脲酶/硝化抑制剂施用对黄河故道带沙壤氮素转化和玉米产量的影响开题报告

1. 研究目的与意义

氮素是作物生长发育所必需的大量营养元素之一，也是旱地土壤最为缺乏的营养元素，农业生产中使用氮肥，可以提高土壤中全氮及有效氮含量。可是随着农田氮肥施用量的快速提升和氮素在土壤中转化的特殊性,导致绝大一部分氮不能被植物完全吸收利用,而以多种形式释放到环境中去，会引起地下水污染，比如硝酸盐污染，水体富营养化，臭氧层破坏和酸雨等一系列环境问题。我国氮肥施用量占全球氮肥用量的30%，为世界第一氮肥消费大国，而氮肥平均利用率仅为30%~35%，远远低于世界平均水平。氮肥利用率低不仅增加生产成本，造成资源浪费，还给生态环境带来一系列危害，从而严重制约农业可持续发展。因为黄河故道处于黄、淮之间，由西向东绵延数百公里，故道两侧十余公里，主要为高滩沙地、中低产盐碱地和低洼积水易涝渍地3种土地类型。主要土壤类型有潮土、盐土、风沙土、黄棕壤等。黄河故道土壤由黄河冲积淤积而成，保水保肥差，有机质和养分含量偏低。为获得较高的经济产量，长期以来化肥超量施用严重，但氮素被作物吸收利用率很低，氮由淋溶、硝化-反硝化和氨挥发损失巨大。抑制剂等生物化学方法是目前减少氮素损失、提高氮肥利用率最为有效和常见的方法。其中，脲酶抑制剂可以延缓尿素氮的水解过程，抑制氨挥发损失，延长肥效。硝化抑制剂可以抑制铵态氮向硝态氮的转化，使铵态氮的存留时间变长，降低转化成硝态氮后的淋溶和进一步的反硝化损失，从而提高氮肥利用率及生产力。脲酶抑制剂和硝化抑制剂的组合使用可以对氮素转化进行全过程调节，普遍在提高氮肥利用率、减少氮素环境污染和促进农业可持续发展等方面起到更好的效果。本课题选择江苏省滨海县黄河故道带冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象，采用野外原位测定和室内分析相结合的方法，研究硝化抑制剂双氰胺、3,4-二甲基吡唑磷酸盐和2-氯-6-三氯甲基吡啶单独施用以及配合脲酶抑制剂氢醌施用对土壤中铵态氮、硝态氮动态、夏玉米产量和氮肥利用率的影响，为黄河故道带选择适宜的肥料运筹方法提供参考。

