水炭运筹下水稻根系对氮素吸收利用的15N示踪分析

张作合 张忠学 李铁成 秦子元 孙 迪 宋 健

(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

东北地区是我国重要的商品粮生产基地[1]，对保障我国粮食安全具有重要意义[2]。为了保证水稻的高产、稳产，节水灌溉技术得到了大面积推广应用[3]，它能够有效地缓解水资源供需矛盾，但同时也加快了稻田土壤有机质的分解速度，长期应用会引起土壤退化。因此，为实现稻田水土资源的可持续利用，亟需研究与之相适应的先进碳管理技术。施用生物炭是一种新型碳管理技术，能够改善土壤理化性质[4]，由于生物炭的持留和束缚作用使土壤无机氮素分布发生变化，有效减缓了土壤无机氮素向深层的迁移，从而降低了淋溶损失[5]，促进了水稻根系对氮素的吸收和利用，提高了氮肥的利用率[6-10]。

肺结节在临床上普遍被用来发现和诊断早期肺癌，由于近年来肺癌已成为新发率和致死率最高的癌症之一，因而肺结节的相关研究已引起了学术界的广泛关注[1-2]。在影像学上，对肺癌的检测往往最终归结为对肺结节的检测，但是由于肺结节形态复杂、结构各异、体积较小，且常与气管、血管等组织粘连，即使是具有丰富经验的医生也很难用肉眼做出准确判断检测，因而需要结合患者的既往病历以及其它检查来进行综合评价，包括病理检查、医学检验、计算机辅助诊断系统（computer aided diagnosis，CAD）等手段。

根系是作物重要的代谢和吸收器官，其形态特征直接影响作物对水分和养分的吸收利用[11]，从而影响植株地上部的生长和作物产量。受旱时，作物根系最先感知土壤水分变化，通过调节叶片气孔开度来改善水分-产量的关系[12]，而生物炭的施用改变了土壤环境，从而影响作物根系的形态特征和生理特性。因此，研究根系对施加生物炭的响应机制能够促进生物节水技术的发展。由于根系生长在土壤中不易被监测，因此关于施加生物炭对根系形态特征和生理特性变化的研究相对较少。张伟明等[13]研究发现，土壤中施入生物炭能改变水稻生育前期根系形态特征，增加了根系活力，提高了根系伤流强度，并维持适宜的根冠比，在水稻生育后期延缓了根系衰老。李中阳等[14]研究了生物炭对冬小麦根形态的影响，发现生物炭增加了根系总根长和总表面积。周劲松等[15]研究了稻田土壤育苗基质中添加生物炭对秧苗根系形态建成的影响，发现添加5.0%生物炭明显增加了水稻秧苗根系长度、根系表面积和根系体积等。目前，在我国北方地区，关于节水灌溉模式下生物炭对水稻根系影响的相关研究较少。

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，研究浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭对水稻根系形态特征和生理特性的影响，以及根系对肥料和土壤氮素的吸收利用情况，旨在为秸秆生物炭在寒地黑土区稻田的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5—9月，在黑龙江省庆安县和平灌区水稻灌溉试验站进行。试验站(46°57′28″N，127°40′45″E)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，作物水热生长期一般为156～171 d，多年平均降水量500～600 mm，多年平均水面蒸发量700～800 mm，平均气温2～3℃，平均日照时数为2 600 h，是黑龙江省典型的水稻种植区。

1.2 试验材料

水稻秸秆生物炭(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2.5 t左右直径为2 mm颗粒形式的秸秆生物炭，pH值为8.86，碳质量分数为42.72%，填充密度为0.13 g/cm3，比表面积为81.85 m2/g，总孔容积为0.080 cm3/g，阳离子交换量(CEC)为44.7 cmol/kg。供试土壤为黑土，0～20 cm土层土壤理化性质：pH值为6.40，有机质质量比41.80 g/kg，全氮质量比为1.51 g/kg，全磷质量比15.61 g/kg，全钾质量比为19.86 g/kg，碱解氮质量比为148.27 mg/kg，速效磷质量比为24.22 mg/kg，速效钾质量比为156.13 mg/kg。供试水稻品种为绥粳18，该品种已在研究区大面积推广种植，插秧密度为25 穴/m2。

