水肥耦合對水稻生長土壤呼吸與無機氮的影響

鄭恩楠 朱銀浩 胡建宇 孟凡香 張 戈 徐天宇

(黑龍江大學水利電力學院， 哈爾濱 150080)

0 引言

21世紀以來，我國農田灌溉取得了有效進步，在農業(yè)增產中發(fā)揮了重要作用。但也面臨著提高農業(yè)用水效率、控制農業(yè)用水總量等主要問題[1]。1990年以來，我國農業(yè)用水總量下降，糧食生產需求繼續(xù)增加。“節(jié)水增產”矛盾突出。糧食生產和流通也由“南糧北運”向“北糧南運”轉變。這種新格局嚴重擾亂了水資源的分布，加劇了北方缺水地區(qū)的水資源承載壓力。部分地區(qū)不得不依靠超采地下水維持農業(yè)生產，致使地下水位大幅下降，出現(xiàn)大面積的地下水洼地[2-3]。如何在北方農業(yè)生產中實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，已成為當前亟待解決的重要命題。東北黑土作為世界四大黑土帶之一，是國家重要的商品糧和水稻生產供應基地[4-5]。但該地區(qū)同時也是缺水和氣候變化影響最敏感的地區(qū)之一[6]。該地區(qū)水稻種植面積不斷擴大，農業(yè)用水需求急劇上升[7]，供需矛盾日益突出[8-10]，導致井灌水稻種植增加，占區(qū)域農業(yè)用水量的70%以上[6，11，13-14]，地下水開采較為嚴重。

水稻作為主要糧食作物[15]，在今后幾十年為了滿足日益增長的糧食需求，每年需增加1.2%以上的水稻產量[16]，為了使產量最大化，氮肥的使用量增加，“愈多越好”不科學的施肥方式導致大量的氮素隨著灌溉水進入土壤，造成嚴重面源污染[17]，而合理的水肥管理不但減少污染，且達到了增產效果。有研究指出，在節(jié)水灌溉條件下，水田施加復合微生物有機肥配施傳統(tǒng)尿素可增產22.50%，同時改善水稻品質，達到節(jié)水調質的作用[18]。施加微生物有機肥代替20%的尿素，可以有效提高水稻的產量構成要素，相比于傳統(tǒng)單施尿素增產2.72%，顯著提高水稻各生育期細菌、放線菌和微生物總數(shù)量，降低真菌數(shù)量，并減小微生物群落結構變化[19]。50%的有機肥替代化肥處理，能夠結合化肥和有機肥的優(yōu)勢，既能緩解前期土壤養(yǎng)分不足，又能保證養(yǎng)分供給的持續(xù)性和全面性[20]。張作合等[21]以水稻為研究對象，利用生物炭代替氮肥，表明合理的水炭調控對于氮素的積累量、吸收量以及產量有促進作用，對氮素總的積累量貢獻率達到17.81%～20.60%，同時相比較不施加生物炭處理，施加生物炭處理不同時期的肥料利用率顯著提高。王琳等[22]以硫包衣尿素為例，探索其在水稻種植上的最佳施用方式和施肥量，發(fā)現(xiàn)減量20%～40%的硫包衣尿素處理下的水稻產量與傳統(tǒng)尿素全量施加處理下的水稻產量之間的差異不顯著，每公頃可以減少氮肥施加量24.75 kg，充分發(fā)揮了硫包衣尿素的生態(tài)效益，有效地降低了化肥的施用量和農業(yè)的面源污染，增加了肥料利用效率和經濟效益，起到節(jié)本增效的作用。因此合理的施加肥料對于提高作物產量、土壤理化性質的改善、土壤結構的改良以及調節(jié)土壤的通氣狀況和土壤的供肥能力有著重要作用。

