節(jié)水灌溉模式下稻田氮素遷移與肥料氮利用

陳 棟, 繆子梅, 蔣 坤, 陳潔茹, 沈芝瑩, 仇春光

(1. 淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司, 江蘇 淮安 223005; 2. 江蘇大學 流體機械工程技術(shù)研究中心, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3. 宿遷市經(jīng)濟開發(fā)總公司, 江蘇 宿遷 223800)

中國是世界上第一種稻大國,稻谷總產(chǎn)量在全球各國中占第1位,因此,水稻的節(jié)水、高產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義[1].為提高水稻對水肥的利用率,大量學者在稻田水肥調(diào)控方面做了相關(guān)研究.例如,在稻田水分的調(diào)控方面,彭世彰等[2]、繆子梅等[3]、王熹等[4]提出了“薄淺濕曬”、“間歇灌”、“控制濕潤”、“半旱栽培”等水稻節(jié)水灌溉技術(shù).在對稻田肥力的研究中,XU J.Z.等[5]、ZHANG D.L.等[6]、WANG J.Y.等[7]對水稻充分供水條件下稻田土壤氮素的轉(zhuǎn)化去向、肥料氮在根系的遷移規(guī)律以及氮肥利用率等方面進行了比較系統(tǒng)的研究.總體而言,目前國內(nèi)外對水稻節(jié)水灌排技術(shù)的研究多偏重于對水資源的可持續(xù)利用、農(nóng)田理化性狀和水稻生理生態(tài)效應(yīng)等方面,對于節(jié)水灌溉條件下的資源環(huán)境效應(yīng),特別是減少面源污染物的排放、對土壤環(huán)境質(zhì)量的影響、水肥耦合效應(yīng)及機理、區(qū)域性的節(jié)水灌溉技術(shù)與農(nóng)業(yè)措施結(jié)合模式等研究[8-10]較少.筆者對氮肥施入稻田后,氮素的去向包括作物吸收、土壤殘留、淋溶損失和氣態(tài)損失等進行定量分析,運用N15示蹤技術(shù),對不同灌溉模式對肥料氮在植物-土壤-大氣連續(xù)體(SPAC)遷移轉(zhuǎn)換進行研究.

1 試驗設(shè)計與分析方法

1.1 試驗區(qū)基本情況

2015年在浙江省灌溉試驗中心站進行試驗,在大型測筒蒸滲器試區(qū),采用穩(wěn)定性同位素N15示蹤技術(shù),對單季水稻不同灌溉模式下,稻田氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進行系統(tǒng)研究.試驗基地位于浙江省水利圍墾高科技農(nóng)業(yè)園區(qū),東經(jīng)120°39′,北緯30°18′.區(qū)域年平均降水量為1 320.5 mm,平均氣溫為16.1 ℃,無霜期224 d,年相對濕度為82%,年日照總時數(shù)為2 116.6 h,年輻射量為0.109 6 MJ·m-2.供試土壤為水稻土類、小粉田土種,pH為8.06,全氮質(zhì)量分數(shù)為0.5 g·kg-1,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為8.0 g·kg-1,堿解氮質(zhì)量分數(shù)為 56.6 mg·kg-1,有效磷質(zhì)量分數(shù)為15.2 mg·kg-1,交換性鉀質(zhì)量分數(shù)為 60.2 kg·kg-1.大型測筒蒸滲器試區(qū)設(shè)有測筒40個,單個直徑為0.618 m,底部設(shè)有濾層和側(cè)向排水裝置,試區(qū)配備自動防雨棚,消除外界降雨對試驗的影響.

1.2 試驗設(shè)計

試驗?zāi)Ｊ椒譃槌Ｒ?guī)灌溉模式(W0)、薄露灌溉模式(W1)、間歇灌溉模式(W2)3種,施肥采用不施氮肥(作為對照處理)和正常施氮肥,其他鉀肥、磷肥施用方法保持一致.不同灌溉模式下的田間水分控制標準如表1所示.其中,θS為田間持水率.氮肥統(tǒng)一采用尿素,施氮水平為240 kg·hm-2,施肥處理為基肥(50%)+分蘗肥(30%)+拔節(jié)肥(20%),基肥、分蘗肥和拔節(jié)肥的施用時間分別是7月9日、7月25日、8月20日.各處理磷鉀肥施用量均相同,其中磷肥為過磷酸鈣,施入量為390 kg·hm-1,鉀肥為氯化鉀,施入量為90 kg·hm-2,且作基肥一次性施入.每個處理安排8次重復,其中,10%豐度N15尿素安排4次重復,普通尿素安排4次重復.

