN處理增產(chǎn)最多,相較F處理增產(chǎn)了35.02%。各施氮肥處理均顯著增加了秸稈的產(chǎn)量和生物量。各抑制劑處理相比F處理對秸稈產(chǎn)量均有一定程度的降低,其中BFDN處理降低幅度最大,達到了12.92%。對于大麥生物量,BFN、BF、BFD、FD、BFDN處理相比F處理生物量分別增加了8.24%、7.47%、6.19%、3.23%、0.66%。各氮肥處理相比不施氮肥處理均增加了大麥的千粒重,BF處理增加最多為9.6%,尿素加硝化/脲酶抑制劑處理相比F處理降低了大麥的千粒重,其中FN處理降低最多為5.3%。
表2 不同處理對大麥產(chǎn)量的影響Table 2 Barley yields under different treatments
2.3.1 氮素吸收利用 施氮肥可以增加大麥對氮素的吸收,且籽粒的全氮含量高于秸稈的全氮含量。從表3可以看出,各氮肥處理的秸稈和籽粒全氮含量均高于不施氮肥處理,各氮肥處理間差異不顯著,除FDN、FN處理的秸稈全氮和FN處理的籽粒全氮含量較F處理有所增加外,其他施氮肥處理的秸稈和籽粒全氮含量對比F處理均有所下降,BFN處理降低最多,秸稈和籽粒全氮含量分別下降16.42%和6.87%。對于大麥植株的氮素吸收量,各氮肥處理相比不施氮肥處理均顯著增加,各氮肥處理間差異不顯著,生物質(zhì)炭及各抑制劑處理相比F處理均有所增加,BFD處理相比F處理增加最多為7.7%。
2.3.2 氮肥利用效率 尿素添加硝化/脲酶抑制劑對大麥氮肥利用效率相關(guān)指標均有提高。從表4可以看出,由于生物質(zhì)炭處理對大麥籽粒產(chǎn)量的提高最明顯,因此生物質(zhì)炭配合硝化/脲酶抑制劑對氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮收獲指數(shù)提升最多。對于氮肥表觀利用率和氮素吸收效率,BFD處理相比F處理增加最多。不施氮肥處理的氮收獲指數(shù)高于各施氮肥處理,這可能是由于當植物響應到缺氮時,養(yǎng)分氮會從植株基部或老葉轉(zhuǎn)移到新器官,滿足生殖器官的生長,因此造成籽粒的產(chǎn)量和吸氮量明顯高于秸稈。
表3 不同處理對大麥氮素含量及吸氮量的影響Table 3 Nitrogen contents and uptake of barleys under different treatments
表4 不同處理對大麥氮肥利用效率的影響Table 4 Nitrogen use efficiencies of barleys under different treatments
2.4.1 土壤無機氮 如表5所示,土壤無機氮以硝態(tài)氮為主,施氮肥可以顯著增加土壤無機氮含量,且10 ~ 20 cm土層高于0 ~ 10 cm土層。隨著灌水次數(shù)的增加,硝態(tài)氮逐漸淋溶至10 ~ 20 cm土層,造成10 ~ 20 cm土層的硝態(tài)氮含量高于0 ~ 10 cm土層。對比F處理,添加DCD處理增加了土壤0 ~ 20 cm土層銨態(tài)氮含量,降低了10 ~ 20 cm土層硝態(tài)氮的含量,因此10 ~ 20 cm土層無機氮含量相比F處理也有降低。添加NBPT處理相比F處理降低了0 ~ 20 cm土層銨態(tài)氮含量,但增加了硝態(tài)氮的含量。同時添加DCD和NBPT相比單獨添加DCD和NBPT,既可以避免硝化抑制劑對銨態(tài)氮含量的增加,又降低了脲酶抑制劑對硝態(tài)氮含量的增加。
表5 不同處理對大麥收獲后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的影響Table 5 Soil ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents under different treatments after barley harvest
