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生化调控剂DMPP对土壤氮素流失的影响及其生态效应

俞巧钢  
【摘要】: 农田土壤氮素的大量流失,致使地表水和地下水的污染日益严重。微生物作为土壤生态系统的重要组成部分,其对土壤氮素的迁移转化有着关键性影响。在土壤硝化细菌参与下,伴随着氨氧化反应的发生,铵态氮转化为极易流失的硝态氮,随降雨经径流和淋溶而污染水体。利用微生物对土壤氮素迁移转化的特异性作用,通过调控微生物的活性,间接调控土壤氮素的形态,从而降低土壤氮素流失,不失为保护生态环境的一条有效途径。生化调控剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐(3,4-dimethyl pyrazole phosphate,DMPP)是国际上最近研发的产品,在德国已经经过全面的毒理学和生态毒理学测试,被证明对土壤和作物无毒无害。本项目采用生化调控剂DMPP,通过其对土壤硝化细菌活性的调控,开展DMPP降低土壤氮素流失的环境学机理及生态效应的前沿性研究,为水环境污染控制与生态保护提供理论依据,取得的主要结论有: 1.添加DMPP抑制剂的尿素在土壤中氮素形态迁移转化受不同的施氮水平、不同的土壤含水量及不同的C/N比有机物等条件影响。随着DMPP尿素施氮水平的提高,土壤高铵态氮含量的时间能得到更长时间的维持,而硝态氮和亚硝态氮含量没有明显增加;随着土壤水分含量的增加,施用DMPP尿素表现为氨氧化过程受到更强的抑制,土壤持续维持高铵态氮、低硝态氮及亚硝态氮含量;添加高C/N比含量的秸秆等有机物与DMPP尿素,表现为降低土壤中铵态氮、硝态氮及亚硝态氮的含量。使用DMPP抑制剂能显著抑制土壤氨氧化过程的发生,使土壤中铵态氮含量高,硝态氮及亚硝态氮含量低。 2.新型抑制剂DMPP显著影响氮素的垂直迁移转化及淋溶损失。尿素添加1%的DMPP后,与不添加DMPP尿素相比,在60天内能有效抑制土壤氨氧化反应的发生,显著提高20cm以上耕作层土壤水铵态氮的浓度,降低硝态氮和亚硝态氮的浓度;20cm以下深层土壤水铵态氮的浓度与未加DMPP的处理无显著差异,并没有明显导致铵态氮的垂直迁移;深层土壤水硝态氮的浓度显著低于未加DMPP的处理,明显降低硝态氮垂直迁移的淋溶损失;随施氮量增加,添加DMPP尿素的处理,60天内土壤水中铵态氮与硝态氮的浓度在40cm以下深层剖面并没有明显增加,其垂直迁移的淋溶损失差别不大。常规尿素添加1%的DMPP,可以调控土壤氮素的迁移转化,有利于土水环境的保护,降低对地下水氮素污染的潜在风险,具有显著的生态效益。 3.尿素添加DMPP抑制剂显著影响其在菜地土壤中的氮素淋失。在60天内,与常规尿素相比,小粉土和青紫泥DMPP处理硝态氮的累积淋失量分别降低66.8%和69.4%,铵态氮淋失量分别高9.7%和6.7%,无机氮分别降低61.2%和63.7%:蔬菜收获后,土壤0-15cm层无机氮分别增高34.1%和28.2%,土壤中氮素纵向迁移降低。可见,DMPP抑制剂施入土壤具有显著的氨氧化抑制作用,延缓蔬菜地土壤铵态氮向硝态氮的转化,减轻氮素向水体迁移的风险。使用硝化抑制剂DMPP,由于土壤对铵态氮的强吸附特性,迁移总量低,不会对地下水造成铵态氮污染的风险。另外,使用DMPP抑制剂可以促进植物对氮素的吸收利用,提高蔬菜的产量及氮素利用率,降低蔬菜中硝酸盐含量,提高蔬菜品质。 4.新型硝化抑制剂DMPP对水稻田面水与氧化层土壤氮素转化和土水界面传输迁移及水稻生物学效应均有显著影响。水稻田应用添加DMPP的尿素,与常规尿素处理相比,田面水中铵态氮的浓度略有增加,硝态氮及亚硝态氮的浓度显著下降,总氮浓度下降,能显著降低降雨或农田排水而引起的地表径流损失;氧化层土壤能有效吸附铵态氮,其含量明显增加,硝态氮含量下降;与小粉土相比较,青紫泥土壤由于吸附性能强,氧化层土壤铵态氮含量高,田面水铵态氮含量低,显著降低氮素向田面水体的传输迁移;使用DMPP抑制剂能促进水稻对氮素的吸收利用,提高氮素利用率,增加水稻的产量;同时有助于活化土壤中的磷,提高水稻对土壤磷的利用率。 5.尿素添加硝化抑制剂DMPP对土壤氮素径流流失有显著影响。施氮后可以使土壤中氮素地表径流的流失量显著增高,随时间的延长,无机氮流失量呈下降趋势;常规尿素处理的径流水以硝态氮和铵态氮为主要形态,亚硝态氮的流失比例也较高,占总无机氮流失的15.7~18.2%,对水环境存在潜在的污染;应用DMPP硝化抑制剂,流失的无机氮中以铵态氮和硝态氮为主要形态,亚硝态氮的含量极低,并且随时间的延长,铵态氮流失表现为下降,硝态氮流失表现有所增加的趋势;尿素添加DMPP抑制剂,可使径流水样中无机氮的流失下降39.0%~44.8%,有助于土壤氮素的保持,降低农田施氮对水环境所造成的生态污染。 6.施肥水平、土壤类型、水分含量及添加不同的碳氮比有机物对含抑制剂DMPP的尿素氨气态逸失有重要影响。随着施肥量的增加,氨气态逸失量呈上升的趋势;DMPP尿素的氨气态逸失在不同的土壤中差异很大,在肥力高的碱性土壤中氨气态逸失严重,与常规尿素相比,氨气态逸失有显著增加;而在酸性红壤和CEC高的青紫泥土壤中气态逸失量较低,与常规尿素相比,氨气态逸失无显著差异;土壤水分含量对DMPP尿素的氨逸失有显著影响,在含水量为田间饱和持水量的50%和80%时,氨气态逸失损失较低,而在饱和持水量时氨气态逸失最严重;DMPP尿素配施低C/N比的有机物鸡粪表现为促进氨气态逸失,而配施高C/N比的生物秸秆可抑制氨气态逸失,两者的差异达到显著性水准。合理控制施肥量、选择合理的水分管理方式及配施高C/N比的生物秸秆是减少农田氨气态逸失,减轻对水环境间接污染的重要因素。


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