浅谈磷酸脲在西北盐碱土壤上的应用

贺小云, 杨瑞山, 董合林, 郑苍松, 李鹏程

(1.甘肃瓮福化工有限责任公司 甘肃金昌 737200;2.中国农业科学院棉花研究所/棉花生物育种及产业技术国家工程研究中心 河南安阳 455000)

土壤盐渍化是许多干旱与半干旱地区引起作物产量下降的主要原因,是影响生态环境和农业生产的全球化问题。土壤中过高的盐分使土壤的理化性状发生改变,从而使众多作物的生长环境遭到破坏。盐碱土分布范围较广,几乎遍布世界各地,全球面积约有9.55×108hm2,其中欧亚大陆、非洲和美洲西部分布较多。盐碱土的分布与所处地理位置和气候条件有紧密的联系,干旱与半干旱地区是主要分布地。中国、澳大利亚和前苏联是世界上盐碱土面积最大的3个国家。中国盐渍化土壤分布广泛,面积约3.69×107hm2,特别是西北地区的青海、宁夏、新疆以及甘肃河西走廊等区域,均出现了不同程度的盐渍化危害[1]。

随着世界人口急剧增加、土地生产力下降,出现了粮食供应不足的问题,全球高度关注对盐碱地的开发利用与改良。盐碱土的改良利用不仅能够提高作物产量,缓解粮食危机,还能优化生态环境,改善人们的生活水平。我国是一个人口众多、物质资源丰富的大国,但人均土地和水资源远低于世界平均水平,保护和合理开发利用水、土地资源迫在眉睫。盐碱土作为一种潜在的可利用资源可弥补我国耕地不足的问题,因此,改良盐碱土已成为一项艰巨且意义重大的任务。

磷酸脲是一种含氮、磷的高浓度速效酸性肥料,易溶于水,水溶液呈酸性,1%(质量分数,下同)磷酸脲溶液的pH为1.89,施入土壤后,能够有限降低土体或者土壤微区的pH,改变土壤酸碱平衡,起到改善土壤理化性状、改良土壤结构、促进作物生长等作用[2]。

1 盐碱土的形成与危害

盐土和碱土被合称为盐碱土,盐土的土壤中含有过量的可溶性盐类,碱土的土壤中含有较多的交换性钠。从性质角度分析,二者在很多方面都大相径庭,但从发生和形成原因方面考虑,二者却又密不可分,通常交错分布,常被统称为盐碱土。盐碱土的形成是多种原因共同作用的结果,有自然因素,也有人类活动的影响,自然因素为主导原因,人类活动则加速了盐碱化的历程。气候干旱少雨,地表蒸发强烈,地形低,地下水埋深浅、矿化度较高,成土母质及土壤中含盐量较多,不合理地开发利用水资源等,是内陆盐碱土形成的主要原因。一般来说,表层土壤水与土壤地下水保持相对稳定的状态,地下水位不变,表层土壤中的离子含量变化幅度不大。当气候少雨干旱时,蒸发较强,导致土壤中的水分含量迅速减少,使得地下水沿着土壤毛细管从下往上移动,土壤中的盐分也随着水分移动方向一起运动。水分蒸发后,盐分就积累在土壤的表层,当盐分的含量超过某一临界值后,土壤就发生盐渍化。所以,盐碱土在干旱、半干旱地区较多。盐碱土的危害主要表现在作物生理干旱、直接毒害作用、恶化土壤的理化性状等3个方面。

(1)作物生理干旱。土壤中含盐量增加,土壤溶液的渗透压不断升高,当渗透压超过植物正常生理状况时,将引起植物根系吸水困难,出现严重缺水现象,导致细胞脱水,引发生理干旱。

(2)盐分的直接毒害作用,主要是对植物细胞膜系统的损伤。 由于细胞内积累众多的盐离子,浓度升高破坏了植物体内动态平衡,危害植物正常生理活动[3];细胞膜上的Ca2+被Na+取代,当Na+浓度过高时阻碍植物根系对钾、钙的吸收,造成植物体内离子不平衡,导致细胞内酶变性或失活,影响新陈代谢。

(3)恶化土壤的物理性状。盐碱土中钠盐浓度过高时,对土壤胶体有较强的分散作用,使团聚体崩解、土粒分散,土壤结构被破坏,导致表土板结,通气透水性变差,不利于植物生长。

2 磷酸脲改良盐碱土的原理

碱性土壤中的主要碱性物质为钙、镁、钠的碳酸盐和重碳酸盐,以及交替表面吸附的交换性钠。碳酸钠和碳酸氢钠是水溶性的,所以钠离子在土壤溶液中的浓度基本是保持恒定的,即对根系的毒害影响能力是固定的。但钙、镁、铁等元素的碳酸盐或重碳酸盐都是非水溶性的强碱弱酸盐,不溶于水,很难被作物直接快速吸收,但碳酸盐和重碳酸盐等遇到酸性更强的磷酸脲,会释放出二氧化碳和钙、镁、铁等,降低了土壤微区的酸碱度,活化了钙、镁、铁等有益元素,释放出的钙离子可以抑制植物根系对钠离子的吸收。

