保水剂对土壤氮素损失的影响及其环境效应

中国环境学会  2011年 03月31日
  中国环境科学学会2010年学术年会交流论文
  保水剂对土壤氮素损失的影响及其环境效应
  杜建军1,王新爱2,苟春林3
  (1.仲恺农业工程学院环境科学与工程学院, 广东 广州 510225; 2.仲恺农业工程学院化学化工学院,广东 广州 510225;3.农业部枸杞产品质量监督检验测试中心, 宁夏 银川 750002; E-mail:dujj@tom.com; Tel:13925091010)
   
  摘 要:采用“静态吸收法”和“土柱淋溶法”室内模拟试验,研究了保水剂施入土壤后对土壤(尿素)氮素氨挥发、淋溶损失的影响及其环境效应。结果表明,土壤中施入保水剂后,尿素氨挥发量显著降低,并随着保水剂用量的增加效果更加明显。氨挥发量的降低与土壤含水量、土壤脲酶活性和土壤pH有关。土壤含水量较高时土壤脲酶活性和土壤pH较低,此时的尿素氨挥发量也较少。土壤含水量为田间持水量的75%和100%时,施用0.05%~0.80%的保水剂,尿素累积氨挥发量分别较不施保水剂处理减少8.97%~47.65%和16.78%~72.40%;土壤中施入保水剂同样能减少氮素淋溶损失:随着保水剂用量的增加,淋失量显著减少,施用0.05%~0.20%的保水剂时,氮素累积淋失量较对照处理减少13.60%~39.62%。
  关键词:保水剂;氮素;环境效应
  中图分类号:X592,X501       文献标识码:A             
   
  Influence of Super Absorbent Polymer on Soil Nitrogen Loss and the Environmental Effect
  DU Jian-jun1, WANG Xin-ai 2,GOU Chun-lin3
  (1. College of Environmental Science and Engineering, Zhongkai University of Agricultural and Technology, Guangzhou, Guangdong 510225, China;2. College of Chemistry and Chemical Engineering, Zhongkai University of Agricultural and Technology, Guangzhou, Guangdong 510225, China; 3. The Supervision and Testing Center for Lycium Quality, Ministry of Agriculture, Yinchuan Ningxia 750002, China; E-mail:dujj@tom.com; Tel:13925091010)
   
  Abstract: Static absorption and soil column leaching methods were used to study the influence of Super Absorbent Polymer(SAP) in soils on ammonia volatilization and leaching from soil(urea) and the environmental effect. The results showed that SAP strongly restrain ammonia volatilization. The amounT of ammonia volatilization obviously decreased with the increase of SAP application level. The decrease of the amount of ammonia volatilization was closely related to soil water content, urease activity and pH value. When soil water content was higher, soil urease activity and pH value were lower, and thus the amount of ammonia volatilization was fewer. When soil water content were 75% and 100% of field water capacity with 0.05%~0.80% SAP applied, total accumulated amount of ammonia volatilization decreased by 8.97%~47.65% and 16.78%~72.40% compared with that of the controls, respectively. Applying SAP into soils also could reduce N leaching . The leaching amount significantly decreased with the increase of SAP application level. When the applications level ranged from 0.05% to 0.2%, total accumulated amount of leaching N decreased by 13.60%~39.62% compared with that of the controls.
  Key words: Super absorbent polymer(SAP);Nitrogen; Environmental effect
   
