斜發沸石對干濕交替條件下水稻產量和氮素累積的影響

摘要： 【目的】斜發沸石作為一種優良的土壤改良劑，因其具有改善土壤養分、提高水稻產量、減少氮素流失等積極作用而廣泛用于水稻生產中。通過田間定位試驗，探究干濕交替灌溉條件下斜發沸石對水稻氮素吸收利用和產量的長期影響。【方法】在2017—2021 年連續5 年進行原位大田試驗。試驗設計為隨機區組試驗，設置常規淹灌條件下不施斜發沸石（IC FZ0 ），干濕交替灌溉下不施斜發沸石（IA W DZ0） 和干濕交替灌溉下施加10 t/hm2 斜發沸石（IAWDZ10） 3 個處理，斜發沸石于2017 年施入土壤，之后4 年（2018—2021） 不再施用。水稻生育期內定期取0—30 cm 土壤樣品用于測定無機氮含量，每年水稻成熟期，調查籽粒產量量及主要產量構成因子，計算地上部氮累積量、氮肥偏生產力。【結果】ICFZ0 和IAWDZ0 處理的水稻產量、地上部氮累積量和氮肥偏生產力差異均不顯著。與ICFZ0 和IAWDZ0 處理相比，IAWDZ10 處理連續5 年均顯著提高了地上部氮累積量和產量，但增長率隨定位試驗的延長有所下降。IA W DZ1 0 處理氮肥偏生產力較IC FZ0 和IA W DZ0 處理分別增加了9.67～13.44 和5.53～9.55 kg/kg，產量分別增加了1.26～2.42 和1.00～1.72 t/hm2。與IAWDZ0 相比，IAWDZ10 處理地上部干物質累積量在拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和成熟期分別增加了20.96%～31.24%、16.89%～30.44%、17.87%～25.45% 和13.43%～21.12%，地上部氮累積量分別增加了19.92%～47.14%、14.90%～43.88%、21.68%～31.37% 和7.18%～30.27%。IAWDZ0 與ICFZ0 處理土壤無機氮含量差異不顯著，IAWDZ10 處理土壤無機氮含量最高，較IAWDZ0 處理增加了19.88%～40.96%。在分蘗—穗肥階段，5 年間IAWDZ10 處理的土壤NH4+-N 含量較ICFZ0 和IAWDZ0 處理分別增加了31.83%～48.84% 和28.35%～52.80%。IAWDZ0 和ICFZ0 處理收獲后土壤全氮含量差異不顯著，IAWDZ10 較ICFZ0 處理顯著提高了收獲期土壤全氮含量，提升幅度為9.27%～11.41%，這表明隨著時間的延長，斜發沸石并不會對土壤養分產生負面影響，反而對土壤養分具有長期改善的作用。【結論】在干濕交替灌溉條件下，一次性施用斜發沸石可連續多年提高水稻生育期土壤銨態氮含量、增加土壤全氮，進而促進水稻氮吸收，提高氮肥偏生產力和產量。因此，斜發沸石可用于新型灌溉技術下提高水稻產量，實現稻田可持續利用。

關鍵詞： 斜發沸石； 氮； 干濕交替灌溉； 水稻； 產量

氮是植物生長必需的營養元素之一，對調節土壤肥力、維持作物生產具有重要意義[1?2]。增氮是提高水稻產量的重要手段，農民往往通過過量施肥來獲得較高的產量，尤其是氮肥[3]。然而過量、不合理、不均衡的氮肥施用造成了大量氮損失，導致地下水污染、水體富營養化等一系列環境問題[4]。中國是世界上最大的氮肥消耗國，據統計，2020 年中國農業氮肥用量占到全球農業氮肥用量的22.7%[5]，然而中國的氮肥利用率遠遠低于世界平均水平[6]。因此，提高土壤保肥能力，增加作物氮吸收和提高氮肥利用率對減少環境污染和促進農業可持續發展具有重要意義。

中國是世界上最大的水稻生產國，水稻產量占全球水稻產量的27%[7]。水稻是一種高耗水型作物，我國的水稻種植面積約占糧食種植總面積的28% 左右，其耗水量占農業總用水量的65% 以上[8]。我國又是一個水資源匱乏的國家，傳統淹灌耗水量大，水分利用率低，加劇了我國水資源匱乏的狀況。因此，研究水稻節水灌溉技術，提高水資源利用效率對我國糧食生產安全具有重要意義。干濕交替灌溉（alternate wetting and drying irrigation，AWD） 具有減少水分消耗、改善土壤通氣狀況、減少甲烷排放、提高氮肥利用率、增產或穩產的優點，因此被廣泛應用在農業生產中[9?10]。然而，在干濕交替條件下，稻田土壤水分總處于飽和與非飽和交替狀態，土壤氧化與還原狀態的快速更替改變了稻田氮循環過程，促進了硝化?反硝化作用，導致了N2O 排放增加，造成氮損失和環境污染[11?12]。因此，有必要研究干濕交替灌溉下土壤氮素動態及水稻氮素吸收的變化，以減少氮素損失，提高氮肥利用率，減少環境污染。

斜發沸石是一種硅酸鹽礦物，主要由二氧化硅（SiO2）、氧化鋁（Al2O3）、水（H2O） 和堿金屬（如Na、K）、堿土金屬（如Ca、Mg） 離子組成，其中硅氧四面體和鋁氧四面體構成了沸石的三維空間架狀結構，堿金屬、堿土金屬和水分子結合松散、易于置換，獨特的結構使得沸石具有很高的陽離子交換量、吸附和離子交換等作用[13]。而且沸石無毒、無害，使其成為一種綠色、高效的土壤改良劑，廣泛應用于農業生產中[14]。目前，斜發沸石對農業的積極作用已得到諸多證實。王甲辰等[15]通過土柱試驗發現適宜粒徑組成的沸石可以促進玉米對氮、鉀營養的吸收和生物量累積。一些學者通過田間研究也發現，施加斜發沸石可顯著提高氮肥利用率，增加作物產量，其效應至少可持續2 年[16?17]。而Szatanik-Kloc 等[18]研究發現，第一年沸石增加了春小麥的產量，而在第二年和第三年沸石對植物生長發育并沒有積極作用。Zaman 等[19]認為，與田間研究不同，在室內培養期間，沸石與篩分土壤均勻混合，可能會增加其吸附能力，以捕獲更多的NH4+，因此，還需要進行長期田間試驗研究，以評估沸石的生命周期。綜上，目前關于斜發沸石對稻田氮素吸收利用特征和產量影響的研究主要利用培養試驗和短期田間試驗，關于斜發沸石施用后連續多年對稻田植株生長、氮吸收和產量影響的研究還較少。因此，本研究通過連續5 年的原位大田試驗，探究干濕交替灌溉下添加斜發沸石對土壤無機氮動態變化以及植株氮吸收的影響，以探索斜發沸石對稻田氮素的長期影響，以期為斜發沸石在農業生產中進一步推廣應用提供數據支撐。