小麥種植環(huán)境下肥料氮的固定及有效性分析

小麥種植環(huán)境下肥料氮的固定及有效性分析

國內(nèi)外對土壤固定氮的研究有許多報(bào)告。研究表明,固定態(tài)銨是土壤氮素的重要組成部分,銨態(tài)氮的固定與釋放過程是氮素轉(zhuǎn)化的重要環(huán)節(jié),對氮素的供應(yīng)與保存起著重要的調(diào)節(jié)作用;土壤固定態(tài)銨的含量及其銨的固定釋放過程受許多因素的影響。然而目前在固定態(tài)銨影響因素的有關(guān)報(bào)道中,對土壤溫度因素的研究并不很多。迄今為止,有關(guān)報(bào)道中絕大部分都是關(guān)于銨的固定與釋放機(jī)理的研究,而利用這些機(jī)理對銨的固定與釋放過程進(jìn)行調(diào)控的研究則較少。為此,以河北省的主要農(nóng)業(yè)土壤—褐土和潮土為研究對象,研究了溫度對施入土壤的銨態(tài)氮固定與釋放的影響,并利用季節(jié)溫差進(jìn)行了固定態(tài)銨調(diào)控的初步嘗試,旨在為提高氮肥利用率探索新的途徑。1材料和方法1.1試驗(yàn)土壤供試褐土取自位于石家莊市區(qū)的本所試驗(yàn)園內(nèi),潮土取自辛集市馬蘭農(nóng)場,土壤質(zhì)地均為壤質(zhì)。試驗(yàn)前土壤的基礎(chǔ)肥力狀況如表1。1.2測試方法1.2.1施氮、培養(yǎng)、處理利用褐土分別在施氮和不施氮條件下各設(shè)置低溫和常溫培養(yǎng),共4個(gè)處理。低溫培養(yǎng)溫度為-5~0℃,常溫培養(yǎng)溫度為25℃。施氮處理氮素用量為N130mg/kg,氮肥品種為硫酸銨,重復(fù)3次。在培養(yǎng)缽內(nèi)裝入過1mm篩的風(fēng)干土250g,施氮處理預(yù)先將氮肥混入土壤,培養(yǎng)期內(nèi)保持土壤水分狀況為田間持水量的60%~70%,以稱重法控制土壤水分。低溫處理將培養(yǎng)缽置于冷藏箱內(nèi),常溫處理將其置于培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)。在培養(yǎng)開始后的第5、15、30和60d取樣測定各處理的固定態(tài)銨含量,每個(gè)培養(yǎng)缽僅用于一次取樣。1.2.2肥料測定方法以15N示蹤方法分別在褐土和潮土上進(jìn)行。供試作物為小麥,在每種土壤上各設(shè)置4個(gè)不同施氮時(shí)期處理,即:無肥對照、基肥、冬肥和返青肥,3次重復(fù)。定期取土測定土壤的固定態(tài)銨含量及固定態(tài)銨中的15N豐度,用以計(jì)算肥料氮的固定量,確定施肥時(shí)的土壤溫度對肥料氮固定與釋放的影響;試驗(yàn)結(jié)束后測定植株氮素吸收量和15N豐度、土壤全氮及15N豐度,以計(jì)算分析施肥溫度對肥料氮的去向的影響。試驗(yàn)用盆為內(nèi)徑25cm、深29cm的瓦氏盆,每盆裝風(fēng)干土15kg,并混入等量磷鉀肥(P2O51g,K2O0.5g)作為肥底。各施氮處理每盆施N1.2g(按設(shè)計(jì)施肥時(shí)期施用)。氮肥施用方法(包括基肥):結(jié)合澆水,將肥料溶解于水中后澆入土壤。對照及同期不施肥的其它處理則只澆入等量清水。氮肥品種為15N標(biāo)記的硫酸銨,其15N豐度為10.79%,實(shí)際施肥日期及施肥后5d的土壤日平均溫度見表2。