胡偉，向建華，向言詞，周練，陳燕

(湖南科技大學(xué)生態(tài)景觀修復(fù)與規(guī)劃設(shè)計研究所,湖南湘潭 411201）

氮摻雜碳納米子施用對稻田氮素徑流和滲漏損失的影響

胡偉，向建華，向言詞，周練，陳燕

(湖南科技大學(xué)生態(tài)景觀修復(fù)與規(guī)劃設(shè)計研究所,湖南湘潭 411201）

為明確氮摻雜碳納米粒子(N-CNPs）在田間條件下對單季稻田氮素徑流和滲漏損失的影響,采用田間小區(qū)實驗,對不同用量N-CNPs和雙氰胺(DCD）配施尿素時稻田徑流液和滲漏液中總氮(TN）、銨態(tài)氮(NH+4-N）和硝態(tài)氮(NO-3-N）的動態(tài)和損失總量進(jìn)行研究。結(jié)果表明.與單獨施用尿素(Urea）處理相比,N-CNPs配施尿素能降低稻田徑流NH+4-N濃度和滲漏液中NO-3-N濃度；基肥后第1次自然降雨產(chǎn)流時,15‰N-CNPs處理徑流液中NH+4-N濃度較Urea處理降低30.33%,基肥后第7 d滲漏液中NO-3-N濃度較Urea處理降低了27.22%。在水稻全生育期內(nèi),15‰N-CNPs處理徑流總氮損失量為8.15 kg·hm-2,占該處理總施氮量的4.08%,較Urea處理減少2.04 kg·hm-2,降幅達(dá)到20.02%；TN滲漏總量為16.59 kg·hm-2,占施氮總量的8.30%,較Urea處理減少8.83 kg·hm-2,降幅達(dá)到34.73%,其徑流和滲漏TN損失量較5%DCD處理分別降低5.67%和15.70%。研究表明,尿素配施N-CNPs能顯著減少稻田氮素徑流和滲漏損失,達(dá)到提高氮肥利用效率、控制農(nóng)田非點源污染范圍和強(qiáng)度的目的。

氮摻雜碳納米粒子；稻田；氮肥；徑流損失；滲漏損失

因農(nóng)田氮素?fù)p失而引起的非點源污染已成為水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題發(fā)生的主要因素之一［1-2］,王桂良等［3］認(rèn)為氮淋洗和氮徑流是長江流域單季稻區(qū)氮素?fù)p失的主要途徑,損失率分別達(dá)到3.8%和5.3%。湖南地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均降雨量較高,加之農(nóng)業(yè)種植過程中普遍存在氮肥過量施用等問題,稻田氮素流失必將對周邊水環(huán)境產(chǎn)生污染風(fēng)險。由于灌溉和施肥后降雨時間和強(qiáng)度的不可控性,田間條件下精準(zhǔn)控制徑流和滲漏損失很難實現(xiàn)。利用納米材料的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)等特性來調(diào)控土壤氮素轉(zhuǎn)化途徑,已成為目前解決氮肥污染、實現(xiàn)氮素高效利用的有效措施［4-5］。已有研究表明,在尿素中添加適量的氮摻雜碳納米粒子(N-CNPs）能有效地控制尿素氮的轉(zhuǎn)化,減少尿素氮的淋失［6］,進(jìn)而降低氮素?fù)p失帶來的環(huán)境風(fēng)險。目前,還鮮有田間種植條件下N-CNPs對尿素氮轉(zhuǎn)化和損失影響的報道。本文以N-CNPs為對象,采用湖南地區(qū)常見的稻油輪作制度,通過田間試驗來探討尿素配施N-CNPs對農(nóng)田氮素徑流和滲漏損失的影響,明確N-CNPs施用水平與田間氮素徑流和滲漏損失的關(guān)聯(lián),以期為減少化肥氮素?fù)p失、降低農(nóng)業(yè)非點源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗點概況

