淺談磷酸脲在西北鹽堿土壤上的應用

賀小云, 楊瑞山, 董合林, 鄭蒼松, 李鵬程

(1.甘肅甕?；び邢挢熑喂?甘肅金昌 737200;2.中國農業科學院棉花研究所/棉花生物育種及產業技術國家工程研究中心 河南安陽 455000)

土壤鹽漬化是許多干旱與半干旱地區引起作物產量下降的主要原因,是影響生態環境和農業生產的全球化問題。土壤中過高的鹽分使土壤的理化性狀發生改變,從而使眾多作物的生長環境遭到破壞。鹽堿土分布范圍較廣,幾乎遍布世界各地,全球面積約有9.55×108hm2,其中歐亞大陸、非洲和美洲西部分布較多。鹽堿土的分布與所處地理位置和氣候條件有緊密的聯系,干旱與半干旱地區是主要分布地。中國、澳大利亞和前蘇聯是世界上鹽堿土面積最大的3個國家。中國鹽漬化土壤分布廣泛,面積約3.69×107hm2,特別是西北地區的青海、寧夏、新疆以及甘肅河西走廊等區域,均出現了不同程度的鹽漬化危害[1]。

隨著世界人口急劇增加、土地生產力下降,出現了糧食供應不足的問題,全球高度關注對鹽堿地的開發利用與改良。鹽堿土的改良利用不僅能夠提高作物產量,緩解糧食危機,還能優化生態環境,改善人們的生活水平。我國是一個人口眾多、物質資源豐富的大國,但人均土地和水資源遠低于世界平均水平,保護和合理開發利用水、土地資源迫在眉睫。鹽堿土作為一種潛在的可利用資源可彌補我國耕地不足的問題,因此,改良鹽堿土已成為一項艱巨且意義重大的任務。

磷酸脲是一種含氮、磷的高濃度速效酸性肥料,易溶于水,水溶液呈酸性,1%(質量分數,下同)磷酸脲溶液的pH為1.89,施入土壤后,能夠有限降低土體或者土壤微區的pH,改變土壤酸堿平衡,起到改善土壤理化性狀、改良土壤結構、促進作物生長等作用[2]。

1 鹽堿土的形成與危害

鹽土和堿土被合稱為鹽堿土,鹽土的土壤中含有過量的可溶性鹽類,堿土的土壤中含有較多的交換性鈉。從性質角度分析,二者在很多方面都大相徑庭,但從發生和形成原因方面考慮,二者卻又密不可分,通常交錯分布,常被統稱為鹽堿土。鹽堿土的形成是多種原因共同作用的結果,有自然因素,也有人類活動的影響,自然因素為主導原因,人類活動則加速了鹽堿化的歷程。氣候干旱少雨,地表蒸發強烈,地形低,地下水埋深淺、礦化度較高,成土母質及土壤中含鹽量較多,不合理地開發利用水資源等,是內陸鹽堿土形成的主要原因。一般來說,表層土壤水與土壤地下水保持相對穩定的狀態,地下水位不變,表層土壤中的離子含量變化幅度不大。當氣候少雨干旱時,蒸發較強,導致土壤中的水分含量迅速減少,使得地下水沿著土壤毛細管從下往上移動,土壤中的鹽分也隨著水分移動方向一起運動。水分蒸發后,鹽分就積累在土壤的表層,當鹽分的含量超過某一臨界值后,土壤就發生鹽漬化。所以,鹽堿土在干旱、半干旱地區較多。鹽堿土的危害主要表現在作物生理干旱、直接毒害作用、惡化土壤的理化性狀等3個方面。

(1)作物生理干旱。土壤中含鹽量增加,土壤溶液的滲透壓不斷升高,當滲透壓超過植物正常生理狀況時,將引起植物根系吸水困難,出現嚴重缺水現象,導致細胞脫水,引發生理干旱。

(2)鹽分的直接毒害作用,主要是對植物細胞膜系統的損傷。 由于細胞內積累眾多的鹽離子,濃度升高破壞了植物體內動態平衡,危害植物正常生理活動[3];細胞膜上的Ca2+被Na+取代,當Na+濃度過高時阻礙植物根系對鉀、鈣的吸收,造成植物體內離子不平衡,導致細胞內酶變性或失活,影響新陳代謝。

(3)惡化土壤的物理性狀。鹽堿土中鈉鹽濃度過高時,對土壤膠體有較強的分散作用,使團聚體崩解、土粒分散,土壤結構被破壞,導致表土板結,通氣透水性變差,不利于植物生長。

2 磷酸脲改良鹽堿土的原理

堿性土壤中的主要堿性物質為鈣、鎂、鈉的碳酸鹽和重碳酸鹽,以及交替表面吸附的交換性鈉。碳酸鈉和碳酸氫鈉是水溶性的,所以鈉離子在土壤溶液中的濃度基本是保持恒定的,即對根系的毒害影響能力是固定的。但鈣、鎂、鐵等元素的碳酸鹽或重碳酸鹽都是非水溶性的強堿弱酸鹽,不溶于水,很難被作物直接快速吸收,但碳酸鹽和重碳酸鹽等遇到酸性更強的磷酸脲,會釋放出二氧化碳和鈣、鎂、鐵等,降低了土壤微區的酸堿度,活化了鈣、鎂、鐵等有益元素,釋放出的鈣離子可以抑制植物根系對鈉離子的吸收。

