不同水氮调控模式对稻田土壤氮素分布与有效性的影响

张忠学 陈 鹏 聂堂哲 姜 浩 孟翔燕 杨军明

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.农业部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030；3.东北农业大学理学院， 哈尔滨 150030)

0 引言

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2017年在黑龙江省水稻灌溉试验站进行，该站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于庆安县和平镇，是典型的寒地黑土分布区。从水稻移栽到成熟该地区总降雨量为232 mm，日气温和降雨量变化如图1所示。多年平均水面蒸发量750 mm，作物水热生长期为156～171 d，全年无霜期128 d。气候特征属寒温带大陆性季风气候。供试土壤为白浆型水稻土，种植水稻时间20 a以上，土壤耕层厚度11.3 cm，在移栽和施肥前，对试验小区0～20 cm土层进行5点对角取样后混合，并对其主要土壤理化性质进行分析，供试土壤基本性质见表1。

图1 水稻生长期内空气温度和降雨量的日变化Fig.1 Diurnal changes of air temperature and rainfall during rice growth period

1.2 试验设计

1.2.1小区试验

试验采用灌水方式和施氮量2因素全面试验，设置2种灌水方式：控制灌溉(C)、常规灌溉(F)，水稻控制灌溉模式除水稻返青期田面保持5～25 mm浅薄水层外，其余各生育阶段均不建立水层，以根层的土壤含水率为控制指标确定灌水时间和灌水定额，灌水上限为土壤饱和含水率，分蘖前期、分蘖中期、分蘖末期、拔节孕穗期、抽穗开花期及乳熟期土壤含水率下限分别为饱和含水率的85%、85%、60%、85%、85%、70%。常规灌溉除分蘖后期为控制无效分蘖适当排水晒田和黄熟期自然落干以外，其余水稻生育期田面均保持3～5 cm水层。设3个施氮水平，即N1(85 kg/hm2)、N2(110 kg/hm2)、N3(135 kg/hm2)。共6个处理，每个处理设3次重复，共18个试验小区，每个小区面积100 m2(10 m×10 m)，各小区之间田埂向地下内嵌40 cm深的塑料板，防止各小区间的水氮交换。氮肥按照基肥、蘖肥、穗肥施用量比例为4.5∶2∶3.5分施，基肥于水稻移栽前1 d施入，蘖肥于移栽后24 d施入，穗肥于移栽后72 d施入，各处理磷、钾肥用量均一致，施用P2O545 kg/hm2、K2O 80 kg/hm2，磷肥在移栽前一次性施用，钾肥于移栽前和水稻8.5叶龄分2次施用，施用量比例为1∶1。试验选用当地的水稻品种龙庆稻3号，于2017年5月17日将长势相同的水稻幼苗进行移栽，株距16.67 cm，行距30 cm，每穴定3株，9月20日收割，生育期为126 d，在水稻各生长阶段及时除草，防治病虫害，以免影响水稻养分吸收。

表1 供试土壤基本特性Tab.1 Basic characteristics of tested soil

1.2.2微区试验

在上述各试验小区内设置了15N示踪微区(微区内水稻种植模式同试验小区)，于稻田整地后和基肥尿素施用前在每个小区内预先埋设1个长1 m、宽1 m、高0.5 m的无底PVC矩形框，将微区埋深至犁底层下(深30 cm)，施用的标记肥料为上海化工研究院生产的丰度为10.22%的15N标记尿素。氮肥、磷肥、钾肥用量及灌溉方式同所在的试验小区，试验微区采用农用小型潜水泵单独排灌，其余田间管理同试验小区。

1.3 观测内容与方法

1.3.1植株氮含量及15N丰度

于水稻成熟期从每个微区内外随机选取代表性水稻各3穴，然后用农用压缩喷雾器冲洗干净，并将水稻植株地上部分为茎、叶、穗3部分，装入样品袋，带回实验室，放入干燥箱经过105℃、鼓风条件下杀青30 min，然后70℃下干燥至恒质量后称量不同部位的干物质量。称量后的样品使用球磨机进行粉碎处理，过80目筛后混匀，采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国，灵敏度0.001 AUFS)测定各部位全氮含量，剩余样品粉碎过筛后放入样品袋中密封保存。