田間試驗于2016年5月至2016年11月在湖南省長沙縣江背鎮(zhèn)太平橋村(28.12°N,113.36°E）進(jìn)行。試驗田所在區(qū)域年均降水量為1200～1400 mm,年均溫度為17.2℃,無霜期274 d,年日照時數(shù)1663 h,屬于典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,土壤類型為河流沖積物發(fā)育而成的潮沙泥。試驗前水稻田耕層(0～20 cm）土壤pH值為5.72(土∶水=1∶5）,有機(jī)質(zhì)含量51.06 g· kg-1,全氮含量4.29 g·kg-1,銨態(tài)氮(NH+4-N）含量26.95 mg·kg-1,硝態(tài)氮(NO-3-N）含量6.35 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積30 m2(2 m×15 m）,各小區(qū)四周間設(shè)高40 cm、寬30 cm田埂,覆以尼龍膜以減少各區(qū)間互滲。設(shè)6個處理.(1）不施氮肥(CK）；(2）單施尿素(Urea）；(3）雙氰胺(DCD,純氮量5%）配施尿素(5%DCD+Urea）；(4）低量N-CNPs (純氮量1‰）配施尿素(1‰N-CNPs+Urea）；(5）中量N-CNPs(純氮量5‰）配施尿素(5‰N-CNPs+Urea）；(6）高量N-CNPs(純氮量15‰）配施尿素(15‰NCNPs+Urea）。各處理重復(fù)3次。小區(qū)種植株距和行距分別為20 cm和20 cm,每穴2～3苗。除CK處理外,其他各處理氮肥用量(按純氮計）均為200 kg·hm-2。所有處理P2O5、K2O用量相同,分別為60 kg·hm-2和100 kg·hm-2,參照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式施肥,磷肥作基肥一次性施入,氮肥、鉀肥40%基肥,30%分蘗肥,30%穗肥。灌溉和病蟲草害防治及其他管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一致。N-CNPs由湖南科技大學(xué)物理學(xué)院提供,該材料以檸檬酸為原料,以氨水為溶劑和氮摻雜源,采用微波介電加熱法制備,氮摻雜量為6.72%(原子量百分比）。供試DCD為寧夏泰鴻公司生產(chǎn)的工業(yè)用劑(凈含量99.5%）；供試肥料品種分別為尿素(含氮46%）、過磷酸鈣(含P2O512%）、氯化鉀(含K2O 60%）。供試水稻品種為“C兩優(yōu)608”(湖南隆平選育）。2016年5月12日育秧,6月5日施基肥移栽,6月25日追施分蘗肥,9月1日追施穗肥,11月3日收獲。

1.3 樣品采集和測定

1.3.1 徑流水樣采集

根據(jù)降雨和耕作制度等情況確定田間徑流水樣采集時間。于2016年6月11日(7 d）,6月15日(11 d）,6月29日(24 d）,7月5日(30 d）,7月10日(35 d）,8月3日(59 d）,8月22日(78 d）,9月10日(97 d）,9月30日(117 d）進(jìn)行采樣,除7月10日為烤田前人工排水外,其他時間均為自然降雨產(chǎn)流,9月30日后至采收前沒有發(fā)生自然降雨產(chǎn)流。采樣時,在各小區(qū)排水口(高度8 cm）處放置容積為5 L的空塑料桶,注滿后從中采集500 mL水樣,間隔1 h后同樣過程取第2次水樣,每次采樣時間段內(nèi)采3次水樣,待測。

1.3.2 滲漏液采集

參考連綱等［7］應(yīng)用的滲漏液收集裝置,結(jié)合田間現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整,每小區(qū)設(shè)置1個滲漏液收集裝置,位置隨機(jī),距地表60 cm處鋪設(shè)50 cm×50 cm高度為5 cm的混泥土池,在池底鋪設(shè)外徑為20 mm PVC排水管將滲漏液導(dǎo)入到小區(qū)旁的滲漏收集桶(20 L塑料桶）,開挖的稻田土按原有土層回填。從水稻移栽后每7 d采集一次滲漏液(第56、70、84 d因處于烤田期間,田間滲漏液較少,暫停采樣）,采集時將各處理水樣混勻,測定水樣體積后取50 mL水樣待測,收集桶清空后重新開始下一輪滲漏液收集。

