灌溉模式和供氮水平對水稻氮素利用效率的影響

陳 星，李亞娟，劉 麗，方素萍，方 萍*，林咸永

(1浙江大學(xué)環(huán)境資源學(xué)院，教育部環(huán)境修復(fù)與生態(tài)健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310029 2浙江省亞熱帶土壤與植物營養(yǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310029)

在影響水稻產(chǎn)量、品質(zhì)和氮素利用率的諸多因素中，水和氮起著十分關(guān)鍵的作用。水分與氮素是水稻生產(chǎn)的主要脅迫因子，尤其是在干旱和半干旱地區(qū)［1］。氮素供應(yīng)不足不僅不會充分發(fā)揮水分的增產(chǎn)作用，水分供應(yīng)不協(xié)調(diào)也會造成氮素資源浪費(fèi);水分管理不當(dāng)還會引起硝態(tài)氮的淋失，并可能污染地下水［2］。水分、氮素及其互作對農(nóng)作物氮素的吸收、利用以及品質(zhì)和生理性狀有十分顯著的影響。20世紀(jì)末期，國外一些學(xué)者研究了地下灌溉模式下水分和氮素對花椰菜、土豆和芹菜等蔬菜作物產(chǎn)量的影響［3］;而在21世紀(jì)初期，集中研究了水分、氮素對于水稻、小麥等糧食作物生產(chǎn)的影響［4－5］，都證實(shí)了水分和氮素在農(nóng)作物的生長過程中起著非常重要的作用。國內(nèi)一些學(xué)者的研究結(jié)果也指出，水分、氮素及其互作對雜交水稻結(jié)實(shí)期生理性狀及產(chǎn)量存在顯著的影響［6］，對水稻各生育期氮代謝酶活性和氮素吸收利用也存在顯著或極顯著的互作效應(yīng)［7］，對水稻主要生育期氮的累積、轉(zhuǎn)運(yùn)、分配及產(chǎn)量均存在顯著的互作效應(yīng)，且抽穗前期氮的累積與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)［8］。另外，張學(xué)軍等［9］也證實(shí)了水氮合理配比有利于提高水稻產(chǎn)量和氮素利用率。然而，關(guān)于水分、氮素及其互作對水稻氮素積累量，土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量及其相關(guān)性還鮮見報(bào)道。本試驗(yàn)進(jìn)一步研究了水分、氮素及其互作對水稻生長中后期生物量、氮積累量、氮素利用效率和土壤無機(jī)氮及其相關(guān)性的影響，旨在探討水肥調(diào)控對水稻中后期生長的影響，探究最佳施氮量和灌溉模式，以期對水稻的高產(chǎn)高效管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試土壤為潮土，取自湖北省潛江市浩口鎮(zhèn)柳州村(N 30°22'54.5″、E 112°37'21.5″，海拔高度27.5 m)的水稻土，質(zhì)地砂壤，其表土(0—15 cm)和底土(15—40 cm)的基本理化性狀見表1。

表1 供試土壤基本理化性狀Table 1 Soil physical and chemical properties

供試水稻品種為Ⅱ優(yōu)838。試驗(yàn)設(shè)淹水(FW)和控水(CW)兩種水分管理模式，其中FW為除分蘗末期和成熟期不灌水外，土表保持3 cm水層;CW為除水稻移栽后返青前保持3 cm水層外，其余生育階段保持土壤濕潤但表土無水層。各水分模式下分設(shè)4個(gè)供氮水平:不施氮肥(N0);60%常規(guī)施氮量(N1，施N 126.0 kg/hm2);75%常規(guī)施氮量(N2，施N 157.5 kg/hm2);當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮量(N3，施N 210.0 kg/hm2)。氮肥70%作基肥，30%作分蘗肥;各處理均施磷肥P2O575.0 kg/hm2、鉀肥K2O 120.0 kg/hm2，磷、鉀肥作為基肥。氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。

土柱為內(nèi)徑16 cm高50 cm的PVC管，底部可裝卸，接縫處用硅橡膠密封。裝土?xí)r在底部墊一層石英砂，裝入3kg底土，高度約為15 cm;在底土之上再鋪一層石英砂，裝入約4 kg表土，裝表土前將基肥與土壤充分混合均勻，表土高度約為20 cm。移栽前灌水浸泡1周，使土壤沉實(shí)。