1.3 试验设计

试验采用灌溉模式和秸秆生物炭施用量2因素全面试验，两种水分管理模式见表1：浅湿干灌溉模式(D)和常规淹灌模式(F)，秸秆生物炭每5年施用一次，施用量设置4个水平：B0(0 t/hm2)、B1(2.5 t/hm2)、B2(12.5 t/hm2)、B3(25 t/hm2)。8个处理，每个处理3次重复，共计24个试验小区，采用随机区组排列，方形小区面积100 m2。在前一年水稻收获后，将秸秆生物炭翻耕于稻田15 cm左右的土层中，并旋耕混匀；氮肥施用量为110 kg/hm2(纯氮)，基肥、蘖肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施用量为80 kg/hm2，基肥、穗肥按1∶1分施；P2O5施用量为45 kg/hm2，作为基肥一次性施入。供试肥料选用尿素(N质量分数为46.4%)、过磷酸钙(P2O5质量分数为12%)、硫酸钾(K2O质量分数为52%)，并计算实际施用量。在上述试验小区内设置15N示踪微区，稻田整地后立即在每个小区内预埋无底钢制矩形框(尺寸为2 m×2 m×0.5 m)，将微区埋30 cm深至犁底层下，氮肥施用上海化工研究院生产的15N标记尿素(丰度为10.22%)，深度与试验小区相同。其他管理措施与所在的试验小区相同。

表1 稻田各生育期水分管理

1.4 样品采集与测定

1.4.1根基本指标测定

整株取样时，挖取40 cm带根土块，放入尼龙筛网袋(40目)里，浸泡30 min后，用清水冲洗干净，测定每株样品的根系鲜质量、根体积、根长、根冠比和根系伤流强度。根系表面水分用滤纸轻拭擦干，用电子秤(精度0.01 g)称量根系鲜质量和地上部总鲜质量，计算根冠比。用排水法测定根体积[16]。当天在距土壤表面5 cm处横切断植株，用已称量的脱脂棉覆盖切口处，外围用自封袋包扎收集伤流液，14 h后取下脱脂棉称量，脱脂棉前后质量之差除以14即为伤流强度。

1.4.2根系活力测定

植物根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16]测定。称取根样品0.5 g，放入小培养皿(先加硫酸再加根样品)，加入0.4%TTC溶液和磷酸缓冲液的等量混合液10 mL，把根充分浸没在溶液内，在37℃暗处保温1 h，此后加入1 mol/L硫酸2 mL，以停止反应。将根取出，吸干水分后与乙酸乙酯3～4 mL和少量石英砂一起磨碎，以提取出三苯基甲臜(TTF)。将红色提出液移入试管，用少量乙酸乙酯将残渣洗涤2～3次，皆移入试管，最后加乙酸乙酯使总量为10 mL，用分光光度计在485 nm下比色，以空白作参比读出光密度，查标准曲线，求出四氮唑还原量即为根系活力值。

1.2方法 对照组:取50mg米非司酮,清晨空腹服用,每日给药2次,连续用药3天,用药3日后,取用100mg乳酸依沙丫啶,经腹壁注射入羊膜腔内。观察组:在对照组方案中,额外增加结合雌激素片,每日给药3片,分3次口服,连续给药直至胎儿娩出后3日,服药3日注射乳酸依沙丫啶,方法与对照组相同。引产时间计算均为乳酸依沙丫注射后,引产后取弯盘、产垫等,收集阴道出血,计算2小时出血量,引产后3日行B超复查,若发现有产妇存在胎膜、胎盘残留,应当采取清宫术治疗。产后随访观察产妇经期恢复时间。

1.4.3根系总吸收面积与活跃吸收面积测定

当混凝土路面局部出现断板、角隅断裂、轻微错台等病害，整体路基完好，根据旧路检测评价路基满足利用要求是，为避免不均匀沉降，可采用挖除旧路混凝土面层结构直接加铺路面结构方案处理，可以将混凝土面板打碎后碾压，将旧路整体作为路床使用。