2.1 控制土壤微区pH

对于我国北方大面积的盐碱土区,尤其是当碱土区土壤的pH升高时,对土壤理化性状、土壤结构以及该区域的植物生长和农业生产都是不利的。1%磷酸脲溶液的pH为1.89,同时磷酸脲还是一种入土即解离为尿素和磷酸并释放少量CO2和NH3的不稳定络合物,所以磷酸脲作为酸性肥料及盐碱土改良剂施入土壤后,能够有限降低土体或者土壤微区的pH(见图1),调整土壤酸碱平衡,从而起到改善土壤理化性状、改良土壤结构、促进作物生长等作用。

图1 磷酸脲在马铃薯、苜蓿上的应用

2.2 减少土壤中氨的挥发

氨挥发是土壤氮素损失的主要途径,土壤pH是影响氨挥发的重要因素之一,土壤pH越高,氨挥发越多。在部分有利于氨挥发的土壤上,氨挥发损失的氮素量可以占到土壤总施氮量的40%～50%[4]。因此,控制土壤中铵态氮含量和土壤pH是减少土壤氨挥发、提高氮肥利用率的关键。磷酸脲作为酸性肥料,可以有效降低土壤微区的pH,进而减少氨的挥发,提高氮肥利用率。

2.3 增加中微量元素的供应

在植物生长发育过程中,钙、镁、锰、锌等中微量营养元素是必需的。但由于碱性土壤的pH高,土壤中存在大量的OH-,中微量营养元素与OH-发生反应生成难溶性物质,降低了这些元素的有效性。磷酸脲作为酸性络合氮磷复合肥施入土壤后,增加了土壤中的氢离子,降低了土壤的pH,增大了钙、镁、锌、锰等元素的溶解量,提升了植物对中微量元素的吸收效果。

3 磷酸脲在西北盐碱土壤上的应用效果

在新疆水资源紧缺以及南疆开展的“滴水出苗”探索的背景下,利用磷酸脲作为促苗肥,在新疆喀什地区巴楚县、新疆生产建设兵团第三师51团、第一师8团分别开展了百亩田间试验示范,考察磷酸脲在新疆棉田的应用效果。

3.1 磷酸脲对棉花出苗率的影响

3.1.1 不同水溶性盐含量的土壤施用磷酸脲对棉花出苗率的影响

利用盆栽试验,采用裂区设计,设置1.5、3.0、6.0 g/kg等3个土壤水溶性盐梯度,每个土壤盐梯度下设置4个磷酸脲处理,质量浓度分别为0、0.05、0.1、0.2 g/L,用量分别为0、1、2、4 kg/亩(1亩=667 m2,折算成每盆用量分别为0、0.2、0.4、0.8 g)。试验盆钵置于控温温室内,自然光照,日温25 ℃、夜温10 ℃,考察磷酸脲作为基肥对棉花(品种为中棉所96A)出苗率的影响,结果见图2。

图2 土壤水溶性盐含量对棉花出苗率的影响

由图2可知:土壤水溶性盐质量分数为1.5 g/kg时,各处理播种后7 d的出苗率均达到50%以上;后续出苗率增加放缓,以磷酸脲用量4 kg/亩处理的出苗率为最高,较清水处理的提高19%。土壤水溶性盐质量分数为3.0 g/kg时,各处理播种后7 d的出苗率均达到40%以上,磷酸脲用量2 kg/亩和4 kg/亩处理的出苗率达到50%;后续出苗率逐渐增加,以磷酸脲用量4 kg/亩处理的出苗率为最高,较清水处理的提高27%。土壤水溶性盐质量分数为6.0 g/kg时,各处理播种后7 d的出苗率均在30%以下,后续出苗率增速加快;磷酸脲用量2 kg/亩和4 kg/亩处理在播种后10 d的出苗率可达到40%以上,以磷酸脲用量4 kg/亩处理的出苗率为最高,较清水处理的提高37%。

土壤水溶性盐含量对棉花出苗率的影响明显,较高的水溶性盐含量会抑制棉花出苗速率;在试验的3个土壤水溶性盐含量水平下,磷酸脲处理的棉花出苗率均高于清水处理的,且随着磷酸脲用量的增加,出苗率有增大的趋势。

