不同水氮調控模式對稻田土壤氮素分布與有效性的影響

張忠學 陳 鵬 聶堂哲 姜 浩 孟翔燕 楊軍明

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.農業部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.東北農業大學理學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2017年在黑龍江省水稻灌溉試驗站進行，該站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于慶安縣和平鎮，是典型的寒地黑土分布區。從水稻移栽到成熟該地區總降雨量為232 mm，日氣溫和降雨量變化如圖1所示。多年平均水面蒸發量750 mm，作物水熱生長期為156～171 d，全年無霜期128 d。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風氣候。供試土壤為白漿型水稻土，種植水稻時間20 a以上，土壤耕層厚度11.3 cm，在移栽和施肥前，對試驗小區0～20 cm土層進行5點對角取樣后混合，并對其主要土壤理化性質進行分析，供試土壤基本性質見表1。

圖1 水稻生長期內空氣溫度和降雨量的日變化Fig.1 Diurnal changes of air temperature and rainfall during rice growth period

1.2 試驗設計

1.2.1小區試驗

試驗采用灌水方式和施氮量2因素全面試驗，設置2種灌水方式：控制灌溉(C)、常規灌溉(F)，水稻控制灌溉模式除水稻返青期田面保持5～25 mm淺薄水層外，其余各生育階段均不建立水層，以根層的土壤含水率為控制指標確定灌水時間和灌水定額，灌水上限為土壤飽和含水率，分蘗前期、分蘗中期、分蘗末期、拔節孕穗期、抽穗開花期及乳熟期土壤含水率下限分別為飽和含水率的85%、85%、60%、85%、85%、70%。常規灌溉除分蘗后期為控制無效分蘗適當排水曬田和黃熟期自然落干以外，其余水稻生育期田面均保持3～5 cm水層。設3個施氮水平，即N1(85 kg/hm2)、N2(110 kg/hm2)、N3(135 kg/hm2)。共6個處理，每個處理設3次重復，共18個試驗小區，每個小區面積100 m2(10 m×10 m)，各小區之間田埂向地下內嵌40 cm深的塑料板，防止各小區間的水氮交換。氮肥按照基肥、蘗肥、穗肥施用量比例為4.5∶2∶3.5分施，基肥于水稻移栽前1 d施入，蘗肥于移栽后24 d施入，穗肥于移栽后72 d施入，各處理磷、鉀肥用量均一致，施用P2O545 kg/hm2、K2O 80 kg/hm2，磷肥在移栽前一次性施用，鉀肥于移栽前和水稻8.5葉齡分2次施用，施用量比例為1∶1。試驗選用當地的水稻品種龍慶稻3號，于2017年5月17日將長勢相同的水稻幼苗進行移栽，株距16.67 cm，行距30 cm，每穴定3株，9月20日收割，生育期為126 d，在水稻各生長階段及時除草，防治病蟲害，以免影響水稻養分吸收。

表1 供試土壤基本特性Tab.1 Basic characteristics of tested soil

1.2.2微區試驗

在上述各試驗小區內設置了15N示蹤微區(微區內水稻種植模式同試驗小區)，于稻田整地后和基肥尿素施用前在每個小區內預先埋設1個長1 m、寬1 m、高0.5 m的無底PVC矩形框，將微區埋深至犁底層下(深30 cm)，施用的標記肥料為上海化工研究院生產的豐度為10.22%的15N標記尿素。氮肥、磷肥、鉀肥用量及灌溉方式同所在的試驗小區，試驗微區采用農用小型潛水泵單獨排灌，其余田間管理同試驗小區。

1.3 觀測內容與方法

1.3.1植株氮含量及15N豐度

于水稻成熟期從每個微區內外隨機選取代表性水稻各3穴，然后用農用壓縮噴霧器沖洗干凈，并將水稻植株地上部分為莖、葉、穗3部分，裝入樣品袋，帶回實驗室，放入干燥箱經過105℃、鼓風條件下殺青30 min，然后70℃下干燥至恒質量后稱量不同部位的干物質量。稱量后的樣品使用球磨機進行粉碎處理，過80目篩后混勻，采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型連續流動分析儀(Seal Analytical GmbH，德國，靈敏度0.001 AUFS)測定各部位全氮含量，剩余樣品粉碎過篩后放入樣品袋中密封保存。

