稻作水炭运筹下氮肥吸收转运与分配的15N示踪分析

张作合 张忠学

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.绥化学院农业与水利工程学院， 绥化 152061；3.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

水稻是我国主要粮食作物，其产量约占粮食总产量的33.75%[1]。随着人口的增加，到2030年，我国水稻产量需要增加20%左右，才能满足国内粮食需求[2]。目前，农民习惯通过施入高量化学氮肥来增加作物产量，这使我国成为世界上最大的氮肥消费国。2013年，中国的氮肥用量为3 360万t，占世界氮肥使用总量的33%[3]。氮肥投入过量及不合理施用使氮肥利用率下降，大量的氮素通过硝化与反硝化、淋溶和氨挥发等途径损失[4]，导致肥料氮素浪费。我国稻田氮肥利用率仅为30%左右[5]，远低于其他国家。通过运筹管理方法提高氮肥的吸收利用率仍是目前水稻生产中最常用的方法，与氮肥运筹和水氮运筹管理措施相比，新型的水炭运筹管理模式既解决了东北地区秸秆利用问题，又提高了氮肥的利用率。水炭运筹管理改善了稻田土壤通透性和土壤含氧量，使水稻根系活力增强，有助于水稻对氮素的吸收[6]，同时降低了土壤容重，提高了土壤有机质含量[7-8]，有利于土壤营养的释放和肥料养分的保留[9]。

应用运筹管理的方法研究水稻对氮肥吸收转运及分配的影响已成为研究热点[10-13]。利用15N示踪分析水稻对不同时期氮肥的吸收分配，发现控制灌溉模式下水稻的肥料氮素总吸收利用率为29.89%～36.12%，基肥、蘖肥、穗肥氮素吸收利用率分别为10.91%～15.36%、34.84%～36.90%、50.27%～63.54%[10]。适当的控制灌溉、合理的氮肥运筹措施可以促进水稻对氮素的吸收及转运，而氮肥后移比例过大则会导致水稻成熟期植株的茎鞘和叶片氮素转运总量降低，降幅达6.52%～17.02%[11]。氮素穗肥运筹中倒四、倒二叶龄期等量追施，能够促进氮素累积与转运，从而提高氮肥利用率及产量[12]。合理的水氮运筹管理有利于水稻各器官氮素的积累，增加水稻成熟期氮素的运转比例，提高对籽粒的转运贡献率[13]。以上研究多集中在水稻对施用氮肥的吸收利用或转运单一方面的阐述，关于水稻对不同阶段施用氮肥的吸收利用、转运和分配整个过程的系统研究较少。

本文以常规淹灌作为对比，采用田间小区试验与15N示踪微区结合的方法，对整体的氮肥利用率进行细分，研究两种灌溉模式不同水炭运筹下水稻对基蘖和穗肥的吸收利用、积累和转运，以及水稻成熟期不同阶段施用的氮肥在植株各器官的分配情况，以期为水炭运筹管理在寒地黑土区稻田的应用提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5月19日—9月21日，在黑龙江省庆安县和平灌区水稻灌溉试验站进行。试验站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于呼兰河流域中上游，属于寒地黑土区。气候特征属寒温带大陆性季风气候，第三积温带，全年无霜期128 d左右，多年平均降水量500～600 mm，平均气温2～3℃，平均日照时数为2 600 h，为黑龙江省典型的水稻生产区。

1.2 试验材料

水稻秸秆生物炭，由辽宁金和福农业开发有限公司生产，在450℃高温无氧条件下裂解制备而成，每公顷稻草可制成直径2 mm颗粒形式的秸秆生物炭(去除灰分)约2.5 t，pH值8.86，含碳质量分数42.72%，填充密度0.13 g/cm3，比表面积81.85 m2/g，总孔容积0.080 cm3/g，阳离子交换量(CEC)为44.7 cmol/kg。供试土壤为黑土，在泡田之前，对试验小区0～20 cm土层进行5点对角取样后混合，分析主要的土壤理化性质，pH值6.40，有机质质量比41.80 g/kg，全氮质量比1.51 g/kg，全磷质量比15.61 g/kg，全钾质量比19.86 g/kg，碱解氮质量比148.27 mg/kg，速效磷质量比24.22 mg/kg，速效钾质量比156.13 mg/kg。供试水稻品种为研究区大面积推广种植的绥粳18，插秧密度为25穴/m2。

