水分調(diào)控對水稻根際土壤反硝化作用的影響

陳志剛, 劉龍梅, 陳 蕾, 周曉紅

(1.江蘇大學 環(huán)境與安全工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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水分調(diào)控對水稻根際土壤反硝化作用的影響

陳志剛1,2, 劉龍梅1, 陳 蕾1, 周曉紅1

(1.江蘇大學 環(huán)境與安全工程學院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 2.江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

水分; 水稻; 根際土壤; 反硝化

作為全球重大環(huán)境問題之一，溫室氣體所導致的氣候變暖已引起國際社會廣泛關注。反硝化作用是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮循環(huán)的重要環(huán)節(jié)，是導致氮素氣態(tài)損失的重要機制，其中間產(chǎn)物氧化亞氮則是引起全球變暖的重要因素之一[1-2]，因此，農(nóng)田反硝化作用過程成為當前被廣泛關注的熱點問題之一。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗土壤

1.2 水稻幼苗培育

水稻幼苗在江蘇大學農(nóng)業(yè)工程研究院“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點室驗室”的人工氣候室內(nèi)培育，培養(yǎng)期間，人工氣候室內(nèi)溫度為25±1℃，自然光照射。挑選飽滿的稻種各27 g分別置于培養(yǎng)皿中，用自來水淹沒種子，催芽露白，催芽期間，每天對培養(yǎng)皿中水分進行補充。待水稻種子露白后，將培養(yǎng)皿中的種子分別均勻地播撒到各個試驗桶中，一個培養(yǎng)皿隨機選擇一個試驗桶，隨后分別在每個試驗桶內(nèi)添加適量自來水，使得試驗桶內(nèi)土壤水分含量達到田間持水量，以滿足水稻幼苗生長所需。水稻幼苗生長期間，定期對試驗桶內(nèi)土壤水分進行測定及補充。待各試驗桶內(nèi)水稻幼苗株高25±3 cm時，開始執(zhí)行水分管理試驗。

1.3 試驗設計

試驗于2012年5月—2012年10月份在“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室”的人工氣候室內(nèi)培育，培養(yǎng)期間，人工氣候室內(nèi)溫度保持在25.5℃，自然光照射。根據(jù)參考文獻[7-8]，本試驗共設定3種水分管理模式：(1) 干濕交替灌溉型(J)。從水稻返青至分蘗初期，土壤始終保持3～5 cm的水層，在分蘗中期則采用干濕輪換澆灌模式(即每次當土壤灌水至5.0 cm深時，待土壤逐漸落干后，再灌下一次水)，收獲前15 d撤水；(2) 淺水層連續(xù)灌溉型(C)。水稻整個生育期始終維持約3～5 cm的淺水層；(3) 控水模式(G)。除返青建立1.5～3 cm深水層外，在水稻生長的其余生理階段不建立水層，采用補水保持土壤濕潤，以滿足水稻生長所需水分。3種水分管理模式均設置兩組平行試驗，同時對3種水分管理模式分別設置不種植水稻的空白系統(tǒng)作為對照(分別為J對照，C對照，G對照)。

氮、磷、鉀肥施用量分別為氮肥(尿素)150 kg/hm2，磷肥(過磷酸鈣)35 kg/hm2，鉀肥(氯化鉀)130 kg/hm2，整個試驗周期內(nèi)共施肥3次。

1.4 樣品采集

分別在水稻分裂期(07-12)、孕穗期(09-04)、成熟期(10-19)進行土壤樣品采集。采樣過程具體為：在各試驗桶內(nèi)輕輕挖取土壤深度15 cm含水稻根系的土壤，裝入無菌密封袋，迅速帶入實驗室，瀝干土壤水分后，取水稻根際土壤置于-25℃保存?zhèn)溆?，試驗桶?nèi)剩余植物繼續(xù)培養(yǎng)。對照試驗桶內(nèi)樣品采集深度與植物組相似，采集后同樣-25℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 樣品測定

采集的土壤樣品先通過冷凍干燥儀(LGJ-12壓差型)-45℃冷凍干燥，隨后對土壤反硝化強度、反硝化勢以及土壤反硝化速率進行測定，具體分析方法如下：

(2) 土壤反硝化勢的測定。采用乙炔抑制法、泥漿培養(yǎng)法。取5 g冷干土壤放入密閉瓶中，真空泵抽氣5 min后充入99.99%氦氣和C2H2(頂空氣體中C2H2氣體的分壓大于10 kPa)，加入5 ml溶液(1 mmol/L葡萄糖，1 mmol/L硝酸鉀溶液)，25℃下以125 r/min的轉速振蕩培養(yǎng)。在土壤厭氧培養(yǎng)后的24，48，72 h分別抽取頂空氣體5 ml至已抽真空的密閉瓶中，帶回實驗室立即測N2O的含量。用N2O累積排放量來表示土壤的反硝化勢[10]。

