节水灌溉模式下稻田氮素迁移与肥料氮利用

陈 栋, 缪子梅, 蒋 坤, 陈洁茹, 沈芝莹, 仇春光

(1. 淮安市水利勘测设计研究院有限公司, 江苏 淮安 223005; 2. 江苏大学 流体机械工程技术研究中心, 江苏 镇江 212013; 3. 宿迁市经济开发总公司, 江苏 宿迁 223800)

中国是世界上第一种稻大国,稻谷总产量在全球各国中占第1位,因此,水稻的节水、高产具有重要的现实意义[1].为提高水稻对水肥的利用率,大量学者在稻田水肥调控方面做了相关研究.例如,在稻田水分的调控方面,彭世彰等[2]、缪子梅等[3]、王熹等[4]提出了“薄浅湿晒”、“间歇灌”、“控制湿润”、“半旱栽培”等水稻节水灌溉技术.在对稻田肥力的研究中,XU J.Z.等[5]、ZHANG D.L.等[6]、WANG J.Y.等[7]对水稻充分供水条件下稻田土壤氮素的转化去向、肥料氮在根系的迁移规律以及氮肥利用率等方面进行了比较系统的研究.总体而言,目前国内外对水稻节水灌排技术的研究多偏重于对水资源的可持续利用、农田理化性状和水稻生理生态效应等方面,对于节水灌溉条件下的资源环境效应,特别是减少面源污染物的排放、对土壤环境质量的影响、水肥耦合效应及机理、区域性的节水灌溉技术与农业措施结合模式等研究[8-10]较少.笔者对氮肥施入稻田后,氮素的去向包括作物吸收、土壤残留、淋溶损失和气态损失等进行定量分析,运用N15示踪技术,对不同灌溉模式对肥料氮在植物-土壤-大气连续体(SPAC)迁移转换进行研究.

1 试验设计与分析方法

1.1 试验区基本情况

2015年在浙江省灌溉试验中心站进行试验,在大型测筒蒸渗器试区,采用稳定性同位素N15示踪技术,对单季水稻不同灌溉模式下,稻田氮素迁移转化规律进行系统研究.试验基地位于浙江省水利围垦高科技农业园区,东经120°39′,北纬30°18′.区域年平均降水量为1 320.5 mm,平均气温为16.1 ℃,无霜期224 d,年相对湿度为82%,年日照总时数为2 116.6 h,年辐射量为0.109 6 MJ·m-2.供试土壤为水稻土类、小粉田土种,pH为8.06,全氮质量分数为0.5 g·kg-1,有机质质量分数为8.0 g·kg-1,碱解氮质量分数为 56.6 mg·kg-1,有效磷质量分数为15.2 mg·kg-1,交换性钾质量分数为 60.2 kg·kg-1.大型测筒蒸渗器试区设有测筒40个,单个直径为0.618 m,底部设有滤层和侧向排水装置,试区配备自动防雨棚,消除外界降雨对试验的影响.

1.2 试验设计

试验模式分为常规灌溉模式(W0)、薄露灌溉模式(W1)、间歇灌溉模式(W2)3种,施肥采用不施氮肥(作为对照处理)和正常施氮肥,其他钾肥、磷肥施用方法保持一致.不同灌溉模式下的田间水分控制标准如表1所示.其中,θS为田间持水率.氮肥统一采用尿素,施氮水平为240 kg·hm-2,施肥处理为基肥(50%)+分蘖肥(30%)+拔节肥(20%),基肥、分蘖肥和拔节肥的施用时间分别是7月9日、7月25日、8月20日.各处理磷钾肥施用量均相同,其中磷肥为过磷酸钙,施入量为390 kg·hm-1,钾肥为氯化钾,施入量为90 kg·hm-2,且作基肥一次性施入.每个处理安排8次重复,其中,10%丰度N15尿素安排4次重复,普通尿素安排4次重复.

表1 不同灌溉模式下的田间水分控制标准 mm

1.3 观测指标及分析方法

稻田渗漏水样收集与测定:测筒蒸渗器底部设有排水装置,定期打开龙头排水,用量杯测定时段内测筒内稻田的渗漏量.渗漏水中NO3--N浓度采用紫外分光光度法.N15同位素测定采用丰度10%的N15同位素.N15同位素的标记及含量的检测采用质谱法分析.NH3挥发试验采用PVC管通气收集法.在基肥、分蘖肥、拔节肥施用当天,NH3挥发开始捕集,施肥后第5天取样.NH3挥发量测定采用蒸馏滴定法.植株与土壤含氮量测定方法如下:每个生育期植株取样1次,取样植株要求具有代表性,土壤样品采集在泡田之前与试验结束后.植株含氮量与土壤含氮量分析法均采用硫酸+催化剂凯氏定氮法.