1.3.3 測定方法

水樣中總氮(TN）、NH+4-N和NO-3-N含量經(jīng)稀釋適當(dāng)比例采用全自動流動分析儀(AA3型,德國）測定；降雨量采用無線翻斗式自記雨量計(福州南禹水務(wù)JD05）進(jìn)行自動觀測。為統(tǒng)計徑流量,在對照處理中設(shè)置一個1 m×1 m大小的田塊,四周起壟,高50 cm,寬30 cm,田壟一側(cè)平時與對照處理區(qū)相通,自然降雨產(chǎn)流時封閉,田壟另一側(cè)開口,高度設(shè)置為8 cm,并與貯水池相連；貯水池為混凝土結(jié)構(gòu),長100 cm,寬30 cm,高60 cm,頂部帶蓋,防止自然降水進(jìn)入。自然降水產(chǎn)流前排空,結(jié)束后根據(jù)池水高度確定每平方米田面徑流量,并換算成每公頃徑流量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)計算方法，桃花山鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會末級渠系年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)為7.16萬元，調(diào)關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會和東升鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會的末級渠系年運(yùn)行費(fèi)用合計為5.96萬元。

試驗結(jié)果以施氮處理和不施氮處理的差值進(jìn)行處理,采用Excel 2007和SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析并作圖,采用單因素方差分析(One-way ANOVA）和多重比較(Duncan）對不同數(shù)據(jù)組間進(jìn)行差異性比較(P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 田間徑流氮素濃度動態(tài)和TN損失

2.1.1 稻田徑流液中TN濃度變化

與Urea處理相比,N-CNPs的施用對徑流液中TN濃度的影響呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢,但平均濃度較Urea處理低(表1）。以15‰N-CNPs處理為例,基肥施用后第1次產(chǎn)流(6月11日）時,TN濃度為15.78 mg·L-1,較Urea處理降低了7.18 mg·L-1,差異達(dá)到顯著水平。分蘗肥施用后第40 d(8月3日）, TN濃度為0.96 mg·L-1,是Urea處理的2.59倍。不同用量N-CNPs處理對TN濃度的影響存在差異,1‰用量的N-CNPs處理TN濃度介于0.22～18.51 mg· L-1,平均濃度為4.33 mg·L-1,用量提升到15‰時TN濃度介于0.45～15.78 mg·L-1,平均濃度降至3.96 mg· L-1,分別較Urea處理徑流TN平均濃度降低了0.86 mg·L-1和1.23 mg·L-1。5%DCD處理徑流液TN濃度低于Urea處理,其平均濃度處于1‰N-CNPs和5‰N-CNPs處理之間。

表1 2016年單季稻期間徑流液中不同形態(tài)氮素濃度變化(mg·L-1）Table 1 Dynamics of runoff water nitrogen concentrations during single-cropping rice growth season in 2016(mg·L-1）

2016年單季稻種植期間因降雨和人工排水共產(chǎn)生了9次徑流,徑流TN總損失結(jié)果(表2）表明,5‰N-CNPs、15‰N-CNPs處理TN損失量分別為8.00 kg·hm-2和8.15 kg·hm-2,占單季水稻總施氮量(200 kg·hm-2）的4.00%和4.08%,較Urea處理減少2.19 kg· hm-2和2.04 kg·hm-2；5‰N-CNPs處理TN損失總量低于5%DCD處理,差異達(dá)到了顯著水平?？梢娫诘咎镏信涫㎞-CNPs能顯著減少因尿素施用而引起的稻田徑流TN損失,當(dāng)用量達(dá)到5‰以上時,對削減氮素徑流損失表現(xiàn)出較5%DCD更顯著的效果。各處理稻田徑流TN損失中均以基肥期間為最高,占比約為52.39%～59.30%,分蘗肥期間次之,占比約為31.43%～ 38.67%,穗肥期間徑流TN損失最少,占比約為8.94%～10.47%。

