我国在不到世界1/10的耕地上使用了世界1/3的氮肥,化肥尤其是氮肥的过量施用十分普遍[1–3],不仅造成了资源浪费和生产成本增加,还带来了土壤质量下降、水体污染等环境问题[4–9]。氮肥的损失途径主要有氨挥发、硝化–反硝化、淋溶和径流等,其中氨挥发是氮肥气态损失的重要途径,相关研究表明,在利于氨挥发的条件下,氨挥发损失率可高达施氮量的40%~50%[6]。因此,提高科学施肥水平,减少化学肥料用量从而提高养分的吸收利用率,将成为现代农业高产高效可持续发展的必然要求。
黄腐酸钾 (fulvic acid potassium, FA-K) 是一种黄腐酸肥料,既能对植物生长起调控作用,又能为植物生长提供钾元素。杨金娟等[10]分析认为,黄腐酸钾能有效降低土壤pH,与无机化肥配合施用提高土壤养分有效性;庄振东等[11]研究认为腐植酸氮肥能显著提高玉米氮肥利用率,促进玉米对土壤氮素的吸收利用,显著增加土壤中氮素残留量,减少淋溶损失;党祝庆等[12]研究认为生化黄腐酸钾配施化肥能促进桃树根系生长,提高根系活力和桃幼树氮素利用率,进而促进桃树地上部的生长。
近年来袋控缓释肥因其肥效期长、养分释放速率与果树的需肥规律基本吻合的特性[13–14],实现了养分的稳定供应,在果树生产中得到很好的应用。目前对袋控缓释肥提高氮素利用率的研究较多[15–17],而袋控缓释肥减少氮素损失 (如氨挥发) 的研究较少。孙克君等[18]和杜雅琴等[19]研究表明包膜控释肥可以减少NH3挥发量和N2O的排放量,而袋控缓释肥与包膜控释肥在养分释放机理上有很多相似之处,王建等[20]在模拟试验条件下研究发现,与普通复合肥相比,袋控缓释肥能够显著延后和削减NH3日排放高峰,减少NH3的累积排放量和土壤氮素损失。
本实验室一直致力于袋控缓释肥中肥料芯成分的改良,而黄腐酸钾和化肥袋控缓释对桃树土壤氮肥损失和氮肥利用的研究未见报道,本研究以2年生盆栽桃树为试材,研究了黄腐酸钾与化肥袋控缓释对桃树生长、氮肥利用及氮肥损失的影响,旨在为桃园肥料科学施用,减少环境污染提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 试验材料本试验以2年生桃品种‘京青14’(毛桃嫁接苗) 为试材,于2016年3~10月在山东农业大学园艺试验站进行。供试土壤为褐土,基本理化性状:有机质9.06 g/kg、有效磷36.19 mg/kg、速效钾96.47 mg/kg、硝态氮25.67 mg/kg、铵态氮9.52 mg/kg、土壤全氮1.23 g/kg、pH 6.78。供试化肥:普通尿素 (全N含量46%)、15N尿素 (上海化工研究院生产,丰度10.21%)、磷酸氢二铵 (P2O5 46%,全氮含量18%)、硫酸钾 (K2O含量50%)。供试生化黄腐酸钾购自山东省潍坊市东阳化工厂,其水溶性黄腐酸含量 > 50%、全氮含量2.8%、全磷 (P2O5) 含量0.6%、全钾 (K2O) 含量9.7%。
袋控肥肥料袋用纸塑复合材料制成,袋宽5 cm、袋长7 cm,袋上正反面均匀打有微孔,微孔直径0.2 mm,微孔间距0.5 cm。普通复合肥料装入用80目 (孔径 0.178 mm) 纱网制成的相同大小的尼龙袋 (网孔大小恰好不使肥料露出,使网内肥料能与土壤完全接触)。
1.2 试验设计试验包括普通肥料试验和15N尿素试验,均为盆栽试验,花盆直径为30 cm、高为45 cm。两个试验的试验处理方法和氮磷钾肥用量均相同,只是在15N尿素试验中,用0.5 g 15N尿素代替0.5 g普通尿素。普通肥料试验用于氨挥发、生长指标测定,15N尿素试验用于氮肥利用率和土壤氮肥残留测定。
