水氮耦合對水稻根區(qū)土壤氮素累積及其產(chǎn)量的影響

戴 明, 張一敏

(1.綏化學(xué)院 農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 黑龍江 綏化 152061; 2.綏化學(xué)院 信息工程學(xué)院, 黑龍江 綏化 152061)

工業(yè)化進(jìn)程對于社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著很大的推動作用，促進(jìn)了生產(chǎn)效率的提升，改變了人類的生產(chǎn)生活方式[1-2]，但是在此過程中，由于當(dāng)時的環(huán)境保護(hù)意識不夠強(qiáng)烈，加之生產(chǎn)手段不夠先進(jìn)，工業(yè)化推進(jìn)的過程中對于環(huán)境保護(hù)力度不足，進(jìn)而形成了一系列的生態(tài)環(huán)境問題，尤其是水污染和大氣污染等[3-4]，受此影響下，大氣中氮化合物含量增加幅度較大，同時呈現(xiàn)明顯的沉降問題，不僅沉降至陸地，還包含河流等水域，最終促進(jìn)了陸地生態(tài)氮含量的提升[5-6]。工業(yè)化過程中，大量礦物燃料在燃燒過程中產(chǎn)生的大量有害物質(zhì)，加之不合理的開發(fā)利用，污染物凈化水平較低，最終導(dǎo)致一系列的環(huán)境問題而影響著可持續(xù)發(fā)展，在這種情況下，氮含量顯著上升[4-5]，同時礦物燃料的燃燒物也是氮的主要來源之一，在耕種過程中大量施用化肥也明顯促進(jìn)了氮化合物的產(chǎn)生[7]。由此，氮沉降已然擴(kuò)散至整個全球范圍[8-9]，而我國已成為氮沉降的主要國家。對于土壤而言，氮含量的上升難以避免地加劇礦化速度，容易出現(xiàn)土壤酸化的問題；雖然對于植被來說，氮素作為其需求營養(yǎng)物質(zhì)之一，在土壤調(diào)節(jié)方面效果顯著，但是過高的氮含量抑制了土壤活性，降低了土壤質(zhì)量，不利于植被正常的養(yǎng)分吸收利用[10-11]。在有機(jī)氮的礦化作用下，土壤水分將影響著其硝化效應(yīng)，不同的降雨狀況會制約著養(yǎng)分的流失情況，尤其暴雨容易加劇養(yǎng)分流失，不利于植被生長發(fā)育。

對于我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，關(guān)乎著居民的日常生活，雖然化肥的使用能夠促進(jìn)產(chǎn)量的上升[12-13]，但是由于耕種過程中大量施肥，尤其是氮肥的使用，導(dǎo)致土壤中的氮含量不斷上升[14]，最終破壞了原有的氮平衡；適量的使用氮肥能夠促進(jìn)土壤質(zhì)量的提升，加快植被對養(yǎng)分的利用，同時利于有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)化，在微生物活動促進(jìn)方面也起著重要作用，利于其新陳代謝，在保持土壤肥力及活性方面效果較強(qiáng)。在水稻種植的過程中，其不僅對水分的需求較大，同時對氮含量有著明顯的需求，尤其是無機(jī)氮[15]；但是不少學(xué)者通過研究對比得知，在我國農(nóng)田耕種過程中，往往存在著施肥過量、施肥方式不科學(xué)等問題，往往導(dǎo)致氮含量過高，即使是作物收割了，但是其氮留存現(xiàn)象依然較為明顯[16]，呈現(xiàn)出明顯的氮超標(biāo)這一問題。對于作物生長而言，氮含量過低也不利于其對養(yǎng)分的吸收利用，且容易出現(xiàn)土壤酸化等問題，不利于土壤質(zhì)量的提升，但是過量的氮不利于植被生長，影響著土壤及微生物平衡，因此促進(jìn)氮平衡尤為重要。對于東北而言，水分條件已經(jīng)出現(xiàn)了較大的下降，加之氮含量過高，對于作物生產(chǎn)明顯不利，因此如何開展節(jié)水和施氮情況下開展作物種植成為重要的現(xiàn)實問題，鑒于此，以水稻作為研究對象，連續(xù)5 a的實地觀測，研究水氮交叉耦合對水稻根區(qū)土壤氮素累積及其產(chǎn)量的影響，為集約化農(nóng)田最大化發(fā)揮化肥生態(tài)效應(yīng)和優(yōu)化氮素管理提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所選的試驗區(qū)域位于沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，并在其科教示范園開展了水稻種植試驗，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷暮谕撂刭|(zhì)，其全氮、速效氮含量分別為1 598，92.36 mg/kg；對于水稻種植而言，其不僅僅提供著大量的糧食作物，同時在調(diào)節(jié)局地氣候方面效果顯著，能夠促進(jìn)生態(tài)改善，在東北地區(qū)分布不少，但尚未形成集約化生產(chǎn)；本研究過程中，采取的稻種來自于黑龍江農(nóng)科院，在種植之前首先進(jìn)行半年的貯存，待其渡過休眠期后進(jìn)行挑選，尤其是籽粒飽滿、色澤鮮亮的種子，要求盡可能大小接近，然后進(jìn)行乙醚消毒(30 min)，之后蒸餾水沖洗多次待用。