1.3 试验设计

采用灌水方式和生物炭施用量2因素全面试验，设置浅湿干灌溉(Dry-wet-shallow irrigation,D)和常规淹灌(Flooding irrigation,F)两种水分管理模式(表1)。水稻浅湿干灌溉模式各处理根据控制指标来确定灌水时间和灌水定额，当田面无水层后，每天08:00和18:00，用土壤水分测定仪(TPIME-PICO64/32型)分别测定各小区的土壤含水率，当土壤含水率接近或低于灌水下限时，灌水至上限，并记录各处理的灌水量；常规淹灌模式各处理的试验小区田面无水层时，人工灌水至上限。秸秆生物炭施用量设4个水平，即0 t/hm2(B1)、2.5 t/hm2(1年还田量，B2)、12.5 t/hm2(5年还田量，B3)、25 t/hm2(10年还田量，B4)。共计8个处理，每个处理3次重复，共24个试验小区，方形小区面积100 m2，采用随机区组排列，各小区之间田埂向地下内嵌40 cm深的塑料板。秸秆生物炭在泡田之前施入；按当地施肥标准施纯氮110 kg/hm2，基肥、蘖肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施入量80 kg/hm2，基肥∶穗肥按1∶1分施；P2O5施入量45 kg/hm2，作为基肥一次性施入。供试肥料选择尿素(含N质量分数46.4%)、过磷酸钙(含P2O5质量分数12%)、硫酸钾(含K2O质量分数52%)，并换算成实际化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，株距13.32 cm，行距30 cm，每穴3株，9月21日收获。水稻生长期注意田间管理，严格控制病虫草害。

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

注：浅湿干灌溉雨后蓄水深度上限值为50 mm，常规淹灌雨后蓄水深度上限值为100 mm，θs为根层土壤饱和含水率。

为明确水炭运筹下水稻对3个阶段施入氮肥的吸收利用、转运及分配情况，在试验小区内设置了15N示踪微区，每个试验小区内设置1个微区，即同一处理下设置3个分处理：M1、M2、M3。各处理试验设置见表2，各分处理中仅M1的基肥、M2的蘖肥、M3的穗肥施用15N-尿素，其他施用未标记的普通尿素。稻田整地后立即在每个小区内埋设2 m×2 m×0.5 m的无底钢板矩形框，将微区埋30 cm深至犁底层下，施用上海化工研究院生产丰度为10.22%的15N标记尿素，深度与试验小区相同。微区内设置单独排灌系统，水稻的种植密度、肥料用量、生物炭施用量及灌水方式与所在的试验小区相同。

表2 试验处理设计Tab.2 Design of experimental treatments

注： *代表施用的是15N-尿素。

1.4 样品的采集与测定

干物质量及植株氮含量：在水稻开花期和成熟期测水稻干物质及植株氮含量，从各微区内外随机选取具有代表性植株3穴，将水稻植株地上部分为茎鞘、叶、穗3部分，冲洗干净后将样品装袋带回实验室，放入干燥箱105℃杀青30 min，然后调至80℃干燥后，称量不同部位的干物质量。称量后将样品进行粉碎处理，过80目筛后混匀，利用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国)测定各部位全氮含量。

植株氮原子百分比：稳定同位素测试在东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室完成，将密封保存的样品带回实验室，采用同位素质谱仪(DELTA V Advantage，美国)和元素分析仪(Flash 2000 HT型，美国)联用的方法测定开花期和成熟期水稻各器官和籽粒15N的丰度。

产量：水稻成熟期进行产量测算，各处理随机选10穴水稻用于考种，干燥后用手持水分测试仪(John Deere, Moline IL，美国)测定谷物水分，在含水率为14.5%时，分别测量有效穗数、穗粒数和千粒质量，并折算成经济产量。

气象数据由试验站DZZ2型自动气象站(天津气象仪器厂)自动记录(图1)。

图1 2018年水稻生长期气温和降水量日变化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation in 2018