(3) 土壤反硝化速率的測定。稱取20 g冷干土樣，裝入容積70 ml、內(nèi)直徑20 cm的厭氧瓶中，使其體積為20 ml，加水調(diào)節(jié)土壤水分含量至85%WFPS(土壤孔隙水含量，即充水孔隙體積占總孔隙的百分率)[11]，并立即向瓶內(nèi)吹入高純氮氣以趕走瓶內(nèi)氣體，隨后用硅橡膠塞塞住瓶口。每個土樣取4份，其中一半充入無雜質(zhì)的乙炔氣體(事先通過6 mol/L濃度的硫酸，以去除其中含有的丙酮等雜質(zhì))，使厭氧瓶中乙炔的體積為10%。注入乙炔后，用密封的注射器通過硅膠塞上下抽提5～8次以混勻瓶內(nèi)氣體[12]。另一半未充入乙炔，作為對照組[13]。所有樣品均放入30℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)1 d后用10 ml注射器在瓶內(nèi)來回抽取氣體3次以混勻瓶內(nèi)的氣體，然后再抽出10 ml氣體注入氣相色譜儀中，測定N2O的濃度。培養(yǎng)結束后，用布魯克GC-450氣相色譜儀測定N2O的濃度，檢測器為63Ni電子捕獲檢測器(ECD)，色譜柱為80/100目PorapakQ的填充柱。進樣口溫度設為50℃，爐溫設為40℃，檢測器溫度設為300℃。以高純度的氮氣作為載氣，流速為10 ml/min。反吹氣為空氣(79%氮氣+21%氧氣)。定量六通閥進樣，進樣量為2 ml。由布魯克GC-450積分記錄儀記錄數(shù)據(jù)，以國家標準物質(zhì)研究中心制定的氧化亞氮標準氣體作為參考，比較待測氣體的峰面積，從而得出待測氣體的濃度。有關氣體的測定以及計算步驟參照參考文獻[13]。

2 結果與分析

2.1 水稻根際土壤反硝化強度變化特征

圖1 水稻根際土壤反硝化強度的變化

2.2 水稻根際土壤反硝化速率變化特征

圖2 水稻根際土壤反硝化速率的變化

與反硝化強度相似，水稻系統(tǒng)內(nèi)反硝化速率亦隨植物的生長呈顯著下降趨勢，表現(xiàn)為分蘗期>孕穗期>成熟期，方差分析結果表明，水稻根系土壤反硝化速率在3個生長階段有顯著差異(p<0.05)，這與系統(tǒng)內(nèi)底物濃度及其植物根際的代謝過程等密切相關。植物可通過以下途徑直接或間接地對反硝化速率產(chǎn)生影響：(1) 通過吸收同化硝酸鹽氮而抑制反硝化作用；(2) 植物提供根分泌物及殘屑等有機物為反硝化細菌提供碳源，最后通過礦化作用和硝化作用促進反硝化作用；(3) 植物根系的呼吸作用和根際微生物降解有機物的過程等都將消耗氧氣，而植物通過蒸騰作用以及與氣體交換則提高土壤氧氣的濃度，使得植物根系土壤溶解氧含量處于波動狀態(tài)，而這一波動變化強度則與植物的生長發(fā)育過程密切相關，其中植物再生長過程中其根分泌物和殘屑不僅為微生物提供有機碳而且在降解的過程中降低了氧氣分壓[26]，這將對植物根系反硝化作用產(chǎn)生一定的影響。

2.3 水稻根際土壤反硝化勢變化特征

圖3 土壤反硝化勢的變化

研究同時發(fā)現(xiàn)，3組不同水分管理模式下的無植物對照系統(tǒng)反硝化勢同樣表現(xiàn)為：連續(xù)灌溉>干濕交替>控水模式的變化趨勢，且均小于有植物組，這一結果的可能原因在于：種植水稻后，在水稻生長過程中由于根系分泌物以及有機物質(zhì)殘屑等為反硝化細菌提供豐富的營養(yǎng)來源[26]，促使反硝化細菌種類和數(shù)量迅速增加，導致反硝化作用的加強，故水稻組反硝化勢均高于對照組。

3 結 論

(1) 在3種水分管理模式下(C，J，G)，土壤反硝化強度、反硝化勢以及反硝化速率均有相似的規(guī)律性。即：試驗組和對照組，變化趨勢均為連續(xù)灌溉>干濕交替>控水模式，且試驗組組>對照組，并隨著水稻的生長而呈遞減趨勢。

(2) 土壤反硝化勢在水稻不同生育期內(nèi)波動變化較小，試驗組和對照組差異不顯著。而土壤反硝化強度及反硝化速率在水稻不同生長階段內(nèi)波動變化較大，但整體上隨植物的生長過程呈降低的趨勢。

(3) 根際土壤反硝化強度、反硝化勢及反硝化速率與土壤硝酸鹽氮濃度有顯著相關性，即底物硝酸鹽氮濃度是影響土壤反硝化作用過程的重要影響因子。

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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

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室開放基金(NZ201010);江蘇大學第12批大學生科研立項資助項目(12A255)

陳志剛(1963—),男,江蘇鎮(zhèn)江人,教授,博士,主要從事農(nóng)業(yè)生物環(huán)境保護以及生態(tài)修復研究。E-mail:chenzg@mail.ujs.edu.cn

周曉紅(1981—),女,陜西鳳翔人,副教授,博士,主要從事退化生態(tài)系統(tǒng)修復研究。E-mail:xhzhou0214@163.com

X171.1; S511

1005-3409(2015)05-0133-05