水分调控对水稻根际土壤反硝化作用的影响

陈志刚, 刘龙梅, 陈 蕾, 周晓红

(1.江苏大学 环境与安全工程学院, 江苏 镇江 212013; 2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室, 江苏 镇江 212013)



水分调控对水稻根际土壤反硝化作用的影响

陈志刚1,2, 刘龙梅1, 陈 蕾1, 周晓红1

(1.江苏大学 环境与安全工程学院, 江苏 镇江 212013; 2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室, 江苏 镇江 212013)

水分; 水稻; 根际土壤; 反硝化

作为全球重大环境问题之一，温室气体所导致的气候变暖已引起国际社会广泛关注。反硝化作用是农田生态系统氮循环的重要环节，是导致氮素气态损失的重要机制，其中间产物氧化亚氮则是引起全球变暖的重要因素之一[1-2]，因此，农田反硝化作用过程成为当前被广泛关注的热点问题之一。

1 试验材料与方法

1.1 试验土壤

1.2 水稻幼苗培育

水稻幼苗在江苏大学农业工程研究院“现代农业装备与技术教育部重点室验室”的人工气候室内培育，培养期间，人工气候室内温度为25±1℃，自然光照射。挑选饱满的稻种各27 g分别置于培养皿中，用自来水淹没种子，催芽露白，催芽期间，每天对培养皿中水分进行补充。待水稻种子露白后，将培养皿中的种子分别均匀地播撒到各个试验桶中，一个培养皿随机选择一个试验桶，随后分别在每个试验桶内添加适量自来水，使得试验桶内土壤水分含量达到田间持水量，以满足水稻幼苗生长所需。水稻幼苗生长期间，定期对试验桶内土壤水分进行测定及补充。待各试验桶内水稻幼苗株高25±3 cm时，开始执行水分管理试验。

1.3 试验设计

试验于2012年5月—2012年10月份在“现代农业装备与技术教育部重点实验室”的人工气候室内培育，培养期间，人工气候室内温度保持在25.5℃，自然光照射。根据参考文献[7-8]，本试验共设定3种水分管理模式：(1) 干湿交替灌溉型(J)。从水稻返青至分蘖初期，土壤始终保持3～5 cm的水层，在分蘖中期则采用干湿轮换浇灌模式(即每次当土壤灌水至5.0 cm深时，待土壤逐渐落干后，再灌下一次水)，收获前15 d撤水；(2) 浅水层连续灌溉型(C)。水稻整个生育期始终维持约3～5 cm的浅水层；(3) 控水模式(G)。除返青建立1.5～3 cm深水层外，在水稻生长的其余生理阶段不建立水层，采用补水保持土壤湿润，以满足水稻生长所需水分。3种水分管理模式均设置两组平行试验，同时对3种水分管理模式分别设置不种植水稻的空白系统作为对照(分别为J对照，C对照，G对照)。

氮、磷、钾肥施用量分别为氮肥(尿素)150 kg/hm2，磷肥(过磷酸钙)35 kg/hm2，钾肥(氯化钾)130 kg/hm2，整个试验周期内共施肥3次。

1.4 样品采集

分别在水稻分裂期(07-12)、孕穗期(09-04)、成熟期(10-19)进行土壤样品采集。采样过程具体为：在各试验桶内轻轻挖取土壤深度15 cm含水稻根系的土壤，装入无菌密封袋，迅速带入实验室，沥干土壤水分后，取水稻根际土壤置于-25℃保存备用，试验桶内剩余植物继续培养。对照试验桶内样品采集深度与植物组相似，采集后同样-25℃保存备用。

1.5 样品测定

采集的土壤样品先通过冷冻干燥仪(LGJ-12压差型)-45℃冷冻干燥，随后对土壤反硝化强度、反硝化势以及土壤反硝化速率进行测定，具体分析方法如下：

(2) 土壤反硝化势的测定。采用乙炔抑制法、泥浆培养法。取5 g冷干土壤放入密闭瓶中，真空泵抽气5 min后充入99.99%氦气和C2H2(顶空气体中C2H2气体的分压大于10 kPa)，加入5 ml溶液(1 mmol/L葡萄糖，1 mmol/L硝酸钾溶液)，25℃下以125 r/min的转速振荡培养。在土壤厌氧培养后的24，48，72 h分别抽取顶空气体5 ml至已抽真空的密闭瓶中，带回实验室立即测N2O的含量。用N2O累积排放量来表示土壤的反硝化势[10]。

(3) 土壤反硝化速率的测定。称取20 g冷干土样，装入容积70 ml、内直径20 cm的厌氧瓶中，使其体积为20 ml，加水调节土壤水分含量至85%WFPS(土壤孔隙水含量，即充水孔隙体积占总孔隙的百分率)[11]，并立即向瓶内吹入高纯氮气以赶走瓶内气体，随后用硅橡胶塞塞住瓶口。每个土样取4份，其中一半充入无杂质的乙炔气体(事先通过6 mol/L浓度的硫酸，以去除其中含有的丙酮等杂质)，使厌氧瓶中乙炔的体积为10%。注入乙炔后，用密封的注射器通过硅胶塞上下抽提5～8次以混匀瓶内气体[12]。另一半未充入乙炔，作为对照组[13]。所有样品均放入30℃生化培养箱中培养。培养1 d后用10 ml注射器在瓶内来回抽取气体3次以混匀瓶内的气体，然后再抽出10 ml气体注入气相色谱仪中，测定N2O的浓度。培养结束后，用布鲁克GC-450气相色谱仪测定N2O的浓度，检测器为63Ni电子捕获检测器(ECD)，色谱柱为80/100目PorapakQ的填充柱。进样口温度设为50℃，炉温设为40℃，检测器温度设为300℃。以高纯度的氮气作为载气，流速为10 ml/min。反吹气为空气(79%氮气+21%氧气)。定量六通阀进样，进样量为2 ml。由布鲁克GC-450积分记录仪记录数据，以国家标准物质研究中心制定的氧化亚氮标准气体作为参考，比较待测气体的峰面积，从而得出待测气体的浓度。有关气体的测定以及计算步骤参照参考文献[13]。