试验共设4个处理,在氮磷钾总量相同的前提下,设化肥装于普通尼龙袋内 (NB/CF);化肥加黄腐酸钾装于普通尼龙袋内 (NB/CF+FA);化肥装于纸塑控释袋内 (PB/CF);化肥加黄腐酸钾置于纸塑控释袋内 (PB/CF+FA)。普通肥料试验每个处理21株桃树,3株为一个小区,7次重复,用于氨挥发、生长指标测定;15N尿素试验每个处理6株桃树,2株为一个小区,3次重复。各养分含量一致 (N、P2O5和K2O 含量分别为3.88 g、1.71 g和3.71 g)。于2016年3月25日定植,待桃树正常生长后 (4月30日) 进行施肥试验,分别于距树干两侧5 cm处挖深15 cm的施肥穴,每个施肥穴放1包袋控或网包肥料。当田间持水量低于50% 时进行灌溉,每次每盆灌水量为2.5 L。
1.3 测定项目与方法氨气的采集用静态吸收法[20],将内径30 cm、高20 cm的拆分塑料桶以施肥点为中心倒扣在土壤表面,塑料桶外及与树干接触处严格密封,内置盛有200 mL 2% 硼酸和指示剂的长方形塑料盒,于9:00~11:00更换一次硼酸,前30 d每2 d采集一次,之后每10 d采集一次,直到各个处理均监测不到氨挥发。采用0.005 mol/L H2SO4滴定硼酸中所吸收的氨 (mi);土壤氨挥发速率和土壤氨挥发累计损失量的计算公式如下:
土壤氨挥发速率 (mg/d) = 平均每次测得的土壤氨挥发量mi /每次连续捕获的时间 (t)
式中,每次连续捕获的时间 (t),前30 d为2,30 d之后为10。
土壤氨挥发累计量 (mg) = m1 + m2 +…+ mi
桃幼树新梢停长后 (2016年9月30日) 测量新梢总长度、干茎、枝茎等生长指标;用水将根系冲洗干净,采用TTC法测定根系活力;采用WinRHIZO根系分析系统对根系进行扫描,计算根系的总根长、总表面积、总体积和平均直径。于2016年10月5日对15N尿素标记的桃幼树进行整株采样分析,将整株解析为叶片、新梢、主干、粗根 (直径 > 2 mm)、细根 (直径 ≤ 2 mm) 5部分,然后将各部位样品按清水→洗涤剂→清水→1% 盐酸→3次去离子水顺序冲洗后,立即在105℃ 下杀青,随后在75℃ 下烘干至称重,用不锈钢电磨粉碎后过80目筛 (孔径 0.178 mm),装袋贮存,待测。另将盆中土烘干称重,过60目筛 (孔径 0.25 mm) 备用。全氮含量用凯氏定氮法测定,15N丰度由中国农业科学院农产品加工研究用MAT-251质谱计测定。
Ndff = (植物样品中15N丰度 – 15N自然丰度)/(肥料15N丰度 – 15N自然丰度) × 100%
氮肥分配率 = 各器官从氮肥中吸收的氮量/总吸收氮量 × 100%
氮肥利用率 = Ndff × 器官全氮量/施肥量 × 100%
土层氮肥残留率 = (Ndff × 土层全氮量)/施肥量 × 100%
氮肥表观损失率 (15N) = (施氮量 – 15N测定的氮肥残留量 – 15N测定的植物吸氮量)/施氮量 × 100%
1.4 数据处理与分析试验数据采用Excel 2007进行图表绘制,用SPSS 19.0软件对数据进行单因素方差分析及最小显著差异性检验 (Duncan’s新复极差法,P < 0.05)。
2 结果与分析 2.1 黄腐酸钾与化肥控释袋对土壤氨挥发的影响2.1.1 黄腐酸钾与化肥控释袋对土壤氨挥发速率的影响 由图1可知,普通尼龙袋处理与控释袋处理的氨挥发速率明显不同,NB/CF和NB/CF+FA处理的氨挥发分别在施肥后的第3 d和第7 d达到高峰,峰值分别为N 135.94、86.65 mg/d,之后迅速下降,逐渐趋于平缓,分别在50 d、60 d低于检测限;PB/CF和PB/CF+FA处理的氨挥发分别在第19 d和第21 d达到高峰,峰值分别为N 23.60、20.55 mg/d,之后平缓下降,分别在130 d、140 d低于检测限。普通尼龙袋处理的氨挥发速率峰值要显著高于控释袋处理,其中NB/CF处理是PB/CF处理的5.75倍,NB/CF+FA是PB/CF+FA处理的4.22倍。与单施化肥相比,黄腐酸钾与化肥配施能够降低氨挥发速率峰值,且延后峰值出现的时间。
