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缓/控释复合肥料养分释放特性与生物效应研究

董燕  
【摘要】: 缓/控释肥料是肥料产业发展的重要方向,也是我国肥料研究的热点。迄今为止,缓/控释肥料的类型主要包括包膜(包囊)和非包膜型两大类。在包膜肥料中以有机高分子为主的包被材料成本高,且部分材料可能对环境产生二次污染,因而在农业生产上的应用受到限制。非包膜型缓/控释肥料的技术途径主要通过抑制剂和有机无机复合控释材料实现。有机无机复合控释材料成本低廉,其有机物料具有提高土壤肥力的优势。我国现有的各类缓/控释肥料产品存在着养分成分单一(以氮为主)和养分形态单一(以无机态为主)的突出问题,难以适应现代农业对肥料的需求。在缓/控释肥料养分释放规律的评价方面仍以实验室方法为主,忽视肥料养分释放与养分形态组成、作物养分吸收特点和土壤生物学特性的关系。 本文以自行研制的非包膜有机无机缓/控释复合肥料(简称缓/控释复合肥料,Slow-release compound fertilizer,SRF)为供试材料,采用水中溶出法、土—砂柱淋洗法、土壤肥包培养法等实验室方法和小麦、水稻盆栽生物试验,研究了缓/控释复合肥料氮、磷和钾养分的释放规律,特别是养分在土壤中释放的动态变化和小麦吸收养分的动态变化之间的相关性,即研究缓/控释复合肥料在“土壤—作物”体系中的释放规律;探讨了缓/控释复合肥料不同形态氮素养分(NH_4~+-N、NO_3~--N、Urea-N、DON和Total N)在不同介质中释放的动力学特性,以及4种形态氮素养分占总氮量的比值(Nx/N_T)与水稻吸收氮素养分之间的相关性,初步建立“土壤—作物”评价指标;系统研究了缓/控释复合肥料中氮、磷、钾养分进入土壤后,在“土壤无机—有机—微生物—酶”复合胶体体系作用下对土壤养分库和土壤生物学特性(酶活性)的调控作用。结果表明: 土壤模拟条件下,各时段所测定的氮、磷和钾素累积释放量均以普通复合肥料(CCF)>缓/控释复合肥料(SRF)。SRF的氮、磷和钾素累积释放量较CCF分别低18.7%~43.3%、26.3%~64.0%和15.5%~43.6%,其养分累积释放量大小为氮>钾>磷,这种不同养分释放量的差异适合小麦生长发育期间对氮、钾养分需求量大的特点。与CCF相比,SRF能分别提高收获期小麦氮、磷、钾养分利用效率23.6%、15.4%和63.7%以及小麦总产量14.9%。 SRF在“土壤—植物”体系中的氮、磷、钾养分累积释放与小麦吸收氮、磷、钾养分的累积变化均可用三次回归方程(y=b_0+b_1X+b_2x~2+b_3X~3)表征(r=0.9285~(**)~0.9968~(**)),以土壤培养中SRF氮素养分释放的拟合度更高,磷、钾养分差异不大,表明SRF的氮素养分释放规律能更好地与小麦各生育期对氮素养分的需求同步。 SRF不同形态氮素在土壤中的转化以NH_4~+-N和NO_3~--N的增加与DON和Urea-N的减少互为消长为特点,其释放的动态过程可用一级动力学方程(N_t=N_0(1-e~(-kt)))、Elovich方程(q_t=a+blnt)和抛物线扩散方程(q_t=a+bt~(0.5))定量描述,并以一级动力学方程对评价缓/控释复合肥料氮素缓释效果更具有指标的实效性。在一级动力学方程中不同形态氮素的最大释放量N_0值以Total N>NH_4~+-N>DON>Urea-N>NO_3~--N,这种变化规律与土壤中各形态氮素养分的累积释放特性表现出一致性。氮素释放速率常数k值为Urea-N>DON>NH_4~+-N>Total N>NO_3~--N,这与SRF不同形态氮素养分在土壤中各自分解转化的速率不同,其综合作用削弱了Total N的氮素释放速率,进而达到氮素养分缓/控释的结果是一致的。 