不同浓度抑制剂组合对尿素水解及nh4

不同浓度抑制剂组合对尿素水解及nh4

1nbpt和dmpp我国农业生产中氮的总消耗超过60%，我国农业生产中氮的表观利用率仅为30%35%。考虑到影响排尿的低效率，除了改进施肥技术、优化配肥和栽培外，还通过添加生化剂来调整氮的转化过程。其中之一是添加酶抑制剂和硝化剂。N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)被世界公认为最有效的脲酶抑制剂,具有用量少、成本低的特点,NBPT是一种相对较弱的植物或微生物脲酶抑制剂,而其在土壤中的衍生物NBPTO则为一种有潜力的脲酶抑制剂,有效抑制尿素水解为铵态氮。3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)是目前国际开始广泛应用且最经济而有效的硝化抑制剂,它可以抑制NH+4向NO-2转化过程中硝化菌的活性,因此,减少NO-3淋溶和N2O的排放。脲酶抑制剂和硝化抑制剂分别对尿素N转化的某一特定过程产生作用,其单独使用不能对尿素氮转化的全过程进行有效控制,两者配合施用可有效控制尿素水解,延长尿素在土壤中存留时间,同时控制尿素水解产物铵的氧化,使水解产物NH+4在土壤中积累更多,保存更长时间,从而有效延长尿素肥效期,提高尿素N利用率。但在不同土壤中生化抑制剂的作用效果和作用参数差异很大,NBPT和DMPP在黑土、棕壤、红壤及黄壤中的作用效果和有效作用参数已研究较多,而在白浆土中未见报道,白浆土具有不同于上述土壤的理化性质和生物学特性,且白浆土在土壤中占很大比例,我国白浆土有527.2万hm2,主要分布在东北三江平原和山东半岛,农田多为中低产田,肥料利用率低。目前在白浆土地区粮食生产中使用的绝大部分肥料都是常规品种,没有针对该地区土壤类型而研制的缓释氮素肥料品种,因此研究NBPT和DMPP在白浆土中的作用效果,对提高我国尿素氮素利用率、节约资源、提高粮食产量意义深远。基于此开展了NBPT与DMPP不同浓度组合在白浆土中的作用效果研究,以寻求最适宜白浆土的NBPT与DMPP组合剂量参数,为研制适宜该土壤的缓控释尿素肥料提供理论依据。2材料和方法2.1土壤、理化性质、供试素及试剂供试土壤为三江平原白浆土,于2009年9月采自黑龙江省八五三农场,该地区属温带湿润、半湿润大陆性季风气候,全年日照时数2400～2500h,无霜期120～140d,年降水量500～650mm。三江平原白浆土发育于温带和暖温带湿润季风气候条件下,周期性滞水淋溶土壤,肥力较低,养分不均衡,缺氮、缺磷、不缺钾。土样采回后剔除杂物及根系,过2mm筛备用,土壤基本理化性质为有机质403.9g/kg,全氮1.25g/kg,全磷0.84g/kg,Oslen-P为33.4mg/kg,速效钾119mg/kg,pH(H2O)5.79。供试尿素为分析纯试剂,由国药集团化学试剂有限公司生产;脲酶抑制剂为N-丁基硫代磷酰三铵(NBPT)、硝化抑制剂为3,4-二甲基吡唑磷酸盐(DMPP)两者均为分析纯,由J&K化学技术有限公司生产。2.2尿素a类载体如采用室内恒温培养实验,NBPT用量为尿素纯氮的0.5%,0.25%两个梯度,DMPP用量为尿素纯氮的1%,0.5%两个梯度;用氮量为1gN/kg干土。设5个处理:(1)尿素+0.5%NBPT+0.5%DMPP(a处理);(2)尿素+0.5%NBPT+1%DMPP(b处理);(3)尿素+0.25%NBPT+1%DMPP(c处理);(4)尿素+0.25%NBPT+0.5%DMPP(d处理);(5)单施尿素(urea处理);每个处理重复3次。