控释肥硫膜在土壤中的降解转化机理及对作物生长的影响研究

论文摘要

随着硫包膜控释肥的大面积连续施用,硫膜对土壤环境的影响问题受到关注。只有探明硫膜在土壤中的迁移转化过程,才能在理论上解释硫膜转化过程对土壤造成的影响。对硫膜在土壤中降解动态及迁移转化过程进行研究,既可发现控释肥硫膜降解对土壤微域某些性质的影响,也可探明其影响机理,从而为控释肥的推广、应用提供科学依据,以期指导硫包膜控释肥的应用及推广。研究采用室内模拟培养试验、砂培试验和池栽试验并结合扫描电镜、微域技术、同位素示踪等手段,对控释肥硫膜在土壤中的迁移转化过程、硫膜施入土壤后在不同时期的形貌及超微形态变化做细致研究,探明降解过程的中间产物和最终降解产物对土壤环境的影响,揭示控释肥硫膜在土壤中的具体去向,并分析硫膜对土壤中营养元素活化和控释肥包膜控释下氮素的迁移转化及对作物生长发育的影响。本文主要研究结果如下:采用连续两年的盆栽试验,观察硫膜降解过程中形貌及超微形态的变化,选择硫磺膜壳、硫磺外喷涂石蜡为密封剂的膜壳和硫磺包被热固性树脂的膜壳,在土壤中培养的不同时期对膜壳的横断面和表面进行扫描电镜分析,电镜照片显示:①仅由硫磺构成的膜壳表面粗糙,并遍布细缝和孔洞,并随着培养时间的延长,很快裂缝和孔洞逐渐变大,使膜壳断裂变小,这也是仅用硫磺包膜控释效果差的原因;②外涂石蜡为密封剂的膜壳表面较光滑略有细小突起,虽然因包膜时温度变化表层会存在细小的裂缝,但较好的覆盖了硫磺形成的细缝和小孔。在培养中可发现原本光滑连续的石蜡膜逐渐出现侵蚀孔洞,孔洞由小变大,由浅变深,并慢慢连成一片。在培养的中后期,发现缺乏密封剂保护的硫磺由膜状碎裂成小块,进而粉化;③硫加树脂膜壳的树脂层较薄,可见膜下硫磺表面的孔隙。随着膜壳的降解,树脂层变薄,树脂在膜壳表面收缩,原本光滑的表面变得有些粗糙,树脂层完整变得间断,逐渐露出树脂膜内的硫磺膜。与外涂石蜡的硫磺膜相比包被树脂的硫磺膜降解时间较长,可以对养分起到更好的控释作用。无硫砂培试验得出硫膜降解的中间产物为硫代硫酸根,最终产物为硫酸根,硫酸根也是硫膜降解的主要产物。硫膜在基质中的主要转化途径是S0→S2O32-→SO42-。并且残膜在基质中降解的速率要高于包膜肥料膜壳的降解速率。浸提液中硫酸根离子浓度较高的时期,植株中全硫含量也较高,表明硫膜降解促进了植株对硫素的吸收。硫磺和硫膜在土壤中的降解,导致了棕壤各处理微域土壤pH值的显著变化,而对非微域土壤影响不显著,在培养的中后期pH值均有回升;与棕壤相比潮土中pH值下降幅度较小。各处理在棕壤、潮土中的氧化速度是:硫磺>硫膜>硫加树脂膜。施用硫膜和硫加树脂膜起到了活化微域土壤中微量元素的作用,在培养的中后期增加了微域土壤中有效态铁、有效态锰及有效态铜的含量。并显著提高了棕壤微域有效硫的含量,非微域中有效硫也有升高的趋势;潮土微域中有效硫和有效磷的含量均有增加的趋势,随着硫膜在土壤中降解时间的延长,非微域土壤的有效硫、有效磷含量也有上升的趋势。试验表明:硫际微域（≤5 mm）土壤受硫膜降解产物的影响显著,而对非微域（>5 mm）土壤影响不显著。表明硫包膜或硫加树脂包膜控释肥在土壤中施用仅显著影响小范围土壤的化学性质,而对整个土体影响不显著。采用棕壤池栽试验,对夏玉米-冬小麦轮作体系中土壤硫组分动态变化分析发现,0-20 cm土层是土壤水溶性硫含量变化幅度较大的层次,硫包膜和硫加树脂包膜控释肥的施用可显著增加作物生育中后期0-20 cm土壤水溶性硫含量。在作物种植过程中,土壤水溶性硫与吸附态硫之间存在动态平衡。棕壤中无机硫组分以水溶性硫和盐酸可溶性硫为主,并且盐酸可溶性硫含量有逐渐下降的趋势,表明当土壤中水溶性硫和吸附态硫不充足时,盐酸可溶性硫可以进行及时的补充。硫加树脂包膜控释肥的施用增加了土壤中无机硫总量,在玉米的整个生育期内稳定持续的供给作物生长所需的硫素。在降雨、灌溉淋溶作用下SO42-有向土壤深层运移的趋势。硫包膜控释肥促进了夏玉米大口期及乳熟期对硫素的吸收,其顺序为:PSCU> SCU+PCU>PCU >Urea,也增加了冬小麦开花期及成熟期植株全硫含量,在冬小麦开花期,与Urea处理相比PSCU处理植株全硫含量增加了25.64%,SCU+PCU处理增加了17.16%。土壤中硫组分的动态变化促进了作物对硫素的吸收利用。采用15N同位素示踪技术研究了包膜控释氮肥与普通尿素在夏玉米-冬小麦轮作系统中肥料氮的转化及去向,肥料氮的残留,肥料氮在剖面中的运移及作物对肥料氮的吸收利用。研究结果表明:在夏玉米季,施用控释肥与普通尿素相比,控释肥可获得较高的氮肥利用率;PCU处理与Urea处理相比肥料氮回收率增加3.9%、残留率增加5.02%、损失率减少7.67%;冬小麦季与Urea处理相比PCU处理肥料氮回收率增加1.88%、氮肥的残留率增加5.45%、损失率减少7.32%。