俞巧鋼,陳英旭(.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 30029；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 3002)

DMPP對(duì)稻田田面水氮素轉(zhuǎn)化及流失潛能的影響

俞巧鋼1,2*,陳英旭1(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,浙江 杭州 310029；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所,浙江 杭州 310021)

采用杭嘉湖地區(qū)典型的小粉土和青紫泥土壤,進(jìn)行水稻盆栽試驗(yàn),研究新型硝化抑制劑3,4-二甲基吡唑磷酸鹽(DMPP)對(duì)稻田田面水氮素轉(zhuǎn)化及徑流流失潛能的影響.結(jié)果表明,小粉土和青紫泥土壤稻田應(yīng)用添加DMPP抑制劑的尿素,與常規(guī)尿素處理相比,田面水中銨態(tài)氮的濃度增加24.8%和16.7%,硝態(tài)氮濃度降低47.7%和70.9%,亞硝態(tài)氮濃度降低90.6%和88.9%,總無(wú)機(jī)氮濃度下降13.5%與23.1%,能顯著減輕農(nóng)田氮素流失對(duì)水環(huán)境存在的污染;DMPP可使田面水的電導(dǎo)率下降,降低鹽基離子隨農(nóng)田排水或暴雨徑流所導(dǎo)致的流失風(fēng)險(xiǎn),有助于保護(hù)河流水體等地表水環(huán)境.

硝化抑制劑；3,4-二甲基吡唑磷酸鹽；淹水稻田；氮素轉(zhuǎn)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(tài)揮發(fā)、淋溶和徑流途徑損失,不僅造成肥料、能源的浪費(fèi),且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染[2-4].近年來(lái),我國(guó)沿海稻田不斷增加氮肥用量使水稻獲得高產(chǎn),但由于氮肥利用率較低,流失嚴(yán)重,加重了水體富營(yíng)養(yǎng)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(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化,利用土壤對(duì)銨態(tài)氮和硝態(tài)氮不同的理化特性,減輕氮素流失,降低對(duì)水體環(huán)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(shí)有著優(yōu)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(duì)漬水環(huán)境下水相氮素遷移轉(zhuǎn)化的影響,進(jìn)而為控制稻田氮素流失,防治水體氮素面源污染提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1供試材料

供試土壤為杭嘉湖地區(qū)典型小粉土和青紫泥,采樣深度為30cm,土壤性質(zhì)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(dāng)?shù)亓?xí)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(yàn)內(nèi)容與分析方法

將田間采集土樣自然風(fēng)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(tài).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(jìn)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(duì)照(CK),不施氮肥;常規(guī)尿素(UA);常規(guī)尿素+DMPP抑制劑(DP),各處理重復(fù)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(yàn)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(zhǎng)過程中每隔一段時(shí)間采集田面水,過濾后用奈氏試劑比色法測(cè)定銨態(tài)氮,紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮,鹽酸萘乙二胺絡(luò)合顯色法測(cè)定亞硝態(tài)氮,同時(shí)測(cè)定水樣的電導(dǎo)率.

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2000和SPSS10.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,圖中誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差SD.

2 結(jié)果與討論

2.1銨態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化分析

從圖1可見,2種土壤中不施肥處理田面水銨態(tài)氮的含量極低,維持在1mg/L左右的水平,施肥處理銨態(tài)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(tài)氮的含量迅速提高,至第7d達(dá)到最高值,之后平緩下降.常規(guī)尿素處理田面水在第7d銨態(tài)氮的濃度達(dá)到峰值為24.25mg/L,至35d后降到3.01mg/L,而DMPP處理銨態(tài)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(tài)氮的濃度變化趨勢(shì)與在小粉土中相似,銨態(tài)氮的含量表現(xiàn)為在施肥后迅速提高,至第7d達(dá)到最高水平,之后平緩下降.常規(guī)尿素處理田面水銨態(tài)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(tài)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(tài)氮的濃度增加,表明使用硝化抑制劑能抑制水相銨態(tài)氮的形態(tài)轉(zhuǎn)化,但隨著時(shí)間的延長(zhǎng),銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)加強(qiáng),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(tài)氮的含量變化與第1次施肥相似,第7d達(dá)到最高值,之后急劇下降.21d后,常規(guī)尿素與添加DMPP的處理田面水銨態(tài)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(tài)氮的含量較低,下降的趨勢(shì)也較快,這可能是由于水稻苗期對(duì)氮素吸收量低,而后期水稻生長(zhǎng)快、根系發(fā)達(dá),對(duì)氮素的吸收量急劇增加,導(dǎo)致水相中銨態(tài)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(tài)氮的含量低于小粉土處理,這與土壤的理化性質(zhì)如土壤吸附特性、CEC(陽(yáng)離子交換量)等有關(guān).青紫泥土壤具有較高的CEC值,增加了對(duì)田面水中銨態(tài)氮的吸附能力,致使水相銨態(tài)氮的濃度降低[2,10].在70d內(nèi),常規(guī)尿素處理在小粉土和青紫泥土壤中田面水的銨態(tài)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(tài)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(tài)氮濃度增加24.8%和16.7%.

