变性淀粉包裹型尿素氮素释放特性及生物学效应研究

摘要

化肥在农业生产中占有重要地位,是农业生产中最大的物质投资,约占其全部生产性支出的50％。目前我国化肥的当季利用率较低:氮为30％-35％,磷为10％-20％,钾为30％-35％。其中氮的损失特别严重,不仅造成了直接的经济损失,而且部分地区因施肥不当已引起环境污染。据研究统计,我国氮肥的损失大约有45％,有些地区甚至达到80-90％。如何充分发挥化肥的作用,是现代农业持续发展需要解决的最突出的问题之一。缓／控释肥料是通过一定的物理方法将化肥用特定的材料进行包被,实现农作物生育期或一个生长周期一次底施肥,使其在施用后,可以按照作物不同生长时期的需求逐步发挥肥效,使肥料养分释放与作物需肥相协调,从而达到农作物增产,提高品质,减少肥料损失和环境污染,保护环境的目的。目前国内外缓／控释肥包膜材料以合成有机高分子聚合物所占比例最大,其特点是包膜厚度可控、对土壤条件不十分敏感,养份扩散速率可由聚合物的化学性质控制,因而可实现对养分的控释。然而由于该类包膜材料价格高,且大多数在土壤中分解缓慢而带来环境污染。并且有机高分子聚合物包膜肥料其养分释放受土壤水分的影响很大,在缺水季节其养分释放不能满足作物需要。在我国农作物种植过程中,尿素是常用的肥料,本研究采用接技共聚法制取的变性淀粉制作成缓释剂(以玉米粉、膨润土、轻质碳酸镁为主),以不同添加比例对尿素进行分层包裹,制成变性淀粉包裹型缓释尿素(FCU),通过模拟试验和田间试验,研究变性淀粉包裹型尿素的氮素释放特性及生物学效应,旨在为冬小麦和夏玉米的养分管理和缓释肥施用技术提供理论依据和技术支撑。
　　 本研究通过水浸法、土壤淋溶法研究了其氮素释放特性；采用盆栽方法,研究了其在土壤干旱胁迫、适宜、过量水分条件下的生物学效应及对氮素吸收的影响,并且通过相关性分析明确了与其相适合的评价方法；采用田间小区方法研究了其对冬小麦、夏玉米产量及氮素农学效率的影响。主要研究结果如下：⑴变性淀粉包裹型尿素在水浸法和土壤淋溶法中,其养分释放速率明显小于普通尿素,具有一定的缓释性能。但是,其养分释放曲线与树脂类包膜尿素差别很大,这说明包膜材料影响包膜肥养分释放。并且,与树脂类包膜材料相比较,淀粉的水稳性较差,因此,不宜采用水浸法对其养分释放特性进行评价。⑵玉米曲期的盆栽试验结果中,在适宜和过量水分条件下,与普通尿素相比,变性淀粉包裹型尿素表现出了良好的缓释性能,促进了玉米的叶片叶绿素SPAD值增加,促进了玉米干物重和吸氮量的增加,提高了土壤硝态氮含量。在干旱胁迫条件下,与树脂包膜尿素相比,变性淀粉包裹型尿素表现出了良好的抗旱缓释效果。可见,FCU既具有较好的缓释效果又具有一定的抗旱保水特性,在干旱和半干旱农业区域具有广泛的适用性。⑶并且通过用土柱淋溶法和盆栽方法对变性淀粉包裹型尿素的氮素释放速率测定结果进行相关分析,两种方法具有极显著的相关性。比如在干旱胁迫条件下,N1水平:Y盆栽=13.481Y土柱-787.98,R2=0.9926:N2水平:Y盆栽=14.151Y土柱-802.6,R2=0.9872。(Y盆栽为氮素累积吸收量,mg／pot,Y土拄为氮素累积释放率,％)。土柱淋溶法与盆栽试验的条件基本一致,并且该方法测定的结果与玉米苗期盆栽的结果趋势基本吻合,因此土柱淋溶法可用于评价包膜肥料的释放特征。采用土柱淋溶法与盆栽生物学方法相结合更能反映缓释肥的实际缓释特性。⑷在冬小麦上应用,变性淀粉包裹型尿素能够增加返青划冬小麦的有效分蘖数,提高冬小麦的干物重和根系活力,与Urea相比,N150处理,FCU1和FCU2根系活力提高了7.40％和16.66％,N250处理,提高幅度分别为4.90％和16.29％。在冬小麦的抽穗期,提高了旗叶叶片水分利用率,N150和N250处理,增加幅度分别为13.72％-25.17％和8.63％-16.91％。提高了冬小麦收获期的干物重和经济系数,提高了冬小麦的籽粒产量。2008-2009年,N150和N250处理,产量增加了0.67％-25.51％和14.7％-16.5％。2009-2010年,N150处理,FCU1增产1.94％;N250处理,FCU1和FCU2增产幅度分别为2.81％和0.28％。提高了冬小麦返青期0-40cm土层土壤中硝态氮的含量,有利于植株后期生长。并且,在收获期能够保持0-40cm土层中较高的硝态氮的含量,而在40-100cm土层其硝态氮含量较低。这既保证了土壤能够充分供肥,又减少了氮素淋溶损失的风险,符合缓释肥养分释放的特点。促进了植株对氮素、磷素、钾素的吸收,提高了肥料的氮素利用率。2008-2009年,N150和N250处理,氮肥利用率提高了25.48％-33.05％和5.42％-22.22％。2009-2010年,N150和N250处理,氮肥利用率提高了10.57％-16.32％和1.19％-7.68％。⑸在夏玉米上应用,N150处理,提高了收获期植株干物重；N250处理,提高了夏玉米的经济系数。N150处理,FCU2产量增加0.16％；N250处理,FCU1和FCU2的产量增幅分别为10.76％和7.72％。收获期,N150处理,0-20cm土层,FCU1和FCU2硝态氮含量均较高。20-40cm、40-70cm、70-100cm土层,FCU1和FCU2对应的土层硝态氮含量均显著均较低；N250处理,0-20cm土层,以FCU2对应的土壤硝态氮含量为最大。20-40cm土层,FCU1和FCU2土壤硝态氮含量均高于Urea。40-70cm土层和70-100cm土层,FCU1和FCU2对应的土壤硝态氮含量均显著低于Lrea。促进了植株对氮素、磷素、钾素的吸收,提高了肥料的氮素利用率。N150处理,FCU2氮肥利用率提高了12.46％；N250处理,FCU1和FCU2对应的氮肥利用率增幅分别为18.03％,7.23％。变性淀粉包裹型尿素在土壤中养分的释放较尿素平稳,且释放期长,在前期能有效控制养分的释放,避免前期因作物吸收少造成养分的损失,从而解决了常规施用普通尿素仍需追肥问题,在作物关键生育期需要大量养分时,能保持快速平稳释放,从而满足作物后期对养分的需求状况,保证作物获得较高产量。但是变性淀粉包裹型尿素在150 kg N／hm2和250 kg N／hm2水平下,其产量差异不显著,并且在250 kg N／hm2,氮肥利用率有所降低,因此,综合看来,本试验条件下,应以150 kgN／hm2为宜。