腐植酸作為一種新型肥料，目前在水稻上的應用研究較少，特別是在黑土區(qū)，相比較其他肥料，腐植酸含植物生長所必需的16種元素及有益元素硅，且易被植物吸收利用。因此，本文進行水田不同灌水方式配施腐植酸的試驗研究，分析不同灌水方式配施腐植酸對水稻收獲后干物質轉運、不同器官含碳量以及土壤呼吸和無機氮素的影響，以期為黑土區(qū)稻田灌水施肥提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗田位于黑龍江省綏化市慶安縣國家灌溉重點試驗站，是典型的寒地黑土區(qū)。多年平均降水量550 mm，平均水面蒸發(fā)量750 mm，平均氣溫為2.5℃，作物主要生長期為156～171 d，全年無霜期128 d，平均日照時數(shù)2 600 h。該區(qū)土壤類型為白漿土型水稻土，容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%。土壤基本理化性質為：有機質質量比41.8 g/kg、pH值6.45、全氮質量比1.72 g/kg、全磷質量比15.23 g/kg、全鉀質量比20.11 g/kg、堿解氮質量比198.29 mg/kg、有效磷質量比36.22 mg/kg和速效鉀質量比112.06 mg/kg。

1.2 試驗設計

本試驗設計3個灌水方式為主處理，如表1所示?？刂乒喔?C)小區(qū)用TPIME-PICO64/32型土壤水分測定儀每天(07:00和18:00各測1次)測取土壤含水率，當土壤含水率低于或接近于灌水下限時，人工灌水至灌水上限，維持土壤含水率處于相應生育階段的灌水上限和灌水下限之間。淹灌(F)和淺濕灌溉(W)在每天08:00前后通過預埋在田面的磚塊和豎尺讀取水層深度，確定是否需要灌水。

表1 不同灌水方式Tab.1 Different irrigation methods

施肥處理為5個不同肥料配比，如表2所示。各小區(qū)磷肥(純P2O5)45 kg/hm2，鉀肥(純K2O)80 kg/hm2。氮肥施肥比例按照基肥、蘗肥、穗肥為5∶3∶2分別施加，磷肥作為基肥一次施加，鉀肥施肥比例按照基肥與8.5葉齡1∶1比例兩次施加。試驗各項農藝措施同大田，手工除草以避免雜草危害水稻生長發(fā)育，同時遵循當?shù)貍鹘y(tǒng)方法進行水稻病蟲害控制以保證水稻穩(wěn)產。供試腐植酸肥由云南格瑞環(huán)保工程有限公司生產，有機質質量分數(shù)大于等于61.4%，總養(yǎng)分(氮磷鉀)質量分數(shù)(以烘干基計)大于等于18.23%，其中N大于等于3.63%，P2O5大于等于2.03%，K2O大于等于12.57%。含水率為2.51%，蛔蟲卵死亡率大于等于95%，糞大腸桿菌數(shù)小于等于3.0%。含有大量植物所必需的碳、氫、氧、氮、磷、鉀、鈣、鎂、硫、鐵、錳、鋅、硼、銅、氯、鉬全部16種元素及有益元素硅。有害元素砷、汞、鉛、鎘、鉻含量分別小于等于2.8%、0.01%、7.6%、0.1%、4.7%，遠低于檢測標準要求。

表2 施肥處理Tab.2 Treatment of fertilizer

試驗共計15個處理，每個處理3次重復，隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積為100 m2(10 m×10 m)，小區(qū)四周同樣種植水稻以加設保護行(為了減小邊際效應的影響，在試驗小區(qū)四周分別種植兩行水稻作為保護行，在管理上與小區(qū)其他植株一樣，只是不作為觀察、測量和計產的對象)。水稻品種、育秧、移栽、植保及用藥等技術措施以及田間管理條件相同。為減小側向滲透對試驗的影響，小區(qū)與小區(qū)之間采用隔滲處理，即小區(qū)四周用塑料板和水泥埂作為隔滲材料，埋入田間地表以下40 cm深。