返青期第一次取樣在施用返青肥7d后進(jìn)行。1.3土樣的預(yù)處理和測定固定態(tài)銨采用Silva?Bremner方法測定:先以堿性次溴酸鈉處理土樣,將有機(jī)氮氧化分解為無機(jī)氮,然后以0.5mol/LKCl反復(fù)洗滌土樣以除去無機(jī)氮,再加入5mol/LHF1mol/LHCl連續(xù)振蕩24h,以破壞礦物晶格,釋放被固定的NH+4,最后用KOH蒸餾定氮;固定態(tài)銨中15N豐度的測定:將測固定態(tài)銨后的滴定液進(jìn)行酸化、濃縮后,用質(zhì)譜儀測定;土壤硝態(tài)氮、交換態(tài)銨的測定:以0.5mol/LK2SO4振蕩浸提土樣30min,過濾后以自動分析儀測定,硝態(tài)氮、交換態(tài)銨浸提的液土比分別為20∶1和10∶1。其他項(xiàng)目以常規(guī)法測定。2結(jié)果與分析2.1肥料氮的固定率研究結(jié)果表明,在常溫(25℃)無肥培養(yǎng)條件下,培養(yǎng)期間褐土固定態(tài)銨含量的變化范圍為206.1~216mg/kg;而在常溫并施入銨態(tài)氮肥(N130mg/kg)進(jìn)行培養(yǎng)時(shí),固定態(tài)銨含量可達(dá)235.6~239.4mg/kg,其施入N的固定率為18%~22.92%(表3)。從表3還看出,固定態(tài)銨含量的高低及肥料氮的固定率與本試驗(yàn)所設(shè)定的培養(yǎng)時(shí)間的長短關(guān)系不大,可能是在這一培養(yǎng)條件下,5d的時(shí)間已足以使肥料氮的固定率達(dá)到相對穩(wěn)定。用同一土樣進(jìn)行不施肥低溫(-5~0℃)培養(yǎng)時(shí),培養(yǎng)期間其固定態(tài)銨的含量變化范圍為217.8~224mg/kg,較常溫培養(yǎng)略有增加。但在施入銨態(tài)氮肥情況下(施氮量與常溫培養(yǎng)相同)進(jìn)行低溫培養(yǎng)時(shí),其固定態(tài)銨含量達(dá)273~276.7mg/kg,較常溫培養(yǎng)大大增加。肥料氮的固定量和固定率均較常溫培養(yǎng)增加一倍左右,分別達(dá)到49.0~58.9mg/kg和37.69%~45.31%。而固定銨含量與肥料氮固定率仍與本試驗(yàn)所設(shè)定的培養(yǎng)時(shí)間長短關(guān)系不大(表4)。2.2不同施肥時(shí)期對肥料氮固定率的影響土壤溫度對銨態(tài)氮的固定具有明顯影響,因此,利用季節(jié)溫差對麥田進(jìn)行施肥管理,有可能成為調(diào)控銨態(tài)氮固定作用的可行途徑。從15N盆栽試驗(yàn)結(jié)果可以看出,施肥季節(jié)對肥料氮的固定的影響顯著。兩種土壤上各處理肥料氮固定率的變化趨勢完全一致,但不同土類之間肥料氮的固定率明顯不同。在返青期測定時(shí)肥料氮的固定率以冬施肥處理為最高,潮土為12.16%,褐土為45.11%;其次為返青肥處理,潮土和褐土分別為10.87%和30.14%;以基肥處理為最低,分別為1.60%和4.11%,處理間差異達(dá)極顯著水平。以后幾個(gè)時(shí)期的取樣測定結(jié)果與此規(guī)律基本一致,然而其數(shù)量上的差異則逐漸減小,到小麥?zhǔn)斋@期各處理肥料氮的固定率都已很小(表5)。不同土類對肥料氮固定的差異主要是由土類本身的特性所決定的。