2.4.2 土壤氮素養(yǎng)分平衡 根據(jù)氮輸入及氮輸出,計算出在盆栽條件下土壤–大麥體系的氮素養(yǎng)分平衡(表6)。施氮量在氮輸入中占據(jù)主導地位,且顯著增加了作物的吸氮量和土壤殘留無機氮。在氮輸出項中,主要以作物吸收和氮表觀損失為主。尿素中添加脲酶抑制劑可以增加土壤殘留無機氮含量,F(xiàn)N、BFN、FDN、BFDN、BF處理相比F處理分別增加了10.18%、10.16%、9.11%、3.62%、1.73%;硝化抑制劑降低了土壤殘留無機氮含量,F(xiàn)D、BFD處理相對F處理分別降低了1.77%、6.90%。尿素中添加硝化/脲酶抑制劑均降低了氮表觀損失量,F(xiàn)DN、BFD、BF、FN、BFN、BFDN、FD處理分別相比F處理降低了6.02%、5.37%、5.07%、4.78%、3.53%、2.38%、0.39%。
表6 不同處理下盆栽大麥氮素平衡Table 6 Nitrogen balances of potted barleys under different treatments
生物質(zhì)炭可以提高土壤孔隙度和導水率,因此可以加速鹽分的淋洗[20]。但是也有學者發(fā)現(xiàn),高灰分的生物質(zhì)炭增加了土壤的電導率[21]。因此在鹽漬土中應用生物質(zhì)炭也應考慮其自身的鹽分。本研究結(jié)果表明,各施氮肥處理均增加了土壤鹽分的淋洗,由于缺乏排水措施,導致底層土壤積聚大量鹽分,此外生物質(zhì)炭本身含有較多的鹽分,因此生物質(zhì)炭處理的電導率高于不加生物質(zhì)炭處理,且掩蓋了生物質(zhì)炭對鹽分的淋洗作用。對于土壤pH,土壤電導率較低的處理土壤pH反而較高,可能是因為試驗用土為蘇北濱海鹽漬土,鹽分組成中Na+的含量占陽離子的60% ~88%,隨著土壤積鹽和返鹽的頻繁進行,土壤堿化程度也在發(fā)生變化;此外HCO–3含量雖然很低,但是其相對含量隨著土壤全鹽含量的下降反而升高,故土壤pH隨著鹽分的降低而略有增加[22]。10 ~ 20 cm土層的土壤pH大致表現(xiàn)為生物質(zhì)炭處理低于非生物質(zhì)炭處理,可能和鹽分的淋洗有關(guān)。
許多學者針對不同土壤類型及不同作物進行了硝化/脲酶抑制劑對作物產(chǎn)量及氮素吸收利用的研究。有的研究表明硝化/脲酶抑制劑可以提高作物產(chǎn)量及氮素吸收利用[23],但也有研究發(fā)現(xiàn)硝化/脲酶抑制劑沒有提高產(chǎn)量[24],這可能取決于抑制劑及作物的種類、土壤類型等因素。生物質(zhì)炭對產(chǎn)量的影響也有不同的研究結(jié)果,Zhang等[25]研究結(jié)果表明,生物質(zhì)炭用量20 t/hm2和40 t/hm2分別增產(chǎn)了8.8% 和12.1%;然而Rajkovich等[26]研究結(jié)果表明,26 t/hm2的生物質(zhì)炭用量降低了產(chǎn)量,這可能和生物質(zhì)炭及土壤的性質(zhì)有關(guān)。鹽漬土含有過量的可溶性鹽和其高pH,嚴重抑制了土壤氮素的有效性和植物對氮素的吸收利用。本研究結(jié)果表明,尿素中添加硝化/脲酶抑制劑可以增加大麥籽粒的產(chǎn)量,配合使用生物質(zhì)炭增產(chǎn)更多,這和He等[17]的研究結(jié)果一致;除NBPT添加增加了秸稈和籽粒的全氮含量外,其余抑制劑處理皆降低了大麥籽粒和秸稈的全氮含量。大麥為喜硝態(tài)氮作物,DCD及DCD加NBPT處理大麥生育期內(nèi)土壤硝態(tài)氮含量較低,因此相比F處理降低了大麥秸稈和籽粒的全氮含量;FN處理增加了秸稈和籽粒的全氮含量,這是由于脲酶抑制劑處理銨態(tài)氮含量較低,有利于硝化作用的進行,增加了土壤中硝態(tài)氮的含量[27],從而增加了大麥對氮素的吸收利用;生物質(zhì)炭由于高的pH會增加氮素的氨揮發(fā)損失,以及可能吸附硝態(tài)氮和銨態(tài)氮,降低土壤有機質(zhì)的分解[28],因此降低了土壤中無機氮的含量,故BFN處理也降低了大麥的全氮含量。