通过甲烯蓝比色法[16]测定根系总吸收面积与活跃吸收面积。将2×10-4mol/L的甲烯蓝溶液(质量浓度0.064 mg/mL)分别倒入3个小烧杯(编号1、2、3)中，每个烧杯中装上溶液(约10倍于根系体积)，并记下每个烧杯中的溶液量；将冲洗干净的待测根系，用吸水纸小心吸干(慎勿伤根)，然后依次浸入盛有甲烯蓝溶液的烧杯中，在每杯中浸1.5 min；从3个烧杯中各取1 mL溶液加入试管，均稀释10倍，测得其光密度，查标准曲线，求出每杯浸入根系后溶液中剩下的甲烯蓝量，之后根据杯中原有的甲烯蓝量，求出每杯中根系所吸收的甲烯蓝量A1、A2、A3。总吸收面积为1.1(A1+A2)，活跃吸收面积为1.1A3。

机械臂在自重和外负载的作用下达到平衡，其连杆角度从θ1、θ2变成当机械臂处于平衡位置时，所需举升力FL=0。从平衡位置出发，慢慢举升工具，并测得举升高度与举升力的关系，从而评价机械臂的省力范围。在ADAMS仿真中，一般是从模型的原始位置出发，到平衡位置截止；而本文需从平衡位置出发，则需要预先设置平衡位置的相应参数，这使得仿真变得异常复杂且会降低仿真的准确性。因此，本文提出一种逆向仿真方法。

参照文献[17]方法，利用同位素质谱仪(DELTA V Advantage，美国)和元素分析仪(Flash 2000 HT型，美国)联用的方法测定水稻植株各部位来自土壤和肥料氮含量，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。

现在冶炼厂普遍采用SNCR脱硝系统，此系统又叫做选择性非催化还原脱硝系统，是目前烟气净化技术上控制氮氧化物排放的主要方法，其反应见式(4)。

1.4.4植株来自土壤和肥料氮含量测定

1.5 计算方法和数据分析

水稻根系活力对提高根系对营养物质的吸收具有十分重要的作用，灌溉模式和施加秸秆生物炭均会对根系氧化力产生影响。由图4可知，两种灌溉模式各处理的水稻根系活力变化均为先增加后减少的趋势，且在抽穗期达到最大值。相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系活力显著高于常规淹灌模式(P<0.05)，施加秸秆生物炭各处理的水稻根系活力显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)。总体来看，浅湿干灌溉模式下秸秆生物炭使水稻各生育期的根系活力提高，尤其是前3个生育期最明显，说明秸秆生物炭对根系生理进程影响较大。

实验自2017年10月21日开始。摘除凌霄干花的花托后，将其余部分剪成2 cm长的小段。称取50 g凌霄干花，置于1 000 mL烧杯中，加1 000 mL去离子水浸泡48 h，获得浸泡液。制取凌霄干花水浸提液时，首先用四层纱布过滤浸泡液，将所得的滤液再经六层纱布过滤，制取水浸提液；然后将第二次过滤获得的水浸提液（0.05 g/mL）作为母液，进行4次稀释，分别制取四种不同浓度（0.04 g/mL、0.03 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL)的凌霄干花水浸提液。

采用WPS 2019、SPSS软件分析和处理数据，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 不同水炭运筹对水稻根系形态特征的影响

2.1.1对主根长、根体积与根鲜质量的影响

如图2所示，分蘖期至抽穗期，施加秸秆生物炭各处理的水稻根冠比显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)。水稻分蘖期，各处理根冠比在全生育期最大，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻的根冠比较常规淹灌模式分别提高17.95%、2.70%、11.27%和26.23%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的水稻根冠比较不施加秸秆生物炭处理分别提高10.39%、31.16%、17.39%。随着时间推移，各处理之间根冠比差异逐渐减小，在灌浆期和成熟期各处理之间无显著差异(P>0.05)。水稻生长前期，秸秆生物炭促进了根系生长，明显提高了根冠比，提高了根系吸收水分和养分的效率。而后期，秸秆生物炭延缓了水稻植株根系衰亡，较小的根冠减少了根系生长冗余，有利于营养物质的合理分配，能够增加籽粒干物质积累。

由图1a(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，施加秸秆生物炭各处理水稻单株的主根长显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)，浅湿干灌溉模式各处理水稻单株的主根长在拔节末期达到最大，而常规淹灌模式在抽穗末期最大。在分蘖期，施加2.5 t/hm2的秸秆生物炭更利于主根长的增长，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻主根长显著高于常规淹灌(P<0.05)。在拔节期，施加12.5 t/hm2的秸秆生物炭更利于主根长的增长，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻主根长显著高于常规淹灌(P<0.05)，且二者在拔节期差异最大。在抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻主根长与常规淹灌模式无显著差异(P>0.05)。在水稻生长前期，施加秸秆生物炭有利于提高根系下扎，促进根系纵向生长。但随着生育期推进，施加秸秆生物炭各处理之间的主根长差异逐渐缩小。