1.5 计算方法和数据分析

不同水炭运筹下水稻植株样品中来自基肥的氮素百分比Ndff(b)、蘖肥的氮素百分比Ndff(t)、穗肥的氮素百分比Ndff(p)，计算公式为[10]

(1)

式中a——微区内植株样品15N丰度，%

b——相同处理小区内的植株样品15N丰度，%

c——15N标记尿素中15N丰度，%

d——自然15N丰度标准值，为0.366 3%

植株氮素总积累量(kg/hm2)为

PNNA=DMNC

(2)

式中DM——植株干物质量，kg/hm2

NC——植株含氮率，%

微区内植株从基肥(b)、蘖肥(t)、穗肥(p)获得的15N积累量(kg/hm2)为

N(b,t,p)=PNNANdff(b,t,p)

(3)

植株中来自氮肥的氮素总积累量(kg/hm2)为

PTN=N(b)+N(t)+N(p)

(4)

基肥(b)、蘖肥(t)、穗肥(p)及总氮肥(total)吸收利用率为

(5)

式中FNRE——氮肥吸收利用率，%

NF——各时期施氮量，kg/hm2

水稻植株样品中来自肥料的氮素在茎鞘和叶片中积累后，向籽粒中转运的转运量(kg/hm2)为

PNT=SNF+LNF-(SNM+LNM)

(6)

式中SNF——植株开花期茎鞘中氮素含量，kg/hm2

LNF——植株开花期叶片中氮素含量，kg/hm2

SNM——植株成熟期茎鞘中氮素含量，kg/hm2

LNM——植株成熟期叶片中氮素含量，kg/hm2

氮素转运率(%)为

(7)

氮转运对籽粒的贡献率(%)为

(8)

式中GNM——植株成熟期籽粒氮素含量，kg/hm2

数据分析和处理采用WPS 2019、SPSS 13.0，用Duncan进行处理间的多重比较，用WPS 2019和Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 水炭运筹下水稻产量和成熟期氮素吸收积累量

由表3可知，水碳运筹两种灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的有效穗数、千粒质量、结实率，但减少了每穗粒数。当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，水稻成熟期两种灌溉模式之间的各产量构成因素差异显著(P<0.05)，与常规淹灌相比，浅湿干灌溉模式水稻在相同生物炭施用水平下有效穗数、千粒质量和结实率均较高；当施加25 t/hm2生物炭时，常规淹灌模式的水稻产量构成因素中千粒质量较浅湿干灌溉模式增加。稻作浅湿干灌溉模式下生物炭

表3 生物炭施用量对产量及其构成因素的影响Tab.3 Effect of biochar application amount on yield and its components

注：同列不同小写字母表示数据在P<0.05水平差异显著，下同。

施加12.5 t/hm2和25 t/hm2较不施生物炭水稻产量增加了13.05%、3.32%，与常规淹灌相比，浅湿干灌溉模式水稻在相同生物炭施用水平(除25 t/hm2)下产量增加1.36%～6.13%。表明稻作浅湿干灌溉模式更有利于水稻产量的提高，同时能节约灌溉用水。

图2 不同处理水稻成熟期地上部肥料-15N积累量、氮素总积累量、氮肥吸收利用率和肥料-15N对氮素总积累量的贡献率Fig.2 Above-ground 15N and total N accumulation, nitrogen uptake and utilization efficiency and contribution rate of 15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由图2(图中不同小写字母表示相同处理在P<0.05水平差异显著，下同)可知，水炭运筹下水稻植株中肥料-15N总积累量在32.49～44.62 kg/hm2范围内变化，氮素总积累量在182.42～216.56 kg/hm2范围内变化。当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，水稻成熟期两种灌溉模式之间的肥料-15N积累量和氮素总积累量差异显著(P<0.05)，与常规淹灌相比，浅湿干灌溉模式下水稻在3个生物炭施用水平(0、2.5、12.5 t/hm2)均具有较高的肥料-15N积累量和氮素总积累量，稻作浅湿干灌溉模式水稻肥料-15N积累量在相同生物炭施用水平下较常规淹灌分别提高了5.20%、9.88%、11.91%；氮素总积累量提高了4.25%、5.87%、9.30%，并且浅湿干灌溉模式下31.07%～40.56%的肥料氮素被水稻植株吸收利用，在相同生物炭施用水平下较常规淹灌提高了5.20%～11.91%；不同水炭运筹下肥料-15N对氮素总积累量的贡献率为17.81%～20.60%，且两种灌溉模式下各处理之间肥料-15N对水稻植株氮素总积累量的贡献率无显著差异(P>0.05)。研究结果表明，当生物炭施加量0～12.5 t/hm2时，稻作浅湿干灌溉模式对肥料氮素的吸收利用优于常规淹灌，对水稻氮素的积累更有利；当生物炭施加量为25 t/hm2时，稻作常规淹灌模式对肥料氮素的吸收利用优于浅湿干灌溉，但二者差异不显著(P>0.05)。

