DMPP對稻田田面水氮素轉化及流失潛能的影響

俞巧鋼,陳英旭(.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 30029；2.浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 3002)

DMPP對稻田田面水氮素轉化及流失潛能的影響

俞巧鋼1,2*,陳英旭1(1.浙江大學環境與資源學院,浙江 杭州 310029；2.浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)

采用杭嘉湖地區典型的小粉土和青紫泥土壤,進行水稻盆栽試驗,研究新型硝化抑制劑3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)對稻田田面水氮素轉化及徑流流失潛能的影響.結果表明,小粉土和青紫泥土壤稻田應用添加DMPP抑制劑的尿素,與常規尿素處理相比,田面水中銨態氮的濃度增加24.8%和16.7%,硝態氮濃度降低47.7%和70.9%,亞硝態氮濃度降低90.6%和88.9%,總無機氮濃度下降13.5%與23.1%,能顯著減輕農田氮素流失對水環境存在的污染;DMPP可使田面水的電導率下降,降低鹽基離子隨農田排水或暴雨徑流所導致的流失風險,有助于保護河流水體等地表水環境.

硝化抑制劑；3,4-二甲基吡唑磷酸鹽；淹水稻田；氮素轉化；徑流流失

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

旱地氮素利用率為40%～60%,而稻田僅有20%～40%[1].氮肥施入土壤后,通過氣態揮發、淋溶和徑流途徑損失,不僅造成肥料、能源的浪費,且對環境產生污染[2-4].近年來,我國沿海稻田不斷增加氮肥用量使水稻獲得高產,但由于氮肥利用率較低,流失嚴重,加重了水體富營養化和地下水污染并危及人類健康[2,4-5].提高肥料氮利用率的重要途徑之一是改善氮肥性能,如氮肥中加入硝化抑制劑,延緩銨態氮向硝態氮的轉化,利用土壤對銨態氮和硝態氮不同的理化特性,減輕氮素流失,降低對水體環境的污染[6-8].3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)是一種新型硝化抑制劑,其在減少旱季土壤氮素徑流和滲漏損失時有著優良的效果[9-12].本研究從尿素添加DMPP新型硝化抑制劑角度,研究其對漬水環境下水相氮素遷移轉化的影響,進而為控制稻田氮素流失,防治水體氮素面源污染提供科學依據.

1 材料與方法

1.1供試材料

供試土壤為杭嘉湖地區典型小粉土和青紫泥,采樣深度為30cm,土壤性質見表1.水稻品種為早稻,在4月中旬移栽,7月上旬收獲,栽培管理方式與當地習慣相同.

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

1.2試驗內容與分析方法

將田間采集土樣自然風干壓碎,剔除根系,用孔徑大小為1mm×1mm粗篩過篩.混合均勻后稱取7.5kg土壤移入陶瓷盆(20×20×25cm)中,再分別添加5L去離子水,使土壤保持在淹水泡田的一種狀態.1周后,排出表層土壤水,將肥料以基肥的形式均勻施入土壤,然后移栽水稻苗10棵.在水稻移栽5周后,進行第2次的施肥(追肥).兩種土壤的水稻施肥采用以下處理:對照(CK),不施氮肥;常規尿素(UA);常規尿素+DMPP抑制劑(DP),各處理重復3次,氮肥用量折純氮為基肥90kg/ha,第2次施肥90kg/ha,DMPP用量為尿素氮含量的1%.試驗通過添加去離子水使水稻保持淹水3cm,10周后不再加水,讓其自然落干,直到水稻完全成熟.在水稻生長過程中每隔一段時間采集田面水,過濾后用奈氏試劑比色法測定銨態氮,紫外分光光度法測定硝態氮,鹽酸萘乙二胺絡合顯色法測定亞硝態氮,同時測定水樣的電導率.

試驗數據采用Excel 2000和SPSS10.0進行統計分析,圖中誤差線表示標準偏差SD.