1.2 研究方法

本試驗從2013年開始持續(xù)5 a，這樣能夠通過連續(xù)的長期觀測探尋水稻生長特點，分析土壤特點及氮含量等，試驗采用裂區(qū)設(shè)計，將灌溉次數(shù)(W)作為主處理，施用氮肥(N)為其副處理；對于灌溉處理而言，共分為三部分：首先是僅在拔節(jié)期進(jìn)行一次灌溉，即W1(800 m3/hm2)；其次是在W1的基礎(chǔ)上進(jìn)行孕穗期灌溉一次，即W2(800 m3/hm2)，共灌溉兩次；最后是在W2的基礎(chǔ)上進(jìn)行灌漿期的灌溉，即W3(800 m3/hm2)。對于氮肥施用分3種，施氮量分別為150(N1)kg/hm2，225(N2)kg/hm2，300(N3)kg/hm2，并且50%的氮肥為基肥，后期進(jìn)行追肥。為了提升試驗準(zhǔn)確性，共進(jìn)行三次重復(fù)以降低誤差，各小區(qū)面積為50 m2，在其生長過程中進(jìn)行蟲害防治，采用相同的大田管理模式。

1.3 測量指標(biāo)

1.3.1 水稻生長指標(biāo)的測定 為了測定其生長狀況，需要進(jìn)行植株的長勢等測量記錄，首先在處理小區(qū)10株長勢差異較小的支柱，每10 d進(jìn)行一次株高及莖粗的測量，精確到0.01 cm；然后將其根系挖出，并區(qū)分開地上及地下部分，在此過程中借助于壕溝挖掘法，然后在實驗室進(jìn)行過40目篩處理，并對根系長度進(jìn)行測量記錄，接下來還需要對其生物量的干重進(jìn)行測量；對于其根系形態(tài)的測定則在田間進(jìn)行，挖取深度為40 cm，并在長寬均為60 cm的范圍內(nèi)進(jìn)行，根系挖出后帶回實驗室沖洗，掃描儀(STD 1600，美國)分析葉面積和根長；烘干法(65℃，48 h)來測定地上及地下物質(zhì)干重；葉片的氮含量測定采用元素分析儀(Element，德國)。

1.3.2 水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的測定 在連續(xù)的種植觀測期間，及時對不同處理下的水稻進(jìn)行長勢等記錄，同時對拔節(jié)、抽穗等時間進(jìn)行記錄比較；對比時選取植株50棵，計算其穗數(shù)、結(jié)實率及千粒重等，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)量估計，待水稻成熟后對其干質(zhì)量測定，從而計算籽粒產(chǎn)量。