試驗(yàn)始于2009年6月，采用稻麥輪作的方式，在浙江大學(xué)華家池校區(qū)溫室內(nèi)進(jìn)行。輪作制中的小麥供試品種為鄭麥9023，在前作的淹水(FW)和控水(CW)模式下也分設(shè)4個(gè)供氮水平:不施氮肥(N0);60%常規(guī)施氮量(N1，施N 126.0 kg/hm2);75%常規(guī)施氮量(N2，施N 157.5 kg/hm2);當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施氮量(N3，施N 210.0 kg/hm2)。氮肥40%作基肥，30%作分蘗肥，30%作拔節(jié)肥。第一、二季水稻分別于2009年7月3日和2010年7月7日移栽，移栽時(shí)每個(gè)柱子種水稻1叢，每叢2株，各處理重復(fù)6次，完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。

1.2 測定項(xiàng)目和方法

1.2.1 測定項(xiàng)目 在每季水稻成熟期將植株地上部分莖葉和子粒分別烘干稱干重，并測其全氮含量，以估算各項(xiàng)氮肥利用效率指標(biāo);在第二季水稻生育過程中，分別于2010年8月20日(抽穗期)、9月20日(灌漿期)、10月4日(蠟熟期)和10月25日(完熟期)取植株樣和鮮土樣。將植株樣的莖葉和子粒殺青后稱干重，粉碎后測總氮含量;將鮮土樣凍干磨細(xì)過0.25 mm篩后測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。每次取樣測定重復(fù)3次。

1.2.2 測定方法 用2mol/L氯化鉀提取土壤無機(jī)氮，分別采用靛酚藍(lán)比色法和紫外分光光度計(jì)法測定銨態(tài)氮和硝態(tài)氮［10］;采用 H2SO4－H2O2消解—靛酚藍(lán)比色法測定植株總氮［10］。

各項(xiàng)氮素利用效率指標(biāo)定義如下:

氮素農(nóng)學(xué)利用率(NAE，Nitrogen agronomic efficiency)(grain kg/kg，N)為施氮肥區(qū)與不施氮肥區(qū)稻谷產(chǎn)量之差與施氮水平的比值，即單位施氮量的產(chǎn)量增加量;

氮肥吸收利用率 (NRE，Nitrogen recovery efficiency)(%)用施氮肥區(qū)與不施氮肥區(qū)地上部氮素積累量之差與施氮量的比值表示;

氮素收獲指數(shù)NHI(N harvest index)為子粒氮素積累量與氮素累積總量的比值;

氮肥偏生產(chǎn)力(PFP，Partial factor productivity of applied N)(grain kg/kg，N)為施氮區(qū)產(chǎn)量與施氮量的比值;

氮素生理利用率(PE，N physiological efficiency)(grain kg/kg，N)用施氮肥區(qū)與不施氮肥區(qū)稻谷產(chǎn)量之差與施氮肥區(qū)與不施氮肥區(qū)地上部氮素積累量之差的比值表示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用DPS軟件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻地上部生物量和氮素積累量

由圖1可見，2009年和2010年各處理水稻地上部生物量變化趨勢基本一致，在相同灌溉模式下，2輪試驗(yàn)水稻各施氮處理的莖葉、稻谷干重均顯著高于N0處理;3個(gè)施氮處理間的差異并不十分明顯，只在2009年淹水模式下莖葉干重N3處理顯著高于N1和N2處理，子粒干重N2與N3處理均顯著高于N1處理;2010年淹水模式下莖葉干重N3處理顯著高于N1處理。說明施用氮肥能提高水稻生物量，但是在常規(guī)施氮水平下減氮25%左右對水稻子粒干重?zé)o顯著影響。另外，方差分析結(jié)果表明，2輪試驗(yàn)中，供氮水平對成熟期水稻莖葉和稻谷干重均有極顯著影響(P＜0.0001)，2009年灌溉模式對成熟期水稻莖葉和稻谷干重均有極顯著影響(P＜0.01)，表現(xiàn)為淹水處理高于控水處理(表2)。

對水稻成熟期地上部氮素累積量的方差分析結(jié)果表明，2輪試驗(yàn)中供氮水平對成熟期水稻莖葉和稻谷干重均有極顯著影響(P＜0.0001)，而在2009年灌溉模式對稻谷氮素積累量的影響顯著(P＜0.01)(表2)。由圖2可以看出，在2種灌溉模式下，2輪試驗(yàn)水稻不同部位的氮累積量均表現(xiàn)出隨施氮量增加而增加的趨勢，說明過量施氮使水稻吸收的氮素在莖葉中積累而成為奢侈吸收;而在不同灌溉模式間又表現(xiàn)為淹水處理又高于控水處理，說明相比控水模式，淹水模式更有利于水稻氮素的吸收積累。