由图3可知，两种灌溉模式各处理的水稻根系伤流强度变化均为先增加后减少的趋势。分蘖期至抽穗期，施加秸秆生物炭各处理的水稻根系伤流强度显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)，施加秸秆生物炭处理水稻根系伤流强度在拔节期达到最大，而不施加秸秆生物炭处理在抽穗期达到最大。在分蘖期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系伤流强度较常规淹灌模式分别提高8.80%、5.49%、6.94%和3.85%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理根系伤流强度较不施加秸秆生物炭处理分别提高41.18%、36.03%、19.12%。在拔节期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系伤流强度较常规淹灌模式分别提高5.49%、1.83%、12.44%和5.46%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理根系伤流强度较不施加秸秆生物炭处理分别提高16.15%、31.77%、30.73%。在抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系伤流强度较常规淹灌模式分别提高6.45%、3.43%、20.20%和32.14%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理根系伤流强度较不施加秸秆生物炭处理分别提高6.57%、20.20%、12.12%。在灌浆期和成熟期，两种灌溉模式各处理之间的根系伤流强度差异较小。在水稻生长前期，秸秆生物炭提高了根系伤流强度，使根系输送物质的效率提高。在抽穗期，较高的根系伤流强度能够协调根系结构与功能，对干物质积累与产量形成更为有利。

由图1c可知，施加秸秆生物炭各处理(除抽穗期DB3、灌浆期和成熟期DB2)水稻单株的根鲜质量显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)，浅湿干灌溉模式和常规淹灌模式各处理水稻单株的根鲜质量均在抽穗末期达到最大。在分蘖期，施加2.5 t/hm2的秸秆生物炭更利于根鲜质量的增长，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根鲜质量显著高于常规淹灌(P<0.05)。在拔节期，施加12.5 t/hm2的秸秆生物炭更利于根鲜质量的增长，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根鲜质量显著高于常规淹灌(P<0.05)。在抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根鲜质量显著高于常规淹灌(P<0.05)。在水稻生长前期，施加秸秆秸秆生物炭有利于增加根鲜质量，而在生长后期对根鲜质量的影响作用减少。

总体上看，秸秆生物炭促进了根系生长，对水稻生长前期的主根长、根体积与根鲜质量的影响较大。

2.1.2对水稻根冠比的影响

2.2.2 单株干物质积累量 由图3看出，不同处理下冬小麦单株干物质积累随生育进程推进呈S型增长趋势，总体分3个阶段，返青至拔节期缓慢增长阶段，拔节至灌浆期快速增长阶段(其中抽穗至灌浆最快)，灌浆至成熟期缓慢增长阶段。早播条件下不同密度间的干物质积累量差异较大，晚播的不同密度处理间差异较小。同一密度下，单株干物质随播期的推迟而降低，分析原因是分蘖成穗的高低所致。

2.2 不同水炭运筹对水稻根系生理特性的影响

2.2.1对水稻根系活跃吸收面积及占比的影响

由表3可知，当秸秆生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻在拔节期和抽穗期根系吸收的肥料-15N显著高于常规淹灌(P<0.05)，各生育期施加秸秆生物炭处理的水稻根系吸收的肥料-15N显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)；相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻在拔节期和抽穗期根系吸收的土壤氮素显著高于常规淹灌(P<0.05)，各生育期施加秸秆生物炭处理的水稻根系吸收的土壤氮素显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)。浅湿干灌溉模式分别有34.53%～37.58%和29.61%～30.88%肥料-15N在拔节期和抽穗期被水稻根系吸收，同时水稻根系在拔节期和抽穗期分别吸收了32.85%～33.60%和26.61%～28.78%的土壤氮素；常规淹灌模式分别有33.43%～34.88%和28.65%～30.00%的肥料-15N在拔节期和抽穗期被水稻根系吸收，同时水稻根系在拔节期和抽穗期分别吸收了29.08%～31.33%和24.20%～27.93%的土壤氮素。由此可见，水稻的分蘖期和拔节期为氮素反应敏感期，应保证这两个时期的氮素供应，这对增加植株氮素总累积量和提高产量具有重要的意义。