1.3.3 植株生物量和吸氮量 為了對生物量進(jìn)行準(zhǔn)確的測定，本研究選擇在盛花期進(jìn)行，首先對植株進(jìn)行貼地收割，并稱重后記錄；然后進(jìn)行樣品鮮重測定，接下來烘干后稱重，借助于消煮法對粉碎的植株進(jìn)行氮素含量測定；根據(jù)鮮重及面積能夠?qū)ι锪旷r重進(jìn)行計算，去除水分后可得到干重，之后結(jié)合氮含量的情況系對吸氮量進(jìn)行計算[17]。

1.3.4 氮素利用效率計算 氮相關(guān)指標(biāo)的計算：吸收效率=吸氮量差/施氮量×100%；利用效率=產(chǎn)量差/施氮量；偏生產(chǎn)力=施氮區(qū)產(chǎn)量/施氮量。

所有數(shù)據(jù)采用5 a的平均值，Excel 2013和SPSS 18數(shù)據(jù)統(tǒng)計和單因素方差分析(One-way ANOVA)，LSD多重比較法檢驗各處理間差異顯著(置信水平設(shè)置為95%，p<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水氮耦合對水稻植株生長特性的影響

水氮耦合對水稻生長特性的影響見表1，由表可知，水氮耦合處理的水稻株高、根長、葉面積指數(shù)、莖粗、單株地上和地下生物量均高于W1N1，水氮耦合對水稻植株的生長均具有明顯的促進(jìn)作用，其中水稻生長各指標(biāo)以W2N3，W3N1和W3N2較大，W1N1最小，與W1N1相比，株高分別增加了2.16%，4.88%，7.35%，11.00%，19.57%，30.91%，19.20%和7.46%；根長分別增加了2.13%，14.48%，22.47%，19.94%，24.70%，31.85%，14.34%和9.97%；葉面積指數(shù)分別增加了0.52%，4.18%，2.19%，6.78%，15.34%，20.67%，5.95%和4.07%；莖粗分別增加了3.23%，0.74%，3.97%，16.13%，20.84%，22.08%，19.5%和14.64%；單株地上生物量分別增加了3.02%，3.85%，7.44%，10.22%，13.49%，11.70%，8.31%和7.77%；單株地下生物量分別增加了1.38%，1.50%，3.59%，3.39%，7.87%，8.82%，4.92%和4.50%；以根長的變化幅度最大。

表1 水氮耦合對水稻生長特性(單株)的影響

2.2 水氮耦合對土壤無機(jī)氮含量和分布的影響

由圖1可知，水氮耦合對水稻土壤無機(jī)氮含量及其剖面分布有顯著影響。整體上，土壤剖面無機(jī)氮含量自上而下呈現(xiàn)由高到低的變化，水氮耦合處理間的差異主要體現(xiàn)在10 cm，尤以10 cm差異明顯，30 cm無機(jī)氮含量趨于一致，說明在本研究中水氮耦合對深層土壤無機(jī)氮淋洗發(fā)生較少；0—30 cm剖面無機(jī)氮含量水氮耦合對水稻0—30 cm剖面無機(jī)氮含量具有明顯的促進(jìn)作用，以W2N3，W3N1和W3N2較大，W1N1最小，與W1N1相比，無機(jī)氮含量分別增加了7.77%，51.01%，138.85%，195.27%，398.65%，461.15%，225.95%和193.11%。

圖1 水氮耦合對土壤無機(jī)氮含量和分布的影響

2.3 水氮耦合對水稻植株養(yǎng)分積累的影響

從圖2可以看出，在收獲期，水氮耦合對水稻不同部位的氮素積累量有明顯的影響。植株不同部位的氮積累量表現(xiàn)出較大的差異，穗部的氮積累量最高，其次是葉片，根部碳氮積累量最低。其中不同部位的氮積累量均表現(xiàn)為W2N3，W3N1和W3N2較大，W1N1最小。與W1N1相比，穗部氮積累量分別增加了3.41%，12.19%，20.71%，24.90%，41.94%，32.63%，25.29%和9.07%；葉片氮積累量分別增加了5.80%，22.87%，43.64%，47.18%，86.15%，71.50%，58.9%和43.96%；根部氮積累量分別增加了5.56%，18.75%，24.07%，38.43%，51.16%，41.36%，25.69%和8.56%。