從單次徑流TN損失變化(圖1）可知,6月11日、6月29日和9月10日均為尿素施用后的首次產(chǎn)流,距施肥間隔時間為4～9 d,3次產(chǎn)流各處理TN損失總量高達(dá)4.26～6.25 kg·hm-2,約占全種植季TN總損失的55.27%～61.88%；分蘗肥后的第2次產(chǎn)流(7月5日）降雨量達(dá)121.5 mm,為實驗期間最大單日降雨量,各處理TN損失量為1.08～1.36 kg·hm-2,均高于分蘗肥后的第1次產(chǎn)流(6月29日）。N-CNPs的施用降低了尿素施用后1～2次徑流液中TN的損失,以15‰用量效果最佳,3次施肥后的首次徑流液TN損失量僅為Urea處理的68.73%、61.68%和73.84%,較5% DCD處理也降低了0.26、0.18和0.07 kg·hm-2。距分蘗肥施用后第16 d(7月10日）因曬田前的人工排水產(chǎn)流,15‰N-CNPs處理TN損失量達(dá)到1.12 kg·hm-2,是Urea處理的2.03倍,其后的2次產(chǎn)流(8月3日、8月22日）以及穗肥后的第2次產(chǎn)流(9月30日）, 15‰N-CNPs處理相較于Urea處理同樣表現(xiàn)出了增加TN損失量的風(fēng)險,但因距施肥間隔時間較長,各處理徑流液中TN損失量總體上處于較低水平。

2.2 稻田滲漏液氮素濃度動態(tài)和TN損失

表2 2016年單季稻期間徑流TN損失量Table 2 TN loss amount during single-cropping rice growth season in 2016

圖1 2016年單季稻期間徑流TN損失量及降雨量Figure 1 TN loss amount and rainfall water depth from each runoff event during rice growth season in 2016

2.2.1 稻田滲漏液中TN濃度動態(tài)

圖2為稻田滲漏液中TN濃度動態(tài)變化。各處理滲漏液中TN濃度動態(tài)變化趨勢相似,基肥和分蘗肥施用7 d左右出現(xiàn)TN濃度高峰,隨后快速下降,最低值在水稻移栽后的第63 d出現(xiàn)；穗肥施用后,因連續(xù)多天無雨且田面少水,TN濃度逐步升高,延遲7 d后出現(xiàn)高峰。Urea處理滲漏水TN濃度介于0.89～58.83 mg·L-1之間,均值為15.51 mg·L-1；配施5%DCD處理表現(xiàn)出較好的降低滲漏液TN濃度效果,其含量介于1.75～44.54 mg·L-1之間,均值為12.43 mg·L-1；配施不同用量N-CNPs均降低了稻田滲漏液TN濃度,15‰用量降幅最大,其含量介于3.50～28.85 mg·L-1之間,均值為10.34 mg·L-1,較Urea處理降低了33.3%,峰值時,降幅甚至達(dá)到了50.1%。

