水炭運籌下稻田土壤氮素分布與盈虧15N示蹤分析

張作合 張忠學 鄭衍波 李鐵成 韓 羽 趙文博

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.綏化學院農業與水利工程學院， 綏化 152061；3.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年5—9月在慶安國家灌溉試驗重點站進行。該站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于黑龍江省慶安縣和平灌區，屬典型寒地黑土區。位于第三積溫帶，屬寒溫帶大陸性季風氣候，多年平均降水量為560 mm，平均水面蒸發量為750 mm，平均氣溫為2.9℃，平均日照時數為2 600 h，全年無霜期約為128 d，是黑龍江省典型的水稻種植區。2018年水稻本田生長期內試驗區最高溫度、最低溫度和降雨量變化如圖1所示。

圖1 2018年水稻生長期氣溫和降雨量日變化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation in 2018

1.2 試驗材料

采用遼寧金和福農業開發有限公司生產的水稻秸稈生物炭，在450℃高溫無氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可轉化顆粒形式(直徑2 mm)的秸稈生物炭約2.5 t，pH值8.86，碳質量分數為42.72%，氮質量分數為1.26%，陽離子交換量(CEC)為44.7 cmol/kg，比表面積為81.85 m2/g。供試土壤為黑土型水稻土，耕層厚度為11.3 cm，犁底層厚度為10.5 cm，37.3%土壤粒徑在0.02～2.0 mm之間、32.3%土壤粒徑在0.002～0.02 mm之間、30.4%土壤粒徑為0～0.002 mm，試驗小區0～20 cm土層的土壤基本理化性質：pH值6.40，有機質質量比41.80 g/kg，全氮質量比1.51 g/kg，堿解氮質量比148.27 mg/kg，全磷質量比15.61 g/kg，速效磷質量比24.22 mg/kg，全鉀質量比19.86 g/kg，速效鉀質量比156.13 mg/kg。供試水稻品種為綏粳18，該品種已在研究區大面積推廣種植，插秧密度為25萬穴/hm2。

1.3 試驗設計

試驗采用生物炭施用量和灌溉模式2因素全面試驗，秸稈生物炭施用量設置4個水平：B0(0 t/hm2)、B1(2.5 t/hm2)、B2(12.5 t/hm2)、B3(25 t/hm2)，兩種水分管理模式(表1)分別為淺濕干灌溉模式(Dry-wet-shallow irrigation，D)和常規淹灌模式(Flooding irrigation，F)。當田面無水層后，水稻淺濕干灌溉模式各試驗小區采用土壤水分測定儀(TPIME-PICO64/32型)測定土壤含水率，若土壤含水率低于或接近灌水下限時，開始灌水直至上限；當田面無水層時，常規淹灌模式各處理灌水至上限，同時記錄灌水量。8個處理，每個處理3次重復，共計24個試驗小區，采用隨機區組排列，方形小區面積100 m2，各小區之間田埂向地下內嵌40 cm深的塑料板。秸稈生物炭在前一年水稻收獲后施入，將生物炭翻耕于稻田土壤表層15 cm左右，并旋耕混勻；氮肥基肥、蘗肥、穗肥按5∶2∶3分施，純氮施用量為110 kg/hm2(當地施氮水平)，基肥在泡田之前3～5 d深施，蘗肥和穗肥在田面無水層或水層較淺時撒施；K2O基肥、穗肥按1∶1分施，施用量為80 kg/hm2；P2O5作為基肥一次性施入，施用量為45 kg/hm2。供試肥料選用尿素(N質量分數為46.4%)、過磷酸鈣(P2O5質量分數為12%)、硫酸鉀(K2O質量分數為52%)，并計算實際施用量。2018年5月19日選擇長勢基本相同的水稻秧苗進行移栽，每穴定苗3株，并于9月21日收割。水稻生長期統一田間管理，同時嚴格控制病蟲及草害。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth stage of rice field

注：θs為根層土壤飽和含水率。

在上述試驗小區內設置15N示蹤微區，稻田整地后立即在每個小區內預埋長2 m、寬2 m、高0.5 m的無底鋼制矩形框，將微區埋30 cm深，施用豐度為10.22%15N標記尿素(上海化工研究院生產)。微區內設置單獨小型排灌系統，水稻的種植模式、灌溉模式、肥料用量及秸稈生物炭施用量等田間管理與所在試驗小區相同。