圖2 水氮耦合對水稻穗部、葉片以及根部氮積累的影響

2.4 水氮耦合對水稻生物量累積和氮素吸收利用的影響

由表2可知，水氮耦合對水稻生物量積累和氮素吸收利用有明顯的影響。水氮耦合顯著增加了水稻吸氮量、氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力；氮素吸收率變化范圍在18.98%～36.02%，氮素利用率變化范圍在32.49%～53.06%，氮素偏生產(chǎn)力變化范圍在9.48%～28.19%。吸氮量分別增加了14.36%，41.2%，66.95%，107.88%，150.22%，218.79%，193.30%和117.17%；氮素吸收率分別增加了8.80%，17.54%，31.35%，40.14%，50.17%，68.10%，47.3%和34.63%；氮素利用率分別增加了2.92%，8.29%，3.89%，10.79%，13.88%，19.68%，12.389%和0.71%；氮素偏生產(chǎn)力分別增加了6.54%，17.24%，24.30%，35.20%，51.09%，76.01%，35.51%和15.99%。

表2 水氮耦合對水稻生物量累積和氮素吸收利用的影響

2.5 水氮耦合對無機(jī)氮吸收量和殘留量影響

由圖3可知，水稻土壤無機(jī)氮吸收量在W2N2處理下達(dá)到最大，之后有所降低，呈倒V型變化規(guī)律，水稻土壤無機(jī)氮殘留量在W2N2處理下達(dá)到最小，之后有所增加，呈V型變化規(guī)律。

圖3 水氮耦合對無機(jī)氮吸收量和殘留量影響

2.6 水氮耦合對水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

氮濃度對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的影響見表3，由表可知，水氮耦合促進(jìn)了水稻穗數(shù)、穗粒數(shù)、穗長、穗粗、千粒重和產(chǎn)量的提高，其中水稻產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素以W2N3，W3N1和W3N2較大，W1N1最小。水稻穗數(shù)分別增加了2.80%，1.86%，5.13%，5.03%，6.83%，7.06%，5.79%和3.43%；穗粒數(shù)分別增加了1.56%，0.59%，3.48%，5.59%，3.48%，13.01%和7.31%；穗粗分別增加了4.41%，1.52%，3.40%，8.67%，9.06%，9.84%，9.33%和7.06%；穗粗分別增加了4.09%，1.17%，1.97%，4.09%，6.43%，9.79%，7.96%和2.78%；千粒重分別增加了1.11%，1.68%，2.02%，3.37%，4.91%，6.00%，2.35%和1.49%；產(chǎn)量分別增加了2.58%，4.12%，3.72%，5.61%，5.98%，7.07%，5.75%和3.94%。

表3 水氮耦合對水稻產(chǎn)量及構(gòu)成的影響

3 討 論

對于水稻生長發(fā)育而言，其受到的影響因素不是單一的，水分養(yǎng)分等直接決定著其生長狀況，光合作用的強(qiáng)弱制約其對能量的獲取，新陳代謝影響著其生長狀況，這些都對水稻生長產(chǎn)生著較大的影響，其中氮元素作為養(yǎng)分的組成部分，其作用無可替代。本研究對水稻種植開展了連續(xù)五年的觀測研究，通過分析得知，在水氮耦合的作用之下，水稻的株高、生物量以及葉面積等得以明顯的提升，說明適度的水氮條件利于水稻生長發(fā)育，但是當(dāng)該條件過高的情況下，反而起著抑制作用。無論是氮含量，還是水分，過多的情況下都不利于水稻長勢的提升，適度的水氮條件能夠促進(jìn)生物積累量，對于施氮而言，在其含量增加的情形下，其吸收利用率呈現(xiàn)明顯的先增后降的態(tài)勢，對于氮濃度來說亦是如此；當(dāng)其含量超過水稻承載能力的情況下，生物量不升反降，主要原因在于其抑制了光合作用，呈現(xiàn)典型的氮過量問題[18]。在水稻種植過程中，無機(jī)氮的施加，使得其吸收量表現(xiàn)出先提升后下降的態(tài)勢，也即是倒V的走勢；而對于氮殘留來講，其先下降后增加的態(tài)勢較為明顯。