2 結果與討論

2.1銨態氮含量動態變化分析

從圖1可見,2種土壤中不施肥處理田面水銨態氮的含量極低,維持在1mg/L左右的水平,施肥處理銨態氮的含量則顯著增加.在小粉土處理中,第1次施氮后,水中銨態氮的含量迅速提高,至第7d達到最高值,之后平緩下降.常規尿素處理田面水在第7d銨態氮的濃度達到峰值為24.25mg/L,至35d后降到3.01mg/L,而DMPP處理銨態氮濃度的變化則是從27.06mg/L降為5.20mg/L.在青紫泥處理中, 田面水中銨態氮的濃度變化趨勢與在小粉土中相似,銨態氮的含量表現為在施肥后迅速提高,至第7d達到最高水平,之后平緩下降.常規尿素處理田面水銨態氮的濃度在第7d的峰值為16.59mg/L,至35d后降到2.54mg/L,而DMPP處理銨態氮濃度的變化則是從19.44mg/L降為3.69mg/L.在2種土壤中,添加抑制劑DMPP使田面水銨態氮的濃度增加,表明使用硝化抑制劑能抑制水相銨態氮的形態轉化,但隨著時間的延長,銨態氮轉化的趨勢加強,兩者在施氮28d后差異不明顯.

追肥后,2種土壤田面水中銨態氮的含量變化與第1次施肥相似,第7d達到最高值,之后急劇下降.21d后,常規尿素與添加DMPP的處理田面水銨態氮的含量相近,之后至35d小于4mg/L.與第1次施肥相比較,追肥后田面水中銨態氮的含量較低,下降的趨勢也較快,這可能是由于水稻苗期對氮素吸收量低,而后期水稻生長快、根系發達,對氮素的吸收量急劇增加,導致水相中銨態氮的含量較快下降.另外從圖1還可知,青紫泥處理田面水銨態氮的含量低于小粉土處理,這與土壤的理化性質如土壤吸附特性、CEC(陽離子交換量)等有關.青紫泥土壤具有較高的CEC值,增加了對田面水中銨態氮的吸附能力,致使水相銨態氮的濃度降低[2,10].在70d內,常規尿素處理在小粉土和青紫泥土壤中田面水的銨態氮的平均濃度分別為11.23mg/L和7.85mg/L,而添加DMPP抑制劑田面水的銨態氮的平均濃度分別為14.01mg/L和9.16mg/L,表明使用抑制劑DMPP可使田面水銨態氮濃度增加24.8%和16.7%.

圖1 田面水銨態氮含量動態變化Fig.1 Temporal changes of ammonium concentration in the rice field surface water

圖2 田面水硝態氮含量動態變化Fig.2 Temporal changes of nitrate concentration in the rice field surface water

2.2硝態氮含量動態變化分析

從圖2可見,2種土壤不施肥處理田面水硝態氮含量變化不大,施肥處理硝態氮的含量有顯著變化.在小粉土處理中,第1次施氮后,常規尿素處理田面水硝態氮的含量迅速提高,第3d時田面水硝態氮的濃度為12.08mg/L,14d后達到峰值14.15mg/L,之后至35d一直維持在7.70mg/L以上的水平.而添加DMPP抑制劑處理硝態氮的濃度在前一段時間有下降的趨勢,從第3d時的7.29mg/L降為第21d時的4.27mg/L,之后至35d緩慢增加至5.47mg/L.在青紫泥土壤處理中,硝態氮的濃度變化趨勢與在小粉土中相似,常規尿素處理田面水硝態氮的濃度在初期急劇增加,從第3d時的2.73mg/L增加為第14d時的8.45mg/L,之后硝態氮的濃度逐漸降低,至35d后降到3.82mg/L.而添加抑制劑DMPP處理硝態氮的濃度在35d內始終維持在1.36～2.09mg/L的低濃度水平.2種土壤中,添加抑制劑DMPP處理硝態氮濃度都顯著低于常規尿素處理,表明使用硝化抑制劑能抑制水相硝態氮的形成.

