纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影响
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第27卷
106
第1期1月
农业工程学报
Transactions
of也eCSAE
、,01.27No.1
2011年
Jan.201l
纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失及
氮肥利用率的影响
王小燕1,2王皴L2,田小海1,I,马国辉2,3r“
(1.长江中游湿地农业教育部工程研究中心,荆州434025:
2.长江大学农学院,荆州434025:
3.国家杂交水稻工程技术研究中心,长沙410125)
摘要:为了探讨纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失特征及肥料利用率的影响,以普通尿素处理为对照,对水稻田面水氮素浓度、氮素径流流失特征、产量及氮肥利用率进行了试验研究。结果表明,施用氮肥后,田面水全氮浓度迅速增加,且施氮量越高,田面水全氮浓度越大。纳米碳增效尿素处理与普通尿素处理比较,其田面水全氮浓度下降速度较快,氮素随排水流失风险期短。应用对数方程模型预测,纳米碳增效尿素田面水安全排放期为施肥后11.5~15.9d,普通尿素田面水安全排放期为施肥后12.5~17.3d,纳米碳增效尿素处理与普通尿素处理比较,其遇雨引起氮素流失期限缩短
1.O~1.5d。该研究同时得出,总氮素径流流失量随施氮量的增加而增加,相同施氮量的两肥料处理间比较,纳米碳增效
尿素处理氮素随降水流失量显著小于普通尿素处理,仅为普通尿素的70.6%~74.3%。该研究进一步表明,纳米碳增效尿素处理籽粒产量、氮肥农学利用率亦显著大于普通尿素处理,产量最大提高幅度达10.2%,氮肥农学利用率最大提高幅度达44.5%。总之,与普通尿素处理比较,纳米碳增效尿素处理遇雨引起氮素流失期限缩短、氮素径流流失量小,产量、氮肥农学利用率均较高,是优于普通尿素的新型高效肥料,其中施氮量为225kg/hm2的处理,是该试验条件下的氮肥运筹的高产、高效、安全模式。
关键词:尿素,纳米材料,氮,肥料,径流,纳米碳,氮素流失,氮肥利用率,水稻doi:10.3969/j.issn.1002—6819.2011.01.016中图分类号:S145.6,X52
文献标志码:A
文章编号:1002-6819(2011)一01—0106—06
1,
王小燕,王羰,田小海,等.纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影响[J].农业工程学报,201
27(1):106—111.
WangXiaoyan,WangYi,TianXiaohai,eta1.EffectsofNMUrea
on
nitrogenrunofflossesofsurfacewaterandnitrogenfertilizer
efficiencyinpaddyfield[J】.TransactionsoftheCSAE,2011,27(1):106一111.(inChinesewithEnglishabstract)
0引言
我国稻谷产量占粮食总产的40%以上,氮肥在提高水稻产量中起了十分重要的作用【l。】。然而大量研究表明,氮肥施用过量,并不能使水稻产量进一步提高,更多的氮通过氨挥发、硝化.反硝化、渗漏、径流等多种途径流失,最终导致肥料利用率降低M】。据联合国粮农组织统计,目前我国氮肥用量占全球氮肥用量的30%,其中水稻田单季氮肥用量占世界水稻氮肥总用量的37%,比世界单位面积平均用量高出65%,而氮肥农学利用率显著低于世界平均水平【9。¨。目前,随着不可更新能源不足状况的加剧,如何在农业生产中实现产量不降低的前提下,降低氮肥投入、减少氮肥流失、提高氮肥利用率是亟待解决的问题之一。然而仅依靠传统肥料,很难应对以上
收稿日期:2010-03—16
修订日期:2010-12-08