將密封保存的水稻各器官樣品帶回實驗室進行同位素測定，穩定同位素測試在東北農業大學農業部水資源高效利用重點實驗室完成，采用元素分析儀(Flash 2000 HT，Thermo Fisher Scientific，美國)和同位素質譜儀(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美國)聯用的方法測定成熟期水稻各器官15N豐度。

不同水氮調控下水稻植株樣品氮素積累量中來自尿素-15N的百分數(Ndff)，根據WANG等[16]的公式計算，即

Ndff=(a-b)/(c-d)×100%

(1)

式中a——微區內植株樣品的15N豐度

b——相同水氮處理微區外植株樣品中15N豐度

c——15N標記肥料中15N豐度

d——天然15N豐度標準值(0.366 3%)

水稻植株樣品氮素積累量中來自土壤氮素的百分數(Ndfs)為

Ndfs=1-Ndff

(2)

水稻植株樣品從土壤中吸收的氮素量為

Psn=DMDCNdfs

(3)

式中DM——植株干物質量，kg/hm2

DC——植株含氮率，%

1.3.2土壤氮素有效性

從施肥角度分析并表示土壤中原有的氮素營養有效性等同于施入氮肥的供應量定義為“A”值，根據吳海卿等[17]的公式，可以直接從上述的Ndff和Ndfs計算出土壤氮素的“A”值，即

(4)

式中NF——施氮量，kg/hm2

1.3.3土壤無機氮累積量

不同土層無機氮(銨態氮和硝態氮)累積量(Nmin)，根據文獻[18]中公式計算，即

Nmin=0.1DPbC

(5)

式中D——土層厚度，cm

Pb——土壤容重，g/cm3

C——某土層中無機氮質量比，mg/kg

圖2 不同處理水稻收獲后土壤各剖面銨態氮累積量Fig.2 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

1.3.4以無機氮形式殘留的肥料-15N含量

本試驗采用張珮儀等[19-20]的微擴散法制備各處理土壤浸提液中無機氮的15N穩定同位素比值樣品。并通過元素分析儀和同位素質譜儀聯用的方法測定樣品的15N穩定同位素比值[21]。為更準確地測定樣品中無機氮的15N豐度，在樣品制備過程中設置了空白對照對測定結果進行校正。校正公式為

(6)

式中Es——校正后的樣品15N豐度，%

Em——實際測定的樣品15N豐度，%

Ms+b——空白對照氮量和樣品氮量的總和，μg

Mb——空白對照的氮量，μg

Eb——空白對照的15N豐度，%

1.4 數據統計分析

采用SPSS 13.0單因素方差分析及Duncan多重比較方法進行顯著差異性分析及均值比較，并采用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水氮調控對土壤無機氮累積量的影響

圖3 不同處理水稻收獲后土壤各剖面硝態氮累積量Fig.3 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

2.2 不同水氮調控下土壤中無機氮形態的肥料氮素累積量

圖4 不同處理水稻收獲后土壤各剖面銨態氮形態的肥料氮素累積量Fig.4 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

圖5 不同處理水稻收獲后土壤各剖面硝態氮形態的肥料氮素累積量Fig.5 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

2.3 不同水氮調控下水稻對土壤氮素的利用

如圖6所示，兩種灌溉模式下水稻從土壤中吸收的氮素量均隨施氮量的增加而增大，稻作控制灌溉模式下N2、N3處理較N1處理水稻從土壤中吸收的氮素量增加了12.91%和23.12%。相同施氮量下不同灌溉模式間水稻從土壤吸收的氮素量差異顯著(P<0.05)，與常規灌溉相比，稻作控制灌溉模式水稻在N2、N3處理下均具有較高的從土壤中吸收的氮素量，相同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻從土壤中吸收的氮素量較常規灌溉增加了9.09%和4.75%，研究結果表明，稻作控制灌溉模式下水稻對土壤氮素的吸收利用情況優于常規灌溉。

圖6 不同處理水稻地上部植株從土壤中吸收的氮素量及氮素總積累量中土壤氮素占比Fig.6 Soil nitrogen ratio in total accumulation of nitrogen and nitrogen absorbed from soil under different treatments of rice aboveground plants