2.1 控制土壤微區pH

對于我國北方大面積的鹽堿土區,尤其是當堿土區土壤的pH升高時,對土壤理化性狀、土壤結構以及該區域的植物生長和農業生產都是不利的。1%磷酸脲溶液的pH為1.89,同時磷酸脲還是一種入土即解離為尿素和磷酸并釋放少量CO2和NH3的不穩定絡合物,所以磷酸脲作為酸性肥料及鹽堿土改良劑施入土壤后,能夠有限降低土體或者土壤微區的pH(見圖1),調整土壤酸堿平衡,從而起到改善土壤理化性狀、改良土壤結構、促進作物生長等作用。

圖1 磷酸脲在馬鈴薯、苜蓿上的應用

2.2 減少土壤中氨的揮發

氨揮發是土壤氮素損失的主要途徑,土壤pH是影響氨揮發的重要因素之一,土壤pH越高,氨揮發越多。在部分有利于氨揮發的土壤上,氨揮發損失的氮素量可以占到土壤總施氮量的40%～50%[4]。因此,控制土壤中銨態氮含量和土壤pH是減少土壤氨揮發、提高氮肥利用率的關鍵。磷酸脲作為酸性肥料,可以有效降低土壤微區的pH,進而減少氨的揮發,提高氮肥利用率。

2.3 增加中微量元素的供應

在植物生長發育過程中,鈣、鎂、錳、鋅等中微量營養元素是必需的。但由于堿性土壤的pH高,土壤中存在大量的OH-,中微量營養元素與OH-發生反應生成難溶性物質,降低了這些元素的有效性。磷酸脲作為酸性絡合氮磷復合肥施入土壤后,增加了土壤中的氫離子,降低了土壤的pH,增大了鈣、鎂、鋅、錳等元素的溶解量,提升了植物對中微量元素的吸收效果。

3 磷酸脲在西北鹽堿土壤上的應用效果

在新疆水資源緊缺以及南疆開展的“滴水出苗”探索的背景下,利用磷酸脲作為促苗肥,在新疆喀什地區巴楚縣、新疆生產建設兵團第三師51團、第一師8團分別開展了百畝田間試驗示范,考察磷酸脲在新疆棉田的應用效果。

3.1 磷酸脲對棉花出苗率的影響

3.1.1 不同水溶性鹽含量的土壤施用磷酸脲對棉花出苗率的影響

利用盆栽試驗,采用裂區設計,設置1.5、3.0、6.0 g/kg等3個土壤水溶性鹽梯度,每個土壤鹽梯度下設置4個磷酸脲處理,質量濃度分別為0、0.05、0.1、0.2 g/L,用量分別為0、1、2、4 kg/畝(1畝=667 m2,折算成每盆用量分別為0、0.2、0.4、0.8 g)。試驗盆缽置于控溫溫室內,自然光照,日溫25 ℃、夜溫10 ℃,考察磷酸脲作為基肥對棉花(品種為中棉所96A)出苗率的影響,結果見圖2。

圖2 土壤水溶性鹽含量對棉花出苗率的影響

由圖2可知:土壤水溶性鹽質量分數為1.5 g/kg時,各處理播種后7 d的出苗率均達到50%以上;后續出苗率增加放緩,以磷酸脲用量4 kg/畝處理的出苗率為最高,較清水處理的提高19%。土壤水溶性鹽質量分數為3.0 g/kg時,各處理播種后7 d的出苗率均達到40%以上,磷酸脲用量2 kg/畝和4 kg/畝處理的出苗率達到50%;后續出苗率逐漸增加,以磷酸脲用量4 kg/畝處理的出苗率為最高,較清水處理的提高27%。土壤水溶性鹽質量分數為6.0 g/kg時,各處理播種后7 d的出苗率均在30%以下,后續出苗率增速加快;磷酸脲用量2 kg/畝和4 kg/畝處理在播種后10 d的出苗率可達到40%以上,以磷酸脲用量4 kg/畝處理的出苗率為最高,較清水處理的提高37%。

土壤水溶性鹽含量對棉花出苗率的影響明顯,較高的水溶性鹽含量會抑制棉花出苗速率;在試驗的3個土壤水溶性鹽含量水平下,磷酸脲處理的棉花出苗率均高于清水處理的,且隨著磷酸脲用量的增加,出苗率有增大的趨勢。