圖1 灌溉模式和供氮水平對水稻地上部生物量的影響Fig.1 Effects of water management patterns and nitrogen fertilizer levels on aboveground biomass of rice

表2 試驗(yàn)因子及互作對地上部干物重及氮素積累量影響效應(yīng)的顯著性水平(P)Table 2 The significant effects of experimental factors on dry mater weight and the accumulation of nitrogen in rice aerial parts

圖2 灌溉模式和供氮水平對水稻氮積累總量的影響Fig.2 Effects of water management patterns and nitrogen fertilizer levels on nitrogen accumulation of rice

2.2 水稻氮素利用效率

由表3可見，在2種灌溉模式下，2輪試驗(yàn)中水稻各氮素利用率指標(biāo)在不同施氮處理間差異不盡相同。除2009年和2010年水稻的氮收獲指數(shù)和氮肥吸收利用率外，各氮素利用率指標(biāo)在不同施氮處理間差異極顯著(P＜0.01)，在相同的灌溉模式下，各指標(biāo)基本都隨著施氮量的增加而減小。2009年灌溉模式對水稻氮素農(nóng)學(xué)利用率、氮肥吸收利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用率的影響極顯著(P＜0.01)，表現(xiàn)為淹水處理高于控水處理，進(jìn)一步說明淹水條件更有利于水稻對氮素養(yǎng)分的吸收利用。另外，在淹水模式下，N2處理的水稻氮素農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力和氮素生理利用率顯著高于N3處理，而與N1之間差異基本不明顯。

此外，值得指出的是，本試驗(yàn)中各施氮處理的水稻氮肥吸收利用率普遍較高，2009年和2010年的氮肥吸收利用率分別在52%～69%和65%～86%之間，2010年各處理高于2009年。這可能一方面是由于柱栽試驗(yàn)中施氮處理的土壤氮素的流失較少;另一方面可能是因?yàn)?009年稻麥輪作試驗(yàn)中N0處理土壤中的氮素消耗過多，使得采用差減法求得的氮肥吸收利用率高于2010年試驗(yàn)中求得的當(dāng)季氮肥吸收利用率。

2.3 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量

方差分析結(jié)果表明，土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量在不同施氮處理間的差異極顯著(P＜0.0001)，而在不同灌溉模式間的差異并不顯著(P＞0.05)，兩者的交互作用明顯(P＜0.01)。而在水稻各個(gè)生育期，灌溉模式、供氮水平及其交互作用對土壤中的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響不盡相同(表4)。在抽穗期，灌溉模式、供氮水平及其交互作用對土壤中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響顯著，其中，淹水條件下施氮處理土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量高于控水，這是由于在淹水條件下土壤處于厭氧條件，不利于產(chǎn)生硝化作用。另外，在同一灌溉模式下，抽穗期土壤中硝態(tài)氮含量隨著施氮量的增加而升高，而硝態(tài)氮又是稻田氮素流失的主要形態(tài)，因此過量施氮會增加生殖生長期水稻田氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 植株氮積累量與土壤無機(jī)氮含量的相關(guān)性

相關(guān)性分析結(jié)果表明(表5)，在水稻抽穗期地上部氮積累量與土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮均呈現(xiàn)顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系;灌漿期和蠟熟期地上部氮積累總量、莖葉氮積累量都與土壤銨態(tài)氮含量存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系;完熟期水稻地上部氮積累總量、莖葉和子粒氮積累量都分別與土壤硝態(tài)氮存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系;各個(gè)時(shí)期水稻地上部氮積累量與土壤堿解氮含量卻無明顯相關(guān)性(P＞0.05)。說明水稻在不同時(shí)期地上部氮的積累與土壤中的有效氮形態(tài)有關(guān):抽穗期的氮積累與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的相關(guān)性均較強(qiáng)，灌漿期和蠟熟期與銨態(tài)氮的相關(guān)性較強(qiáng)，而完熟期與硝態(tài)氮含量的相關(guān)性較強(qiáng)。