追肥后,2種土壤田面水硝態氮含量的變化與第1次施肥相似,第14d達到最高值,之后發生下降.這是由于銨態氮是尿素的最初分解產物,水體硝態氮的含量與硝化-反硝化有關,隨著時間的推移,硝化作用變得強烈,遠遠大于反硝化作用,致使硝態氮的含量不斷增加;隨后,雖然硝化作用仍在發生,但由于水稻對銨態氮的吸收使其含量下降,導致硝化反應所需的底物銨態氮減少,硝態氮的含量隨之下降[6-7].從圖2還可知,青紫泥土壤田面水硝態氮的含量低于小粉土處理,并且添加DMPP處理與不施肥處理相近.這是由于硝化抑制劑DMPP能有效阻礙氨氧化進程,抑制土壤硝化反應的第1個步驟亞硝態氮產生[11],同時減少了土壤由亞硝態氮進一步轉化形成的硝態氮數量.DMPP在青紫泥土壤中的抑制效果優于小粉土,其原因可能是由于青紫泥土壤的陽離子交換量相對較大(表1),能有效吸附銨態氮和抑制劑DMPP,致使土壤中銨態氮的微域點同時有較高的含量的DMPP,導致土壤硝化反應受到高效抑制.在70d內,常規尿素處理在小粉土和青紫泥土壤田面水中的硝態氮平均濃度分別為9.66mg/L和5.19mg/L,而添加DMPP抑制劑田面水的硝態氮的平均濃度分別為5.05mg/L和1.51mg/L,表明使用抑制劑DMPP可使田面水硝態氮濃度降低47.7%和70.9%,有效降低硝態氮的流失風險.

2.3亞硝態氮含量的動態變化分析

從圖3可見,稻田田面水中亞硝態氮的含量很低,表明其不是氮素存在的主要形態.但亞硝態氮在生物體內會轉化形成強致癌物質亞硝胺.因此,亞硝態氮含量過高對水環境的污染較大.在小粉土和青紫泥的常規尿素處理中,亞硝態氮的變化趨勢相近,第1次施肥后,隨著硝化作用的進行,中間產物亞硝態氮的含量迅速增加,至14d達到最高值,分別為2.70mg/L與2.53mg/L,35d后降為0.36mg/L與0.09mg/L,與對照不施氮接近.在小粉土和青紫泥中加入DMPP抑制劑處理的尿素,35d內其亞硝態氮的含量分別在0.02～0.28mg/L與0.01～0.23mg/L的范圍,表明DMPP顯著降低亞硝態氮的含量,也表明DMPP作為硝化抑制劑主要抑制硝化反應的第1個步驟[6,11].

追肥后,2種土壤田面水中亞硝態氮的含量變化與第1次施肥相似,常規尿素處理第7d分別達到最高值2.55mg/L與2.44mg/L,14d后發生較快下降至0.07mg/L與0.04mg/L,而DMPP處理的尿素,35d內其亞硝態氮的含量分別在0.01～0.28mg/L與0.02～0.34mg/L的范圍(圖3).但與第1次施肥相比,追肥后的第2周,田面水中亞硝氮含量未出現第1次施肥時的快速增加趨勢,而是表現為亞硝氮含量基本不變.硝化反應可分為2個步驟:第1步為在銨氧化細菌作用下,NH4++ 3/2O2= NO2-+ H2O +2H+;第2步為亞硝酸氧化細菌參與下,NO2-+ 1/2O2=NO3-[2,6].因此,田面水中亞硝態氮含量取決于第1步和第2步的反應速率.追肥后的第2周,亞硝態氮含量未出現快速增加,而是維持基本不變,這可能是因為在追肥時水稻生長根系已經較發達,水稻生長對氮素的大量吸收,消耗了硝化反應所需的底物銨態氮,使田面水中亞硝態氮的形成量少;另外水稻根系的生理泌氧功能較強,水中溶解氧含量增加,加快了硝化反應第2步的進程,促進亞硝態氮快速完成形態轉化.在70d內,常規尿素處理在小粉土和青紫泥土壤中田面水的亞硝態氮的平均濃度分別為1.27mg/L和0.99mg/L,而添加DMPP抑制劑田面水的亞硝態氮的平均濃度分別為0.12mg/L和0.11mg/L,表明使用抑制劑DMPP可使田面水亞硝態氮濃度降低90.6%和88.9%.