窘境[12-15】。有研究表明,纳米触媒处理水后,可提高水的细胞生物透性f161,促进作物的生长[17-19】。又有研究表明,纳米碳增效肥可显著提高小麦等作物的产量,提高其肥料利用率【201。因此,有必要在前人研究基础上,研发新型纳米碳增效肥料,并探讨其对产量、氮素流失特征、氮素利用特征的影响及其机理,以加快杂交稻高产、优质、节氮减排栽培技术的创建。
1材料与方法
1.1试验区自然概况
试验于2009年水稻生长季在长江大学“种三产四”项目基地进行,试验点位于松滋市南海镇,东经ll10773,北纬300178,属亚热带季风湿润气候区,年均降雨量为1200m.m,2009年中稻生育期间总降雨量为307.1mill。1.2试验材料与设计
试验以高产品种皖稻153为试验材料。播种前O~girl土层土壤各养分状况为:有机质11.00g/kg,全氮1.00g/kg,速效氮82.03mg/kg,速效磷33.25mg/kg,速效钾57.1lmg/kg。试验中纳米碳增效尿素(NMUrea)和普通尿素(Urea)均设置6个施N量处理:0、90、135、
20
180、225、270kg/hm2。
基金项目:国家自然科学基金(30771269);企业合作项目(09H1317):长江大学“大学生创新性实验计划”项目(1023)资助
作者简介:王小燕(1978一),女,山东泰安人,讲师,博士,主要从事作物生理生态研究.荆州长江中游湿地农业教育部工程研究中心,434025.Email:wamail_wang@163.eom
※通信作者:马国辉(1959一)。男。湖南汉寿人,研究员,主要从事杂交水稻生理生态研究。长沙国家杂交水稻工程技术研究中心,410128。Email:maguohui@hhrrc.∽.gift
纳米碳增效尿素由北京华龙肥料科技有限公司提
第l期td,燕等:纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影响
供,由普通尿素添加纳米碳制成。配制过程如下:先将普通尿素磨成粉状(直径为≤0.2mm),然后按1000:3的质量比与纳米碳混合均匀,并制成与普通尿素大小一致的颗粒。纳米碳增效尿素成份组成质量分数为:纳米碳0.3%,N≥46%,缩二脲≤1.4%,H20≤O.3%。普通尿素成分组成质量分数为:N≥46%,缩二脲≤1.4%,
H20≤0.3%。
成熟期取样,用SPAD一502叶绿素测定仪测定叶片SPAD值,每小区测15个叶片,所测叶片均为最后一片完全展开叶。SPAD是Soilandplantanalyzerdevelopment的缩写,即土壤、作物分析仪器开发,通过SPAD.502测定植物的SPAD值,可了解植物的绿色程度,衡量叶片光合能力的高低。
3)产量。小区实打测产,脱粒后称湿基质量并测籽粒含水量,根据含水量换算实际产量。
4)椠梨如苌嘲。采用德国产SartoriusMA35型红外水分测定仪测定。
5)径流流失量、氮肥农学利用率等。按如下公式计算[21-23】:
氮素径流流失量=流失过程氮素质量浓度×径流量,其中流失过程氮素质量浓度根据各处理田面水氮素浓度拟合方程估算,径流量根据径流深度以及径流发生面积估算。
氮肥农学利用率气施氮处理产量一不施氮处理产量)/施氮量
6)繇爨裂尉。试验数据用Excel和DPS2000数据处理系统分析处理。2结果与分析
2.1
试验田两端设有非试验保护区(面积约为167m2)。小区面积为3.5x8=28m2,随机区组排列,重复3次。小区间用塑料农膜包埂,以减少侧渗、串流,设立相互独立的排灌系统,除按水稻生长需要进行排水烤田外,通过渠灌维持不低于10cm的田面水。低于小区田埂3cm的排水缺口可将遇暴风雨而外溢的田面水自动输入排水渠,保持小区稳定水位。
各处理磷肥用过磷酸钙cP205,90kg/hm2),钾肥用氯化钾(K20,144kg/hm2)。氮肥(纳米碳增效尿素和普通尿素)、磷肥和钾肥均于插秧前ld作基肥施入,
施入后,立即用铁齿耙耖入5锄深的土层内。5月20日
播种,湿润育秧,6月7日移栽,叶龄为5叶1心,行株距为23.3emx23.3cm,一穴双株。移栽3~4d后查缺补苗,保证全苗。其它管理同当地水稻高产田。