表2 不同处理各生育期水稻根系活跃吸收面积及占总吸收面积百分比

总体上看，在水稻生长前期，秸秆生物炭明显提高了根系总吸收面积与活跃吸收面积，使根系吸收能力提升，从而促进氮素吸收。随着生育期推进，两种灌溉模式各处理之间的根系总吸收面积与活跃吸收面积差异逐渐减小，但仍有较高的根系总吸收面积和活跃吸收面积，有利于后期水分和养分的吸收和供应。

2.2.2对水稻根系伤流的影响

由图1b可知，施加秸秆生物炭各处理(除灌浆期、成熟期B1)水稻单株的根体积显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)，浅湿干灌溉模式和常规淹灌模式各处理水稻单株的根体积均在抽穗末期达到最大。在分蘖期，施加2.5 t/hm2的秸秆生物炭更利于根体积的增长，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根体积显著高于常规淹灌(P<0.05)。在拔节期，施加12.5 t/hm2的秸秆生物炭更利于根体积的增长，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根体积显著高于常规淹灌(P<0.05)。在抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根体积显著高于常规淹灌(P<0.05)。在水稻生长后期，秸秆生物炭有利于保持根系体积，从而延缓根系衰老，有利于满足后期水稻植株对养分的需求。

氮肥利用率相关指标计算如下：氮肥吸收利用率(NUE，%)为施氮区植株肥料15N积累量占施氮量百分比，氮肥农学利用率(NAE，kg/kg)为施氮区经济产量和氮空白区经济产量的差与施氮量比值，氮肥偏生产力(NPFP，kg/kg)为水稻经济产量与施氮量比值。

2.3 水炭运筹下水稻根系对肥料和土壤氮素的吸收

由表2可知，不同水炭运筹对各生育期水稻根系活跃吸收面积影响存在差异，施加秸秆生物炭增加了水稻根系的活跃吸收面积占总吸收面积百分比。在分蘖期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系活跃吸收面积较常规淹灌模式分别提高6.84%、7.15%、11.68%和2.34%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理根系活跃吸收面积较不施加秸秆生物炭处理分别提高50.32%、45.23%、28.91%；浅湿干灌溉模式水稻根系的活跃吸收面积占总吸收面积百分比低于常规淹灌模式。在拔节期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系活跃吸收面积较常规淹灌模式分别提高13.17%、9.80%、13.41%和5.09%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理根系活跃吸收面积较不施加秸秆生物炭处理分别提高28.80%、45.66%、42.53%；浅湿干灌溉模式水稻根系的活跃吸收面积占总吸收面积百分比低于常规淹灌模式。在抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系活跃吸收面积较常规淹灌模式分别提高7.34%、4.52%、6.34%和2.07%，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理根系活跃吸收面积较不施加秸秆生物炭处理分别提高2.77%、12.28%、7.07%；浅湿干灌溉模式水稻根系的活跃吸收面积占总吸收面积百分比高于常规淹灌模式。

表3 不同处理各生育期水稻根系肥料-15N吸收量和土壤氮素吸收量

统计分析结果表明(表4)，浅湿干灌溉模式水稻根系对肥料-15N的吸收量与根系伤流强度和根系活力呈极显著正相关(P<0.01)，与主根长和活跃吸收面积呈显著正相关(P<0.05)，与根冠比呈显著负相关(P<0.05)；水稻根系对土壤氮素的吸收量与根系伤流和根系活力呈极显著正相关(P<0.01)，与活跃吸收面积呈显著正相关(P<0.05)，与根冠比呈显著负相关(P<0.05)。常规淹灌模式水稻根系对肥料-15N的吸收量与根系伤流强度和根系活力呈极显著正相关(P<0.01)，与活跃吸收面积呈显著正相关(P<0.05)，与根冠比呈显著负相关(P<0.05)；水稻根系对土壤氮素的吸收量与根系伤流强度和根系活力呈极显著正相关(P<0.01)，与活跃吸收面积呈显著正相关(P<0.05)。