硫包膜和硫加树脂包膜控释氮肥的施用可增加夏玉米季和冬小麦季拔节期植株的干物质积累量,并增加成熟期作物的籽粒产量,并可使作物的氮素利用效率与硫素利用效率协同提高,增加植株氮素累积量和硫素累积量。硫包膜和硫加树脂包膜控释氮肥通过提高氮、硫的收获指数促进籽粒产量的增加,夏玉米季产量PSCU,PCU处理与Urea处理相比分别高出16.0%,13.43%。冬小麦季产量分别高出11.85%,9.79%。硫加树脂包膜控释氮肥的施用可实现夏玉米-冬小麦轮作体系作物对氮素的高效利用,并且硫加树脂包膜尿素较低的价格有利于大田作物大面积使用。在超级玉米“登海661”高产栽培过程中,通过对不同控释肥处理的产量和产量构成因素的研究,由相关分析及通径分析结果可知施用不同控释肥处理对产量的提高由不同产量构成因素的结果。施用控释掺混肥时,千粒重、穗行数、穗粗和穗粒数对玉米产量起决定性作用;施用硫加树脂包膜尿素,千粒重、行粒数、穗粗和穗行数为玉米产量的主要影响因素;而施用树脂包膜尿素,起决定性作用的产量构成因素为千粒重、行粒数、穗粒数和穗行数。各控释肥处理主要决定因素均为千粒重,主要限制因素各不相同,树脂包膜尿素和硫加树脂包膜尿素为穗行数,控释掺混肥为行粒数。因此在夏玉米高产栽培,选用不同的控释肥和掺混肥组合时,要注意协调产量构成主要因素之间的关系,使之处于最佳结合状态,并兼顾其他产量构成因素是实现夏玉米最佳产量的有效途径。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 符号说明
• 第一章 前言
• 1 研究的目的意义
• 2 国内外研究现状
• 2.1 硫包膜控释肥研究现状
• 2.2 控释肥硫膜降解的研究现状
• 2.3 控释肥施用对土壤中硫素循环的影响
• 2.4 控释肥施用对作物-土壤系统氮素迁移、转化的影响
• 3 小结
• 第二章 硫包膜控释肥硫膜降解中形貌及超微形态的变化
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定方法
• 2 结果与分析
• 2.1 硫膜降解过程中形貌变化
• 2.2 硫包膜控释肥无外涂层施用后的超微形态变化
• 2.3 硫包膜控释肥外涂石蜡施用后超微形态变化
• 2.4 硫加树脂包膜控释肥施用后超微形态变化
• 3 讨论
• 4 小结
• 第三章 硫包膜控释肥硫膜降解产物的研究
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定方法
• 2 结果与分析
• 2.1 砂培中硫膜降解对作物生物量的影响
• 2.2 砂培中硫膜降解对植株全硫含量的影响
• 2.3 砂培中硫膜降解对浸提液中硫酸根和硫代硫酸根含量的影响
• 2.4 不同硫包膜控释肥硫膜降解对降解产物总量的影响
• 3 讨论
• 4 小结
• 第四章 控释肥硫膜降解对微域土壤性质的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定方法
• 2 结果与分析
• 2.1 硫际微域土壤pH 值的动态变化
• 2.2 硫际微域土壤EC 值的动态变化
• 2.3 硫际微域土壤有效态微量元素含量的动态变化
• 2.4 硫际微域土壤有效硫含量的动态变化
• 2.5 硫际微域土壤有效磷含量的动态变化
• 2.6 硫际微域土壤无机氮含量的动态变化
• 3 讨论
• 4 小结
• 第五章 控释肥硫膜降解对作物-土壤系统氮、硫素循环的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与方法
• 2 结果与分析
• 2.1 不同控释肥对作物-土壤氮素循环的影响
• 2.2 不同控释肥对作物-土壤硫素循环的影响
• 2.3 不同控释肥对成熟期作物籽粒氮、硫素含量的影响
• 2.4 不同控释肥对夏玉米-冬小麦轮作土壤pH 和EC 的影响
• 3 讨论
• 4 小结
• 第六章 不同控释肥对轮作作物氮硫利用效率和产量因素的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 测定项目与方法
• 2. 结果与分析
• 2.1 不同控释肥对作物氮、硫利用效率和影响
• 2.2 不同控释肥对产量及产量构成因素的影响
• 3 讨论
• 4 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表论文情况