2 结果与分析

2.1 水稻根际土壤反硝化强度变化特征

图1 水稻根际土壤反硝化强度的变化

2.2 水稻根际土壤反硝化速率变化特征

图2 水稻根际土壤反硝化速率的变化

与反硝化强度相似，水稻系统内反硝化速率亦随植物的生长呈显著下降趋势，表现为分蘖期>孕穗期>成熟期，方差分析结果表明，水稻根系土壤反硝化速率在3个生长阶段有显著差异(p<0.05)，这与系统内底物浓度及其植物根际的代谢过程等密切相关。植物可通过以下途径直接或间接地对反硝化速率产生影响：(1) 通过吸收同化硝酸盐氮而抑制反硝化作用；(2) 植物提供根分泌物及残屑等有机物为反硝化细菌提供碳源，最后通过矿化作用和硝化作用促进反硝化作用；(3) 植物根系的呼吸作用和根际微生物降解有机物的过程等都将消耗氧气，而植物通过蒸腾作用以及与气体交换则提高土壤氧气的浓度，使得植物根系土壤溶解氧含量处于波动状态，而这一波动变化强度则与植物的生长发育过程密切相关，其中植物再生长过程中其根分泌物和残屑不仅为微生物提供有机碳而且在降解的过程中降低了氧气分压[26]，这将对植物根系反硝化作用产生一定的影响。

2.3 水稻根际土壤反硝化势变化特征

图3 土壤反硝化势的变化

研究同时发现，3组不同水分管理模式下的无植物对照系统反硝化势同样表现为：连续灌溉>干湿交替>控水模式的变化趋势，且均小于有植物组，这一结果的可能原因在于：种植水稻后，在水稻生长过程中由于根系分泌物以及有机物质残屑等为反硝化细菌提供丰富的营养来源[26]，促使反硝化细菌种类和数量迅速增加，导致反硝化作用的加强，故水稻组反硝化势均高于对照组。

3 结 论

(1) 在3种水分管理模式下(C，J，G)，土壤反硝化强度、反硝化势以及反硝化速率均有相似的规律性。即：试验组和对照组，变化趋势均为连续灌溉>干湿交替>控水模式，且试验组组>对照组，并随着水稻的生长而呈递减趋势。

(2) 土壤反硝化势在水稻不同生育期内波动变化较小，试验组和对照组差异不显著。而土壤反硝化强度及反硝化速率在水稻不同生长阶段内波动变化较大，但整体上随植物的生长过程呈降低的趋势。

(3) 根际土壤反硝化强度、反硝化势及反硝化速率与土壤硝酸盐氮浓度有显著相关性，即底物硝酸盐氮浓度是影响土壤反硝化作用过程的重要影响因子。

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Effects of Three Different Irrigation Cultivated Modes on Soil Denitrification of Rice Rhizosphere

CHEN Zhigang1,2, LIU Longmei1, CHEN Lei1, ZHOU Xiaohong1

(1.SchoolofEnvironmentandSafetyEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China; 2.KeyLaboratoryofModernAgriculturalEquipmentandTechnology,MinistryofEducation,JiangsuUniversity,Zhenjiang,Jiangsu212013,China)

A typical rice field ecosystem was selected as the research site. We used the indoor pot experiment to study the effects of three kinds of water cultivated modes (shallow layer of continuous irrigation, C; alternating wet and dry, J; water control mode, G) on soil denitrification of rice rhizosphere. The results showed that the average value of denitrification intensity, denitrification rate and denitrification potential in continuous irrigation groups were 2.19 mg/(kg·d), 118.54 mmol/(m2·d) and 28.42 mol/(m2·d), respectively. The average value of denitrification intensity in alternating wet and dry groups and water control groups were 64.40% and 52.34% of those in the continuous irrigation groups; the average value of denitrification rate in alternating wet and dry groups and water control groups were 69.02% and 59.73% of those in continuous irrigation groups; the average value of denitrification potential in alternating wet and dry groups and water control groups were 77.39%, 81.43% of those in continuous irrigation groups, which indicated that the order of denitrification intensity, denitrification rate and denitrification potential of rice rhizosphere soil was continuous irrigation groups>alternating wet and dry group>water control groups. In addition, the values of denitrification intensity, denitrification rate and denitrification potential presented the obvious decreasing trend with the plant growth, and their orders were all tillering stage>booting stage>mature period. Correlation analysis showed that the rhizosphere soil denitrification intensity, denitrification potential and denitrification rate were significantly correlated with nitrate nitrogen concentration in the system.

moisture; rice; rhizosphere soil; denitrification

2014-11-07

2014-12-02

现代农业装备与技术教育部重点实验室开放基金(NZ201010);江苏大学第12批大学生科研立项资助项目(12A255)

陈志刚(1963—),男,江苏镇江人,教授,博士,主要从事农业生物环境保护以及生态修复研究。E-mail:chenzg@mail.ujs.edu.cn

周晓红(1981—),女,陕西凤翔人,副教授,博士,主要从事退化生态系统修复研究。E-mail:xhzhou0214@163.com

X171.1; S511

1005-3409(2015)05-0133-05