上述結(jié)果進(jìn)一步說明了肥料氮的固定與土壤溫度的關(guān)系。冬季施肥時(shí)由于土壤溫度很低(施肥后5d,5cm土層平均1.32℃),因而肥料氮的固定率很高;施用返青肥時(shí)土壤溫度已逐漸升高(8.40℃),所以,盡管施肥后僅幾天就取樣測定,肥料氮的固定率卻仍低于冬施肥處理。基肥處理施肥時(shí)的土壤溫度則較高(15.26℃),不利于肥料氮的固定,未被固定的銨態(tài)氮在冬前較長的溫暖階段中因植株吸收、揮發(fā)損失和形態(tài)轉(zhuǎn)化而大大降低,因而進(jìn)入冬季低溫季節(jié)時(shí)也不會再發(fā)生大量固定,所以到返青期測定時(shí)肥料氮的固定率很低。這一結(jié)果與前述不同溫度下的培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果相吻合。表5結(jié)果還說明,施肥時(shí)期對肥料氮固定率的影響能夠持續(xù)相當(dāng)一段時(shí)間,但在小麥生長季節(jié)內(nèi)被固定的肥料氮最終幾乎能夠全部得到釋放。因此,通過利用冬季低溫施肥的途徑,暫時(shí)增加肥料氮的固定,有利于保存氮素、減少損失,對提高氮肥利用率具有積極意義。2.3冬施肥與返青肥處理對小麥子粒產(chǎn)量的影響通過示蹤試驗(yàn),測定收獲期小麥植株和土壤中的氮素含量及15N豐度,計(jì)算分析不同處理褐土中肥料氮的去向說明(表6),盡管冬施肥處理小麥對氮肥的利用率略低于返青肥處理,但肥料氮在土壤中的殘留率卻以冬施肥處理為最高,肥料氮的損失率以冬施肥處理為最低,這一結(jié)果與低溫條件下施肥后氮素易被固定有一定關(guān)系。盆栽小麥的子粒產(chǎn)量盡管差異不大,但與肥料氮的利用率相吻合,冬施肥處理與返青肥處理均高于基肥處理。本文作者以前也曾報(bào)道過冬季施肥技術(shù)的應(yīng)用效果。3不同溫度對堿離子的解吸和固定的影響銨的固定過程是由2∶1型粘土礦物結(jié)構(gòu)中的層間負(fù)電荷引起的。層間負(fù)電荷與進(jìn)入層間的銨離子所產(chǎn)生的吸引力可使晶層間距收縮,導(dǎo)致銨離子被“固定”,這一過程也被稱為專性吸附固定。如果將粘土礦物連同所吸附的離子看作一個(gè)系統(tǒng),根據(jù)熱力學(xué)原理,隨著溫度的降低,系統(tǒng)內(nèi)熵值減小,即混亂度減小,分子或離子的熱運(yùn)動減弱,因而有利于離子的吸附固定,反之則有利于離子的解吸。另外,根據(jù)離子擴(kuò)散雙電層理論,雙電層厚度隨著環(huán)境溫度的升高而增加,而反映離子擴(kuò)散熱能的反離子電勢又隨著雙電層厚度的增加而增加,也就是說,溫度越高,雙電層厚度越大,離子的擴(kuò)散趨勢就越強(qiáng)。在低溫條件下,由于銨離子的擴(kuò)散能量較小,因而更容易被粘土礦物所固定。從本試驗(yàn)結(jié)果來看,土壤溫度的高低確實(shí)影響了銨態(tài)氮的固定,這就是低溫條件下銨的固定量較常溫條件下大大增加主要原因。研究資料表明,銨離子從粘粒解吸的速率隨著溫度的升高而加快,但與固定過程相比,其重新釋放過程卻要緩慢得多,其原因可能與鉀離子的吸附與解吸過程相同。被解吸時(shí)所需的活化能大于被吸附所需的活化能,因而吸附固定過程較解吸釋放過程更容易發(fā)生。因此,在較低的土壤溫度條件下,施入土壤的銨離子很快被大量固