3.1.2 不同环境温度下施用磷酸脲对棉花出苗率的影响

不同环境温度下施用磷酸脲的棉花出苗率见图3。在昼、夜温度分别为30、15 ℃的情况下,对照处理和磷酸脲处理播种7 d后均表现出较高的出苗率,播种后8～14 d陆续出苗的数量较少;在昼、夜温度分别为25、10 ℃的情况下,对照处理和磷酸脲处理的出苗率和出苗速率均受到明显影响,播种后8～14 d陆续出苗的数量增加,且播种后14 d的出苗率明显低于较高环境温度的处理。

图3 环境温度对棉花出苗率的影响

环境温度对盐碱土棉花出苗率影响明显,较高的温度能够促进棉花尽快出苗、齐苗;而在低环境温度下,磷酸脲处理的棉花出苗率高于对照处理的,说明磷酸脲能够减轻低温环境对棉花种子出苗率的影响。

3.2 磷酸脲在盐碱土上的迁移特征

利用土箱进行水分运移测定,共设置3个处理,分别为等体积的清水、磷酸一铵溶液、磷酸脲溶液(与磷酸一铵浓度一致),分别取润湿上下层进行养分分析,考察磷酸脲溶液在盐碱土上迁移及土壤的有效性特征,结果见图4。

图4 磷酸脲溶液在盐碱土上的迁移特征

从图4可知:在灌水量为5 m3/亩的条件下,清水和2种溶液的润湿深度均表现为在前3 h快速增加,之后增加缓慢;磷酸脲溶液的垂直迁移速率明显高于磷酸一铵的,而二者均高于清水的。可见,溶液pH越小,其在盐碱土中24 h后的纵向迁移距离越深。

在初始土壤pH为7.8、总水溶性盐质量分数为9.3 g/kg、全氮质量分数为0.74 g/kg、速效磷质量分数为50.8 mg/kg的基础条件下,进一步分析滴灌不同磷肥(质量分数0.01%)及清水对盐碱土养分有效性的影响,结果见表1。

表1 滴灌不同磷肥(质量分数0.01%)及清水对盐碱土养分有效性的影响

与滴灌前相比:滴灌后各处理润湿层上层土壤的pH和速效磷含量升高,水溶性盐浓度和全氮含量下降;润湿层下层土壤的pH和速效磷含量下降,水溶性盐浓度和全氮含量升高。

滴灌后的土壤水溶性盐浓度在润湿层上层土壤下降了约50%,说明盐碱土中的水溶性盐基离子随水运动特征明显;然而润湿层下层土壤水溶性盐浓度仅增加约14%,说明水溶性盐基离子随水运动时存在离子固定现象。滴灌后的土壤速效磷含量在润湿层上层土壤表现为升高,但在润湿层下层土壤表现为下降,这可能是水溶性磷与上层随水移动到下层的盐基离子发生化学反应后固定造成的。

由此可以认为,因特殊的化学性质,磷酸脲作为磷肥在盐碱土上施用具有较强的纵向运移、抗固定、磷养分活性高等特点。

3.3 磷酸脲随水滴施对棉苗生长发育的影响

2020年,以相同的棉花品种(中棉所96A)为试验对象,在新疆生产建设兵团第三师51团开展了磷酸脲滴施田间对比试验,试验结果见表2和表3。

表2 磷酸脲滴施对棉花苗期生长的影响

表3 磷酸脲滴施对棉花蕾期生长的影响

从表2可知:磷酸脲处理的棉花在苗期的生长优于对照处理的,磷酸脲处理的棉花根、茎、叶干物质质量较高,且叶面积较大,更利于棉苗前期的生长。

由表3可知:磷酸脲处理的棉花株高高于对照处理的,主要表现为前三节主茎节长度大,进而出叶速度快,为棉花后期机械采摘奠定了良好的果枝使节高度;棉花现蕾数有增加趋势,奠定了后期产量的基础。

3.4 磷酸脲随水滴施对棉花产量的影响

2020年,收获期田间调查及农户实际收获产量表明(见表4):磷酸脲处理的棉花成铃数和衣分高于对照处理的,但单铃质量与对照处理的相同;磷酸脲处理实际收获的籽棉产量比对照处理的增加15.1 kg/亩。

4 结语

许多盐碱地改良方法都能获得一定程度的改良效果,可以使土壤理化性状发生改变、促进植物生长、增加作物产量,但均有不足和局限性。随着时代的进步、社会发展的需求和人们安全意识的提高,快速、安全改良盐碱地越来越受到重视,这就对改良方法和改良材料的选择提出了更高的要求。

磷酸脲水溶液因呈酸性,能够降低碱性土壤pH,抑制氨的挥发,提高钙、镁、锰、锌的活性,提升养分利用率、作物产量,是化学改良盐碱土壤的一种重要物质,尤其在西北干旱地区应用前景良好;而且磷酸脲的推广使用会促进水肥一体化施肥技术的不断发展,对推广节水施肥意义重大。