  大量研究表明,现有农业生产水平下,我国农田化肥的当季利用率氮肥仅30%~35%,磷肥为10%~20%,钾肥为35%~50%。以氮肥为例,每年损失的氮量相当于1900多万吨的尿素,折合人民币380多亿元[1]。因此,化肥损失是一个相当严重的问题,它不仅仅是经济的直接损失,更严重的是化肥损失加剧了温室气体排放和水体富营养化。因此,提高肥料的利用率、减轻或免除肥料污染,发展持续、高效农业是各国共同关注的问题[2,3]。
  高吸水性树脂(Super Absorbent Polymer,SAP)是近30年来发展起来的具有超强吸水能力的高分子材料,它能吸收自身重量几百倍甚至上千倍的水分。由于分子结构交联,分子网络所吸水分不能用一般物理方法挤出,故具有很强的保水性。作为一类新型功能性材料,广泛应于农业、医疗、卫生、土建和食品行业[4]。农用高吸水性树脂常称为保水剂,它以其高度溶胀能力,对土壤结构的改良和对水肥的保持作用,近年来应用越来越广泛[5-12]。高吸水性树脂在农业上的应用目前还主要集中在对土壤水分[5]、结构[6]和植物抗旱性[7,8]等方面,而对土壤、肥料养分损失及其环境效应[10~13]方面的影响还少见报道。本文采用室内模拟试验,研究了施用保水剂条件下肥料氨挥发和淋溶损失情况,初步探讨了保水剂减少养分损失的机理,为保水剂应用的环境效应评价和进一步改善保水剂性能提供科学依据。
  1材料与方法
  1.1 试验材料
  保水剂:广东省珠海得米化工有限公司生产的聚丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚物保水剂,吸水倍率为230 g.g-1,粒径0.23~0.40 mm。
  肥料:尿素(含氮46.0%。
  土壤:采自仲恺农业工程学院钟村农场旱地赤红壤,pH6.68,有机质17.64g/kg,全氮、磷、钾分别为3.39g/kg、0.14g/kg和4.41g/kg,有效氮、磷、钾分别为76.60mg/kg、52.36mg/kg和 83.91mg/kg。
  1.2 试验方法
  1.2.1 保水剂对尿素氨挥发的影响试验
  氨挥发量的测定采用“静态吸收法”[14]。称取过2mm筛的风干土壤500g,分别加入0、0.05%、0.10%、0.20%、0.40%和0.80%的保水剂,混匀,置于广口瓶中,加去离子水,分别使土壤含水量为田间持水量的75%和100%,以土壤含水量为田间持水量75%和100%、不施肥、不施用保水剂处理作为对照,氮肥用量为600mg·kg-1,以尿素为氮源。共14个处理,每处理4次重复。广口瓶里面放内盛2%的硼酸指示剂溶液10ml的称量瓶,用来吸收挥发的氨。连续密闭室温培养,分别于试验的第2、3、4、5、6、7、10、13、16、19、25、31d取出称量瓶用0.1mol/L硫酸滴定氨吸收量,然后更换新的硼酸吸收液。    
  对不施用保水剂、土壤含水量为田间持水量75%和100%的处理和施用0.20%保水剂、土壤含水量为田间持水量75%和100%的处理等4个处理多设置20个重复,分别于培养的第7、13、19、25、31d从每处理的4个重复广口瓶中分别取出5.00g土壤,测定其pH值、土壤脲酶活性。
  1.2.2 保水剂对氮素淋溶损失的影响试验
  参考杜建军等[15]的“间歇土柱淋溶法”。试验分别在施肥和不施肥条件下施用0、0.05%、0.10%和 0.20%保水剂,共8个处理,每个处理重复3次。在用200目滤布封底口,并在滤布上垫有少量砂子(25g)的PVC管(直径5cm,高30cm)中模拟耕层,按1.3g/cm3容重先装入250g过2mm筛风干土样,再在其上按同样紧实度分别装入与250g 土样混合的保水剂、肥料的混合物。氮、磷、钾肥施用水平均为600mg·kg-1,分别以尿素、磷酸一铵、氯化钾提供养分。土柱上面再以少量砂子(25g)覆盖以防加水时扰乱土层。第一次先加200ml水使土壤水分饱和,再以200ml水一次加入淋溶土柱,收集淋溶液。以刺有小孔的塑料薄膜封闭塑料管上口,室温下培养4天后,加200ml水进行第2次淋溶。以后各次按同样操作进行,即培养3天,淋溶一次,共淋溶6次。淋溶液收集在250ml容量瓶中,定容后分别测定其氮素含量。
  1.2.2 分析方法
  土壤常规分析参照《土壤农业化学分析方法》[16]: 淋溶液中全氮采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定、全磷采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法、全钾采用火焰光度法测定。土壤脲酶活性测定方法采用苯酚-次氯酸钠比色法[17]。
   