SRF的氮素养分包含4种可供作物吸收利用的养分形态(NH_4~+-N、NO_3~--N、Urea-N和DON),相关分析发现,这些不同形态氮素养分量在不同时期占总氮(Total N)释放量的比例(N_x/N_T)与水稻在不同时期吸收氮量之间存在显著或极显著正相关。在水中溶出试验中,NH_4~+-N和Urea-N的比值与水稻吸氮量表现为极显著正相关(r=0.8437~(**)~0.9347~(**)),DON为显著负相关。土壤培养试验,NH_4~+-N和NO_3~--N占总氮释放量的比值与水稻吸氮量为极显著正相关(r=0.8947~(**)~0.9540~(**)),Urea-N和DON则表现出极显著负相关(r=-0.9146~(**)~-0.9619~(**))。显示不同时期SRF释放的氮素养分形态、数量和比例影响着水稻对氮素的吸收利用,即以“N_x/N_T”为指标表征缓/控释复合肥在“土壤—作物”系统中的释放特性,这对于研制养分结构型缓/控释肥料具有重要参考意义。 土壤中不同形态的氮素库处于不断转化和动态平衡中,从各形态氮素的数量和在土壤氮素内循环中的作用看,本文将土壤微生物量氮和固定态铵定义为新的氮素活性库——“铵离子周转库”。在小麦生育前期(分蘖初期至分蘖盛期),CCF处理的“铵离子周转库”经历了明显的下降过程,由371.3 mg·kg~(-1)降至259.1 mg·kg~(-1);SRF处理的“铵离子周转库”在这一时期略有增加,由306.5 mg·kg~(-1)升至324.5 mg·kg~(-1)。在小麦需氮量较高的拔节期,CCF处理的土壤“铵离子周转库”与前一次的差值仅为34.18 mg·kg~(-1),而SRF处理则达到77.21 mg·kg~(-1)。表明在小麦生育前期SRF土壤“铵离子周转库”能够固定更多的铵离子,降低铵离子的损失;在小麦需氮量较高的时期,“铵离子周转库”则释放更多的铵离子以供给小麦吸收利用,从而提高小麦对肥料氮素的吸收量,增幅达13.52%。这与小麦试验中CCF处理在小麦生长初期释放养分较快、小麦氮养分含量较高,但随着SRF养分的缓慢释放提高了中、后期小麦的养分吸收量的变化规律是一致的。供试肥料不同形态氮养分在实验室培养和生物盆栽条件下的总趋势差异较大。因此,评价缓/控释肥料养分的释放特性应充分考虑“土壤—作物”系统,以便客观反映肥料产品在实际应用中的生物效益、环境效益和经济效益等。 相关分析表明,小麦生物试验中SRF处理土壤的微生物量氮、固定态铵以及“铵离子周转库”的动态变化与小麦吸氮量之间则达到显著或极显著负相关关系(r=-0.8728~*~-0.9006~(**))。表明非包膜缓/控释复合肥料调控土壤“铵离子周转库”的能力更强,即更好的协调土壤养分供应与小麦吸收养分之间的平衡。 土壤培养试验中,各处理之间脲酶活性变化的差异基本和土壤有效氮含量的差异是一致的。在培养初期,与CCF比较,SRF抑致了脲酶的活性。伴随有机磷的矿化SRF处理提高了土壤中磷酸酶活性,而SRF处理土壤中的过氧化氢酶活性均高于CCF处理。小麦盆栽试验中,不同处理的土壤脲酶活性呈现出逐渐降低的趋势,仍然与土壤中有效氮含量的变化一致。收获期时,各处理脲酶活性降至最低水平,以SRF>CCF>CK。土壤磷酸酶与过氧化氢酶的活性在小麦生长初期上升,生长中期出现峰值,随后逐渐下降,以SRF>CCF。表明SRF养分缓释作用主要是通过包括无机态和有机态在内的多形态氮养分的协同作用实现的,有机态养分通过影响土壤酶活性,从而调控土壤有效养分,即缓/控释复合肥料通过“土壤无机—有机—微生物—酶”复合胶体体系影响土壤酶活性以调控土壤有效养分含量的动态变化与作物养分需求间的协调平衡,最终提高肥料养分的利用效率。


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