几种强化剂与PAM联合作用对控制农业面源氮素迁移流失的效应研究

【摘要】： 本研究以“源头控制”为基本出发点,在PAM改良土壤研究的基础上,试图添加不同强化剂,通过强化剂与PAM联合作用,有效地提高PAM改良土壤结构,固定表土、减少径流,使氮、磷等营养物质最大程度的保留于土壤的能力,更加有效的实现作物——土壤系统养分的良性循环,达到养分高效的利用。通过室内物理化学试验、模拟淹水试验、土柱模拟试验和人工降雨坡面氮素径流试验等综合研究手段,研究PAM与强化剂联合作用对土壤氮素迁移、转化和淋失的效应。据此,在不需改变现行农业生产格局、无需大量投资和工程建设的情况下,通过本研究筛选出最佳的强化剂和PAM组合,在PAM控制土壤N素流失研究领域里探索出一条更加高效、经济的实用控制技术,对于控制农业面源污染,保护重庆市水环境安全,特别是三峡库区水质的保护具有重大理论和实践意义。研究获得的主要结论有: (1) PAM明显影响土壤对NH_4~+-N的吸附性能,单施PAM可以有效提高土壤对铵态氮的吸附性能,而PAM与强化剂联合施用可以进一步提高其吸附能力,作用的大小和方向与强化剂施用种类具有密切关系。除石灰处理外,其他强化剂处理的最大吸附量与单施PAM处理(CK1)比较均增加37.5%-83.3%,差异均达显著水平(p＜0.05)。施用PAM和强化剂后主要影响土壤在慢速吸附阶段对铵态氮的吸附能力,其中以PAM联合沸石处理和柠檬酸处理对铵态氮的吸附效果最好,与单施PAM(CK1)处理比较,平均吸附量分别增加了34.1%和20.6%;最大吸附量分别增加了51.7%和83.3%。采用Langmuir方程、Freundlich方程和Temkin方程对其结果进行拟合,各处理均能很好的反映土壤对NH_4~+-N的吸附反应,相关系数均达极显著水平。施用PAM虽然可以很好的增加土壤对氮的吸持容量,但所吸附的氮容易被释放出来,难以有效提高土壤对氮的保蓄能力。而加入强化剂之后可以一定程度上弥补这一缺陷,其中以配施沸石效果最好,与完全空白对照(CK)相比其平均解吸率降低了21.3%,差异达到显著水平(p＜0.05)。 在模拟淹水条件下,经PAM和强化剂联合处理后的土壤可很好的抑制水体中铵态氮向硝态氮转化的速率,并且能够使氮素向水体的释放过程快速地达到动态平衡,使水体中TN浓度维持在一个相对稳定的浓度水平。其中柠檬酸处理不仅可以抑制铵态氮向硝态氮的转换,同时对于TN的抑制作用也很明显,在淹水后第4天TN浓度达到最大峰值85.27μg/ml后就一直持续下降,到试验末期,向上覆盖水中释放氮的总量为14.13μg/ml,低于完全空白对照(CK)的16.96μg/ml。 (2)土壤经PAM与强化剂处理后,对土壤中氮素的迁移淋溶特性产生了明显影响,处理效果与施用不同的强化剂种类有关,秸秆和碱化秸秆分别与PAM联合对控制土壤氮素的流失的效果尤为显著。石膏利沸石分别与PAM联合作用对控制氮素的流失也有一定的效果,其对抑制土壤氮素的效用在淋溶的后期才会逐渐显现出来,前期其联合作用对控制氮素的流失影响不大。经秸秆与PAM和碱化秸秆与PAM处理后土壤对铵态氮和硝态氮的流失均起到了很好的抑制作用,其铵态氮的累积淋溶量较单施PAM对照(CK1)分别减少了15.1%和30.3%,差异均达显著水平:硝态氮的累积淋溶量较单施PAM对照(CK1)分别减少了25.5%和38.4%,差异也均到达显著水平;而PAM分别联合石膏和沸石处理土壤后对控制铵态氮的流失效果不大,其效用主要表现在对硝态氮的控制上,两个处理的硝态氮累积淋溶量较单施PAM对照(CK1)分别减少了16.5%和14.4%。