圖3 田面水亞硝態氮含量動態變化Fig.3 Temporal changes of nitrite concentration in the rice field surface water

從田面水中總無機氮含量的變化分析可知(表2),不施肥處理的總無機氮含量變化不大,而施肥則顯著增加田面水無機氮含量.第1次施肥后,在小粉土和青紫泥處理中,常規尿素和使用DMPP抑制劑處理的總無機氮濃度最高峰都出現在第7d,之后不斷下降.第2次追肥后,總無機氮濃度在第7d達最高值,但之后下降較快,這主要是第2次追肥水稻吸收大量氮素所致.表2還表明,施肥后2周內是控制氮素流失的關鍵時期,尤其是在施基肥后的時期,這主要是因為水稻在生育苗期其根系尚未充分發育完全而處于非活躍時期,對氮素營養物質吸收能力弱、需求量小,肥料沒有被植株充分吸收,如發生降雨徑流極易發生流失.因此,減少目前基肥過高投入將對水體的保護起到積極的作用.目前水稻生產通常應用50%的基肥投入量,應考慮降低水平,以控制氮素流失的潛能.在水稻生長的70d內,常規尿素在小粉土和青紫泥處理中,總無機氮的平均濃度分別為22.16mg/L與14.02mg/L,添加DMPP處理總無機氮的平均濃度分別為19.17mg/L與10.78mg/L, DMPP抑制劑處理總無機氮含量下降13.5%與23.1%.這表明DMPP能有效降低田面水總無機氮的濃度,減輕人為排水或者降雨徑流引發的氮素流失潛能,其主要原因是銨態氮能被土壤固相膠體有效吸附而固持,只有部分的銨態氮進入水相,而硝態氮則不能被土壤相的膠體所吸附,其大部分極易釋放到田面水中[2,9].

表2 田面水中總無機氮含量動態變化(mg/L)Table 2 Temporal changes of total inorganic nitrogen concentration in the rice field surface water(mg/L)

2.4DMPP對田面水電導率的影響分析

從施氮對田面水電導率的動態變化可見(圖4),在小粉土和青紫泥中,施肥增加了田面水的電導率,第1次施肥后7～28d的電導率較高,第14d時常規尿素處理田面水電導率的峰值分別為1.07、0.79μs/cm,而添加DMPP抑制劑處理第14d時田面水電導率的峰值分別為0.97、0.70μs/cm,含DMPP抑制劑尿素的電導率一直低于常規尿素處理,說明DMPP的使用降低了田面水體的電導率;第2次施肥后,2種土壤中電導率的變化與第1次相似.電導率的大小與其溶液中陰陽離子的濃度密切相關,低電導率表明水溶液中游離的陽離子鉀、鈣、鈉、鎂及相應的氮素等陰陽鹽基離子總量較低,說明DMPP有助于減輕鹽基離子向水體的遷移釋放,可能是因為應用DMPP減少了無機陰離子硝態氮含量,根據等電荷效應,致使田面水鹽基陽離子的含量相應降低[12-14].

圖4 DMPP對田面水電導率的影響Fig.4 Effect of DMPP addition on Electric Conductivity value in the rice field surface water

3 結論

3.1硝化抑制劑DMPP能顯著阻礙氨氧化反應的進程,使小粉土和青紫泥土壤田面水銨態氮濃度提高24.8%和16.7%.但由于土壤對銨態氮有很強的吸附作用,減弱了施用DMPP使田面水銨態氮含量增加的趨勢.

3.2DMPP可使小粉土和青紫泥土壤田面水硝態氮濃度降低47.7%和70.9%,亞硝態氮濃度降低90.6%和88.9%,總無機氮濃度下降13.5%與23.1%,能顯著降低田面水硝態氮和總無機氮濃度,從而顯著減輕農田氮素流失對水環境存在的潛在污染風險.

3.3添加DMPP抑制劑于尿素,有效降低田面水的電導率,顯著降低鹽基離子隨農田排水或暴雨徑流所導致的流失風險.

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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

國家“973”項目(2002CB410807);浙江省自然科學基金資助項目(Y3090180)

* 責任作者, 副研究員, yqganghzzj@sina.com