采用塑料瓶装土,每瓶装干土重700g(土壤过2mm筛),由于培养时间长,取样次数多,用土量大,所以共装土75瓶,分为5组,每组15瓶,加水使土壤含水量达到20%,将尿素和抑制剂按上述用量均匀混合,再与土壤均匀混合,置于25℃培养箱中恒温培养。于2009年12月17日开始培养,在培养第4,7,10,13,16,19,22,25,28,35,42,49,56,63,70,80d取样(注:每次取样必须在同一组塑料瓶中进行,当此组塑料瓶中培养土用完后,再从下一组塑料瓶中取,以此类推),到2010年3月3日培养结束,测定土壤中铵态氮、硝态氮及尿素态氮含量,若浸提液不能立即测,放在冷冻箱里储存。2.3流动分析方法土壤基本理化性质采用常规分析方法测定,铵态氮、硝态氮用2mol/LKCl浸提,3-AA3型连续流动分析仪测定;尿素态氮用KCl-乙酸苯汞浸提,3-AA3型连续流动分析仪测定数据采用Microsoftexcel2003和SPSS13.0进行统计分析,采用邓肯多重比较法。3结果与讨论3.1nbpt和dmpp协同对不同浓度土壤尿素态氮的影响作物直接利用尿素态氮量少之又少,当尿素施入土壤后,在脲酶作用下水解为铵态氮,才能被作物吸收利用。脲酶抑制剂抑制脲酶活性,可以有效减缓尿素水解速率,减少铵态氮的挥发,减缓硝化作用进程,因此土壤中尿素态氮含量变化是衡量脲酶抑制剂作用效果的重要指标。培养第4d,添加抑制剂的各处理尿素态氮含量显著高于只施尿素处理(P<0.05),处理a、b、d间尿素态氮含量无显著差异,分别有58.38%,63.94%,61.67%尿素态氮没有被水解,c处理显著低于a、b、d处理,显著高于e处理,有46.52%尿素态氮没有水解。单施尿素处理有10.75%尿素态氮没有水解(图1),说明在白浆土中,尿素施入第4d,NBPT与DMPP协同作用抑制尿素水解效果显著,土壤中能保持较高的尿素态氮含量。c处理尿素态氮含量显著低于其它3个抑制剂组合处理(图1),说明在尿素施入第4d,高浓度DMPP与低浓度NBPT组合对土壤中尿素态氮水解的抑制作用相对较弱。第4d到第7d,添加抑制剂处理尿素态氮含量急剧下降,土壤中尿素态氮减少速度很快,铵态氮含量迅速增加(图1、图2),尿素态氮转化为铵态氮这一过程在20℃,无脲酶抑制剂条件下,需要4～5d。在第7d,单施尿素处理尿素态氮含量最低为0.31%,显著低于添加抑制剂各处理,a、b处理土壤中尿素态氮含量分别为3.43%和3.11%,c、d处理含量分别为2.01%和2.92%(图1),说明第7d,0.5%NBPT组合比0.25%NBPT组合能更有效抑制尿素态氮的水解。研究表明,在25℃恒温条件下,酰胺态氮在未添加生化加抑制剂时3d后水解出现高峰,一般尿素在黑土和棕壤中存在时间为3～5d,本研究尿素态氮在土壤中存留时间相对较长,说明尿素态氮在白浆土中较黑土和棕壤水解慢,这主要与白浆土中土壤微生物活性相对较弱,微生物产生的脲酶数量和活性相对较少、较低有关。第7d到第10d,各处理土壤中尿素态氮含量持续降低,在第10d,各处理土壤中尿素态氮含量都很低,单施尿素处理土壤中尿素态氮为0,其它各处理间尿素态氮含量没有显著差异,土壤中尿素态氮残留量约3.00%左右,绝大部分尿素态氮已水解,说明在白浆土中,NBPT与DMPP组合作用时间超过10d,但较在黑土和棕壤中有所缩短,这主要是白浆土理化特性决定的。