硝化/脲酶抑制劑促進了大麥籽粒產(chǎn)量的增加,卻降低了大麥秸稈的產(chǎn)量,可能由于抑制劑增加了氮素的供應時間,使土壤無機氮含量在作物生育期內(nèi)保持在較低的水平,而鹽漬土含有較多的可溶性鹽,造成土壤滲透勢降低[29],導致作物吸收養(yǎng)分困難,從而作物吸收的養(yǎng)分會優(yōu)先滿足生殖器官的生長,這和本試驗中不施氮肥處理的籽粒產(chǎn)量高于秸稈一致。此外,本研究中添加DCD和NBPT處理相比F處理均增加了氮肥的利用效率,由于生物質(zhì)炭對大麥籽粒的產(chǎn)量增加更多,因此生物質(zhì)炭配合尿素加抑制劑處理相比尿素單加抑制劑處理,對氮肥農(nóng)學效率、氮肥偏生產(chǎn)力及氮收獲指數(shù)增加更多。
DCD通過抑制亞硝化細菌的活性,阻止尿素水解成銨態(tài)氮后的進一步氧化,從而降低土壤的氮素損失[30]。NBPT通過抑制脲酶活性,延緩尿素的水解,從而降低土壤中的NH4+濃度,減少對作物的毒害作用以及氨揮發(fā)損失[31]。硝化抑制劑和脲酶抑制劑混合使用,既能延緩尿素的水解,減少氨揮發(fā)損失,又能減少N2O的損失[32]。旱作土壤中,土壤無機氮以硝態(tài)氮為主。本研究中,添加DCD處理增加了作物收獲后土壤中銨態(tài)氮含量,降低了硝態(tài)氮含量,配合生物質(zhì)炭處理對銨態(tài)氮含量增加更多、硝態(tài)氮含量降低更多,因此降低了土壤中殘留無機氮含量,這可能是由于生物質(zhì)炭會吸附NH4+[33];添加NBPT處理降低了土壤中的銨態(tài)氮含量,但提高了硝態(tài)氮含量,配合生物質(zhì)炭處理增加更多,導致土壤中殘留無機氮含量增加,與魯艷紅等[19]的研究結(jié)果相反,可能是因為脲酶抑制劑抑制了尿素的水解,使土壤中銨態(tài)氮含量處在較低的水平,從而促進了硝化作用[27]。當DCD與NBPT同時添加時,相比單獨添加DCD處理降低了土壤銨態(tài)氮含量,相比單獨添加NBPT處理降低了土壤硝態(tài)氮含量。氮肥施入土壤后的去向主要為被作物吸收、殘留在土壤中以及通過氨揮發(fā)、硝化和反硝化、淋洗和徑流等途徑損失[34]。本研究通過盆栽試驗開展,缺乏排水設施,因此氮素的損失途徑中缺乏淋洗損失。通過計算盆栽條件下的氮平衡發(fā)現(xiàn),DCD和NBPT對氮表觀損失均有降低作用。本研究中氮的表觀損失較大,達到了160 ~ 170 kg/hm2,明顯高于侯云鵬等[35]的研究結(jié)果,這是因為在鹽漬土中,土壤鹽分抑制了硝酸還原酶的活性從而增加了N2O排放[36]以及堿性環(huán)境下增加了氨揮發(fā)損失。此外,由于盆栽條件下施氮量偏多,通過對比朱海等[37]在本試驗用土所屬地區(qū)的田間試驗,氮的表觀損失也有增加。
1)在盆栽條件下,由于缺乏排水設施,導致土壤鹽分被淋洗至底層;生物質(zhì)炭自身含有較高的鹽分,因此其添加增加了土壤電導率。總體上,土壤電導率高的土壤pH較低。
2)DCD、NBPT添加可以增加大麥籽粒的產(chǎn)量、植株吸氮量,但是卻降低了秸稈的產(chǎn)量;同時添加生物質(zhì)炭處理增產(chǎn)更多,其中BFDN處理籽粒產(chǎn)量增加最多,相較于F處理增加了35.02%。DCD添加降低了大麥秸稈和籽粒的全氮含量;NBPT添加增加了大麥籽粒和秸稈的全氮含量,但是同時添加生物質(zhì)炭條件下又有降低作用。DCD、NBPT添加可以提高氮肥利用效率,配合生物質(zhì)炭使用對各指標的增加更多。
3)盆栽條件下較多的施氮量,導致氮的損失量也較大。對比常規(guī)化肥處理,DCD添加降低了土壤中殘留的無機氮含量,NBPT添加增加了土壤中殘留無機氮含量。DCD、NBPT及生物質(zhì)炭配合施用,對盆栽條件下土壤–植物系統(tǒng)中氮素表觀損失均有降低作用。
4)從作物產(chǎn)量、氮肥利用率及氮素表觀損失3個方面考量,在濱海鹽漬土中應用生物質(zhì)炭加硝化/脲酶抑制劑較為理想。