表4 水稻吸氮量与根系形态特征和生理特性的相关系数

2.4 水炭运筹下水稻氮肥利用率

由表5可知，水炭运筹两种灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的经济产量、NUE、NAE和NPFP。浅湿干灌溉模式下秸秆生物炭施加12.5、25 t/hm2较不施生物炭水稻经济产量分别增加了13.05%、3.32%，在相同秸秆生物炭施用水平(除25 t/hm2)下浅湿干灌溉模式水稻经济产量较常规淹灌模式增加1.36%～6.13%。当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻的NUE较常规淹灌分别提高了5.20%、9.88%、11.91%；浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的NUE较不施加秸秆生物炭处理分别提高6.03%、30.54%、22.35%。当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻的NAE较常规淹灌分别提高了1.22%、2.21%、6.71%；浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的NAE较不施加秸秆生物炭处理分别提高1.45%、11.67%、6.92%。当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻的NPFP较常规淹灌分别提高了1.36%、1.76%、6.13%；浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的NPFP较不施加秸秆生物炭处理分别提高0.99%、13.05%、3.32%。

表5 不同处理的产量及氮肥利用率

3 讨论

秸秆生物炭还田对于秸秆资源利用、环境和农业可持续发展具有现实意义。生物炭施入土壤后能够改善土壤结构与理化性质[18-19]，提高作物产量[20-21]。它的积极作用已经被越来越多的研究[22-25]所验证，并且研究结果趋势基本一致。但由于生物炭的原材料、施用量、土壤类型等差异，使研究结果具有一定的局限性。根系是水分和养分吸收的主要器官，其形态和生理特性与地上部生长发育、氮素利用和产量均有密切关系[11,26-27]。但到目前为止，关于秸秆生物炭对作物根系的影响机制的相关研究还较少，尤其是节水灌溉模式下，水分状况的改变使农田生态环境发生变化，与常规淹灌存在较大差异，生物炭的作物学效应还有待进一步验证。本试验研究发现，秸秆生物炭改善了土壤水、气、热、养分等生态因子，有利于水稻根系形态的建成，促进了前期根系生长，延缓后期根系衰老，有利于根系对水分、养分等物质的吸收、转运与合成，促进根系组织结构发育。施加适量生物炭能够增加根体积和吸收面积，同时提高了根系生理活性，促进根系对水和矿物质元素的吸收利用[28]，最终提高了水稻的氮素利用率和产量。

生物炭固有的结构特征与理化特性，使其施入土壤后对土壤物理结构如土壤容重、孔隙度、pH值、阳离子交换量和养分含量[18-19]等产生直接影响。生物炭富含N、P、K等营养元素和微量元素[29]，能够提高土壤养分供给水平，从而为根系组织发育和形态建成提供重要物质基础。黑色的秸秆生物炭具有吸热属性，施用后可以提高土壤温度[30]，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。另外，OGUNTUNDE等[31]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[13]。同时生物炭的施加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[32]，有利于促进根系生长。土壤pH值的变化对水稻根系的生长有直接影响，水稻秧苗移栽前的育苗土为偏酸性，移栽后由于秧苗对土壤pH值的变化十分敏感，若土壤pH值过高，则对生长不利[13]。故水稻生长前期，施用较低量生物炭有利于根系生长。秸秆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[5]，减少了硝态氮的淋溶，提高了土壤肥力和氮肥利用率[33-35]。同时因吸附氨离子降低了土壤中氮素的挥发[36]，减少了养分流失，对提高氮肥利用率有着重要作用。

当土壤水分发生变化时，作物根系最先感知，并通过调整自身形态和生理生化特征来适应水分环境的变化[37]。根系形态特征的变化会影响作物对氮素吸收和利用[14]，从而影响着作物地上部生长和产量。施加过量生物炭可能会使土壤pH值发生剧烈变化，并削弱根系对养分的吸附作用，抑制根系生长和对养分的吸收。土壤pH值和碳氮比的大幅度提高，可能会对土壤的微生物群落结构和功能产生负效应，从而影响根系生理功能。此外，施加过量生物炭可能会使稻田土壤孔隙度过高，加速水分和养分流失，导致根系吸收养分不足，从而影响水稻生长。因此，秸秆生物炭施用量应控制在一定范围内，以利于提高氮素利用率及产量。