2.2.3 稻田滲漏TN損失

TN滲漏累積損失量(圖5）表明,各處理TN滲漏損失總量順序為Urea＞1‰N-CNPs＞5%DCD＞5‰NCNPs＞15‰N-CNPs；15‰N-CNPs配施尿素TN滲漏總量為16.59 kg·hm-2,占施氮總量的8.30%,較Urea處理減少8.83 kg·hm-2,降幅達(dá)到34.73%,較5%DCD處理也減少了3.08 kg·hm-2,差異均達(dá)到顯著水平。5‰N-CNPs處理TN滲漏總量也較5%DCD減少了0.95 kg·hm-2,但差異不顯著。從TN滲漏累積趨勢來看,各處理在基肥、分蘗肥和穗肥施用后15 d內(nèi)均出現(xiàn)快速增長的趨勢,隨后增長變緩。其中基肥和分蘗肥施肥間隔時間較短,滲漏液中TN損失量均處于較高水平,至水稻移栽后第35 d時,Urea處理累積TN滲漏損失量已達(dá)到18.25 kg·hm-2,占總損失量的71.73%,15‰N-CNPs處理TN滲漏損失量為11.35 kg·hm-2,占總損失量的68.42%。N-CNPs減少TN損失效果在不同施肥期間存在差異,基肥期間,15‰NCNPs處理累積TN損失較Urea處理減少4.65 kg· hm-2,占減少總量的50.70%,分蘗肥期間減少1.92 kg·hm-2,占減少總量的21.78%,穗肥期間減少2.26 kg·hm-2,占減少總量的25.52%。

圖2 2016年單季稻期間稻田滲漏液TN濃度動態(tài)變化Figure 2 Dynamics of leakage water-N concentrations during rice growth season in 2016

圖3 2016年單季稻期間稻田滲漏液-N濃度動態(tài)變化Figure 3 Dynamics of leakage water-N concentrations during rice growth season in 2016

圖4 2016年單季稻期間稻田滲漏液-N濃度動態(tài)變化Figure 4 Dynamics of leakage water-N concentrations during rice growth season in 2016

圖5 2016年單季稻期間稻田滲漏液TN累積損失量Figure 5 Total TN loss amount with runoff during single-cropping rice growth season in 2016

3 討論

稻田氮素流失,既降低了氮肥當(dāng)季利用率,還進(jìn)一步提高了農(nóng)田附近水體污染的風(fēng)險,有報道表明長江流域稻作區(qū)氮素利用率約為33.6%［8］,流失的氮素成為了附近水體污染負(fù)荷的重要來源［9］。本試驗中,尿素配施15‰N-CNPs徑流TN損失可降低20.02%,滲漏液TN損失降低34.73%,兩項合計占施肥總氮的5.43%,低于已報道的田間條件下施用控釋BB肥降低29.4%徑流TN損失的結(jié)果［10］,亦低于0.3%納米碳增效尿素降低28.87%徑流TN損失［11］和稻田模擬淋溶條件下5%DCD能降低37.94%滲漏TN損失等結(jié)果［12］。分析其原因,其一,試驗期間長江流域全年平均降雨量較往年增加25%,特別是6月下旬至7月上旬暴雨頻發(fā),田間徑流量和滲漏量大增,N-CNPs隨徑流和滲漏產(chǎn)生了較大比例的流失；其二,低pH值(0～4）水體環(huán)境和腐植酸均可影響納米碳材料本身電位,進(jìn)而引起碳納米材料絮凝并發(fā)生沉降［13］,實驗區(qū)大氣降水平均pH值約為3.97,部分懸浮態(tài)N-CNPs發(fā)生沉降,失去對氮素的吸附能力,導(dǎo)致其減氮效果的降低；本實驗結(jié)果中,隨N-CNPs用量的增加,降低氮素?fù)p失的效果提升,結(jié)合以上推測,在實際應(yīng)用時,可在不影響作物正常生長的前提下,提高N-CNPs用量,以實現(xiàn)N-CNPs提升氮素利用效率、降低氮素流失風(fēng)險的作用。