2.2 水炭运筹下水稻成熟期植株对基肥、蘖肥、穗肥的吸收利用

图3 不同处理水稻成熟期基肥-15N积累量、基肥-15N吸收利用率和基肥-15N对氮素总积累量的贡献率Fig.3 Basal-15N accumulation, basal fertilizer-15N uptake and utilization, and contribution rate of basal-15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由图3可知，水炭运筹下仅基肥施用15N-尿素，水稻对基肥的吸收利用率为15.55%～23.31%。常规淹灌模式下基肥-15N积累量和水稻植株对基肥吸收利用率都随着生物炭施入量的增加而增大，有17.11%～23.31%的基肥氮素被水稻植株吸收利用，浅湿干灌溉模式下水稻成熟期各处理的基肥-15N积累量约为8.55～11.25 kg/hm2，当生物炭施加量为12.5 t/hm2和25 t/hm2时，仅有20.45%和19.56%的基肥被水稻植株吸收利用，不同灌溉模式比较发现，常规淹灌模式的稻作基肥吸收利用率较浅湿干灌溉模式平均增加10.37%，研究结果表明，浅湿干灌溉模式水稻植株对基肥的利用率较低，施加一定量的生物炭能够增加基肥-15N积累量和基肥吸收利用率，而施加25 t/hm2的生物炭对基肥-15N积累量和基肥吸收利用率会产生负效应。当仅基肥施入15N-尿素时，水炭运筹下基肥对水稻植株氮素总积累量贡献率随生物炭施入量增加而增大，稻作浅湿干灌溉模式下基肥对水稻氮素总积累量的贡献率为4.59%～4.99%，低于常规淹灌模式，特别是在生物炭施加量为25 t/hm2时，常规淹灌模式基肥对水稻氮素总积累量的贡献率较浅湿干灌溉高21.88%。

图4 不同处理水稻成熟期蘖肥-15N积累量、蘖肥-15N吸收利用率和蘖肥-15N对氮素总积累量的贡献率Fig.4 Tillering-15N accumulation, tillering fertilizer-15N uptake and utilization, and contribution rate of tillering-15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由图4可知，水炭运筹下仅蘖肥施用15N-尿素，水稻对蘖肥的吸收利用率为31.68%～44.91%。常规淹灌模式下水稻成熟期蘖肥-15N积累量和植株对蘖肥吸收利用率均随着生物炭施入量的增加而增大。浅湿干灌溉模式施加12.5 t/hm2生物炭时，水稻植株蘖肥-15N积累量最大，为9.88 kg/hm2，施加25 t/hm2的生物炭对蘖肥-15N积累量会产生负效应。不同灌溉模式下水稻成熟期蘖肥-15N积累量差异显著(P<0.05)，浅湿干灌溉模式下稻作蘖肥-15N积累量在相同生物炭施用水平下较常规淹灌分别提高了13.92%、18.12%、19.32%、2.08%，且浅湿干灌溉模式相同生物炭施用水平下水稻蘖肥-15N吸收利用率显著高于常规淹灌(P<0.05)，研究结果表明，浅湿干灌溉模式有利于水稻植株对蘖肥氮素的吸收利用，适量的生物炭能够增加蘖肥-15N积累量和植株对蘖肥吸收利用率。当仅蘖肥施用15N-尿素时，水稻成熟期植株氮素总积累量中有3.89%～4.38%来源于蘖肥-15N，水炭运筹下浅湿干灌溉模式蘖肥对水稻氮素总积累量的贡献率高于常规淹灌模式，生物炭施用量对蘖肥贡献率的影响不显著(P>0.05)。

