硝化抑制劑在氮肥淋溶中的應(yīng)用

近年來，氮利用率逐年增加。中國氮消費量占世界總消耗量的約30%，已成為世界知名的消費大國。但氮消耗率高，使用效率低，不僅造成資源浪費，而且增加了農(nóng)業(yè)成本。此外，還導(dǎo)致了一些環(huán)境問題，如地下水養(yǎng)分積累、水體富營養(yǎng)化和氣體氮氧化合物排放，引起全球關(guān)注。如何調(diào)控氮在土壤中的轉(zhuǎn)化進(jìn)程,提高氮肥利用率,一直是當(dāng)前土壤氮素研究的熱點和難點問題。硝化抑制劑可以抑制硝化作用,使氮素在土壤中以銨態(tài)氮形態(tài)存在的時間延長,由此減少氮肥以硝態(tài)氮的形式淋溶損失以及反硝化作用。不同的硝化抑制劑作用機(jī)理不同,概括來講,一般的硝化抑制劑是通過釋放毒性化合物,直接影響硝化菌群落及硝化活性來抑制土壤的硝化作用。相關(guān)研究表明,氯甲基吡啶(nitrapyrin)能夠螯合氨單加氧酶(AMO)活性位點上的Cu,影響AMO的活性,從而抑制催化氧化過程。氯甲基吡啶(nitrapyrin)是2-氯-6-(三氯甲基)吡啶的簡稱,它是一種白色晶狀固體物質(zhì),幾乎不溶于水,易溶于有機(jī)溶劑,是目前為止研究得較多也是效果較顯著的硝化抑制劑之一。1962年,Goring首次報道了氯甲基吡啶具有硝化抑制特性,1974年美國DOW化學(xué)公司利用此物質(zhì)的硝化抑制特性開發(fā)出一種N-serve的氮硝化抑制劑,并在農(nóng)業(yè)上推廣應(yīng)用,且每年有100萬hm2農(nóng)田應(yīng)用這個產(chǎn)品。實驗表明,在施用氯甲基吡啶后的數(shù)周內(nèi)對硝化過程都有強烈的抑制作用,顯著地提高NH4+/NO3-的比例,也有研究表明氯甲基吡啶可以抑制土壤的硝化反應(yīng),減少氮肥淋溶損失和氣態(tài)損失,顯著地降低CH4的排放。目前國內(nèi)關(guān)于氯甲基吡啶的研究不多,本試驗選用新型硝化抑制劑氯甲基吡啶的兩種不同劑型乳油劑和水乳劑,分別研究了它們在砂土和粘土上的硝化抑制效果和劑量效應(yīng),旨在為硝化抑制劑的合理施用提供理論參考。1材料和方法1.1試肥料及用量供試土壤采自浙江省余姚市,土壤類型為水稻土,質(zhì)地分別為砂質(zhì)和粘質(zhì),以砂土和粘土表示。其基本理化性質(zhì)詳見表1。供試肥料為硫酸銨(ASN,含量99.0%),其用量為每1kg風(fēng)干土純氮0.5g。供試硝化抑制劑為2-氯-6-(三氯甲基)吡啶(浙江奧復(fù)托化工有限公司生產(chǎn),純度98%),有乳油劑(EC)和水乳劑(EW)兩種劑型(含量24%),其土壤添加量設(shè)置6個水平,分別為純氮量的0%、0.1%、0.15%、0.2%、0.3%和0.4%,重復(fù)3次。1.2asn和乳油劑、水乳劑的制備新鮮土樣剔除雜物及殘留根系,風(fēng)干后過2mm篩備用。將300g風(fēng)干土裝入密封袋中,添加適量水分,預(yù)培養(yǎng)一周,此土壤視為新鮮土。將鮮土與所需要的ASN和乳油劑、水乳劑充分混勻,裝入密封袋中,在靠近袋口的地方用針扎一排通氣的小孔以創(chuàng)造良好的環(huán)境,然后置于25℃的室內(nèi)恒溫恒濕黑暗培養(yǎng)。培養(yǎng)期間,采用稱重法補水,使得土壤含水量保持在田間持水量的60%~65%,并使補水后土水充分混勻,在培養(yǎng)試驗開始后的第2、8、15、25、30d分別取樣,每次取樣10g,每次取樣后,立即用2.0mol·L-1的KCl溶液浸提,浸提溶液置于-20℃冰箱保存待測,防止無機(jī)氮的轉(zhuǎn)化。1.3化抑制率的確定土壤中硝態(tài)氮的含量采用雙波長分光光度法測定,銨態(tài)氮的含量采用靛酚藍(lán)比色法測定,硝化抑制率根據(jù)下式計算:硝化抑制率(%)=(A-B)×100/A式中:A為不加硝化抑制劑處理的土壤培養(yǎng)前后硝態(tài)氮含量之差,mg·kg-1;B為添加硝化抑制劑處理的土壤培養(yǎng)前后硝態(tài)氮含量之差,mg·kg-1。