表1 不同灌溉模式下的田間水分控制標準 mm

1.3 觀測指標及分析方法

稻田滲漏水樣收集與測定:測筒蒸滲器底部設(shè)有排水裝置,定期打開龍頭排水,用量杯測定時段內(nèi)測筒內(nèi)稻田的滲漏量.滲漏水中NO3--N濃度采用紫外分光光度法.N15同位素測定采用豐度10%的N15同位素.N15同位素的標記及含量的檢測采用質(zhì)譜法分析.NH3揮發(fā)試驗采用PVC管通氣收集法.在基肥、分蘗肥、拔節(jié)肥施用當天,NH3揮發(fā)開始捕集,施肥后第5天取樣.NH3揮發(fā)量測定采用蒸餾滴定法.植株與土壤含氮量測定方法如下:每個生育期植株取樣1次,取樣植株要求具有代表性,土壤樣品采集在泡田之前與試驗結(jié)束后.植株含氮量與土壤含氮量分析法均采用硫酸+催化劑凱氏定氮法.

2 結(jié)果分析

2.1 對稻田氮素滲漏總量變化的影響

不同灌溉模式下施肥后NO3--N滲漏總量如圖1所示.

圖1 不同灌溉模式下施肥后NO3--N滲漏總量

從圖1a可以看出:基肥期,各處理的NO3--N滲漏損失均達到最大值,其中,W0處理最大,W2次之,W1最小,W0處理NO3--N滲漏損失量達到W1處理2倍以上;分蘗肥期,W0處理NO3--N滲漏損失量最高,W1次之,W2最低;拔節(jié)孕蘗肥期,W1與W2因滲漏水量為0,故NO3--N滲漏損失量為0,W1處理為98.7 g·hm-2.從圖1b可以看出:W0模式下水稻NO3--N滲漏損失總量最大,分別是W1與W2的2.64倍、2.36倍;肥料氮中NO3--N滲漏損失量仍然是W0處理最大,顯著高于W1與W2,分別是W1與W2處理的2.66倍、2.79倍,而W1與W2差異不顯著;整個水稻生長期W0處理肥料氮滲漏損失量占總滲漏損失的94%,占總施入氮量的1.10%,W1處理肥料氮滲漏損失量占總滲漏損失的93%,占總施入氮量的0.41%,W2處理肥料氮滲漏損失量占總滲漏損失的79%,占總施入氮量的0.40%.可知,不同的灌溉模式對氮素滲漏淋失具有一定的抑制作用,抑制效果從大到小順序為W1,W2,W0;不同灌溉模式對肥料氮淋失的抑制效果為W1接近W2,好于W0.

2.2 對稻田NH3揮發(fā)的影響

在稻田氮肥損失中,NH3揮發(fā)占很大比例,是稻田氮肥損失的主要機制之一.不同灌溉模式下稻田NH3揮發(fā)損失如圖2所示.

圖2 不同灌溉模式下稻田NH3揮發(fā)損失

從圖2a可以看出:全生育期3次施肥的NH3揮發(fā)量差異顯著.不同灌溉模式下水稻NH3揮發(fā)量均在分蘗期達到最大值,主要原因在于分蘗肥于7月下旬施用,此時氣溫明顯高于移栽期和孕穗期,而NH3揮發(fā)與溫度呈正相關(guān)關(guān)系.基肥、分蘗肥施入后,W1和W2模式NH3揮發(fā)明顯小于W0,拔節(jié)肥施入后,W0模式NH3揮發(fā)量小于W1和W2.由于拔節(jié)肥施肥后NH3揮發(fā)量占總量比重較小,在施肥量相同的情況下,節(jié)水灌溉模式NH3揮發(fā)總量明顯小于常規(guī)灌溉.利用差值法估算肥料氮氨揮發(fā)損失,如圖2b所示,3次施肥后,肥料氮中NH3揮發(fā)規(guī)律與NH3揮發(fā)總量規(guī)律基本一致.不同時期肥料氨中NH3揮發(fā)貢獻率存在明顯差異,基肥期不同處理的NH3揮發(fā)貢獻率均高于98%;分蘗肥期W0,W1和W2貢獻率分別為87.01%,84.24%和78.80%,拔節(jié)孕穗肥期W0處理NH3揮發(fā)貢獻率34.12%,W1和W2處理貢獻率分別為69.41%,70.12%.綜上,不同灌溉模式對稻田NH3揮發(fā)抑制效果從大到小的順序為W2,W1,W0.

2.3 水稻植株吸收土壤氮與肥料氮差異

選取水稻植株生長的3個關(guān)鍵時期(分蘗期、齊穗期、成熟期)進行植株采樣,不同灌溉模式下水稻稻株吸氮量如圖3所示.