由图5可知，水炭运筹下仅穗肥施用15N-尿素，有48.82%～71.18%的穗肥氮素被水稻植株吸收利用，常规淹灌模式下水稻成熟期穗肥-15N积累量随着生物炭施入量的增加而增大，稻作浅湿干灌溉模式下生物炭施用量由0 t/hm2增加到12.5 t/hm2时，水稻成熟期穗肥-15N积累量从17.69 kg/hm2增加到23.49 kg/hm2，穗肥-15N的吸收利用率由53.61%增加到71.18%，不同灌溉模式之间穗肥吸收利用率和穗肥-15N积累量差异均显著(P<0.05)，浅湿干灌溉模式水稻成熟期穗肥-15N吸收利用率在相同生物炭施用水平下较常规淹灌分别提高了9.81%、15.82%、17.86%、2.99%。当仅蘖肥施用15N-尿素时，水稻成熟期植株氮素总积累量中有8.83%～10.85%来源于穗肥-15N，当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，水炭运筹下穗肥对水稻植株氮素总积累量贡献率随生物炭施入量增加而增大，且浅湿干灌溉模式下穗肥对水稻氮素总积累量的贡献率显著高于常规淹灌模式。

2.3 水炭运筹下水稻植株积累的基肥、蘖肥和穗肥氮素的转运

图5 不同处理水稻成熟期穗肥-15N积累量、穗肥-15N吸收利用率和穗肥-15N对氮素总积累量的贡献率Fig.5 Panicle-15N accumulation, panicle fertilizer-15N uptake and utilization, and contribution rate of panicle-15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由表4可知，水炭运筹下水稻成熟期籽粒中氮素仅有16.68%～22.06%来自于花前茎鞘和叶片积累的肥料氮素，其中穗肥-15N向籽粒中的转运率最高，基肥-15N最低，基肥和蘖肥氮的吸收主要用于茎鞘、叶片和根等营养器官的建成。水稻花前茎鞘和叶片积累的基肥-15N有3.12～4.85 kg/hm2转移到籽粒中，与浅湿干灌溉模式相比，在相同生物炭施用量水平下常规淹灌模式的基肥-15N的转运量较高，稻作基肥-15N的转运率和转运对籽粒的贡献率都随着生物炭施入量的增加而增大，有52.00%～77.84%的基肥氮素转移到籽粒中，但对籽粒的贡献率仅为3.53%～4.71%。水稻成熟期有2.71～4.94 kg/hm2花前茎鞘和叶片积累的蘖肥-15N转移到籽粒中，当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，稻作蘖肥-15N的转运量、转运率和转运对籽粒的贡献率都随着生物炭施入量的增加而增大，在相同生物炭施用量水平下浅湿干灌溉模式优于常规淹灌模式，虽然转运率高于基肥-15N，但对籽粒的贡献率也仅为3.22%～4.38%，施加25 t/hm2的生物炭会产生负效应。水稻花前茎鞘和叶片积累的穗肥-15N有8.16～14.63 kg/hm2转移到籽粒中，稻作穗肥-15N的转运率和转运对籽粒的贡献率都随着生物炭施入量的增加而增大，在相同生物炭施用量水平下浅湿干灌溉模式优于常规淹灌模式，穗肥-15N的转运率高于基肥和蘖肥，对籽粒的贡献率为9.69%～13.25%。研究结果表明，浅湿干灌溉模式更有利于肥料氮素向籽粒中转运，施加一定量的生物炭能够促进水稻开花前茎鞘和叶片中积累的氮素向籽粒中转运。

表4 水稻成熟期基肥-15N、蘖肥-15N和穗肥-15N的转运量、转运率及对籽粒的贡献率Tab.4 Translocation, transport rate and contribution rate of basal-15N, tillering-15N and panicle-15N of rice at mature stage