1.3 指標觀測

1.3.1水稻生長指標測定

分別于抽穗期和成熟期，各處理選取有代表性且長勢一致水稻植株3穴，將各器官分離，120℃殺青30 min，80℃干燥至質量恒定。并計算莖葉干物質轉運量、莖葉物質轉運率、莖葉物質轉運貢獻率[23]。莖葉干物質轉運量為抽穗期莖葉干質量與成熟期莖葉干質量之差，莖葉物質轉運率(%)為抽穗期莖葉干質量與成熟期莖葉干質量之差占抽穗期莖葉干質量百分比，籽粒貢獻率(%)為抽穗期莖葉干質量與成熟期莖葉干質量之差占成熟期稻谷干質量百分比。

1.3.2各器官碳含量測定

成熟期每個試驗田分別選取具有代表性且長勢一致水稻植株3穴，將其葉、莖鞘、穗分開，用去離子水沖洗干凈，于干燥箱中120℃殺青30 min，80℃干燥至質量恒定，過80目篩后混合均勻，使用總有機碳分析儀(Elementarvario TOC)測定水稻各器官碳含量。

1.3.3土壤呼吸速率測定

在水稻生長期，選擇晴朗少云天氣，用LI-8100型開路式土壤碳通量測量系統(tǒng)(Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，美國)進行田間土壤呼吸速率測定。于水稻返青期開始至乳熟期結束，每隔10 d左右測定1次，遇陰雨天氣順延1～2 d。每次測定時間為北京時間11:00—14:00，該時間段土壤呼吸速率測量值與日平均值基本一致。采用輪回測量方法，每次測量順序均與第1次測量順序相同，以避免由于測量時間差異而導致的試驗結果誤差。測定基座為內徑20 cm的聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)圈，嵌入土壤后露出土壤表面2 cm。每個試驗小區(qū)內放置3根，整個生育期不移動。在每次測定的前1 d，去除基座內土壤表層的一切活體及掉落物，在整個觀測過程中PVC圈埋設位置保持不變。為了減小安置測定基座對土壤系統(tǒng)的破壞，在測定基座安置24 h后進行第1次測定。

1.3.4土壤無機氮含量測定

水稻籽粒成熟期用土鉆在田間進行采樣，采樣深度為水稻根層0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm的土壤，取出新鮮土樣，裝入泡沫保溫箱內，放置冰袋保鮮，帶回實驗室冷凍貯存。測定方法：稱取5 g待測土樣加2 mol/L KCl溶液50 mL，25℃恒溫振蕩1 h后，過濾，濾液用AA3(Auto analyzer3)型流動分析儀測定土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理，使用Original和WPS軟件進行圖表的繪制，并對數(shù)據(jù)進行Duncan顯著性分析。

2 結果與分析

2.1 不同水肥處理對干物質轉運的影響

不同水肥處理方式下，水稻莖葉干物質轉運量如表3所示。抽穗后期不同灌水方式配施腐植酸肥影響了水稻的莖葉干物質轉運量、轉運率和籽粒貢獻率。CT2、WT2和FT2處理的轉運量、轉運率和籽粒貢獻率較小，比其他水肥處理減少了18.51%～55.56%、5.60%～32.61%和6.09%～38.59%，達到了顯著水平(P<0.05)；而莖葉干物質的轉運量、轉運率和籽粒貢獻率在3種不同灌水方式下T4和T5處理高于其他施肥處理，由大到小表現(xiàn)為T5、T4、T3、T1、T2，而T4和T5處理在3種灌水方式下也有所差異，但差異較小。綜合水稻莖葉干物質轉運量、轉運率和籽粒貢獻率3個指標來看，CT5、WT5和FT5處理下水稻抽穗后期莖葉干物質轉運量以及籽粒貢獻率比其他水肥處理具有顯著優(yōu)勢。

2.2 不同水肥處理對各器官碳含量的影響

不同水肥處理方式不僅影響著水稻干物質的積累和轉運，同時也影響水稻的固碳能力，水稻成熟期地上各器官碳含量如圖1所示。不同水肥處理方式下成熟期水稻穗部碳含量顯著高于葉和莖鞘(P<0.05)，莖鞘碳含量最低。3種灌水方式下，T2處理下各器官總碳含量均顯著小于其他施肥處理(P<0.05)，其中T5處理最高，其葉、莖鞘和穗部碳含量分別為39.99%、36.78%和51.98%。相同施肥量下，淹灌和淺濕灌溉下水稻各器官碳含量之間差異不顯著(P>0.05)，但均小于控制灌溉。綜合灌水和施肥兩因素來看，CT5處理下水稻各器官的含量碳最大，表明該處理水稻的固碳能力大于其他水肥處理方式。