1.4 樣品的采集與測定

1.4.1植株氮含量及15N豐度

水稻成熟期測植株氮含量，從各小區和微區隨機選取3穴具有代表性水稻植株，用噴霧器及時沖洗干凈，切除根后將植株地上部分為莖鞘、葉、穗，并裝袋帶回實驗室，干燥箱105℃殺青30 min，然后于80℃鼓風條件下干燥至質量恒定后，立即稱量各部位干物質的質量。稱量后將樣品用球磨機粉碎，過篩(80目)后混勻，采用消煮法(H2SO4-H2O2)及AA3型連續流動分析儀(Seal Analytical GmbH，德國)測定植株各部位的全氮含量，并將剩余樣品裝袋密封保存，用于同位素測定。穩定同位素測試在東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室完成，主要利用元素分析儀(Flash 2000 HT型，美國)和同位素質譜儀(DELTA V Advantage，美國)聯用的方法測定水稻收獲后不同器官的15N豐度。

不同水炭運籌下水稻植株樣品中積累的氮素來自于15N-尿素百分比Ndff參照張忠學等[11]的公式計算，即

(1)

式中a——微區內水稻植株樣品15N豐度，%

b——相同處理微區外水稻植株樣品的15N豐度，%

c——15N標記尿素中15N的豐度，%

d——天然15N豐度標準值，為0.366 3%

水稻植株樣品中積累的氮素來自于土壤氮素的百分比為

Ndfs=1-Ndff

(2)

植株樣品中從土壤吸收的氮素量FNs(kg/hm2)為

FNs=NdfsDMNC

(3)

式中DM——水稻植株干物質量，kg/hm2

NC——水稻植株含氮率，%

1.4.2土壤無機氮累積量

Nm=0.1HBDC

(4)

式中H——土層厚度，cm

BD——對應土層土壤容重，g/cm3

C——對應土層中無機氮質量比，mg/kg

1.4.3殘留的肥料-15N中無機氮含量

本試驗采用微擴散法[13-14]制備不同處理土壤浸提液中無機氮的15N穩定同位素比值樣品。并通過同位素質譜儀和元素分析儀聯用的方法測定樣品中15N穩定同位素的比值[15]。樣品制備過程中設置空白對照校正測定的結果，以確保測定的土壤樣品中無機氮的15N豐度更準確。校正公式為

(5)

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——樣品含氮量和空白對照含氮量的總和，μg

Eb——空白對照的15N豐度，%

Mb——空白對照的含氮量，μg

1.4.4土壤氮素激發率

土壤氮素激發率計算公式為

(6)

式中NPK——施氮處理來自土壤中氮量，kg/hm2

PK——不施氮處理植株總氮量，kg/hm2

1.5 數據統計分析

采用WPS 2019、SPSS分析和處理數據，用Duncan進行處理間的多重比較，用WPS 2019和Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水炭運籌對水稻成熟期土壤無機氮累積量的影響

圖2 不同處理水稻收獲后銨態氮在土壤中的分布Fig.2 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

圖3 不同處理水稻收獲后硝態氮在土壤中的分布Fig.3 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

2.2 不同水炭運籌對土壤中無機氮形態肥料氮素累積量的影響

圖4 不同處理水稻收獲后銨態氮形態的肥料氮素在土壤中的分布Fig.4 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

圖5 不同處理水稻收獲后硝態氮形態的肥料氮素在土壤中的分布Fig.5 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

2.3 水炭運籌下秸稈生物炭和肥料氮對土壤氮的激發效應

通常情況下施加無機氮會對土壤氮素產生激發效應[16-17]，這種激發效應能夠反映土壤氮庫的盈虧及平衡狀況。由表2(表中數據為110 kg/hm2的氮肥與生物炭耦合產生的激發效應)可知，不同水炭運籌下各處理均產生正向激發效應，土壤氮素激發率在138%～165%范圍內變化。兩種灌溉模式之間土壤的氮素激發率差異顯著(P<0.05)，當秸稈生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時，與常規淹灌相比，淺濕干灌溉模式在相同秸稈生物炭施用水平下較常規淹灌增加了2.98%、3.69%和5.22%，而施加25 t/hm2秸稈生物炭時，淺濕干灌溉模式較常規淹灌降低了4.21%；兩種灌溉模式的土壤氮素激發率不同處理之間差異均顯著(P<0.05)，且隨著秸稈生物炭施入量的增加而增大。