兩種灌溉模式下水稻不同器官的土壤氮素積累量隨施氮量的增加整體呈增大趨勢(表2)，且兩種灌溉模式不同施氮量下土壤氮素在水稻地上部各器官的積累量由大到小均表現為穗、莖和鞘、葉。稻作控制灌溉模式下水稻從土壤中吸收的氮素總量的8.79%～9.87%分布在水稻葉片；18.82%～22.11%分布在水稻莖鞘；68.10%～72.39%分布在水稻穗部。常規灌溉不同施氮量下水稻從土壤中吸收氮素總量的9.80%～11.10%分布在水稻葉片；21.24%～21.94%分布在水稻莖鞘；67.03%～68.79%分布在水稻穗部。不同灌溉模式處理間對比顯示，兩種灌溉模式下不同施氮水平間水稻莖鞘和穗部土壤氮素的積累量差異顯著(P<0.05)，在施氮量為110 kg/hm2和135 kg/hm2時稻作控制灌溉模式下水稻莖鞘部土壤氮素的積累量較常規灌溉分別增加了9.09%和9.05%；穗部增加了11.10%和3.72%。與常規灌溉相比，稻作控制灌溉模式下水稻對土壤氮素吸收利用情況較優的同時，吸收的土壤氮素往水稻穗部的運移積累量較高。

2.4 不同水氮調控對土壤“A”值的影響

土壤“A”值是假定土壤中的氮素有兩個來源，作物從每個來源吸收的氮素分別與兩個來源的數量成正比，只需分別測定出作物從每個來源吸收的氮素，即可計算出土壤中固有的營養物質氮素，“A”值在評價土壤氮素有效性上有一定的應用價值，是與產量無關的同位素判斷數據[22]。稻作控制灌溉模式下土壤“A”值隨施氮量的增加呈先減小后增大趨勢，常規灌溉模式下土壤“A”值隨施氮量的增加而增大，且相同施氮量下稻作控制灌溉模式的土壤“A”值均高于常規灌溉(圖7)，稻作控制灌溉模式下土壤“A”值在相同施氮量下與常規灌溉相比分別提高了9.41%、5.65%和3.69%。研究結果表明，稻作控制灌溉模式可以有效提高土壤氮素有效性，有利于水稻對土壤氮素的吸收利用。

表2 不同處理下水稻地上部各器官中土壤氮素的積累量Tab.2 Accumulation of soil nitrogen in various organs of rice under different treatments kg/hm2

圖7 不同處理下土壤氮素有效性“A”值Fig.7 Soil nitrogen availability “A” value under different treatments

3 討論

本試驗中不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻成熟期氮素積累量中77.77%～84.51%來自于土壤氮素，略高于已有研究結果[29-30]，這可能是由于供試土壤為黑土，基礎肥力較高且保水保肥能力強，有利于水稻對土壤氮素的吸收利用。除N1處理外，稻作控制灌溉模式N2和N3處理下水稻對土壤氮素的吸收利用量均高于常規灌溉，且稻作控制灌溉模式下土壤氮素有效性“A”值在相同施氮量下與常規灌溉相比分別提高了9.41%、5.65%和3.69%，表明稻作控制灌溉模式可以有效提高土壤氮素有效性，提高水稻對土壤氮素的吸收利用量。本試驗僅研究了水稻收獲時土壤剖面中無機氮的累積和肥料氮素以無機態形態的累積情況，而對不同水氮調控下水稻各生育期內對土壤氮素的吸收利用及土壤氮素的遷移轉化還需進一步研究。

4 結論

(3)不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻成熟期氮素積累量中77.77%～84.51%來自于土壤氮素，較常規灌溉提高了12.91%～23.12%，且水稻從土壤中吸收的氮素量隨施氮量的增加而增大，不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻從土壤中吸收的氮素總量的8.79%～9.87%分布在水稻葉片；18.82%～22.11%分布在水稻莖鞘；68.10%～72.39%分布在水稻穗部，除N1處理外，稻作控制灌溉模式N2和N3處理下水稻對土壤氮素的吸收利用量均高于常規灌溉。從作物角度分析表明稻作控制灌溉模式可以改善水稻對土壤氮素的吸收利用情況。同位素測定結果表明，稻作控制灌溉模式下土壤氮素有效性“A”值在相同施氮量下均高于常規灌溉，控制灌溉模式可以提高土壤氮素的有效性，有利于水稻對土壤氮素的吸收利用。