2.4 水炭运筹下水稻成熟期基肥、蘖肥和穗肥氮素在器官中的分配

由表5可见，水稻成熟期基肥-15N在植株各器官的分布差异较大，常规淹灌模式下基肥-15N在茎鞘、叶片和穗中积累量随着生物炭施用水平的增加而增大，浅湿干灌溉模式下茎鞘和叶片中基肥-15N积累量与常规淹灌模式表现一致，而穗中基肥-15N累积量在生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时规律相同。浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下稻作基肥-15N积累量的20.60%～26.47%分布在植株茎鞘中；12.14%～14.79%的基肥-15N分布在植株叶片中；58.74%～67.23%的基肥-15N分布在植株穗部，与浅湿干灌溉模式相比，常规淹灌模式水稻各器官基肥-15N的积累量偏高。水稻成熟期蘖肥-15N在植株各器官的分布差异显著(P<0.05)，浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下稻作蘖肥-15N积累量的19.28%～28.53%分布在植株茎鞘中；10.47%～12.78%的蘖肥-15N分布在植株叶片中；58.69%～70.07%的蘖肥-15N分布在植株穗部，当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，浅湿干灌溉模式下相同生物炭施用量水稻植株各器官的蘖肥-15N积累量显著高于常规淹灌。水稻成熟期植株中穗肥-15N在各器官的分布差异同样显著(P<0.05)，浅湿干灌溉模式不同生物炭施用水平下稻作穗肥-15N积累量的10.30%～16.01%分布在植株茎鞘中；8.35%～11.43%分布在植株叶片中，72.56%～81.35%分布在植株穗部，稻作浅湿干灌溉模式水稻叶片和穗中的穗肥-15N积累量显著高于常规淹灌(P<0.05)。

表5 水稻成熟期各器官基肥-15N、蘖肥-15N和穗肥-15N积累量

Tab.5 Basal-15N，tillering-15N and panicle-15N accumulation in aboveground parts at maturity stagekg/hm2

灌溉模式处理基肥-15N蘖肥-15N穗肥-15N茎鞘叶片穗茎鞘叶片穗茎鞘叶片穗DB11.76g1.04e5.75e1.55e0.83d5.56c1.82e1.48f14.39e浅湿干灌溉DB21.84f1.09e5.99d1.60e0.88c5.80b2.00d1.59e15.45cDB32.67d1.50c7.08b2.32b1.15a6.41a2.90b2.34b18.24aDB42.85c1.59c6.32b2.66a1.19a5.48c3.48a2.48a15.76bFB12.05e1.22d6.15d1.55e0.80d4.62e2.21c1.28g12.62f常规淹灌FB22.07e1.23d6.23c1.56e0.80d4.62e2.25c1.31g12.88fFB32.94b1.75b7.17b1.88d1.06b5.33d3.07b1.91d14.95dFB43.24a1.94a7.64a2.09c1.24a5.82b3.30a2.11c15.67b

2.5 不同阶段施用氮肥的吸收、转运和分配相关性分析

统计分析结果表明(表6)，FNRE(total)与FNRE(t)(R=0.956，P<0.01)、FNRE(p)(R=0.980，P<0.01)、PNRT(t)(R=0.893，P<0.01)和PNRT(p)(R=0.876，P<0.01)呈极显著正相关，FNRE(total)与FNRE(b)(R=0.804，P<0.05)和PNRT(b)(R=0.822，P<0.05)呈显著正相关，与其他指标相关性不显著(P>0.05)。FNRE(b)与PNRT(b)、FNRE(t)与PNRT(t)、FNRE(p)与PNRT(p)呈极显著正相关(P<0.01)，FNRE(p)和PNRT(p)与t-15N(p)呈显著正相关(P<0.05)。

表6 不同阶段施用氮肥的吸收、转运和分配相关系数Tab.6 Correlation coefficient of nitrogen uptake, transport and distribution in different stages of application

注：*为0.05水平显著；** 为0.01水平极显著。PNRT(b)、PNRT(t)、PNRT(p)分别代表水稻植株基肥、蘖肥、穗肥氮素转运对籽粒的贡献率；t-15N(b)、t-15N(t)、t-15N(p)分别代表水稻成熟期穗中基肥、蘖肥、蘖肥氮素积累量占植株氮素总积累量的百分比。