3 討論

隨著農(nóng)田水資源的日益緊缺和不合理施肥造成的面源污染形勢日趨嚴(yán)峻，我國的眾多學(xué)者已開展了“節(jié)水減肥”的相關(guān)研究。以往的研究大都集中在水、肥單因子效應(yīng)試驗(yàn)［11－19］，也有少數(shù)學(xué)者對水肥的交互效應(yīng)進(jìn)行了研究。大多數(shù)研究認(rèn)為［2－5］，水肥互作對水稻子粒產(chǎn)量、氮積累量、氮素利用效率、生理性狀等具有顯著或極顯著的影響。本試驗(yàn)結(jié)果也證實(shí):水稻的莖葉和子粒產(chǎn)量和氮素積累量在不同施氮處理和灌溉模式間差異顯著，兩者的交互作用明顯。這與Belder等［20］和Cabangon 等［21］的研究結(jié)果不一。筆者認(rèn)為各學(xué)者的研究結(jié)果不太一致可能是由于試驗(yàn)條件存在差異，如灌溉方式、灌溉時(shí)間、氮肥水平不同、試驗(yàn)作物品種、土壤類型、氣候條件各異等。因此，為深入研究水氮互作對水稻生長和生理性狀的影響，對水氮互作的具體機(jī)理等還有待進(jìn)一步的探討。

表4 灌溉模式與供氮水平對水稻不同時(shí)期土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的影響Table 4 Effects of water management patterns and nitrogen fertilizer levels on soil ammonium nitrogen and nitrate nitrigen at different growth stages of rice

表5 不同生長期水稻地上部氮積累量與土壤無機(jī)氮含量的相關(guān)性分析(r)Table 5 Correlations of nitrogen accumulation with soil inorganic nitrogen contents at different growth stages of rice

氮肥利用率受施氮量和灌溉模式的影響深刻。一般來說，隨著施氮量的增加，作物產(chǎn)量增加，氮肥利用率降低［2］。為協(xié)調(diào)產(chǎn)量和氮肥利用率之間的矛盾，從我國目前的情況來看，需要在保持作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的前提下適當(dāng)減少施肥量，提高氮素利用率。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，氮素積累總量隨著施氮量增加而增大，相反，氮素農(nóng)學(xué)利用率、氮肥偏生產(chǎn)力及氮素生理利用率均表現(xiàn)為隨施氮量增加而減少的趨勢。同時(shí)，相對于常規(guī)施氮量(N3處理)，減少25%的施氮量(N2處理)在增加氮素利用率的同時(shí)并未降低水稻子粒干重及其氮素的積累。另外本試驗(yàn)也證實(shí)，相比控水模式，淹水模式更有利于水稻干物質(zhì)的積累和氮素的吸收利用，因此在本試驗(yàn)條件下，可以適量減氮(減少常規(guī)施氮量的25%)，并采用淹水灌溉模式，以保證水稻產(chǎn)量，同時(shí)避免水稻對氮素養(yǎng)分的奢侈吸收，從而提高氮素吸收利用效率。

在水稻各生長時(shí)期，其對不同形態(tài)氮素的吸收行為的表現(xiàn)有所不同。張亞麗等［22］的研究表明，水稻對氮素的吸收利用能力應(yīng)該表現(xiàn)為對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮綜合吸收利用能力而不僅僅是其中的一種。國內(nèi)外學(xué)者［23－26］的研究也證實(shí)了在不同生長時(shí)期水稻對不同形態(tài)氮素表現(xiàn)出不同的吸收能力。其中，何文壽等［23］研究表明，水稻在營養(yǎng)生長期以吸收銨態(tài)氮為主，在生殖生長期對硝態(tài)氮的吸收增加。Lon等［25］研究表明在生殖生長期，水稻轉(zhuǎn)移至稻穗中的氮素形態(tài)以銨態(tài)氮為主，而在本試驗(yàn)中，通過分析不同生長期水稻地上部氮積累量與土壤無機(jī)氮含量的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，在水稻的生殖生長期，土壤中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量均與莖葉、子粒氮積累量或地上部總氮積累量顯著相關(guān)。其中，銨態(tài)氮與抽穗期、灌漿期和蠟熟期地上部氮積累量相關(guān)，硝態(tài)氮與抽穗期和完熟期地上部氮積累量相關(guān)。說明在不同時(shí)期，水稻對不同形態(tài)氮素的需求不一致，可以根據(jù)需要補(bǔ)充合適的氮源，但應(yīng)注意氮素流失。

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