表3 水稻莖葉干物質轉運量、轉運率和籽粒貢獻率Tab.3 Stem and leaf transport capacity, transport rate and grain contribution rate of rice

2.3 不同水肥處理對稻田土壤呼吸速率的影響

不同水肥處理是改善田間作物生長和水土環(huán)境的重要手段和方式，同時也影響著土壤呼吸速率。不同水肥處理的土壤呼吸速率如圖2所示。試驗結果表明：不同水肥處理之間的土壤呼吸速率在水稻生育期變化規(guī)律一致，不同生育時期的土壤呼吸速率從返青期到乳熟期整體呈先升高后下降的變化趨勢。水稻的生長初期和后期，在溫度和土壤肥力較低的綜合影響下，土壤呼吸速率較弱，而在生長旺盛時期，隨著溫度的升高和土壤肥力較強，土壤呼吸速率也較大。3種灌水方式下，在拔節(jié)期隨著腐植酸施用量的增加，土壤的呼吸速率也逐漸升高，T5處理下土壤呼吸速率顯著大于其他施肥處理(P<0.05)，相比較單一施加尿素，腐植酸的施加有利于土壤微生物菌落增多，呼吸速率因此增加；而控制灌溉條件下不同施肥處理的土壤呼吸速率大于淹灌和淺濕灌溉，主要由于控制灌溉表層土壤溫度大于淹灌和淺濕灌溉，有利于土壤微生物的活動和土壤礦物質的化學反應，因此呼吸速率較大。

2.4 不同水肥處理對稻田土壤銨態(tài)氮累積量的影響

對成熟期水稻土壤不同土層銨態(tài)氮累積量進行觀測，結果如圖3所示。不同水肥處理下的銨態(tài)氮累積量隨著土層深度的增加逐漸降低，而隨著腐植酸肥含量的增加不同施肥處理之間的銨態(tài)氮累積量逐漸增加，且0～20 cm土層之間差異顯著(P<0.05)。施肥處理之間對比發(fā)現(xiàn)，0～20 cm土層銨態(tài)氮累積量在T5處理下取得最大值，且顯著大于其他水肥處理(P<0.05)；T3、T4和T5施肥處理在20～40 cm和40～60 cm土層的銨態(tài)氮累積量之間差異不顯著(P>0.05)，但顯著大于T1和T2處理(P<0.05)。水分處理之間對比發(fā)現(xiàn)，淹灌和淺濕灌溉處理之間差異不顯著(P>0.05)，控制灌溉條件下的0～20 cm土層的銨態(tài)氮累積量大于淹灌和淺濕灌溉，而20～40 cm和40～60 cm土層的銨態(tài)氮累積量小于淹灌和淺濕灌溉。

2.5 不同水肥處理對稻田土壤硝態(tài)氮累積量的影響

成熟期稻田土壤硝態(tài)氮累積量的變化與銨態(tài)氮累積量的變化規(guī)律有所差異，如圖4所示。在20～40 cm土層的硝態(tài)氮累積量最大，其次是0～20 cm和40～60 cm。3種灌水方式下，隨著腐植酸含量的增加0～20 cm土層的硝態(tài)氮累積量逐漸增加，而全面淹灌和淺濕灌溉在20～40 cm和40～60 cm土層的硝態(tài)氮累積量，呈下降趨勢。施肥處理之間對比發(fā)現(xiàn)，在0～20 cm土層，3種灌水條件下均T5處理下累積量最高，而在20～40 cm和40～60 cm土層，控制灌溉下不同施肥處理之間的差異不顯著(P>0.05)，而淺濕灌溉和淹灌下在T5處理累積量最低。水分處理之間對比發(fā)現(xiàn)，控制灌溉條件下0～20 cm土層的硝態(tài)氮累積量大于淹灌和淺濕灌溉(P<0.05)，而20～40 cm和40～60 cm土層的硝態(tài)氮累積量顯著低于淹灌和淺濕灌溉(P<0.05)，主要原因在于硝態(tài)氮易淋失，淹灌和淺濕灌溉由于田間存在水層，導致硝態(tài)氮向土壤深層淋失量較大，而控制灌溉土壤水分較少，其硝態(tài)氮向土壤深層淋失量較小。