从各处理土壤尿素态氮含量变化可知,在白浆土中NBPT和DMPP抑制剂组合能够有效的抑制尿素水解,特别是在尿素施入初期,0.5%NBPT组合比0.25%NBPT组合抑制效果更好,以a处理0.5%NBPT+0.5%DMPP组合效果最好,其次是0.5%NBPT+1%DMPP组合,c处理0.25%NBPT+1%DMPP效果最差。在白浆土中,要达到理想的抑制尿素水解效果应增加NBPT加入量。3.2铵态氮含量的变化尿素施入土壤后,在脲酶作用下很快水解,释放出NH+4;而硝化抑制剂能够抑制NH+4-N氧化为NO-3-N,硝化抑制的结果首先表现为土壤中NH+4-N含量的提高或NO-3-N含量的降低。各处理土壤中NH+4-N含量呈先增加后减少的变化趋势,且NH+4-N含量出现两个高峰期。在第4d,单施尿素处理NH+4-N含量最高,显著高于其它处理(P<0.05),铵态氮含量占施氮量的75.12%(图2),说明在尿素施入白浆土4d后,单施普通尿素处理有75%以上的尿素态氮转化为铵态氮,尿素水解很快;a、b处理铵态氮含量占施氮量的50.05%和49.87%,c、d处理铵态氮含量占施氮量的54.73%和54.40%,a、b处理铵态氮含量显著低于c、d处理(P<0.05),且a与b、c与d间均无显著差异(P<0.05),说明不同浓度NBPT组合间铵态氮含量差异显著,由此可知,此阶段组合中NBPT起主要作用,有效地降低了土壤脲酶活性,抑制了尿素水解进程,此时NH+4-N含量主要受尿素水解数量制约,从而降低了土壤中NH+4-N含量,从此时土壤中尿素态氮含量(图1)也可以证明这一点。含有0.5%NBPT组合铵态氮含量低于0.25%NBPT组合,0.5%NBPT组合能够更有效的降低土壤中NH+4-N含量,减少NH3的挥发。第4d到第7d,各处理土壤中NH+4-N含量急剧增加,在第7d,各处理NH+4-N达到第一次高峰,土壤中铵态氮含量无显著差异,含量均超过530mg/kg,与第4d相比,土壤中铵态氮含量的增加量不同,a、b处理分别增加56.49%和57.00%,c、d处理分别增加39.96%和52.65%,单施尿素处理仅增加2.45%(图2),但抑制剂组合和单施尿素处理所致铵态氮含量增加的作用机制不同,NBPT+DMPP组合处理是NBPT延缓尿素水解,DMPP抑制铵态氮硝化双重作用的结果,单施尿素处理铵态氮含量增加是剩余尿素态氮水解量大于铵氧化量和土壤固定态氮铵的释放引起的。同时再次证明单施尿素处理在前7d尿素已基本水解,并有相对较多的铵态氮转化为硝态氮(图3)。第7d到第10d,所有处理土壤中铵态氮含量急剧下降,下降幅度在18.90%～25.43%之间,其中以d处理下降幅度最大,为25.43%,c处理下降幅度最小,为18.90%(图2),第10d,各处理间土壤铵态氮含量无显著差异,主要由于第7d铵离子浓度不同所致。土壤中NH+4-N含量急剧下降,主要是一方面,随着尿素水解产物NH+4-N浓度增加,部分将以NH3的形式挥发到大气中,同时土壤固定NH+4-N量增加;另一方面,随着硝化作用底物NH+4-N含量的增加,刺激硝化菌数量迅速增加,硝化活性也相应提高,NH+4硝化,也就是在微生物作用下将NH+4氧化成NO-3的进程加快,也会导致NH+4-N含量下降,这与图3中此阶段NO-3-N含量升高相一致。从第13d开始,各抑制剂组合处理NH+4-N含量显著高于单施尿素处理(图2),说明在没有生化抑制剂的作用下,铵氧化作用强度较大,而抑制剂组合处理由于DMPP的抑制作用,NH+4-N含量呈逐渐升高的趋势。第13d到第42d,土壤中NH+4-N含量逐渐升高,主要是白浆土中固持和吸附的NH+4开始逐渐释放,在硝化抑制剂DMPP的作用下,土壤中NH+4-N含量显著增加。