表2 土壤氮的激發率Tab.2 Soil nitrogen excitation effect %

注：同列不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平差異顯著，下同。

2.4 不同水炭運籌下水稻對土壤氮素利用及產量的影響

圖6 不同處理水稻地上部植株從土壤中吸收的氮素量及對氮素總累積量的貢獻率Fig.6 Nitrogen uptake from soil and its contribution to total nitrogen accumulation by rice aboveground plants under different treatments

由圖6可知，不同水炭運籌下水稻植株從土壤中吸收的氮素占總吸氮量的79.40%～82.19%，各處理水稻植株從土壤中吸收的氮素均顯著高于吸收的肥料氮素(P<0.05)。當秸稈生物炭施加量在0～12.5t/hm2時，兩種灌溉模式水稻植株從土壤中吸收的氮素量均隨秸稈生物炭施用量的增加而增大，淺濕干灌溉模式下施加2.5、12.5、25 t/hm2秸稈生物炭處理植株從土壤中吸收的氮素量較不施加秸稈生物炭處理分別提高1.25%、10.23%和6.99%。水稻植株從土壤吸收的氮素量在相同秸稈生物炭施用水平下兩種灌溉模式之間的差異顯著(P<0.05)，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻植株從土壤中吸收的氮素量較常規淹灌分別提高4.04%、4.99%、8.64%和1.03%，研究結果表明，淺濕干灌溉模式植株對土壤氮素的吸收優于常規淹灌。

由表3可知，水稻成熟期土壤氮素在植株各器官的分布差異較大，兩種灌溉模式不同秸稈生物炭施用水平下植株地上部各器官中土壤氮素的累積量由大到小依次為穗、莖鞘、葉，當秸稈生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時，兩種灌溉模式土壤氮素在葉片、莖鞘和穗中的累積量均隨著秸稈生物炭施用量的增加而增大，而施加25 t/hm2秸稈生物炭會對淺濕干灌溉模式土壤氮素在穗中的累積產生負效應。淺濕干灌溉模式土壤氮素累積量的9.79%～13.96%分布在植株葉片中；15.71%～20.03%分布在植株莖鞘中；66.00%～74.50%分布在植株穗部。常規淹灌模式土壤氮素累積量的12.10%～15.73%分布在植株葉片中；17.10%～18.86%分布在植株莖鞘中；65.87%～68.82%分布在植株穗部。當施加秸稈生物炭量在0～12.5 t/hm2時，淺濕干灌溉模式下相同秸稈生物炭施用量水稻植株在葉片和莖鞘中的土壤氮素累積量低于常規淹灌，而在穗中的土壤氮素累積量顯著高于常規淹灌(P<0.05)。淺濕干灌溉模式各處理較常規淹灌不施加生物炭水稻產量分別增加了1.36%、2.37%、14.59%和4.73%。綜合考慮寒地黑土區土壤氮庫盈虧平衡，淺濕干灌溉模式施加12.5 t/hm2秸稈生物炭的水炭運籌模式最優。

表3 水稻成熟期各器官中土壤氮素的累積量及產量Tab.3 Accumulation of soil nitrogen in organs and yield of rice at maturity kg/hm2

3 討論

表4 收獲后土壤氮素盈虧量Tab.4 Budget of soil N after harvest kg/hm2

4 結論

(3)兩種灌溉模式各處理水稻植株對土壤氮素吸收均產生正的激發效應，兩種灌溉模式之間土壤的氮素激發率差異顯著(P<0.05)，淺濕干灌溉模式的激發效果更明顯。不同水炭運籌下，水稻植株從土壤中吸收的氮素占總吸氮量的79.40%～82.19%，相同秸稈生物炭施用水平下，淺濕干灌溉模式水稻植株從土壤中吸收的氮素量比常規淹灌提高了1.03%～8.64%。淺濕干灌溉模式土壤氮素積累量的9.79%～13.96%分布在植株葉片，15.71%～20.03%分布在植株莖鞘，66.00%～74.50%分布在植株穗部。淺濕干灌溉模式各處理較常規淹灌不施加生物炭水稻產量分別增加了1.36%、2.37%、14.59%和4.73%。

(4)綜合考慮寒地黑土區土壤氮庫盈虧平衡，淺濕干灌溉模式施加12.5 t/hm2秸稈生物炭的水炭運籌模式最優。