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2.1.2 黄腐酸钾与化肥控释袋对土壤氨挥发累积量的影响 从图2可以看出,控释袋能够显著减少氨的挥发损失,氮肥通过氨挥发的损失量为NB/CF > NB/CF+FA > PB/CF > PB/CF+FA,NB/CF处理氨累积挥发量为1092.30 mg,显著高于其他处理。普通尼龙袋处理与控释袋处理,黄腐酸钾与化肥配施比单施化肥氨累积挥发量分别减少了14.4% 和19.2%;NB/CF+FA处理和NB/CF处理,氨累积挥发量分别是PB/CF+FA和PB/CF处理的2.19倍和2.32倍。氨挥发是造成氮素损失的重要途径,如果不考虑本身土壤中氮素的影响,NB/CF处理氨挥发损失占施氮量的比例最大,达到14.1%,显著高于其他处理。NB/CF和NB/CF+FA处理造成的氮素损失均值为13.1%,而控释袋的两个处理造成的氮素损失均值为5.8%。黄腐酸钾与化肥控释袋处理 (PB/CF+FA) 比化肥普通尼龙袋处理 (NB/CF) 氮素损失减少63.1%。
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由表1可知,不同处理桃树植株的总干物重存在显著差异,其中处理PB/CF+FA最高,为236.52 g,而处理NB/CF为149.37 g。不同处理各器官氮肥分配率无明显差异;NB/CF+FA、PB/CF和PB/CF+FA处理桃树植株所有器官中Ndff均高于NB/CF处理,表明黄腐酸钾与肥料控释袋配合提高了桃树各器官对氮肥的吸收征调能力;NB/CF+FA、PB/CF和PB/CF+FA处理的植株氮肥利用率分别为NB/CF处理的1.34倍、2.00倍和2.58倍,其中PB/CF+FA效果最好,黄腐酸钾和化肥控释袋可以明显提高植株对氮肥的吸收利用。
15N示踪技术测定的氮肥在土壤中的残留率结果 (图3) 表明,施用的氮肥有34.6%~48.3% 残留在土壤中,NB/CF+FA、PB/CF和PB/CF+FA处理与NB/CF相比,土壤中氮肥残留率差异达到显著水平,分别比NB/CF高3.0个百分点、10.4个百分点和13.8个百分点。NB/CF+FA处理土壤中15N残留率仅比NB/CF处理高3.0%,但PB/CF+FA比NB/CF+FA处理土壤中15N残留率高10.8个百分点,肥料控释袋可以明显提高土壤中的15N残留率,原因可能是肥料控释袋养分释放慢,灌溉淋溶损失较少。
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2.4.1 黄腐酸钾与化肥控释袋对桃幼树根系生长的影响 由表2可知,桃树植株根系总根长、总表面积、平均直径及总体积从高到低均为PB/CF+FA > PB/CF > NB/CF+FA > NB/CF;NB/CF+FA、PB/CF和PB/CF+FA处理桃树植株根系活力分别为NB/CF处理的1.06倍、1.18倍及1.23倍。表明黄腐酸钾与化肥配施及肥料控释袋促进根系的大量发生,提高根系活力,从而增加氮素吸收,增加了根系生物量。
2.4.2 黄腐酸钾与化肥控释袋对桃幼树地上部生长的影响 由表3可知,9月底桃树植株干茎增量、一级侧枝总长度及茎粗从高到低均为PB/CF+FA > PB/CF > NB/CF+FA > NB/CF。PB/CF+FA、PB/CF和NB/CF+FA处理桃树植株干茎增量分别为NB/CF处理的1.42倍、1.26倍及1.12倍;桃树植株一级侧枝总长度及茎粗以PB/CF+FA最大,分别为443.99 cm和8.13 mm,分别是NB/CF的1.54倍和1.28倍;肥料控释袋处理能够减轻施肥对果树生长的刺激,减少二级侧枝的数量。