試驗數(shù)據(jù)采用Excel2003和Statistica5.5統(tǒng)計分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析,處理間差異顯著性比較采用鄧肯氏新復(fù)極差檢驗法。2結(jié)果與分析2.1不同劑量的氯仿吡啶乳油劑對土壤中銨氮和硝氮的含量有影響2.1.1乳油劑對土壤硝化的影響在一定的土壤含水量條件下,施入土壤的銨態(tài)氮會迅速地轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮,加入硝化抑制劑可以抑制銨態(tài)氮向硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化強度和持續(xù)的時間。由圖1(A)可以看出,在培養(yǎng)的30d中,不同劑量乳油劑處理的砂土中硝態(tài)氮含量均隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸上升,不同劑量處理硝態(tài)氮含量上升的幅度不一樣。和對照相比,從第8d開始,各劑量乳油劑處理土壤的硝態(tài)氮含量都顯著低于對照處理(P<0.05),在第30d時,各劑量乳油劑處理的土壤之間的硝態(tài)氮含量也達(dá)到了顯著差異(P<0.05)。另外,土壤硝態(tài)氮含量隨著乳油劑濃度的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢,這說明乳油劑的劑量越大,硝化抑制效果越明顯。由圖1(B)可以看出,土壤中銨態(tài)氮含量的變化和硝態(tài)氮是緊密耦合且呈現(xiàn)出此消彼長的變化規(guī)律。各劑量處理的土壤銨態(tài)氮含量均隨培養(yǎng)時間的延長而明顯下降,在培養(yǎng)的前15d,各劑量處理土壤之間的銨態(tài)氮含量差異并不顯著(P>0.05),從第15d開始,加入乳油劑處理的土壤其銨態(tài)氮含量顯著高于對照處理(P<0.05),第30d時,各劑量乳油劑處理的土壤之間的銨態(tài)氮含量也達(dá)到了顯著差異(P<0.05)。從圖1(A)和(B)也可以看出,對照處理在初始階段銨態(tài)氮含量高于硝態(tài)氮含量,從第15d開始,硝態(tài)氮含量高于銨態(tài)氮含量,而乳油劑處理的土壤中銨態(tài)氮的含量始終顯著地高于硝態(tài)氮的含量,這說明在整個培養(yǎng)過程中乳油劑能夠有效延緩銨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。2.1.2乳油劑對粘土中硝態(tài)氮含量的影響從圖1(C)可以看出,在整個培養(yǎng)過程中,隨著培養(yǎng)時間的延長,各乳油劑處理粘土中硝態(tài)氮的含量逐漸上升。從第15d開始,不同劑量乳油劑處理的粘土中硝態(tài)氮含量都顯著低于對照處理(P<0.05),第30d時,各劑量乳油劑處理的粘土之間的硝態(tài)氮含量也達(dá)到了顯著差異(P<0.05)。另外,不同處理的粘土中硝態(tài)氮含量隨著乳油劑濃度的增加而呈現(xiàn)出下降的趨勢,這說明乳油劑的劑量越大,硝化抑制效果越明顯。在整個30d的培養(yǎng)過程中,各劑量乳油劑處理的粘土中銨態(tài)氮含量都是隨時間的延長逐漸下降的,但是與對照都沒有顯著差異(P>0.05),各劑量乳油劑處理的粘土之間銨態(tài)氮含量也沒有顯著差異(P>0.05)。2.1.3乳油劑對土壤中硝化抑制劑的抑制率硝化抑制率是表征硝化抑制劑對土壤硝化過程抑制強度的一個重要指標(biāo),其值越高表明硝化抑制劑對土壤硝化抑制過程強度越強。根據(jù)表2可知,乳油劑在砂土上的施用效果較好,第30d時,砂土上的硝化抑制率為55.6%~91.4%,而粘土上的硝化抑制率為18.5%~50.9%,在兩種質(zhì)地土壤中乳油劑的總體施用效果為砂土>粘土。不同劑量的乳油劑對砂土和粘土的硝化抑制作用效果不同。在砂土中,隨著乳油劑濃度的增加,其硝化抑制率顯著增加,從55.6%增加到了91.4%,0.3%和0.4%兩個濃度之間差異不顯著,其他不同濃度之間都達(dá)到了顯著差異水平(P<0.05)。在粘土中,0.1%低濃度的乳油劑處理的土壤硝化抑制率僅為18.5%。