3 讨论

大量试验研究[10,14-19]表明，应用节水灌溉技术和施加生物炭能够提高氮肥吸收利用率，但这些研究仅从单一因素来阐述水稻生长过程中对氮肥整体的利用情况。本文主要从水炭运筹的角度来研究水稻对不同阶段氮肥的吸收利用情况，应用15N示踪技术，研究两种灌溉模式下稻作基肥、蘖肥和穗肥氮素在植株中的积累、转运及分配。研究结果表明，浅湿干灌溉模式水稻成熟期肥料对地上部氮素总积累量的贡献率为17.97%～20.60%，水稻对基肥、蘖肥和穗肥的吸收利用率分别为15.55%～20.45%、36.09%～44.91%、53.61%～71.18%，不同阶段施用的氮肥吸收利用率均高于张忠学等[10]研究结果。通常情况下，水稻对基肥的吸收利用率低于10%[20-21]，导致基肥氮素在稻田土壤中大量残留，为此专家学者提出了减少水稻前期基肥的施用量，增加后期穗肥用量的方法，来减少水稻生育期内肥料氮素的损失[22]，但这种方法可能会因减少水稻的分蘖数[23]而影响产量，而水炭运筹方法能够在不改变肥料施用比例的情况下有效地解决该问题。另外，浅湿干灌溉模式水稻植株对基肥氮素的吸收利用率要低于常规淹灌，这主要是因为浅湿干灌溉模式增加了NH3挥发损失[24]，且抑制水稻的前期生长。当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，浅湿干灌溉模式水稻植株对蘖肥和穗肥的吸收利用率均高于常规淹灌，相同生物炭施用水平下分别提高了13.92%～19.32%和9.81%～17.86%，这是由于节水灌溉模式有利于水稻根系的生长发育[25]，对后期水稻生长的补偿效应显著，促进后期水稻对氮肥的吸收利用[26]。生物炭施入稻田土壤后会对土壤容重、孔隙度和CEC[8-9]等产生直接影响。黑色的生物炭有明显的吸热属性，施用后可以提高土壤温度[17]，减轻东北地区早春低温冷害，为根系生长发育创造有利条件；OGUNTUNDE等[27]研究发现，生物炭能够降低土壤容重和增加土壤总孔隙率，从而提高土壤的通气和透水性，为根系生理结构及形态发育提供良好的生态环境，有利于根系的深扎和伸展[25]；生物炭施入还能增加土壤微生物数量和改善微生物群落结构，微生物活动的增强能够改善根际生长环境，有利于促进根系生长[28]。综合来看，施加适量的生物炭利于水稻根系的生长发育，促进了水稻对氮肥的吸收利用。此外，生物炭具有丰富的官能团和巨大的比表面积，施入土壤后提高了CEC[29]，减少了硝态氮的淋溶，提高了氮肥吸收利用率[18-19]。而LIU等[30]研究结果表明，生物炭的施加能减少氮淋溶，但增加NH3挥发，施加量超过40 t/hm2将增加氮损失。不同灌溉模式引起氮损失的生物炭施用量阈值不同，本试验中浅湿干灌溉模式生物炭施用量的阈值在12.5～25 t/hm2之间，而常规淹灌在25 t/hm2以上，因此应根据实际情况来确定生物炭施加量。过量生物炭使土壤碳氮比增加，使有机物的分解速度减慢，土壤微生物无法从有机质的分解中获得足够的氮，开始消耗土壤中的有效氮(以肥料为主)[31]，降低了土壤提供的养分含量[32]，不利于水稻对肥料的吸收和利用。综合来看，在提高氮肥利用率方面，节水灌溉较常规淹灌更具优势。因此，节水灌溉下合理的水炭运筹模式可以提高氮肥的吸收利用率，减少肥料氮素在土壤中的残留[33]。