目前关于黄腐酸钾与化肥控释袋对氨挥发、硝化–反硝化作用、淋溶和径流等造成氮肥损失影响的研究相对较少。本研究结果表明,NB/CF、NB/CF+FA、PB/CF及PB/CF+FA处理的氮肥表观损失率分别为57.2%、51.5%、38.6% 和30.5%,表明黄腐酸钾与化肥配施、袋控释技术均能减少氮素损失,且黄腐酸钾与控释袋相结合起协同效应,NB/CF+FA、PB/CF处理氮肥表观损失率分别较PB/CF+FA处理提高47.6%、26.6%。
庄振东等[11]研究认为腐植酸氮肥能显著增加土壤中氮素残留量,减少淋溶损失;王建等[20]研究发现,袋控缓释肥能够减少氨累积排放量和土壤氮素损失。本试验中,PB/CF+FA处理氨挥发累积量为N 403.11 mg,显著低于其他处理,土壤中氮素残留率为48.3%,显著高于其他处理。本研究中黄腐酸钾与化肥控释袋处理土壤中氮素残留率显著提高,氨挥发累积量显著降低,减少了氮肥损失。原因可能是:一方面腐植酸因含有多种活性基团而具有较强的吸附能力,可以增加对土壤铵态氮和硝态氮的吸附而减少土壤氮素淋溶,增加土壤氮素残留[11],而且腐植酸能有效地抑制脲酶的活性[23],而脲酶可以催化尿素水解释放出氨和二氧化碳,因而黄腐酸钾的施用可以减少氨挥发;另一方面袋控缓释肥因养分缓慢释放特性而减少了氨挥发。
3.2 黄腐酸钾与化肥控释袋对桃幼树氮肥吸收利用及生长的影响根系是植物吸收水分和养分的主要器官,养分类型和供应方式影响土壤中养分的含量与分布,进而影响根系的生长、根系形态和分布[21]。根系对土壤养分高效利用的生物学潜力能否发挥是制约养分利用效率的直接原因。张守仕等[15]研究表明袋控缓释肥料中各种养分能被控制释放,尤其是容易被土壤固定的磷和易流失的钾,因此养分释放比较均衡,根系在生长季中一直能够吸收到足够的养分,普通的施肥方式处理只在施肥后一段时间内有足够养分可供吸收,较长时间处于养分亏缺状态,且养分不宜平衡,因此肥料置于控释袋内能够显著促进根系生长。Canellas等[22]试验表明,从蚯蚓中提取的腐植酸能显著促进玉米幼苗根系生长和侧根发生。本研究中黄腐酸钾与化肥控释袋处理 (PB/CF+FA) 能够显著提高根系活力,增加桃幼树根构型参数,促进根系生长。
党祝庆等[12]研究表明,黄腐酸钾与化肥配施处理可以提高桃树根系活力和桃幼树生长后期抗氧化酶活性,并显著提高氮素利用率;梁太波等[24]和王汝娟等[25]研究也认为,腐植酸能提高根系活力,增强根系对养分的吸收利用。本试验中PB/CF+FA处理根系活力和氮肥利用率分别是NB/CF处理的1.23倍和2.58倍,进而促进了桃幼树地上部的生长。一方面由于黄腐酸钾和化肥控释袋减少了氨挥发,增加了土壤氮素残留,土壤中有效养分浓度稳定;另一方面黄腐酸钾和化肥控释袋提高了根系活力并增加了根系生物量,有利于养分的吸收利用。
3.3 黄腐酸钾与化肥控释袋的协同效应化肥与黄腐酸钾配合,置于普通尼龙袋和特制控释袋内均能显著减少氨挥发、提高氮肥利用率,控释袋与黄腐酸钾配合 (PB/CF+FA处理) 的效果最好,氨挥发总积累量比普通袋装化肥和腐植酸钾减少19.2%;氮肥利用率是PB/CF和NB/CF+FA处理的1.29倍和1.93倍。本研究通过比较黄腐酸钾与化肥配施、袋控缓释技术对桃树生长及氮肥吸收利用的影响,发现两者相结合起到一定协同效应,其中在降低氨挥发和提高氮肥利用率方面控释袋影响更大,这也说明相对于黄腐酸钾对养分的吸附能力,肥料养分的释放方式更能影响氨挥发和氮肥利用率,在生产中可作为重要的参考。此外本试验结果在田间生产上的应用及对桃果实产量品质的影响还有待进一步研究。
4 结论黄腐酸钾与化肥控释袋处理改变了养分的释放特性,降低了氨挥发,增加了土壤氮素残留;与单施化肥相比,显著提高根系密度,延缓根系衰老,提高植株氮肥利用率,有利于桃幼树生长健壮。相对于黄腐酸钾对养分的吸附能力,肥料养分的释放方式是影响氨挥发和氮肥利用率的主要因素。
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