圖3 不同灌溉模式下水稻稻株吸氮量

從圖3a可以看出:分蘗期,W1與W2稻株吸氮量差異不大,W1和W2稻株吸氮量顯著高于W0;齊穗期與分蘗期相比,W0與W1稻株吸氮量顯著增加,W2無明顯變化,W1和W2稻株吸氮量分別為W0的1.83倍和1.11倍;成熟期,各處理稻株吸氮量均明顯下降,相比齊穗期,W0,W1與W2稻株吸氮量分別降低24.3%,43.4%和16.4%,原因主要是由于稻株中的氮大量向籽粒中傳輸.不同灌溉模式下,稻株吸氮量從大到小順序為W1,W2,W0.利用同位素示蹤技術(shù)分析其中來自肥料氮的含量,如圖3b所示,稻株吸收肥料氮與稻株總吸氮量變化規(guī)律相似.分蘗期,W1和W2稻株吸收肥料氮量明顯高于W0,分別是W0的4.29倍和2.45倍;齊穗期,稻株吸收肥料氮量W0較分蘗盛期有顯著增加,是分蘗期的1.57倍,W1和W2吸氮量沒有顯著變化,明顯高于W0,分別是W0模式2.56倍、1.43倍;成熟期,各處理模式的稻株肥料氮吸收量均大幅度下降,從齊穗期到成熟期,W1下降最多,降幅達到63.9%,W2次之,降幅為28.0%,W0降幅14.3%,成熟期后,不同灌溉模式稻株吸收肥料氮量沒有顯著差異.

2.4 土壤氮和肥料氮的淋失量差異

不同灌溉模式下土壤氮和肥料氮淋失量差異如圖4所示.

圖4 不同灌溉模式下土壤氮和肥料氮淋失量差異

從圖4a可以看出:W0的氮素淋失量顯著高于W1和W2,W1和W2的肥料氮淋失總量比W0分別減少了52.0%,43.0%.W0的肥料氮淋失總量為25.0 g·hm-2,占NO3--N總淋失量的92.6%,占施入氮量的1.04%,W1的肥料氮淋失總量為12.0 g·hm-2,占NO3--N總淋失的92.3%,占施入氮量的0.50%,W2的肥料氮淋失總量為14.3 g·hm-2,占NO3--N總淋失的95.6%,占施入氮量的0.60%.從圖4b可以看出:W1和W2的稻田土壤總氮量均較原始土壤有所增加,增加幅度為14.0%,而W0模式稻田土壤總氮量基本未發(fā)生改變.究其原因,這與節(jié)水增效模式減少了土壤氮庫的淋溶和揮發(fā)損失、提高了肥料氮利用率有關(guān).同時,W1和W2的肥料氮在土壤中的殘留率均少于W0,降低幅度為14.6%.究其原因,主要是W1和W2的水稻吸收肥料氮高于W0,其中W0的作物對肥料氮的吸收率為33.1%,而W1和W2的分別為42.3%和47.3%，W1和W2氮肥利用率分別提高了9.2%和14.2%.

3 結(jié) 論

1) 在對比試驗基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了不同灌溉模式下稻田氮素分布及運移規(guī)律、揮發(fā)及淋失規(guī)律及氮素在水稻植株中的分布特征,運用N15示蹤技術(shù),在不同灌溉模式下對肥料氮在植物-土壤-大氣連續(xù)體(SPAC)中遷移轉(zhuǎn)換進行了研究.結(jié)果表明:節(jié)水灌溉模式最有利于抑制稻田氮素淋容損失,可以減少NH3揮發(fā)排放量,顯著提高水稻植株吸氮量.

2) 節(jié)水灌溉模式通過降低滲漏量及NO3--N濃度來減少NO3--N滲漏淋失量,2種節(jié)水灌溉模式W1與W2 的NO3--N滲漏損失差異不顯著,不同灌溉模式對肥料氮淋失的抑制效果為W1接近W2,好于W0.

3) 在施肥量相同時,節(jié)水灌溉模式(W1,W2)NH3揮發(fā)總量顯著小于常規(guī)灌溉(W0),同時降低肥料NH3揮發(fā)量在總NH3揮發(fā)中所占的比例.

4) 不同灌溉模式稻株吸氮量從大到小的順序為W1,W2,W0,全生育期,W0稻株吸收肥料氮量占總吸氮量的范圍為51.0%～58.0%,W1為40.0%～69.7%,W2為50.5%～58.7%.

5) 節(jié)水灌溉模式(W1,W2)稻田土壤總氮含量均較原始土壤有所增加,增加幅度為14.0%,常規(guī)灌溉W0的稻田土壤總氮量基本未發(fā)生改變.同時,W1和W2的肥料氮在土壤中的殘留率均少于W0模式,降低幅度為14.6%.W0的作物對肥料氮的吸收率為33.1%,W1和W2分別為42.3%和47.3%.