2.6 各指標之間的關系

將水稻各指標之間進行相關分析(表4)。硝態(tài)氮含量與各指標之間的相關性不顯著(P>0.05)，水稻的干物質量、土壤呼吸速率、碳含量和銨態(tài)氮含量相互之間關系顯著(P<0.05)，表明各指標之間相互關聯(lián)相互影響。由于水稻是喜銨作物，土壤中的銨態(tài)氮能夠被直接利用，而大部分硝態(tài)氮不能直接利用，需要轉換成銨態(tài)氮才能被吸收，同時硝態(tài)氮淋容量較大，因此水稻直接利用量較少，所以相關性不大。而土壤呼吸速率的增大，促進了土壤與外界的氣體交換，有利于水稻的生長，提高干物質的積累和碳含量的增加。

表4 各指標之間的相關系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient of each index

3 討論

3.1 對干物質轉運和碳含量的影響

提高作物生長后期的干物質轉運是提高作物籽粒干物質量的主要途徑之一[24]，前人在水稻產量形成的轉運上進行了較多研究，表明莖鞘中儲存營養(yǎng)物質的運轉和籽粒形成的貢獻為 20%～40%[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，3種灌水方式下腐植酸肥的施加量為1 500 kg時，莖葉物質的轉運量、莖葉物質的轉運率和莖葉物質的籽粒貢獻率大于其他水肥處理，研究結果與姜佰文等[23]研究結果類似，表明施加腐植酸肥對于提高抽穗后期光合生產能力大于單一施加尿素處理。農田碳排放是大氣二氧化碳的主要來源，因此減少農田的碳排放，增加其固碳能力是減少二氧化碳的主要途徑[26]。目前，對于水稻的固碳能力尚不明確，而提高水稻的固碳能力首先要提高水稻不同器官的碳含量。本研究表明，當施肥量相同時，控制灌溉下的水稻不同器官的碳含量較大，這與曹湊貴等[27]的研究結果一致，原因在于控制灌溉條件下相比于淹灌和淺濕灌溉，稻田土壤的通透性較大，增大了土壤的氣體交換，土壤的氧氣增多，有利于水稻根系的呼吸，改善了水稻根系的生態(tài)環(huán)境，減弱了水稻根系的衰老速率，對于水稻后期生長起到了促進作用。灌水方式相同時，T5處理下不同器官的碳含量較大，而T2處理下不同器官的碳含量最小，表明合理的施肥方式對于提高水稻不同器官的碳含量具有促進作用，能夠增加植物對碳的同化作用。