3.1.2 不同環境溫度下施用磷酸脲對棉花出苗率的影響

不同環境溫度下施用磷酸脲的棉花出苗率見圖3。在晝、夜溫度分別為30、15 ℃的情況下,對照處理和磷酸脲處理播種7 d后均表現出較高的出苗率,播種后8～14 d陸續出苗的數量較少;在晝、夜溫度分別為25、10 ℃的情況下,對照處理和磷酸脲處理的出苗率和出苗速率均受到明顯影響,播種后8～14 d陸續出苗的數量增加,且播種后14 d的出苗率明顯低于較高環境溫度的處理。

圖3 環境溫度對棉花出苗率的影響

環境溫度對鹽堿土棉花出苗率影響明顯,較高的溫度能夠促進棉花盡快出苗、齊苗;而在低環境溫度下,磷酸脲處理的棉花出苗率高于對照處理的,說明磷酸脲能夠減輕低溫環境對棉花種子出苗率的影響。

3.2 磷酸脲在鹽堿土上的遷移特征

利用土箱進行水分運移測定,共設置3個處理,分別為等體積的清水、磷酸一銨溶液、磷酸脲溶液(與磷酸一銨濃度一致),分別取潤濕上下層進行養分分析,考察磷酸脲溶液在鹽堿土上遷移及土壤的有效性特征,結果見圖4。

圖4 磷酸脲溶液在鹽堿土上的遷移特征

從圖4可知:在灌水量為5 m3/畝的條件下,清水和2種溶液的潤濕深度均表現為在前3 h快速增加,之后增加緩慢;磷酸脲溶液的垂直遷移速率明顯高于磷酸一銨的,而二者均高于清水的?？梢?溶液pH越小,其在鹽堿土中24 h后的縱向遷移距離越深。

在初始土壤pH為7.8、總水溶性鹽質量分數為9.3 g/kg、全氮質量分數為0.74 g/kg、速效磷質量分數為50.8 mg/kg的基礎條件下,進一步分析滴灌不同磷肥(質量分數0.01%)及清水對鹽堿土養分有效性的影響,結果見表1。

表1 滴灌不同磷肥(質量分數0.01%)及清水對鹽堿土養分有效性的影響

與滴灌前相比:滴灌后各處理潤濕層上層土壤的pH和速效磷含量升高,水溶性鹽濃度和全氮含量下降;潤濕層下層土壤的pH和速效磷含量下降,水溶性鹽濃度和全氮含量升高。

滴灌后的土壤水溶性鹽濃度在潤濕層上層土壤下降了約50%,說明鹽堿土中的水溶性鹽基離子隨水運動特征明顯;然而潤濕層下層土壤水溶性鹽濃度僅增加約14%,說明水溶性鹽基離子隨水運動時存在離子固定現象。滴灌后的土壤速效磷含量在潤濕層上層土壤表現為升高,但在潤濕層下層土壤表現為下降,這可能是水溶性磷與上層隨水移動到下層的鹽基離子發生化學反應后固定造成的。

由此可以認為,因特殊的化學性質,磷酸脲作為磷肥在鹽堿土上施用具有較強的縱向運移、抗固定、磷養分活性高等特點。

3.3 磷酸脲隨水滴施對棉苗生長發育的影響

2020年,以相同的棉花品種(中棉所96A)為試驗對象,在新疆生產建設兵團第三師51團開展了磷酸脲滴施田間對比試驗,試驗結果見表2和表3。

表2 磷酸脲滴施對棉花苗期生長的影響

表3 磷酸脲滴施對棉花蕾期生長的影響

從表2可知:磷酸脲處理的棉花在苗期的生長優于對照處理的,磷酸脲處理的棉花根、莖、葉干物質質量較高,且葉面積較大,更利于棉苗前期的生長。

由表3可知:磷酸脲處理的棉花株高高于對照處理的,主要表現為前三節主莖節長度大,進而出葉速度快,為棉花后期機械采摘奠定了良好的果枝使節高度;棉花現蕾數有增加趨勢,奠定了后期產量的基礎。

3.4 磷酸脲隨水滴施對棉花產量的影響

2020年,收獲期田間調查及農戶實際收獲產量表明(見表4):磷酸脲處理的棉花成鈴數和衣分高于對照處理的,但單鈴質量與對照處理的相同;磷酸脲處理實際收獲的籽棉產量比對照處理的增加15.1 kg/畝。

4 結語

許多鹽堿地改良方法都能獲得一定程度的改良效果,可以使土壤理化性狀發生改變、促進植物生長、增加作物產量,但均有不足和局限性。隨著時代的進步、社會發展的需求和人們安全意識的提高,快速、安全改良鹽堿地越來越受到重視,這就對改良方法和改良材料的選擇提出了更高的要求。

磷酸脲水溶液因呈酸性,能夠降低堿性土壤pH,抑制氨的揮發,提高鈣、鎂、錳、鋅的活性,提升養分利用率、作物產量,是化學改良鹽堿土壤的一種重要物質,尤其在西北干旱地區應用前景良好;而且磷酸脲的推廣使用會促進水肥一體化施肥技術的不斷發展,對推廣節水施肥意義重大。