與長期淹水條件下的Urea處理相比,N-CNPs處理在施肥后較長時間內(nèi)均出現(xiàn)滲漏液中-N濃度降低和-N濃度升高的趨勢,變化幅度與N-CNPs用量呈正相關(guān)關(guān)系,同時,這一變化趨勢還與本實驗中硝化抑制劑5%DCD處理對稻田滲漏液中-N和-N濃度影響相似。已有研究表明,DCD能有效抑制尿素水解產(chǎn)物的氧化,使其以交換態(tài)-N的形式在土壤中長時間持留［14］,減少了氧化產(chǎn)物--N的累積,也降低了-N淋溶潛勢,其作用機(jī)理主要在于對銨氧化細(xì)菌產(chǎn)生毒性,導(dǎo)致氧化為過程被抑制［15］。而N-CNPs的作用機(jī)理則可能與土壤氧化還原電位變化有關(guān),長期淹水顯著降低了土壤的氧化還原電位,引起稻田土壤N降低和-N的累積［16］,厭氧條件下較高的-N加速了反硝化作用的進(jìn)程,進(jìn)一步加劇了稻田氮素的損失［17］。N-CNPs包含大量吡啶-N和吡咯-N結(jié)構(gòu)［18］,這類結(jié)構(gòu)具備較強(qiáng)的電子吸附能力,從而導(dǎo)致與它鄰近的C原子表面形成正電荷,提高區(qū)域氧化還原電位,促進(jìn)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生［19］。李旭［20］等人的研究表明稻田氮素的滲漏損失以-N的損失形式為主,占TN的70%以上,與本研究結(jié)果一致,盡管N-CNPs的施用提升-N損失量,但總體而言,TN的滲漏損失大幅降低,其中15‰N-CNPs處理TN滲漏總量較Urea處理降低34.73%。

由于滲漏液收集設(shè)備的不足,各處理滲漏液中各形態(tài)氮素含量普遍偏高,尤其施肥后表現(xiàn)更為明顯。從水稻生長季各階段徑流和滲漏損失的規(guī)律來看,施肥初期氮素徑流和滲漏損失極大,本實驗中,徑流TN濃度峰值出現(xiàn)在基肥施用后的第一次產(chǎn)流,基肥期間Urea處理徑流TN損失達(dá)到整個生長季總損失的59.30%,滲漏液TN濃度也產(chǎn)生于基肥和分蘗肥施用后第7 d左右,至水稻移栽后第35 d時,Urea處理累積TN滲漏損失量已占總損失量的71.73%。這與趙冬［21］、紀(jì)雄輝［22］等研究結(jié)果相似。因此,控制好施肥前期氮素流失是提高氮肥利用效率、降低氮肥環(huán)境污染的關(guān)鍵。本研究中,15‰N-CNPs處理基肥期間徑流TN損失較Urea處理降低1.77 kg·hm-2,占全生長期TN損失減少總量的86.76%,滲漏液累積TN損失較Urea處理減少4.65 kg·hm-2,占減少總量的50.70%,較好地實現(xiàn)了在氮素徑流和滲漏損失高峰期間降低氮素?fù)p失水平的效果。但受湖南地區(qū)稻田氮肥施用水平較高、降雨pH值偏低的影響,田間施用N-CNPs還存在一定的局限性,同時,納米材料的生態(tài)安全性也制約了N-CNPs的推廣和應(yīng)用,納米ZnO顆粒嚴(yán)重影響黑麥草根的形態(tài)和結(jié)構(gòu),包括根尖收縮,表皮和根冠破壞以及皮層細(xì)胞高度空泡化［23］；納米ZnO還會導(dǎo)致洋蔥根尖細(xì)胞濃縮、微核指數(shù)和染色體畸變指數(shù)增大及有絲分裂指數(shù)降低,并造成細(xì)胞脂質(zhì)過氧化［24-25］。如能進(jìn)一步改進(jìn)N-CNPs施用方式,提升NCNPs活性和持續(xù)作用時間,降低N-CNPs潛在生態(tài)風(fēng)險,配合節(jié)水灌溉等田間管理技術(shù),將更好地控制稻田氮素徑流和滲漏的損失風(fēng)險,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)非點源污染的控制。