2009年在整个水稻生长季有4次降雨量在40mlTl以上的强降雨,其中前3次降雨时间分别为06.07一06.09、06.17--06.20、06.28--06.30,总降雨量分别为:52.4、40.0和137.4lllnl;在06.09、06一18、06.29分生了地表径流,径流量根据径流深度(各小区均为10.5em)以及径流发生面积(各小区面积均为28m2)估算,3次降雨引起的径流量均按10.5
cmx28m2=2.94
不同处理对水稻田面水氮素浓度变化的影响
由图l可以看出,施肥后2d,田面水伞氮浓度迅速
升高,且随着施氮量的增加而增加:随着时间的推移,田面水会氮含量迅速卜.降。图1还显示出,纳米碳增效尿素处理与普通尿素处理间比较,自施肥后2d至21d,田面水全氮含量均表现为NMUrea<Urea,差异达显著水平:其中施肥后2、4、7、14和21d,NMUrea处理全氮浓度分别比Urea处理降低10.O~35.9%、6.0~42.%、5.7~
42.3%、12.7---34.0%、10.1~47.O%。
m3记。第4次强降
雨发生在08.13一08.16,此时田面水全氮含量已远远低于安全排放临界值(2mg/L),其地表径流氮素流失量忽略不计。于分蘖末期进行晒田排水,各小区排水量均按10.5ernx28m2=2.94n13记。1.3测定项目与方法
1)田面水含氮量。参照张志剑【21】法测水样全氮浓度。2)叶片SPAD值。于分蘖盛期、孕穗初期、乳熟期、
2.2田面水全氮浓度变化的拟合模式
田面水氮素质量浓度与时间的量化结果见表1。从模式类型显示,达到显著与极显著水平的最佳拟合模式均为非直线型,表现为指数递减。根据指数方程估计,纳
Fig.1
Effects
不同处理对田面水全氮变化动态的影响ofdifferenttreatmentsonclymmicchangesofTN
图l
concentration
108
农业工程学报
201I焦
米碳增效尿素处理田面水全氮浓度在稻田中减少l/2的
时间为0.9~1.4d,普通尿素为1.4"2.3d,即相同施氮
排水,均亦引起氮素流失、加剧下游水体富营养化;不同施氮量水平下,纳米尿素处理与普通尿素处理比较,其遇雨引起氮素流失期限缩短1.0、1.1、1.5、1.5、1.4和1-3d。
2.3
量条件下,田面水全氮浓度在稻田中减少1/2的时间,纳米碳增效尿素比普通尿素缩短35.7%~39.1%。表明在本试验条件下,纳米碳增效尿素有利于缩短田面水全氮高值持续期,降低降雨或排水后地表径流引起氮素流失风险。《地表水环境质量标准》(GB3838.2002)中规定,“农业用水和一般景观用水”V类水总氮浓度为2mg/L【硎;《地表水资源质量标准》(SL63.94)规定导致湖泊和水库重度富营养化的总氮浓度为1.3mg/Lt25】。由本研究结果町以得出,纳米碳增效尿素各施氮量处理田面水全氮浓度在施基肥后11.5、12.4、13.2、13,7和14.2d降至2
mg/L,施肥后13.3、14.1、14.9、15.4和15.9d降垒1.3
降雨和主动排水对不同处理田间氮素流失量的影响2009年在整个水稻生长季有4次降雨量在40mm以
上的强降雨,其中前3次降雨时间分别为06.07—06一09、
06.17—06.20、06.28--06—30,分别在06—09、06.18、06—29
分生了地表径流,并引起氮素流失。第4次强降雨发生在08—13一08.16,此时田面水全氮含量已远远低于安全排放临界值(2mg/L),其地表径流氮素流失量忽略不计。分析表2不同时期降雨引起地表径流流失数据可以得出,降雨时间越早,引起氮素流失量越大,其中不同施氮量条件下,纳米碳增效尿素与普通尿素处理间比较,3次降雨过程其总氮素流失量分别为普通尿素的74.3%、71.6%、74.3%、71.2%、70.6%,这与田面水全氮浓度变化一致,表明施用纳米碳增效尿素可以显著减少降雨引起的氮素
径流流失。
mg/L;普通尿素各施氮量处理在施基肥后12.5、13.5、14.7、15.2和15.7d,田面水全氮浓度降至2mg/L,施基肥后14.2、15.2、16.4、16.9和17.3d降至1.3mg/L。表明在本试验条件下,纳米碳增效尿素各处理在施基肥后11.5~15.9d内,普通尿素处理在施基肥后12.5""17.3d内遇雨或