3.2 對土壤呼吸速率的影響

土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤礦化物化學反應3部分組成，較好的土壤呼吸速率對于田間氣體交換有著積極作用。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著生育期的進行土壤呼吸速率表現(xiàn)為先增加后下降的變化趨勢，在拔節(jié)期的呼吸速率達到最大值，原因在于拔節(jié)期溫度較高，土壤的微生物活動較旺盛，根系較發(fā)達[28]，礦物質的化學反應較強，導致土壤呼吸速率較大，而生長前期和后期溫度較低，植物各根系衰老，因此土壤的呼吸速率較低。3種灌水方式處理之間對比發(fā)現(xiàn)，控制灌溉下土壤的呼吸速率大于淹灌和淺濕灌溉，原因在于土壤的呼吸速率與土壤表層0～5 cm的溫度具有顯著的指數(shù)關系[29]，而控制灌溉條件下表層0～5 cm的土壤溫度較大，有利于土壤的呼吸速率。不同施肥處理之間對比發(fā)現(xiàn)，施加腐植酸肥處理的土壤呼吸速率均大于單一施加尿素處理的土壤呼吸速率，且隨著腐植酸肥的增加，土壤呼吸速率也逐漸增大，由大到小表現(xiàn)為T5、T4、T3、T2、T1。腐植酸肥相比較其他肥料能夠較好地改善土壤理化特性，從而提高土壤的透氣性，同時也易于活化土壤中的養(yǎng)分，使農作物易于吸收，增強作物營養(yǎng)和根系發(fā)育，提高土壤中礦物質的分解速率，因此土壤呼吸速率相比較單一施加尿素較大，而且隨著腐植酸肥的增加逐漸增加。

3.3 對土壤無機氮含量的影響

土壤中的無機氮大多以銨態(tài)氮和銷態(tài)氮形式存在，而不同施肥處理對于調節(jié)和改善土壤氮素形態(tài)起著重要作用。本試驗研究表明，施加腐植酸肥土壤的銨態(tài)氮含量波動較大，特別是表層土壤，顯著大于單一施加尿素處理，這可能是因為土壤中施加腐植酸肥，使土壤中的礦物分解較快，導致土壤銨態(tài)氮含量較高[30]，而硝態(tài)氮含量的變化與銨態(tài)氮有所差異，主要是硝態(tài)氮淋失較大，所以0～20 cm土層的硝態(tài)氮含量小于20～40 cm土層的硝態(tài)氮含量。但從20～40 cm處土壤硝態(tài)氮的含量來看，隨著腐植酸肥的增加，硝態(tài)氮含量下降，說明施加腐植酸肥減弱了土壤硝態(tài)氮的淋失量。不同水分處理之間，0～20 cm處銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量控制灌溉大于淹灌和淺濕灌溉，這是由于控制灌溉相比較淹灌和淺濕灌溉增加了土壤的通氣性，使土壤脲酶活性增強，從而提高了銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量[31]，同時由于控制灌溉下的田面無水層，使硝態(tài)氮向深層土壤淋失量顯著降低，所以上層含量較大。因此在進行稻田管理時應選擇合理水肥運籌方式。

4 結論

(1)不同水肥處理下，CT5、FT5和WT5處理水稻抽穗后期莖葉干物質轉運量較優(yōu)，而不同器官的碳含量穗部最高，莖鞘碳含量最低。施肥處理之間，隨著腐植酸含量的增加，T5處理各器官的碳含量較大，而水分處理之間，淹灌和淺濕灌溉處理之間差異不顯著，但小于控制灌溉。

(2)不同水肥處理下，水稻不同生育期的土壤呼吸速率在拔節(jié)期出現(xiàn)最大值，不同灌溉方式下，控制灌溉下的土壤呼吸速率大于淹灌和淺濕灌溉，而不同施肥處理下，土壤呼吸速率隨著腐植酸含量的增加而增加，在拔節(jié)期，T5處理顯著大于其他施肥處理。

(3)不同水肥處理下，土壤銨態(tài)氮累積量隨著腐植酸肥的增加逐漸增加，且大于單一施加尿素處理，而3種灌水處理之間對比發(fā)現(xiàn)，控制灌溉下的0～20 cm土層銨態(tài)氮累積量大于淹灌和淺濕灌溉；硝態(tài)氮含量在20～40 cm土層顯著高于其他土層，0～20 cm土層硝態(tài)氮含量在T4、T5處理下較大，而20～40 cm和40～60 cm土層下T1處理較大。

(4)綜上分析，在CT5、FT5和WT5處理下，水稻的干物質轉運量大于其他處理，而地上干物質的固碳能力和土壤呼吸以及無機氮含量的變化均在CT5處理較優(yōu)。因此，控制灌溉下施加1 500 kg/hm2的腐植酸肥(CT5處理)為最佳水肥處理。