圖1 田面水銨態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Temporal changes of ammonium concentration in the rice field surface water

圖2 田面水硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Temporal changes of nitrate concentration in the rice field surface water

2.2硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化分析

從圖2可見,2種土壤不施肥處理田面水硝態(tài)氮含量變化不大,施肥處理硝態(tài)氮的含量有顯著變化.在小粉土處理中,第1次施氮后,常規(guī)尿素處理田面水硝態(tài)氮的含量迅速提高,第3d時(shí)田面水硝態(tài)氮的濃度為12.08mg/L,14d后達(dá)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(tài)氮的濃度在前一段時(shí)間有下降的趨勢(shì),從第3d時(shí)的7.29mg/L降為第21d時(shí)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(tài)氮的濃度變化趨勢(shì)與在小粉土中相似,常規(guī)尿素處理田面水硝態(tài)氮的濃度在初期急劇增加,從第3d時(shí)的2.73mg/L增加為第14d時(shí)的8.45mg/L,之后硝態(tài)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(tài)氮的濃度在35d內(nèi)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(tài)氮濃度都顯著低于常規(guī)尿素處理,表明使用硝化抑制劑能抑制水相硝態(tài)氮的形成.

追肥后,2種土壤田面水硝態(tài)氮含量的變化與第1次施肥相似,第14d達(dá)到最高值,之后發(fā)生下降.這是由于銨態(tài)氮是尿素的最初分解產(chǎn)物,水體硝態(tài)氮的含量與硝化-反硝化有關(guān),隨著時(shí)間的推移,硝化作用變得強(qiáng)烈,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反硝化作用,致使硝態(tài)氮的含量不斷增加;隨后,雖然硝化作用仍在發(fā)生,但由于水稻對(duì)銨態(tài)氮的吸收使其含量下降,導(dǎo)致硝化反應(yīng)所需的底物銨態(tài)氮減少,硝態(tài)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(tài)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(jìn)程,抑制土壤硝化反應(yīng)的第1個(gè)步驟亞硝態(tài)氮產(chǎn)生[11],同時(shí)減少了土壤由亞硝態(tài)氮進(jìn)一步轉(zhuǎn)化形成的硝態(tài)氮數(shù)量.DMPP在青紫泥土壤中的抑制效果優(yōu)于小粉土,其原因可能是由于青紫泥土壤的陽(yáng)離子交換量相對(duì)較大(表1),能有效吸附銨態(tài)氮和抑制劑DMPP,致使土壤中銨態(tài)氮的微域點(diǎn)同時(shí)有較高的含量的DMPP,導(dǎo)致土壤硝化反應(yīng)受到高效抑制.在70d內(nèi),常規(guī)尿素處理在小粉土和青紫泥土壤田面水中的硝態(tài)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(tài)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(tài)氮濃度降低47.7%和70.9%,有效降低硝態(tài)氮的流失風(fēng)險(xiǎn).

2.3亞硝態(tài)氮含量的動(dòng)態(tài)變化分析

從圖3可見,稻田田面水中亞硝態(tài)氮的含量很低,表明其不是氮素存在的主要形態(tài).但亞硝態(tài)氮在生物體內(nèi)會(huì)轉(zhuǎn)化形成強(qiáng)致癌物質(zhì)亞硝胺.因此,亞硝態(tài)氮含量過高對(duì)水環(huán)境的污染較大.在小粉土和青紫泥的常規(guī)尿素處理中,亞硝態(tài)氮的變化趨勢(shì)相近,第1次施肥后,隨著硝化作用的進(jìn)行,中間產(chǎn)物亞硝態(tài)氮的含量迅速增加,至14d達(dá)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(duì)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(nèi)其亞硝態(tài)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(tài)氮的含量,也表明DMPP作為硝化抑制劑主要抑制硝化反應(yīng)的第1個(gè)步驟[6,11].

追肥后,2種土壤田面水中亞硝態(tài)氮的含量變化與第1次施肥相似,常規(guī)尿素處理第7d分別達(dá)到最高值2.55mg/L與2.44mg/L,14d后發(fā)生較快下降至0.07mg/L與0.04mg/L,而DMPP處理的尿素,35d內(nèi)其亞硝態(tài)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(xiàn)第1次施肥時(shí)的快速增加趨勢(shì),而是表現(xiàn)為亞硝氮含量基本不變.硝化反應(yīng)可分為2個(gè)步驟:第1步為在銨氧化細(xì)菌作用下,NH4++ 3/2O2= NO2-+ H2O +2H+;第2步為亞硝酸氧化細(xì)菌參與下,NO2-+ 1/2O2=NO3-[2,6].因此,田面水中亞硝態(tài)氮含量取決于第1步和第2步的反應(yīng)速率.追肥后的第2周,亞硝態(tài)氮含量未出現(xiàn)快速增加,而是維持基本不變,這可能是因?yàn)樵谧贩蕰r(shí)水稻生長(zhǎng)根系已經(jīng)較發(fā)達(dá),水稻生長(zhǎng)對(duì)氮素的大量吸收,消耗了硝化反應(yīng)所需的底物銨態(tài)氮,使田面水中亞硝態(tài)氮的形成量少;另外水稻根系的生理泌氧功能較強(qiáng),水中溶解氧含量增加,加快了硝化反應(yīng)第2步的進(jìn)程,促進(jìn)亞硝態(tài)氮快速完成形態(tài)轉(zhuǎn)化.在70d內(nèi),常規(guī)尿素處理在小粉土和青紫泥土壤中田面水的亞硝態(tài)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(tài)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(tài)氮濃度降低90.6%和88.9%.