表1
Table1
田面水氮素浓度随时间变化的拟合模式
Thequantitativemodelsfornitrogenconcentration
除降雨引起的被动排水外,稻作期还有主动排水,本试验主动排水在烤田期进行,烤田排水也引起了一定量氮素流失(表2),其中纳米碳增效尿素处理氮素流失量小于普通尿素处理。
由表2同时可以看出,随施氮黾的增加,总氮素径流流失量逐渐增加,差异显著,表明在生产实践中在不降低产量的前提下应适当减少氮肥用量,以减少氮素径流流失;纳米碳增效尿素处理与普通尿素处理比较,其总氮素径流流失量为普通尿素的70.5%~74.3%,表明施用纳米碳增效尿素与普通尿素相比,可显著降低总氮素径流流失量,这是纳米碳增效尿素氮素利用率提高的基
changedwithtimeinthefieldsurfacewater
注:样奉数量n-d21。Y为田面水伞氮质量浓度,meJL,x为施氮后的时间,d。
础之一。
表2不同处理对田问氮素流失量的影响
Table2
Effectsofdifferenttreatments
on
thelossofNinthefield
注:同列数据后不同字母表示差异达5%显著水平,下同。
2.4不同处理对水稻产量、氮肥利用率的影响
由表3可以看出,随施氮量增加,籽粒产量呈先增加后降低趋势,其中施氮量为225kg/hm2时纳米碳增效尿素处理和普通尿素处理均达产量最大值。相同施氮量水平,纳米碳增效尿素处理与普通尿素处理比较,施氮量为90kg/hm2时,产量差异不显著,施氮量在135~270kg/hm2范围内,纳米碳增效尿素处理籽粒产量较普通尿
素处理显著提高,最大提高幅度达10.2%,此时施氮量为
225
kg/hm2。表3还示出,每生产lkg籽粒纳米碳增效尿素比普通尿素节氮0.2%~9.2%。以上表明在本试验条件下,与普通尿素相比,纳米碳增效尿素增产潜力更大,更节氮,是适用于杂交稻高产节氮安全栽培模式的理想肥料类型。
由表3同时可以看出,氮肥农学利用率随施氮量增
第1期王小燕等:纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影响
109
加亦呈逐渐降低趋势,其中施氮量为90kg/hm2时,纳米碳增效尿素处理与普通尿素处理间差异不显著,随施氮量进一步增加,纳米碳增效尿素处理显著大予普通尿素处理,且随施氮量的增加,其氮肥农学利用率提高幅度逐渐增加。
表3各处理产量、氮肥利用率的差异
Table3
DifferencesofgrainyieldandNefficiencyindifferent
treatments
注:增产率指丰}{同施氮量条件F纳米碳增效尿素较普通尿素产母提高百分比:接氮率指每生产1kg籽粒纳米碳增效尿豢较普通尿素节氮卣分比;氮肥农学利用提高率指相l司施氮量条件下纳米碳增效尿素较普通尿素氮肥农学利用率提高卣分比。
3讨论
有研究结果表明,施氮后田面水氮素浓度迅速增加,且随施氮量的增加而增加,但随时间推移田面水全氮浓度迅速下降[21-23】。进一步研究表明,施肥后1d全氮含量即下降为施肥当天的25.13%~50.25%,施肥后4d则下降到10%以下【221。张志剑等也有研究表明,施氮后7d田面水全氮浓度降至施氮后1d的5.32%~38.58%,并提出施氮后7d内是防止田面水氮素大量流失的关键时期【21】。本研究在前人研究基础上进行,结果表明,施肥后,不同处理田面水全氮浓度均迅速增加,且随施氮量增加而增加,这与前人研究结果一致。本研究进一步表明,纳米碳增效尿素处理全氮浓度下降趋势与普通尿素一致,但其可在较短时间内达到全氮安全排水临界值,不同施氮量处理其全氮安全排水临界期提前1.0~1.5d。表明如在达到安全排水临界值之前遇暴雨而引起被动排水,纳米碳增效尿素处理氮肥流失量将显著降低。根据估算,在本试验条件下,纳米碳增效尿素处理降水引起的氮素径流流失量仅为普通尿素氮的70.6%,--,,74.3%,烤田排水引起的氮素径流流失量仅为普通尿素的60.O%~85.7%,因此施用纳米碳增效尿素可以显著降低总氮径流流失量,为提高稻田氮肥利用率奠定了进出。关于施用纳米碳增效尿素后田面水氮素浓度降低的机理可能与纳米材料具有独特的物理化学性质有关,这尚需要进一步研究。纳米材料对作物生长具有显著影响。有研究表明,用纳米陶瓷进行豇豆和萝卜浸种,可显著提高发芽势、