  2 结果与分析
  2.1 保水剂对尿素氨挥发量的影响
  旱地土壤中的氮素损失主要来自氮的氨挥发和淋溶损失等作用。尿素施入土壤后,由于很快溶解并在脲酶作用下水解,土体内氨浓度很高,很容易在短时间内造成氨挥发损失。而向土壤中加入保水剂则与单施尿素不同,由于保水剂可以有效的吸持溶解在土壤溶液中的尿素分子和水解产物NH4+,前一过程有可能使尿素的水解延缓,后一过程则有可能直接减少氨挥发的损失。 图1的结果证明了这一推论。由图1可见,不论土壤含水量是田间持水量的75%还是100%,向土壤中加入保水剂后均能减少尿素氨挥发累积量,并且随着保水剂用量的增加,氨挥发累积量显著减少。在土壤含水量为田间持水量的75%,保水剂用量为0、0.05%、0.10%、0.20%、0.40%和0.80%时, 培养31天后,各处理的氨累积挥发量分别为9.36 mg、8.52 mg、7.38 mg、6.67 mg、5.60 mg和4.90 mg,差异达5%显著水平;加入保水剂的5个处理分别比不加保水剂处理氨挥发总量减少8.97 %、21.15 %、28.74 %、40.17 %和47.65 %。在土壤含水量为田间持水量的100%,保水剂用量为0、0.05%、0.10%、0.20%、0.40%和0.80%时,培养31天后,各处理的氨累积挥发量分别为8.95mg、7.44mg、6.41 mg、5.85 mg、4.49 mg和2.47 mg,差异亦达5%显著水平;加入保水剂的5个处理分别比不加保水剂处理氨挥发总量减少16.87 %、28.38 %、34.64 %、49.83%和72.40 %。2种土壤含水量比较,保水剂用量为0、0.05%、0.10%、0.20%、0.40%和0.80%时,土壤含水量为田间持水量的100%处理分别较土壤含水量为田间持水量的75%处理氨挥发总量分别减少4.38%、12.67%、13.14%、12.29%、19.82%、49.59%。可见,保水剂用量越大,土壤含水量越高,保水剂减少氨挥发的效果就越显著。
   
  2.2保水剂对土壤脲酶活性和pH变化的影响
  脲酶是土壤中的主要酶类之一,对尿素在土壤中的转化和肥效的发挥起着关键的作用。脲酶活性强弱直接影响土壤氨挥发损失。图2是不同处理土壤脲酶活性随时间变化的趋势。由图2可见,2种土壤含水量下,不论是否加入保水剂,脲酶活性都经过先逐渐增大、至峰值后又逐渐减小的变化趋势。但土壤含水量为田间持水量100%时的脲酶活性达到峰值的时间明显滞后于土壤含水量为田间持水量75%处理,在第3次测定时才达到峰值(第19天)。2种土壤含水量下,只有在脲酶活性达到峰值时加入保水剂处理的脲酶活性才略大于不加保水剂处理,其它培养时间加入保水剂处理的脲酶活性基本都低于不加保水剂处理脲酶活性。图2的结果还表明,土壤含水量对脲酶活性影响很大,土壤含水量为田间持水量100%时的脲酶活性显著低于土壤含水量为田间持水量75%的处理,但加入保水剂对这种差异影响不大。
  尿素态氮水解产生的氨引起土壤pH值的升高,而土壤pH值又是氨挥发速率的主要决定因素之一。随pH值的升高,铵态氮的比例升高,氨挥发的潜力增大。从图3可以看出,2种土壤含水量下,所有处理土壤pH值都在第7天时出现峰值,然后随着培养时间的延续逐渐降低,最后达到一个比较稳定的数值。但加入保水剂处理的土壤pH值始终低于不加保水剂处理。从土壤pH值和氨挥发量的关系来看,前期由于pH逐渐增大,氨挥发量也随着增大,中、后期pH逐渐减小,氨挥发量也逐渐减小,二者有明显的正相关关系。2种土壤含水量比较还可以看出,田间持水量100%时的土壤pH明显低于田间持水量75%时的土壤pH。
   
   
  2.3 保水剂对氮素淋溶损失的影响 
  氮素淋溶损失是氮素损失的另一主要途径,也很容易引起地下和地表水的污染。图4是肥料氮在土壤中的氮素累积淋出量的曲线。可见,不同处理氮素的淋失量随培养时间和淋溶次数的增加,氮素累积淋失量呈明显增加趋势。加入保水剂处理的氮素淋失量均明显低于不加保水剂处理,并随保水剂用量的增加,淋失量显著降低。在淋溶结束时,保水剂用量为0、0.05%、0.10%和 0.20%的处理,6次淋溶液中氮的累积淋失量分别为150.03mg 、129.63mg、110.22mg和106.36mg,分别占总施氮总量的50.01%、43.21%、36.74%和35.42%;保水剂用量为0.05%、0.10%和 0.20%的处理淋溶液中的氮累积淋失量分别比未加保水剂处理减少了13.60%、30.71%和39.62%。
  