目录

文摘

英文文摘

第1章 引言

1.1 研究背景及意义

1.2 缓/控释肥的研究进展

1.2.1 缓/控释肥料的种类

1.2.2 国外缓/控释肥的研究状况

1.2.3 我国缓/控释肥的研究状况

1.2.4 缓/控释肥料的评价方法

1.2.5 缓/控释肥应用效果

1.2.6 我国缓/控释肥料生产与应用存在的问题及研究发展趋势

1.3 研究目的、内容、方法及技术路线

1.3.1 研究的目的

1.3.2 研究内容和方法

1.3.3 技术路线

第2章 变性淀粉包裹型尿素氮素释放特性

2.1 水浸法

2.1.1 材料与方法

2.2 土壤淋溶法

2.2.1 材料与方法

2.3 测定方法

2.4 结果与分析

2.4.1 变性淀粉包裹型尿素在水浸法中的氮素释放特性

2.4.2 变性淀粉包裹型尿素在土壤淋溶法中的氮素释放特性

2.5 小结

第3章 变性淀粉包裹型尿素在不同土壤水分条件下玉米苗期生物学效应

3.1 供试材料与试验设计

3.1.1 供试材料

3.1.2 试验设计

3.1.3 测定项目与方法

3.2 结果与分析

3.2.1 变性淀粉包裹型尿素对玉米苗期干物质积累的影响

3.2.2 变性淀粉包裹型尿素对玉米苗期氮素吸收的影响

3.2.3 变性淀粉包裹型尿素对玉米苗期土壤硝态氮的影响

3.2.4 变性淀粉包裹型尿素对玉米苗期叶绿素SPAD值的影响

3.2.5 变性淀粉包裹型尿素对玉米苗期株高的影响

3.3 小结

第4章 变性淀粉包裹型尿素在冬小麦、夏玉米上的生物学效应

4.1 供试材料与实验设计

4.1.1 供试材料

4.1.2 试验设计

4.1.3 测定内容和方法

4.2 结果与分析

4.2.1 变性淀粉包裹型尿素在冬小麦上的生物学效应

4.2.2 变性淀粉包裹型尿素在夏玉米上的生物学效应

4.3 小结

第5章 结论和讨论

5.1 讨论

5.1.1 变性淀粉包裹型尿素氮素释放性能的评价

5.1.2 变性淀粉包裹型尿素氮素在玉米苗期的生物学效应

5.1.3 变性淀粉包裹型尿素氮素在冬小麦、夏玉米上的生物学效应

5.2 结论

5.2.1 变性淀粉包裹型尿素氮素的释放特性及其评价

5.2.2 不同土壤水分条件下变性淀粉包裹型尿素在玉米苗期的生物学效应

5.2.3 变性淀粉包裹型尿素在冬小麦、夏玉米上的生物学效应

参考文献

在读硕士研究生期间发表的学术论文

作者简历

致谢

附件