从总氮的淋失情况看,各处理的总氮累积淋失量除磷石膏处理外均小于对照CK,秸秆、碱化秸秆、石膏和沸石4个处理其累积总氮淋失量较单施PAM对照(CK1)分别减少了18.2%、27.9%、10.6%和10.4%,其中秸秆和碱化秸秆处理与对照CK1的差异均达显著水平(p＜0.05)。 (3)PAM与强化剂联合施用对氮素的径流流失具有很好的的控制效果,在不同土壤坡度、降雨强度的条件下表现出的对土壤氮素流失的控制效果不同。 在坡度15°、雨强33.7mm/h条件下,不同种类的强化剂与PAM联合作用均能有效的减少氮素的径流流失,其效果受强化剂种类的影响。添加强化剂之后对于氮素的径流流失的控制效果要优于仅单施PAM时对氮素流失的控制效果,沸石、碱化秸秆和柠檬酸分别与PAM联合施用,其效果较单施PAM对照(CK)分别减少了33.7%、57.1%和59.7%。由此可得,强化剂的添加对于PAM控制土壤氮素流失可以起到很好的促进作用,其效果是显著的。同时控制铵态氮和硝态氮的效果以柠檬酸处理最佳,两次降雨的平均土壤铵态氮流失速率为0.375mg/min,较单施PAM对照减少了70.6%;硝太氮流失速率为1.56 mg/min,较单施PAM对照减少了53.5%;碱化秸秆处理控制土壤硝态氮效果最佳,其平均流失速率为1.53 mg/min,较单施PAM对照减少了54.4%。 在雨强为33.70mm/h,PAM用量为8g/m~2,碱化秸秆用量为300g的条件下,坡度对PAM与强化剂联合控制土壤氮素流失的效果有影响。在坡度比较小的情况下,碱化秸秆与PAM联合作用对控制铵态氮的流失受坡度的影响不大,随着坡度的逐渐增加其影响才逐渐显现出来。各坡度条件下硝态氮流失速率,两次降雨的平均速率大小为8°(1.23 mg/min)＜15°(1.53mg/min)＜20°(2.39 mg/min),坡度越大,硝态氮的流失就越严重。另外,随着坡度的增加,氮素流失总量增加幅度增大,15°和20°时其氮素流失量较8度时分别增加了17.5和87.1%,由此可见坡度的增加不利于碱化稍秆与PAM联合作用控制氮素流失效果的发挥。 在坡度15°,PAM用量8g/m~2,碱化秸秆为300g条件下,不同的雨强通过影响径流量来影响其携带的养分流失量。两次降雨在施用碱化秸秆和PAM基础上,整个NH_4~+-N流失速率曲线均比较平缓,说明PAM能使土壤表面保有NH_4~+,随着降雨进行而慢速浸出。大雨强在二个次降雨中均保持高水平的铵态氮流失,两次降雨的NH_4~+-N流失速率大小均为:大雨(0.47mg/min)＞中雨(0.78 mg/min)＞小雨(0.65 mg/min)。可见,碱化秸秆同PAM联合作用对控制铵态氮流失在小雨强的条件下,有较好控制效果。雨强的大小对氮素流失形态也有一定的影响,雨强越大铵态氮比硝态氮更易流失。总体来说,降雨强度对碱化秸秆与PAM联合作用控制氮素流失的效果有影响,雨强越大,氮素流失越快,并且铵态氮比硝态氮更易流失。 添加强化剂之斤,氮素径流的产流时间均有所提前,柠檬酸处理的提前效果最为明显;随着坡度的增大,其产流时间稍微提前,但差异很小;随着雨强的增大,其径流的产流时间提前。