2. 国内外研究现状分析

长期定位施肥具有时间长期性和气候代表性等优点，可以揭示土壤肥力演变、评价肥料效益，同样可以研究施肥对农田生态系统可持续发展的影响。氮素矿化是植物获得矿质氮的主要途径，也是农田生态系统土壤氮素循环最重要的过程。长期施肥使土壤全氮和矿质氮含量分别显著增加，在施等量氮肥情况下，氮磷钾配施较单施氮肥能使土壤全氮降低。其中，在冬小麦和夏玉米生长季时，高氮处理土壤氮净矿化量较低氮处理氮净矿化量均明显增加，氮磷钾配施处理作物吸氮量较长期不施肥分别显著增加，但是高氮处理过的土壤表观淋失最严重，而氮磷钾配施能使氮素淋失滞缓。与长期不施肥相比，长期施肥均使夏玉米、冬小麦产量明显提高，其中以氮磷钾配施处理产量最高。总之，长期增施氮肥是提高土壤供氮潜力的基础，有利于作物氮素吸收，提高作物产量。不仅如此，长期施肥对土壤微生物学性质也有影响，氮肥和有机肥配施能有效促进细菌数量的增加，长期施用有机肥增加土壤微生物量数量及微生物量碳氮。土壤氮库中的氮主要以有机氮的形式存在，无机氮仅占土壤总氮的百分之一，但是植物所吸收的氮几乎都是无机形式，因此，土壤氮库中的有机氮必须不断的通过微生物的矿化作用转化为植物可吸收的有效态氮。土壤氮素转化是生物土壤生态系统中氮素循环的重要一环。氮素的转化包括含氮有机质的矿化过程、硝化和反硝化过程、腐殖质的形成等过程，研究表明一定温度范围内，氮矿化随温度变化成正相关，但同时植物的吸收也增加；氮矿化随土壤水分的增加而增加，当土壤水分增加到一定值时，氮矿化迅速下降，且氮矿化受水分波动的影响。一般氮素的矿化也会影响土壤肥力，土壤肥力的变化直接关系到粮食作物的产量。从氮素在土壤中的生物化学转化过程中发现，通过脲酶/硝化抑制剂的施用来调控氮素转化，已被认为是提高氮肥利用率、缓解氮肥污染、实现氮素在生态系统中良性循环的有效措施。但是双氰胺和3,5二甲基吡唑这两种硝化抑制剂的抑制效果不同。在同类试验土壤上，3,5二甲基吡唑对尿素氮的硝化抑制作用均强于双氰胺。与单施尿素相比，在氮素转化高峰时，3,5二甲基吡唑使土壤中的氨态氮含量增高，硝酸态氮降低；同一抑制剂对潮土中氮素转化的调控效应较潮褐土更为明显；与3,5二甲基吡唑单施相比，3,5二甲基吡唑和氢醌配施表现出明显的对氮素转化的协同抑制效果。不同土壤对氮素矿化和硝化作用不同，但是氮磷钾肥与有机肥配施能提高土壤供氮潜力，改善有机氮品质，含氯化肥抑制了硝化过程，可充当硝化抑制剂的作用。为了减少氮素损失、提高氮肥利用率，许多国家已经将硝化抑制剂应用到农业生产中，然而硝化抑制剂对亚硝态氮的累积会产生一定影响，3,5二甲基吡唑、双氰胺和2-氨基-4-氯-6-甲基吡啶的施用能显著抑制亚硝态氮的产生，并能显著抑制硝化作用进程（P＜0.01）；相反，硫脲的施用却促进了硝化作用的进程。这4 种硝化抑制剂中，以10%双氰胺（纯N含量）处理的硝化抑制率最高，其次是1% 3,5二甲基吡唑。不同硝化抑制剂在石灰性土壤上对氮素转化的抑制效果不同，3,5二甲基吡唑、双氰胺和2-氨基-4-氯-6-甲基吡啶不仅能够有效延缓尿素的水解，而且能显著抑制土壤氨态氮的氧化作用，使得氨态氮的含量较长时间保持较高水平，硝化作用延滞35~38 d。各硝化抑制剂(硫脲除外)处理明显推迟了硝态氮的释放高峰期, 对硝化过程均表现出明显的抑制作用。脲酶抑制剂正丁基硫代磷酸三胺（NBPT）、硝化抑制剂双氰胺及二者组合均会影响潮土尿素态氮转化及土壤总有效态氮、微生物量氮，尿素配施NBPT、双氰胺及二者组合能够增加土壤中铵根离子的含量，明显降低氧化态氮的浓度, 抑制土壤中铵态氮的氧化, 增加土壤总有效氮，也使小麦吸氮量增加，其中效果最显著的是NBPT与双氰胺组合。但二者分别使用只能对尿素氮转化的某一特定部分进行控制, 二者结合使用则对尿素氮转化进行全程控制。而且，与另一脲酶抑制剂氢醌相比，NBPT是一种效果更好的脲酶抑制剂。为了提高氮肥利用率，促进它的有效利用，并控制其对环境质量可能产生的不利影响，使肥料氮在生态系统中变成良性循环，有必要肥料氮在土壤中的转化进程进行调控。如施用含硝化抑制剂3,4-二甲基吡唑磷酸盐的尿素，与常规尿素处理相比，土壤中铵态氮浓度百分比增加很多，硝态氮浓度降低30~40%左右，亚硝态氮浓度百分比降低很多，同时也能使作物产量和生物量增加以及吸氮量增多。因此，3,4-二甲基吡唑磷酸盐可有效保持土壤高铵态氮浓度、低硝态氮与亚硝态氮浓度，促进作物对氮素的吸收利用，提高氮素利用率。除影响氮素转化外，脲酶抑制剂与硝化抑制剂对田间氨损失也有影响，若添加NBPT处理的氨挥发速率峰值减少，而添加3,4-二甲基吡唑磷酸盐时，氨挥发速率峰值增加，NBPT与3,4-二甲基吡唑磷酸盐配施时，氨挥发速率峰值降低的值在前两者之间。因此，为了提高作物产量和地上部氮肥回收率，降低氨挥发，可添加脲酶抑制剂或者脲酶抑制剂与硝化抑制剂配施。脲酶/硝化抑制剂施用对黄河故道带沙壤氮素转化和玉米产量的影响如何，采用脲酶和硝化抑制剂配施及不同土壤单施一种抑制剂是否可以提高氮素转化率、增加玉米产量是一个值得思考的问题。

3. 研究的基本内容与计划

氮是植物生长、发育所必需的大量元素之一。氮素化肥在促产增收、保障粮食安全方面发挥着极其重要的作用。脲酶和消化抑制剂对潮土壤中的氮素转化和吸收有重要的影响，同时也会改变土壤肥力进而影响小麦，玉米等粮食作物的产量。本课题拟选择江苏省滨海县黄河故道带冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象，采用野外原位测定和室内分析相结合的方法，研究硝化抑制剂双氰胺、3,4-二甲基吡唑磷酸盐和2-氯-6-三氯甲基吡啶单独施用以及配合脲酶抑制剂氢醌施用对土壤中铵态氮、硝态氮动态、夏玉米产量和氮肥利用率的影响，为黄河故道带选择适宜的肥料运筹方法提供参考。2017-12-252018-01-13：明确任务，检索文献，开题报告。2018-01-162018-05-15：试验、观测、采样、分析测定。2018-05-162018-05-25：数据处理，论文初稿、修改、定稿。2018-05-262018-05-31：与导师最后确认论文并答辩。

4. 研究创新点

本课题选择了江苏省滨海县黄河故道带冬小麦-夏玉米轮作农田为研究对象，采用野外原位测定和室内分析相结合的方法，研究硝化抑制剂双氰胺、3,4-二甲基吡唑磷酸盐和2-氯-6-三氯甲基吡啶单独施用以及配合脲酶抑制剂氢醌施用对土壤中铵态氮、硝态氮动态、夏玉米产量和氮肥利用率的影响。在过往的实践中，要么只采取单一的抑制剂，要么采取土壤样本范围不广阔，导致研究结果不明显或不全面。存在着许多不足，往往顾此失彼，达不到人们预期的要求。