對于水稻植株而言，在水氮耦合的作用之下，其養(yǎng)分呈現(xiàn)了一定的上升態(tài)勢，尤其是氮濃度不斷增加的情況下，養(yǎng)分水平先升后降，這說明適度的水氮耦合能夠利于養(yǎng)分的積累，對于水稻生長起著積極的作用，當(dāng)?shù)砍^植被承載能力的情況下，逐漸下降。在氮的作用下，表面催化活性效果更為明顯，這對于有機(jī)分子的聚合起著積極作用，能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的積累，明顯促進(jìn)了土壤肥力的提升，在微生物的降解作用之下，其有機(jī)質(zhì)更容易轉(zhuǎn)化為養(yǎng)分[19-20]。通過試驗對比得知，其值最小的是W1N1，其次是W3N1和W3N2，而W2N3較高，主要原因在于在氮的影響之下，根際土壤pH明顯下降，受此影響，對于養(yǎng)分的吸收利用效率明顯提升，更容易開展養(yǎng)分的利用；但是在氮含量過高的情況下，則明顯抑制了其對養(yǎng)分的利用，通過觀測水稻養(yǎng)分含量發(fā)現(xiàn)，其體內(nèi)養(yǎng)分先增后降[10-11]。對于水稻種植而言，土壤提供的養(yǎng)分難以充分滿足其生長所需，還要依賴于外部的養(yǎng)分供給，這主要是通過施肥的方式。因此來說，在水稻種植的過程中，需要對氮濃度加以控制，使之在水稻的可承受范圍內(nèi)，這樣能夠促進(jìn)土壤肥力的保持及提升，增加其對養(yǎng)分的利用效率，最終促進(jìn)植被生長發(fā)育[21-23]。

4 結(jié) 論

水氮耦合對水稻植株的生長均具有明顯的促進(jìn)作用，對水稻生物量積累和氮素吸收利用也具有有明顯的改善作用，顯著增加了水稻吸氮量、氮素吸收率、氮素利用率和氮素偏生產(chǎn)力。對于水稻產(chǎn)量而言，其不僅受到穗數(shù)的直接制約，同時千粒重也起著關(guān)鍵作用，其產(chǎn)量是多種因素作用的結(jié)果。在適度的水氮耦合影響下，水稻產(chǎn)量得以提升，主要原因在于促進(jìn)了穗數(shù)的增加，同時提升了千粒重，進(jìn)而促進(jìn)了整個產(chǎn)量的提升。其中產(chǎn)量水平最高的是W2N3，其次是W3N1和W3N2，而W1N1最小。綜合來講，適度的氮含量能夠促進(jìn)產(chǎn)量的提升，過高的情況下則破壞了其碳氮平衡，在氮濃度處于植被可承載的范圍內(nèi)的情況下，氮代謝能力得以提升，有機(jī)質(zhì)合成加速，能夠促進(jìn)水稻產(chǎn)量。此外，水稻產(chǎn)量還受到溫度等條件的影響，是多種環(huán)境因子綜合作用的結(jié)果，在氮肥使用的過程中一定要注意適度施肥，控制氮濃度，提升水氮耦合體條件，從而提升水稻對于養(yǎng)分的吸收利用水平，促進(jìn)產(chǎn)量的提升。