  图4 肥料氮在土壤中的氮素累积淋出量曲线
  Fig. 4  Curves of cumulative N amount of leaching from fertilizer in soil
  3 讨论
  以上研究结果表明,保水剂施入土壤后,除具有较强的保水效果外,还能显著降低尿素氨挥发和淋溶损失。可见,施用保水剂是从源头控制肥料损失、减少污染的有效途径之一。这与保水剂的结构和性质有密切关系:保水剂是一类遇水膨胀的聚合物,其特征是具有一个大聚合物的“骨架”并带有如-COOH、-OH、-NH2等极性基团,亲水性很强,可以达到自身质量的数百倍甚至更高。聚合物的骨架又是一个适度交联的网状结构,可让一些小分子或离子如CO(NH2)2、NH4+和NO3-扩散进入。进入到保水剂分子内部的养分离子或分子,可以暂时被溶胀的保水剂分子包裹起来,也可通过静电引力、范德华力、离子交换、离子吸附、鳌合等机制而暂时固定下来延缓了养分的释放[18,19]。有研究表明[20,21],由于保水剂的活性基团同样可以和土壤颗粒表面的活性基团或离子发生相互作用,通过创建和稳定水稳性团粒结构,增加对养分的吸附作用而抑制其流失。 
  由于保水剂种类繁多,不同的保水剂的保水、保肥功能差异悬殊,今后应更加重视不同保水剂类型与肥料、土壤的相互影响程度及其机理研究,从而进一步揭示其对养分保持和缓释的作用机制,为更好的利用保水剂从源头控制肥料损失、减少污染提供理论依据。
   
  参考文献:
   
  [1] 李庆逵,朱兆良,于天仁主编.中国农业持续发展中的肥料问题[M]. 南昌: 江西科学技术出版社, 1998.
  [2] 林葆主编. 化肥与无公害农业[M]. 北京: 中国农业出版社, 2003.
  [3] 崔玉亭主编. 化肥与生态环境保护[M]. 北京: 化学工业出版社, 2000.
  [4] 邹新喜. 超强吸水剂(第2版)[M]. 北京: 化学工业出版社, 2002.
  [5] Silberbush M, Adar E, De Malach Y. Use of an hydrophilic polymer to improve water storage and availability to crops grown in sand dunes[J]. I Com irrigated by trickling. Agricultural Water Management.1993, 23: 303-313.
  [6] Terry R E and Nelson S D. Effects of polyacrylamide and irrigation method on soil physical properties[J]. Soil Sci. 1996, 141:317-320.
  [7]  Wood house J, Johnson MS. Effect of super absorbent polymers on survival and growth of crop seedlings[J]. Agricultural Water Management, 1991, 20: 63-70.
  [8] 张富仓, 康绍忠. BP保水剂及其对土壤与作物的效应[J]. 农业工程学报,1999,15(2):74-78.
  [9] 杜太生, 康绍忠, 魏华. 保水剂在节水农业中的应用研究现状与展望[J]. 农业现代化研究, 2000,21(5): 317-321.
  [10] Mikkelsen L R. Using hydrophilic polymers to control nutrient release[J]. Fert. Res. 1994, 38: 53-59.
  [11] 杜建军, 廖宗文, 冯新等. 高吸水性树脂在赤红壤及砖红壤上的保水保肥效果研究[J]. 水土保持学报, 2003, 17(2) :137-140.
  [12] 杜建军, 王新爱, 廖宗文等. 不同肥料对高吸水性树脂吸水倍率的影响及养分吸持研究[J]. 水土保持学报, 2005,19(4): 27-31.
  [13] 刘晨, 穆环珍, 张占业等. 高聚物在农业非点源污染控制中的作用[J]. 农业环境科学学报, 2006, 25(增刊): 356-359.
  [14] 凌莉, 李世清, 李生秀. 石灰性土壤氨挥发损失的研究[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报,1999,5(6):119-122.
  [15] 杜建军,廖宗文,毛小云等. 控/缓释肥在不同介质中的氮素释放特性及其肥效评价[J].植物营养与肥料学报, 2003, 9(2): 165-169.
  [16] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.
  [17] 关松荫. 土壤酶及其研究方法[M]. 北京: 农业出版社, 1986.
  [18] Kazanskii K S and Dubrovskii S A. Chemistry and physics of water-storing agricultural polyacrylamides[J]. J Sci. Food Agric. 1992, 36: 789-793.
  [19] Hassan Z A, Yong S D. An evaluation of urea-rubber matrices as slow-release fertilize[J]r. Fertilizer Research. 1990, 22: 63-70.
  [20] 崔英德, 郭建维, 阎文峰等 SA-IP-SPS型保水剂及其对土壤物理性能的影响[J]. 农业工程学报, 2003, 19(1): 28-31.
  [21] 员学峰, 吴普特, 汪有科等. 添加PAM条件下土壤养分淋溶试验研究[J]. 水土保持通报, 2003, 23(2): 26-28.
   
 
污染防治与管理更多>>
循环经济与绿色产业发展 更多>>
低碳经济与可持续发展更多>>
中国面临的主要环境问题及对策 更多>>