4 結(jié)論

(1）N-CNPs配施尿素能顯著降低氮肥施用后徑流NH+4-N濃度和滲漏液中-N濃度,當(dāng)N-CNPs用量大于5‰時表現(xiàn)出較5%DCD更好的降低徑流液和滲漏液中氮素濃度的效果。

(2）尿素配施N-CNPs能顯著減少稻田TN徑流和滲漏損失,配施15‰N-CNPs,徑流TN損失量為8.15 kg·hm-2,占施肥總氮的4.08%,較Urea處理減少2.04 kg·hm-2,降幅達(dá)到20.02%；TN滲漏總量為16.59 kg·hm-2,占施氮總量的8.30%,較Urea處理減少8.83 kg·hm-2,降幅達(dá)到34.73%,較好地實現(xiàn)了減輕稻田氮素非點源污染的目的。

(3）N-CNPs生態(tài)安全性尚未得到驗證,田間條件下施用方式和施用量還需依據(jù)其潛在生物毒性水平和環(huán)境效應(yīng)評估結(jié)果進(jìn)行調(diào)整,確保不產(chǎn)生新的環(huán)境污染。

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Effect of nitrogen-doped carbon nanoparticles(N-CNPs）on nitrogen runoff and leakage loss in paddy fields

HU Wei,XIANG Jian-hua,XIANG Yan-ci,ZHOU Lian,CHEN Yan
(Institute of Ecological Landscape Remediation and Design,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China）

A field experiment was conducted from May to December 2016 in Changsha County,Hunan Province,China,to determine the effects of nitrogen-doped carbon nanoparticles(N-CNPs）on nitrogen loss in runoff and leakage in a paddy field.The results showed that the application of N-CNPs led to significantly lower runoff of NH+4-N,and leakage of NO-3-N.Compared with the urea treatments,during the first natural rainfall runoff after base fertilizer had been applied,the 15‰N-CNPs treatments decreased NH+4-N concentrations by 30.33% in runoff and NO-3-N concentrations by 27.22%in leakage water within seven days after fertilizer application.The results of monitoring for N loss with natural rainfall runoff indicated that,with 15‰N-CNPs application,total nitrogen(TN）loss from the paddy was 8.15 kg·hm-2throughout the rice growing season.It accounted for 4.08%of urea-N applied.Furthermore,The loss amount of total nitrogen decreased by 20.02%under the condition of adding 15‰N-CNPs into urea compared with urea treatments.The results of monitoring for nitrogen loss with leakage indicated that,with 15‰N-CNPs application,leakage TN loss from the paddy was 16.59 kg·hm-2throughout the rice growing season.It accounted for 8.30%of urea-N applied.Lastly,15‰N-CNPs application decreased by 34.73%compared with that of urea,and TN loss with runoff and leakage in 15‰N-CNPs treatments decreased by 5.67%and 15.70%,respectively,compared with 5%dicyandiamide treatments.Collectively,the application of N-CNPs can be effective in reducing nitrogen loss from paddy fields and promoting pollution control of agricultural non-point source pollution.

nitrogen-doped carbon nanoparticles;paddy;nitrogen fertilizer;runoff loss;leakage loss

X592

A

1672-2043(2017）07-1378-08

10.11654/jaes.2017-0520

胡偉,向建華,向言詞,等.氮摻雜碳納米子施用對稻田氮素徑流和滲漏損失的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36(7）.1378-1385.

HU Wei,XIANG Jian-hua,XIANG Yan-ci,et al.Effect of nitrogen-doped carbon nanoparticles(N-CNPs）on nitrogen runoff and leakage loss in paddy fields［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1378-1385.

2017-04-10

胡偉(1982—）,男,湖南長沙人,博士,講師,從事土壤氮素循環(huán)研究。E-mail:673152206@qq.com

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(31401943）；湖南省教育廳基金項目(14C0453）

Project supported：Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(31401943）；Research Foundation of Education Bureau of Hunan Province,China(14C0453）