由表2可以看出,在0.3%乳油劑時,其硝化抑制率較高且用量較少,所以乳油劑在砂土和粘土上的最佳用量均為0.3%。2.2不同劑量的氯仿吡啶水提取物對土壤中氨氮和硝氮的含量的影響2.2.1對總硝態(tài)氮含量和劑量效應(yīng)的影響由圖2(A)可以看出在培養(yǎng)的30d中,不同劑量水乳劑處理的砂土中硝態(tài)氮含量的變化與乳油劑處理相似,但是從第8d開始,各劑量水乳劑處理的砂土中硝態(tài)氮含量都顯著低于對照處理(P<0.05),而在30d時,各劑量水乳劑處理間的硝態(tài)氮含量差異也達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。水乳劑在砂土上的劑量效應(yīng)與乳油劑在砂土上的劑量效應(yīng)相似。由圖2(B)可以看出,各劑量處理的砂土中銨態(tài)氮含量均隨培養(yǎng)時間的延長而明顯下降,從第15d開始,加入水乳劑處理的砂土中銨態(tài)氮含量顯著高于對照處理(P<0.05),各處理之間在第30d時也達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。2.2.2水乳劑對粘土中硝態(tài)氮含量的影響從圖2(C)中可以看出,隨著培養(yǎng)時間的延長,各處理粘土中硝態(tài)氮的含量逐漸上升。從第15d開始,不同劑量水乳劑處理的粘土中硝態(tài)氮含量都顯著低于對照處理(P<0.05)。在整個30d的培養(yǎng)過程中,不同濃度水乳劑處理的粘土中銨態(tài)氮含量都是隨時間的延長逐漸下降的,但是與對照都沒有顯著差異(P>0.05)。2.2.3水乳劑用量對總硝化抑制率的影響由表3可知,水乳劑在砂土上的施用效果好于粘土,第30d時,砂土上的硝化抑制率為40.0%~79.0%,粘土上的硝化抑制率為35.7%~53.3%,在兩種質(zhì)地土壤中水乳劑的總體施用效果為砂土>粘土。不同劑量的水乳劑對砂土和粘土的硝化抑制率作用效果不同。在砂土中,隨著水乳劑濃度的增加,其硝化抑制率顯著增加,從40.0%增加到了79.0%,0.15%、0.2%、0.3%3個濃度之間的差異達(dá)到了顯著。在粘土中,0.1%低濃度水乳劑處理的土壤硝化抑制率僅為35.7%,當(dāng)濃度從0.1%增加到0.3%時,硝化抑制率僅增加了17.6%,增加幅度非常小,濃度增加到0.4%時反而有所下降,但差異不顯著(P>0.05)。從表3可以看出,和乳油劑相同,水乳劑在砂土和粘土上的最佳用量都是0.3%。2.3氯甲基硫醇酸和水提取物對砂土和粘土的硝化作用的影響2.3.1乳油劑和水乳劑對土壤銨態(tài)氮含量的影響由圖3(A)可以看出,在土壤培養(yǎng)的30d中,隨著培養(yǎng)時間的延長,乳油劑和水乳劑處理的砂土中硝態(tài)氮含量不斷增加,但是增加的幅度不同。水乳劑處理的砂土中硝態(tài)氮含量一直高于乳油劑處理的砂土,在開始的15d中,二者含量增加緩慢,從第15d之后二者就有顯著的差異(P<0.05)。由圖3(B)可知,乳油劑和水乳劑處理的砂土中銨態(tài)氮的變化規(guī)律與硝態(tài)氮正好相反,均隨著培養(yǎng)時間的延長而逐漸下降。但是二者之間差異不顯著(P>0.05),并且從第8d之后,兩個處理的銨態(tài)氮含量下降幅度都很小。由圖3(C)可知,在粘土中,乳油劑和水乳劑處理的土壤中硝態(tài)氮含量隨著培養(yǎng)時間的增加而增加。但是在整個培養(yǎng)的過程中,兩個處理的硝態(tài)氮含量差異不顯著(P>0.05)。各處理的銨態(tài)氮含量呈現(xiàn)下降趨勢,但是二者之間的差異不顯著(P>0.05),并且從第8d之后,兩個處理的銨態(tài)氮含量下降幅度都很小。2.3.2水乳劑硝化抑制率測定從表4可以看出乳油劑和水乳劑在最佳濃度時在砂土和粘土上的硝化抑制率。在砂土上,乳油劑的硝化抑制率較高,達(dá)到了88.1%,而水乳劑的硝化抑制率僅為74.9%,二者達(dá)到了顯著差異(P<0.05);相反,在粘土上,水乳劑的硝化抑制率高于乳油劑,達(dá)到了顯著差異(P<0.05)。由此說明,在砂土上,乳油劑的施用效果要高于水乳劑,在粘土上,水乳劑的施用效果要高于乳油劑。