将密封保存的水稻各器官样品带回实验室进行同位素测定，稳定同位素测试在东北农业大学农业部水资源高效利用重点实验室完成，采用元素分析仪(Flash 2000 HT，Thermo Fisher Scientific，美国)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，美国)联用的方法测定成熟期水稻各器官15N丰度。

不同水氮调控下水稻植株样品氮素积累量中来自尿素-15N的百分数(Ndff)，根据WANG等[16]的公式计算，即

Ndff=(a-b)/(c-d)×100%

(1)

式中a——微区内植株样品的15N丰度

b——相同水氮处理微区外植株样品中15N丰度

c——15N标记肥料中15N丰度

d——天然15N丰度标准值(0.366 3%)

水稻植株样品氮素积累量中来自土壤氮素的百分数(Ndfs)为

Ndfs=1-Ndff

(2)

水稻植株样品从土壤中吸收的氮素量为

Psn=DMDCNdfs

(3)

式中DM——植株干物质量，kg/hm2

DC——植株含氮率，%

1.3.2土壤氮素有效性

从施肥角度分析并表示土壤中原有的氮素营养有效性等同于施入氮肥的供应量定义为“A”值，根据吴海卿等[17]的公式，可以直接从上述的Ndff和Ndfs计算出土壤氮素的“A”值，即

(4)

式中NF——施氮量，kg/hm2

1.3.3土壤无机氮累积量

不同土层无机氮(铵态氮和硝态氮)累积量(Nmin)，根据文献[18]中公式计算，即

Nmin=0.1DPbC

(5)

式中D——土层厚度，cm

Pb——土壤容重，g/cm3

C——某土层中无机氮质量比，mg/kg

图2 不同处理水稻收获后土壤各剖面铵态氮累积量Fig.2 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

1.3.4以无机氮形式残留的肥料-15N含量

本试验采用张珮仪等[19-20]的微扩散法制备各处理土壤浸提液中无机氮的15N稳定同位素比值样品。并通过元素分析仪和同位素质谱仪联用的方法测定样品的15N稳定同位素比值[21]。为更准确地测定样品中无机氮的15N丰度，在样品制备过程中设置了空白对照对测定结果进行校正。校正公式为

(6)

式中Es——校正后的样品15N丰度，%

Em——实际测定的样品15N丰度，%

Ms+b——空白对照氮量和样品氮量的总和，μg

Mb——空白对照的氮量，μg

Eb——空白对照的15N丰度，%

1.4 数据统计分析

采用SPSS 13.0单因素方差分析及Duncan多重比较方法进行显著差异性分析及均值比较，并采用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水氮调控对土壤无机氮累积量的影响

图3 不同处理水稻收获后土壤各剖面硝态氮累积量Fig.3 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

2.2 不同水氮调控下土壤中无机氮形态的肥料氮素累积量

图4 不同处理水稻收获后土壤各剖面铵态氮形态的肥料氮素累积量Fig.4 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

图5 不同处理水稻收获后土壤各剖面硝态氮形态的肥料氮素累积量Fig.5 Accumulation of in soil profile of each treatment after rice harvesting

2.3 不同水氮调控下水稻对土壤氮素的利用

如图6所示，两种灌溉模式下水稻从土壤中吸收的氮素量均随施氮量的增加而增大，稻作控制灌溉模式下N2、N3处理较N1处理水稻从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间水稻从土壤吸收的氮素量差异显著(P<0.05)，与常规灌溉相比，稻作控制灌溉模式水稻在N2、N3处理下均具有较高的从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从土壤中吸收的氮素量较常规灌溉增加了9.09%和4.75%，研究结果表明，稻作控制灌溉模式下水稻对土壤氮素的吸收利用情况优于常规灌溉。