本文相关性分析结果表明，水炭运筹模式下水稻蘖肥和穗肥吸收利用率与肥料总氮素吸收利用率呈极显著正相关(P<0.01)，而基蘖穗肥氮素转运对籽粒的贡献率又与相应的吸收利用率呈极显著正相关(P<0.01)。因此，分析水稻氮素转运和分配过程对研究不同阶段施加的氮肥吸收利用率十分重要。水稻籽粒氮素主要依靠营养器官中氮素的转运，水炭运筹下水稻成熟期籽粒氮素中有16.68%～22.06%是来自于花前茎鞘和叶片积累的肥料氮素，且不同阶段氮肥的转运情况也不同，与茎鞘和叶片中积累的基肥-15N和蘖肥-15N相比，穗肥-15N更容易向穗部转运[34]，随着肥料-15N向籽粒中转移，导致叶片、茎鞘中的肥料-15N分配减少，而籽粒中肥料-15N的分配增加[35]。比较水稻成熟期植株不同部位积累的基肥-15N、蘖肥-15N和穗肥-15N的分配情况，发现穗肥-15N在穗中分布最多。氮素在茎叶、鞘等营养器官中的累积和再分配，可以反映植株各个部位的代谢状况以及生长中的变化，影响水稻产量[35]。在提高肥料氮素转运方面，节水灌溉模式优于常规淹灌，施加适量的生物炭可以提高各阶段施用的肥料氮素转运率及转运贡献率，有利于增加肥料氮素在穗中的分配，而过量生物炭则会使成熟期叶片及茎鞘中肥料氮素滞留量显著增加，而穗部的积累量不再显著增加[36-37]。总的来说，水炭运筹下氮素的累积、转运和分配过程较为复杂，需要长期的试验研究。

在东北寒地黑土区稻田中应用水炭运筹管理可以培肥土壤、提高水氮利用率和产量。本试验采用15N示踪技术研究了当地氮肥条件下水炭运筹对氮素吸收利用、积累、转运及分配的影响，但考虑多方面因素，水炭运筹管理的长期效应还有待进一步验证，并对基于土壤-作物系统的调控机制、作用机制等科学问题系统研究和深入探讨。

4 结论

(1)水炭运筹两种灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的有效穗数、千粒质量、结实率，但减少了每穗粒数。当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，浅湿干灌溉模式水稻在相同生物炭施用水平下较常规淹灌产量增加1.36%～6.13%，稻作肥料-15N吸收利用率在相同生物炭施用水平下较常规淹灌分别提高了5.20%、9.88%、11.91%，氮素总积累量提高了4.25%、5.87%、9.30%。

(2)水稻对基肥、蘖肥和穗肥的吸收利用率分别为15.55%～23.31%、31.68%～44.91%、48.82%～71.18%。常规淹灌模式下水稻对基肥-15N吸收利用率随着生物炭施用量的增加而增大，有17.11%～23.31%的基肥氮素被水稻植株吸收利用，高于浅湿干灌溉模式；浅湿干灌溉模式在相同生物炭施用水平下，水稻蘖肥-15N吸收利用率显著高于常规淹灌(P<0.05)，提高了2.08%～19.32%；当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，水稻成熟期穗肥-15N吸收利用率随着生物炭施加量增加而增大，浅湿干灌溉模式下水稻成熟期穗肥-15N吸收利用率在相同生物炭施用水平下较常规淹灌提高了2.99%～17.86%。

(3)水炭运筹下水稻成熟期籽粒中氮素仅有16.68%～22.06%来自于花前茎鞘和叶片积累的肥料氮素，当生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，稻作基肥-15N、蘖肥-15N和穗肥-15N转运对籽粒的贡献率都随着生物炭施入量的增加而增大，分别为3.53%～4.71%、3.22%～4.38%、9.69%～13.25%。水炭运筹下水稻成熟期不同阶段施加的肥料氮素在植株各器官的积累量由大到小均为穗、茎鞘、叶片，施加一定量的生物炭有利于增加穗部肥料氮素的分配。

(4)相关性分析结果表明，水炭运筹模式下稻作肥料总氮素吸收利用率与蘖穗肥吸收利用率和蘖穗肥氮素转运对籽粒的贡献率呈极显著正相关(P<0.01)，与基肥的吸收利用率和基肥氮素转运对籽粒的贡献率呈显著正相关(P<0.05)；不同阶段施用氮肥的吸收利用率与相应的氮素转运对籽粒的贡献率均呈极显著正相关(P<0.01)；穗肥吸收利用率和穗肥氮素转运对籽粒的贡献率与水稻成熟期穗中穗肥积累量占植株氮素总积累量的百分比呈显著正相关(P<0.05)。