第13d到第28d,各抑制剂组合处理除第16d外,土壤中NH+4-N含量无显著差异。在第28d到第42d,a、c处理铵态氮含量显著高于b、d处理,且以a处理效果最好。第42d后,抑制剂组合处理土壤中NH+4-N含量明显下降,说明此时DMPP在白浆土中的作用效果开始减弱,第42d到第80d,除了第49d、第63d外,各抑制剂组合处理间无显著差异;第49d,a、d处理NH+4-N含量显著高于b、c处理;第63d,a处理NH+4-N含量最高,其次为b、d处理,c处理NH+4-N含量最低。土壤中铵态氮含量变化表明,在白浆土中,NBPT和DMPP组合能够有效抑制NH+4-N向NO-3-N的转化,自第7d后,土壤中NH+4-N含量始终保持较高水平;培养第28d前,不同浓度组合铵态氮无显著差异,在培养第35d,a、c处理与b、d处理间差异显著,a处理NH+4-N含量最高,第42d后也表现出相同的规律,说明a处理效果最好,0.5%NBPT与0.5%DMPP配合施用,较其它浓度组合效果更好,能够使土壤中保持较高的NH+4-N含量。其次是b处理0.5%NBPT+1%DMPP,d处理0.25%NBPT+0.5%DMPP最差。从土壤中铵态氮含量分析,可以认为0.5%NBPT+0.5%DMPP是4种组合中最佳组合。3.3不同处理对土壤硝化的影响添加抑制剂各处理在培养期间土壤中NO-3-N含量变化趋势基本一致,在培养第42d前,随着NH+4-N的不断氧化而增多,第42d至第56d,NO-3-N含量逐渐降低,第56d后土壤中硝态氮含量持续增加。在第4d,所有处理土壤硝态氮含量都很低,最高不到20mg/kg,单施尿素处理硝态氮含量显著高于其它4个处理,说明此时土壤中铵态氮转化为硝态氮的量很少,主要是此时土壤中的尿素态氮刚刚水解产生氨,大量的铵还没有被硝化。第4d到第13d,单施尿素处理土壤中硝态氮含量明显增加,显著高于其他处理,但增加速率相对较慢;到第13d,只有90mg/kg左右,说明此阶段单施尿素处理硝化作用并不强,主要是此时土壤中微生物活性相对较弱所致。土壤中NO-3-N含量持续增加,但增加幅度较小。抑制剂组合处理在培养第28d前土壤中一直保持较低的NO-3-N含量,含量为12.92～54.43mg/kg,说明此阶段NBPT+DMPP能够有效地抑制NH+4-N向NO-3-N的转化,使土壤中硝态氮保持较低水平;培养第7～13d,随NH+4-N含量降低,NO-3-N含量并没有显著升高,含量为17.06～33.82mg/kg,可能是由于高NH+4-N含量导致NO-2在土壤中快速累积,并没有转化为NO-3-N,这是因为在硝化微生物将NH+4氧化为NO-2之前,NH+4首先要转化为NH3,但NH3既是氨单加氧酶的底物,同时又是亚硝酸盐氧化细菌的抑制剂,在有相对大量游离NH3存在的情况下,亚硝化菌的活性会受到强烈的抑制,所以抑制了NH+4-N向NO-3-N的转化。第13d至第25d,单施尿素处理土壤中硝态氮含量迅速增加,在第25d达到最高值,为404.08mg/kg,显著高于抑制剂处理,各抑制剂处理间无显著差异。第28d到第42d,抑制剂组合处理土壤硝态氮含量显著增加,在118.64～179.06mg/kg之间,是铵态氮硝化作用的一个高峰期,但显著低于单施尿素处理,说明DMPP的硝化抑制作用效果显著,这一点从此时4种处理土壤铵态氮显著增加可以得到证实(图2),4个处理中,以a处理硝态氮含量最低,c次之,b较高,d处理含量最高。