3乳油劑和水乳劑最佳用量的確定氯甲基吡啶對土壤硝化過程的抑制作用主要表現(xiàn)在通過抑制氨氧化細(xì)菌的活性來抑制NH4+向NO2-的轉(zhuǎn)化過程,從而使整個硝化過程被抑制。有報道深入研究其機(jī)理,認(rèn)為氯甲基吡啶發(fā)揮效應(yīng)是由于能夠螯合氨氧化過程中酶的Cu組分,也有研究顯示氯甲基吡啶能夠抑制細(xì)胞色素氧化酶的活性,而細(xì)胞色素氧化酶在氨氧化過程中起著電子傳遞、調(diào)節(jié)還原劑濃度的作用。前人的研究表明,有機(jī)質(zhì)能夠降低硝化抑制劑的使用效果,主要原因有以下幾個方面:一是由于有機(jī)質(zhì)能夠?qū)е孪趸种苿┑慕到?亦或是其吸附作用降低了硝化抑制劑的活性;二是有機(jī)質(zhì)對硝化抑制劑的吸附雖然能夠減少其揮發(fā)損失量,但同時也使硝化抑制劑受到了非生物學(xué)保護(hù),從而在一定程度上降低了其生物活性,影響硝化抑制效果;三是有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤能夠給微生物提供更好的能量來源,所以微生物的活性較強,增加了對硝化抑制劑的降解作用,也因此降低了硝化抑制劑的效果。G.Barth等的研究結(jié)果表明,在加入硝化抑制劑的土壤中,NO2-的生成量與砂粒含量呈負(fù)相關(guān)。這說明砂粒含量越多,硝化抑制劑的效果越好。同時實驗還表明土壤中無機(jī)組分對硝化抑制劑的吸附也會降低硝化抑制效果,而硝化抑制劑的吸附行為與粘粒含量呈顯著正相關(guān)。杜玲玲的研究表明,在有機(jī)質(zhì)含量高、含砂量低的土壤中,硝化抑制劑的降解速率要高于在有機(jī)質(zhì)含量低、含砂量高的土壤上。在本實驗中,乳油劑在30d時,砂土上的硝化抑制率達(dá)到了91.4%,而在粘土上的硝化抑制率最高為50.9%;水乳劑在30d時,砂土上的硝化抑制率達(dá)到了79.0%,而在粘土上的硝化抑制率僅為53.3%。兩種劑型的氯甲基吡啶的硝化抑制效果均表現(xiàn)為砂土>粘土,這可能與供試砂土的粘粒含量和有機(jī)質(zhì)含量均低于粘土有很大關(guān)系。有研究表明,在越容易發(fā)生氮肥淋溶損失和氣態(tài)氮損失的土壤上,硝化抑制劑的效果就越顯著,所以硝化抑制劑更適合施用于砂土上。乳油劑在砂土和粘土上的劑量效應(yīng)都非常明顯。在砂土上,當(dāng)乳油劑的濃度從0.1%增加到0.4%時,土壤中硝態(tài)氮的含量在30d時從176.80mg·kg-1降到了59.77mg·kg-1,降低了116.03mg·kg-1。在粘土上,當(dāng)乳油劑的濃度從0.1%增加到0.4%時,土壤中硝態(tài)氮的含量30d時從64.35mg·kg-1降到了42.69mg·kg-1,降低了21.66mg·kg-1。在砂土上,水乳劑的劑量效應(yīng)比較明顯,當(dāng)水乳劑的濃度從0.1%增加到0.4%時,土壤中硝態(tài)氮的含量30d時從217.76mg·kg-1降到了97.02mg·kg-1,降低了120.74mg·kg-1。但是在粘土上水乳劑的劑量效應(yīng)不是很明顯,當(dāng)水乳劑的濃度從0.1%增加到0.4%時,土壤中硝態(tài)氮的含量30d時從55.57mg·kg-1降到了43.61mg·kg-1,僅減少了11.96mg·kg-1。實驗中乳油劑和水乳劑的最佳用量均為純氮用量的0.3%。氯甲基吡啶在最佳用量條件下,其在砂土上的硝化抑制效果為乳油劑>水乳劑,而粘土上的為水乳劑>乳油劑,表明不同劑型的氯甲基吡啶適用于不同質(zhì)地的土壤。這可能與不同劑型的氯甲基吡啶在不同質(zhì)地土壤中的遷移能力不同有關(guān),其確切原因有待深入研究。國內(nèi)外對2-氯-6-(三氯甲基)吡啶研究確實已有很長歷史,但以前采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的2-氯-6-(三氯甲基)吡啶純度較低(一般低于92%),致使硝化抑制效果不太穩(wěn)定。本文供試2-氯-6-(三氯甲基)吡啶采用現(xiàn)代先進(jìn)制作工藝,純度較高(98%),生產(chǎn)實踐表明,其硝化抑制效果較好,且相當(dāng)