综上所述，节水灌溉模式下，在东北寒地黑土区稻田中施加适量生物炭，有利于协调、优化土壤水、肥、气、热等生态因子，为根系创造良好的生长环境，从而使根系形态特征优化，生理功能增强，促进根系生长，保障地上部营养物质供应、转化与积累，促使最终产量提高。但由于环境条件与土壤类型等因素影响，秸秆生物炭对水稻根系与产量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。

首先，在计算机三维建模软件中绘制模型，建模软件很多，如3DMax、ProE、SolidWorks、AutoCAD等，本文采用AutoCAD2014进行闸阀的模型设计，各个零件、连接螺栓均按实物构造单独设计，为了方便观察内部构造，工作原理，壳体设计为剖切状态，模型如图1所示。

4 结论

(1)浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的水稻单株主根长、根体积和根鲜质量显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式的水稻单株主根长、根体积和根鲜质量显著高于常规淹灌(P<0.05)；在分蘖期至抽穗期，秸秆生物炭促进了根系生长和根冠比的增加，提高了根系吸收水分和养分的效率；在灌浆期至成熟期，秸秆生物炭延缓了水稻植株根系的衰亡，较小的根冠减少了根系生长冗余，增加了籽粒干物质积累。

师：有问题比主动更优秀。大部分同学写人喜欢写眼睛，为什么他写背影不写眼睛，假如要描写眼睛，会是什么样的眼睛……

在幼儿园区域活动开展中，幼儿园教师可以打破原本的大中小班的界限，尝试着采取混龄教育的方式开展活动。一些国外混龄教育实践证明，这种教育模式能对孩子参与区域活动的积极性和主动性起到较好的激发作用，能对幼儿良好的责任心以及爱心的培养起到较好的促进作用。

(2)在分蘖期至抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻根系活跃吸收面积显著高于常规淹灌(P<0.05)，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的根系活跃吸收面积较不施加秸秆生物炭处理显著增加(P<0.05)；两种灌溉模式各处理的水稻根系伤流强度变化均为先增加、后减少的趋势，在分蘖期至抽穗期，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式的水稻根系伤流强度显著高于常规淹灌(P<0.05)，浅湿干灌溉模式施加秸秆生物炭各处理的水稻根系伤流强度显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)；相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式的水稻根系活力显著高于常规淹灌(P<0.05)，施加秸秆生物炭各处理的水稻根系活力显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)。

This paper applied three corpora to study the differences in women and men’s language.The author combined the method of qualitative study and the quantitative study.

(3)浅湿干灌溉模式分别有34.53%～37.58%和29.61%～30.88%的肥料-15N在拔节期和抽穗期被水稻根系吸收，同时吸收了32.85%～33.60%和26.61%～28.78%的土壤氮素；当秸秆生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻在拔节期和抽穗期根系吸收的肥料-15N和土壤氮素显著高于常规淹灌(P<0.05)，各生育期施加秸秆生物炭处理的水稻根系吸收的肥料-15N和土壤氮素显著高于不施加秸秆生物炭处理(P<0.05)；浅湿干灌溉模式水稻根系对肥料-15N的吸收量与根系伤流强度和根系活力呈极显著正相关(P<0.01)，与主根长和活跃吸收面积呈显著正相关(P<0.05)，与根冠比呈显著负相关(P<0.05)；浅湿干灌溉模式水稻根系对土壤氮素的吸收量与根系伤流强度和根系活力呈极显著正相关(P<0.01)，与活跃吸收面积呈显著正相关(P<0.05)，与根冠比呈显著负相关(P<0.05)。

(4)浅湿干灌溉模式下，秸秆生物炭施加12.5 t/hm2和25 t/hm2较不施生物炭水稻经济产量分别增加了13.05%、3.32%；在相同秸秆生物炭施用水平(除25 t/hm2)下，浅湿干灌溉模式水稻经济产量较常规淹灌模式增加1.36%～6.13%。当生物炭施加量为0～12.5 t/hm2时，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻的NUE、NAE和NPFP高于常规淹灌，水炭运筹两种灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的NUE、NAE和NPFP。

(5)浅湿干灌溉模式施加适量的秸秆生物炭处理，提高了水稻的经济产量、NUE、NAE和NPFP，且秸秆生物炭无需连年施入，加之应用分块还田模式，其经济成本较低。