圖3 田面水亞硝態(tài)氮含量動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Temporal changes of nitrite concentration in the rice field surface water

從田面水中總無(wú)機(jī)氮含量的變化分析可知(表2),不施肥處理的總無(wú)機(jī)氮含量變化不大,而施肥則顯著增加田面水無(wú)機(jī)氮含量.第1次施肥后,在小粉土和青紫泥處理中,常規(guī)尿素和使用DMPP抑制劑處理的總無(wú)機(jī)氮濃度最高峰都出現(xiàn)在第7d,之后不斷下降.第2次追肥后,總無(wú)機(jī)氮濃度在第7d達(dá)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(nèi)是控制氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期,尤其是在施基肥后的時(shí)期,這主要是因?yàn)樗驹谏缙谄涓瞪形闯浞职l(fā)育完全而處于非活躍時(shí)期,對(duì)氮素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收能力弱、需求量小,肥料沒有被植株充分吸收,如發(fā)生降雨徑流極易發(fā)生流失.因此,減少目前基肥過高投入將對(duì)水體的保護(hù)起到積極的作用.目前水稻生產(chǎn)通常應(yīng)用50%的基肥投入量,應(yīng)考慮降低水平,以控制氮素流失的潛能.在水稻生長(zhǎng)的70d內(nèi),常規(guī)尿素在小粉土和青紫泥處理中,總無(wú)機(jī)氮的平均濃度分別為22.16mg/L與14.02mg/L,添加DMPP處理總無(wú)機(jī)氮的平均濃度分別為19.17mg/L與10.78mg/L, DMPP抑制劑處理總無(wú)機(jī)氮含量下降13.5%與23.1%.這表明DMPP能有效降低田面水總無(wú)機(jī)氮的濃度,減輕人為排水或者降雨徑流引發(fā)的氮素流失潛能,其主要原因是銨態(tài)氮能被土壤固相膠體有效吸附而固持,只有部分的銨態(tài)氮進(jìn)入水相,而硝態(tài)氮?jiǎng)t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(wú)機(jī)氮含量動(dòng)態(tài)變化(mg/L)Table 2 Temporal changes of total inorganic nitrogen concentration in the rice field surface water(mg/L)

2.4DMPP對(duì)田面水電導(dǎo)率的影響分析

從施氮對(duì)田面水電導(dǎo)率的動(dòng)態(tài)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(dǎo)率,第1次施肥后7～28d的電導(dǎo)率較高,第14d時(shí)常規(guī)尿素處理田面水電導(dǎo)率的峰值分別為1.07、0.79μs/cm,而添加DMPP抑制劑處理第14d時(shí)田面水電導(dǎo)率的峰值分別為0.97、0.70μs/cm,含DMPP抑制劑尿素的電導(dǎo)率一直低于常規(guī)尿素處理,說明DMPP的使用降低了田面水體的電導(dǎo)率;第2次施肥后,2種土壤中電導(dǎo)率的變化與第1次相似.電導(dǎo)率的大小與其溶液中陰陽(yáng)離子的濃度密切相關(guān),低電導(dǎo)率表明水溶液中游離的陽(yáng)離子鉀、鈣、鈉、鎂及相應(yīng)的氮素等陰陽(yáng)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?yàn)閼?yīng)用DMPP減少了無(wú)機(jī)陰離子硝態(tài)氮含量,根據(jù)等電荷效應(yīng),致使田面水鹽基陽(yáng)離子的含量相應(yīng)降低[12-14].

圖4 DMPP對(duì)田面水電導(dǎo)率的影響Fig.4 Effect of DMPP addition on Electric Conductivity value in the rice field surface water

3 結(jié)論

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

3.2DMPP可使小粉土和青紫泥土壤田面水硝態(tài)氮濃度降低47.7%和70.9%,亞硝態(tài)氮濃度降低90.6%和88.9%,總無(wú)機(jī)氮濃度下降13.5%與23.1%,能顯著降低田面水硝態(tài)氮和總無(wú)機(jī)氮濃度,從而顯著減輕農(nóng)田氮素流失對(duì)水環(huán)境存在的潛在污染風(fēng)險(xiǎn).

3.3添加DMPP抑制劑于尿素,有效降低田面水的電導(dǎo)率,顯著降低鹽基離子隨農(nóng)田排水或暴雨徑流所導(dǎo)致的流失風(fēng)險(xiǎn).

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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(guó)家“973”項(xiàng)目(2002CB410807);浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(Y3090180)

* 責(zé)任作者, 副研究員, yqganghzzj@sina.com