在第49d和56d添加抑制剂组合处理硝态氮含量大幅度降低(图3),这与土壤发生反硝化导致硝态氮损失和微生物对硝态氮的固持密切相关,NO-3还原为N2O与N2,导致硝态氮含量降低。第56d到80d这4种抑制剂组合处理硝态氮含量大幅度增加(图3),含量在92.37～421.55mg/kg之间,说明此阶段硝化抑制剂DMPP作用效果开始明显减弱,土壤中铵态氮的硝化作用强度增加,同时土壤中固定的铵态氮开始释放。这一点从此时段土壤中铵态氮含量降低幅度较小可以得到验证(图2)。在培养63d前,各组合处理硝态氮含量均低于单施尿素处理,第63d后,各组合处理硝态氮含量高于单施尿素处理,说明在白浆土中施入添加NBPT+DMPP尿素,在第63d前能明显抑制土壤中铵态氮向硝态氮转化,提高土壤中铵态氮与硝态氮比值,提高作物对氮肥的吸收利用。同时说明此两种浓度DMPP用量在白浆土中的有效作用时间可以达到63d。第35d和第42d,a处理NO-3-N含量低于其它处理,与b、d处理达到显著水平(P<0.05),与c处理之间无显著差异;b、d处理间无显著差异,说明在第35d,NBPT与DMPP最佳用量组合为0.5∶1与最佳用量减半组合0.25∶0.5对硝化抑制效果无显著差异。综合土壤中硝态氮含量变化可知,在培养第42d后,不同浓度组合间硝态氮含量无显著差异。a处理土壤铵氧化的抑制效果最好,c处理次之,b处理和d处理在培养第28d到第49d效果最差;这与土壤中铵态氮含量变化所表达的抑制铵氧化的结论相一致。表明在白浆土中DMPP的作用效果并没有随用量的增加而增强,主要是由白浆土的理化特性所决定,这是DMPP在白浆土中的显著作用特点。3.3不同覆盖厚度对土壤硝化强度的影响土壤表观硝化率为土壤中NO-3-N含量占土壤矿质氮总量的百分比,可以指示土壤中硝化作用强弱和硝化作用速率。单施尿素处理在整个培养过程中表观硝化率最高,显著高于其它处理,主要是因土壤中铵态氮在不加生化抑制剂的情况下很快被硝化,土壤中硝态氮含量相对较高。第4d到第25d,除第16d外,4种抑制剂组合处理土壤表观硝化率无显著差异,说明此时土壤硝化作用强度相同;其中培养第4d到第7d,各处理土壤表观硝化率较低,可能是由于土壤中NH+4-N含量较高抑制了硝化细菌的生长繁殖,降低了硝化细菌活性所致。第28d4种组合中0.5%NBPT+1%DMPP表现硝化率最高,显著高于其它3种处理。从第35d到第42d,各处理表观硝化率显著升高,与添加抑制剂各处理硝态氮含量变化相一致(图3),各抑制剂组合处理间差异显著,第35d,a、c处理与b、d处理间差异显著,a、c处理表观硝化率最低;第42d,a处理与b、d处理差异显著,以a处理土壤表观硝化率最低。从第49d到第80d,除了第63d,a处理显著低于b、c、d三个处理,其它时间各组合差异不显著,说明此阶段各抑制剂组合处理具有相同的硝化作用强度。在白浆土中,不同浓度的DMPP组合在第49d后硝化作用强度无显著区别。在第80d,a、b、c、d各处理表观硝化率分别为48.79%,50.33%,49.83%,52.34%,都接近或达到50%,表观硝化率显著低于单施尿素处理,可见,在白浆土中,NBPT与DMPP组合硝化抑制作用时间较长,DMPP的作用时间可达到80d以上。在第7～80d,添加抑制剂组合各处理土壤表观硝化率都显著低于urea处理,说明DMPP的添加有效地抑制了NH+4-N氧化为NO-3-N的结果。其中,以a处理效果最好,c处理次之。综合土壤中尿素态氮、铵态氮和硝态氮的含量变化,可以认为在白浆土中,