发芽率、幼苗鲜莺【26j;提高大豆根系活力和吸水能力,增加体内抗氧化酶活性和植物的抗逆能力【19】。刘安勋等研究表明,纳米材料可促进水稻种子和幼苗的代谢,使其早发、早生根、多生根,但纳米复合材料对水稻植株的影响在分蘖期最为明显,随着水稻生长时期的推进,纳米材料处理与对照间差异变小【I61。曾昭华在水稻栽培中使用由南昌纳米高新技术开发公司研制的强的纳米863生物助长器浸种,结果表明,早稻增产9.0%,连晚稻增产8.3%以上【l‘71。本研究结果则表明,除施氮量为90
kg/hm2外,纳米碳增效尿素与普通尿素相比,籽粒产量均显著提高,其中最大提高幅度为10.2%,平均提高幅
度为8.2%。进一步分析表明,纳米碳增效尿素与普通尿素相比,增产潜力更大,氮肥利用率亦较高,最大产量可达1l
546.7
kg/hm2,比相同施氮量的普通尿素处理高出
l064kgnam2;平均氮肥农学利用率为16.82kg/kg,是普通尿素的1.26倍;每生产l埏籽粒纳米碳增效尿素比普通尿素节氮0.2%~9.2%。以上结果给我们启示,本试验所施用的纳米碳增效尿素与普通尿素元素组成、形状、大小等一致,其对产量、肥料利用率等的促进效应完全归因于占肥料比例0.3%的纳米碳,这可能与纳米改善了
水稻根系周围微环境,使肥料氮更易于被根系交换吸附,进而促进水稻根系对氮素的吸收有关,其生化机制,尚需要进一步研究。
在水稻高产创建实践中,在提高产量、减少氮肥投入的同时,也应兼顾肥料的价格和经济效益。本试验所采用的新型肥料纳米碳增效尿素成本略高于普通尿素,由北京华龙科技肥料有限公司提供的纳米碳成本价为200元/kg。若普通尿素纯氮施用量为225kg/hm2,则施用等量的纳米碳增效尿素成本提高293.5元/hm2:因纳米碳增效尿素肥效高,施N量为225kg/hm2条件下,产量比普通尿素高出l064kg/hm2,若稻米的价格按1元/kg记,则施用纳米碳增效尿素每公顷经济效益比普通尿素增加1064元以上,远大于纳米碳的经济投入。因此生产中施用纳米碳增效尿素前景广阔。4结论
1)施肥后,不同处理田面水全氮浓度均迅速增加,且随施氮量增加而增加;纳米碳增效尿素处理全氮浓度下降趋势与普通尿素一致,但不同施氮量处理全氮安全排水临界期提前1.0~1.5d,遇雨或主动排水引起的氮素流失风险降低。
2)本试验条件下,公顷施氮量为225kg的纳米碳增效尿素处理,最终籽粒产量达ll546.7kg/hm2,比普通尿素提高10.2%,氮肥农学利用率为16.5kg/kg,比普通尿素提高40.1%,总氮素径流流失量为28.23kg/hm2,仅占普通尿素氮素径流流失量的71.1%,是本试验条件下的氮肥运筹的高产、高效、安全模式。
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Effectsof
NMUrea
on
nitrogenrunofflossesofsurfacewaterandnitrogen
fertilizer
efficiencyinpaddyfeild
WangXiaoyanl,一,Wangyit,2,-i'ianXiaohail,一,MaGuohui2,3※
(1.EngineeringResearch
Center
ofWetlandAgriculture伽theMiddleReachesofthe
Yangtze
Rivec,MinistryofEducation
Jingzhou,434025,China;2.AgronomyColledge,YangtzeUniversity,Jingzhou,434025,China;
3.ChinaNationalHybridRiceResearch
Abstract:Toelucidatetheeffects
andDevelopment