图6 不同处理水稻地上部植株从土壤中吸收的氮素量及氮素总积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

两种灌溉模式下水稻不同器官的土壤氮素积累量随施氮量的增加整体呈增大趋势(表2)，且两种灌溉模式不同施氮量下土壤氮素在水稻地上部各器官的积累量由大到小均表现为穗、茎和鞘、叶。稻作控制灌溉模式下水稻从土壤中吸收的氮素总量的8.79%～9.87%分布在水稻叶片；18.82%～22.11%分布在水稻茎鞘；68.10%～72.39%分布在水稻穗部。常规灌溉不同施氮量下水稻从土壤中吸收氮素总量的9.80%～11.10%分布在水稻叶片；21.24%～21.94%分布在水稻茎鞘；67.03%～68.79%分布在水稻穗部。不同灌溉模式处理间对比显示，两种灌溉模式下不同施氮水平间水稻茎鞘和穗部土壤氮素的积累量差异显著(P<0.05)，在施氮量为110 kg/hm2和135 kg/hm2时稻作控制灌溉模式下水稻茎鞘部土壤氮素的积累量较常规灌溉分别增加了9.09%和9.05%；穗部增加了11.10%和3.72%。与常规灌溉相比，稻作控制灌溉模式下水稻对土壤氮素吸收利用情况较优的同时，吸收的土壤氮素往水稻穗部的运移积累量较高。

2.4 不同水氮调控对土壤“A”值的影响

土壤“A”值是假定土壤中的氮素有两个来源，作物从每个来源吸收的氮素分别与两个来源的数量成正比，只需分别测定出作物从每个来源吸收的氮素，即可计算出土壤中固有的营养物质氮素，“A”值在评价土壤氮素有效性上有一定的应用价值，是与产量无关的同位素判断数据[22]。稻作控制灌溉模式下土壤“A”值随施氮量的增加呈先减小后增大趋势，常规灌溉模式下土壤“A”值随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”值均高于常规灌溉(图7)，稻作控制灌溉模式下土壤“A”值在相同施氮量下与常规灌溉相比分别提高了9.41%、5.65%和3.69%。研究结果表明，稻作控制灌溉模式可以有效提高土壤氮素有效性，有利于水稻对土壤氮素的吸收利用。

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

图7 不同处理下土壤氮素有效性“A”值Fig.7 Soil nitrogen availability “A” value under different treatments

3 讨论

本试验中不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻成熟期氮素积累量中77.77%～84.51%来自于土壤氮素，略高于已有研究结果[29-30]，这可能是由于供试土壤为黑土，基础肥力较高且保水保肥能力强，有利于水稻对土壤氮素的吸收利用。除N1处理外，稻作控制灌溉模式N2和N3处理下水稻对土壤氮素的吸收利用量均高于常规灌溉，且稻作控制灌溉模式下土壤氮素有效性“A”值在相同施氮量下与常规灌溉相比分别提高了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，提高水稻对土壤氮素的吸收利用量。本试验仅研究了水稻收获时土壤剖面中无机氮的累积和肥料氮素以无机态形态的累积情况，而对不同水氮调控下水稻各生育期内对土壤氮素的吸收利用及土壤氮素的迁移转化还需进一步研究。

4 结论

(3)不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻成熟期氮素积累量中77.77%～84.51%来自于土壤氮素，较常规灌溉提高了12.91%～23.12%，且水稻从土壤中吸收的氮素量随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从土壤中吸收的氮素总量的8.79%～9.87%分布在水稻叶片；18.82%～22.11%分布在水稻茎鞘；68.10%～72.39%分布在水稻穗部，除N1处理外，稻作控制灌溉模式N2和N3处理下水稻对土壤氮素的吸收利用量均高于常规灌溉。从作物角度分析表明稻作控制灌溉模式可以改善水稻对土壤氮素的吸收利用情况。同位素测定结果表明，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规灌溉，控制灌溉模式可以提高土壤氮素的有效性，有利于水稻对土壤氮素的吸收利用。