Center,Changsha,410125,China)
of舢7rea
on
theNrunofflossescharacteristicsandnitrogen
use
efficiency.the
nitrogenconcentration,nitrogennmofflossescharacter,andgrainyieldwerestudied,
withcommonUreaascontrol(CK).TheresultsshowedthattotalnitrogenfiN)concentrationincreasedsharplyafternitrogenfertilizerapplication.Atthesamenitrogenrate.theTNconcentrationintheNMUreatreatmentsdecreased
experimentwascarried
out
andthe
significantlyfaster
thanthose
ofthenormalUrea.Based
ona
logarithmmodel.thesafedrainagetimewas11.5—15.9d
afternitrogenapplicationforNMUreaand12.5—17.3dafternitrogenapplicationforUrea.respectively.TheamountofNlossfromdrainageincreasedwiththeincreaseofnitrogenfertilizerrate.AtthesameNfertilizerrate.NlOSSinNMUrea
treatment
yieldwas
waslessthanthatintheUreatreatment.andthatwas70.6%.74.3%ofUrea’s.Itwasalsoindicatedthatgrain
and
Nagronomice伍ciency
of№仉Jreatreatmentwere
higher
higherthanthoseofUrea
concluded
thatNMUreatreatmentsgainedgrainyieldandN
treatments.Onthe
agronomicefficiency,and
abovebasis,itlowerNloss
comparedwiththenormalUrea
treatments.Thetreatment
with225kg/hm2NMUrea-Nwas
recommendedasthebest
rateforachievinghigh-yield,high—Nefficiencyandsafecultivationtechniqueinhybridrice.
Keywords:Urea,Nanostructuredmaterials,nitrogen,fertilizers,runoff,Nano carbon,Nitrogenrunofflosses,nitrogen
fertilizer
useefficiency,rice
纳米碳增效尿素对水稻田面水氮素流失及氮肥利用率的影响
作者:作者单位:
王小燕, 王燚, 田小海, 马国辉, Wang Xiaoyan, Wang Yi, Tian Xiaohai, MaGuohui
王小燕,王燚,田小海,Wang Xiaoyan,Wang Yi,Tian Xiaohai(长江中游湿地农业教育部工程研究中心,荆州,434025;长江大学农学院,荆州,434025), 马国辉,Ma Guohui(长江大学农学院,荆州,434025;国家杂交水稻工程技术研究中心,长沙,410125)农业工程学报
TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERING2011,27(1)2次
刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
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