2 结果分析

2.1 对稻田氮素渗漏总量变化的影响

不同灌溉模式下施肥后NO3--N渗漏总量如图1所示.

图1 不同灌溉模式下施肥后NO3--N渗漏总量

从图1a可以看出:基肥期,各处理的NO3--N渗漏损失均达到最大值,其中,W0处理最大,W2次之,W1最小,W0处理NO3--N渗漏损失量达到W1处理2倍以上;分蘖肥期,W0处理NO3--N渗漏损失量最高,W1次之,W2最低;拔节孕蘖肥期,W1与W2因渗漏水量为0,故NO3--N渗漏损失量为0,W1处理为98.7 g·hm-2.从图1b可以看出:W0模式下水稻NO3--N渗漏损失总量最大,分别是W1与W2的2.64倍、2.36倍;肥料氮中NO3--N渗漏损失量仍然是W0处理最大,显著高于W1与W2,分别是W1与W2处理的2.66倍、2.79倍,而W1与W2差异不显著;整个水稻生长期W0处理肥料氮渗漏损失量占总渗漏损失的94%,占总施入氮量的1.10%,W1处理肥料氮渗漏损失量占总渗漏损失的93%,占总施入氮量的0.41%,W2处理肥料氮渗漏损失量占总渗漏损失的79%,占总施入氮量的0.40%.可知,不同的灌溉模式对氮素渗漏淋失具有一定的抑制作用,抑制效果从大到小顺序为W1,W2,W0;不同灌溉模式对肥料氮淋失的抑制效果为W1接近W2,好于W0.

2.2 对稻田NH3挥发的影响

在稻田氮肥损失中,NH3挥发占很大比例,是稻田氮肥损失的主要机制之一.不同灌溉模式下稻田NH3挥发损失如图2所示.

图2 不同灌溉模式下稻田NH3挥发损失

从图2a可以看出:全生育期3次施肥的NH3挥发量差异显著.不同灌溉模式下水稻NH3挥发量均在分蘖期达到最大值,主要原因在于分蘖肥于7月下旬施用,此时气温明显高于移栽期和孕穗期,而NH3挥发与温度呈正相关关系.基肥、分蘖肥施入后,W1和W2模式NH3挥发明显小于W0,拔节肥施入后,W0模式NH3挥发量小于W1和W2.由于拔节肥施肥后NH3挥发量占总量比重较小,在施肥量相同的情况下,节水灌溉模式NH3挥发总量明显小于常规灌溉.利用差值法估算肥料氮氨挥发损失,如图2b所示,3次施肥后,肥料氮中NH3挥发规律与NH3挥发总量规律基本一致.不同时期肥料氨中NH3挥发贡献率存在明显差异,基肥期不同处理的NH3挥发贡献率均高于98%;分蘖肥期W0,W1和W2贡献率分别为87.01%,84.24%和78.80%,拔节孕穗肥期W0处理NH3挥发贡献率34.12%,W1和W2处理贡献率分别为69.41%,70.12%.综上,不同灌溉模式对稻田NH3挥发抑制效果从大到小的顺序为W2,W1,W0.

2.3 水稻植株吸收土壤氮与肥料氮差异

选取水稻植株生长的3个关键时期(分蘖期、齐穗期、成熟期)进行植株采样,不同灌溉模式下水稻稻株吸氮量如图3所示.

图3 不同灌溉模式下水稻稻株吸氮量

从图3a可以看出:分蘖期,W1与W2稻株吸氮量差异不大,W1和W2稻株吸氮量显著高于W0;齐穗期与分蘖期相比,W0与W1稻株吸氮量显著增加,W2无明显变化,W1和W2稻株吸氮量分别为W0的1.83倍和1.11倍;成熟期,各处理稻株吸氮量均明显下降,相比齐穗期,W0,W1与W2稻株吸氮量分别降低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传输.不同灌溉模式下,稻株吸氮量从大到小顺序为W1,W2,W0.利用同位素示踪技术分析其中来自肥料氮的含量,如图3b所示,稻株吸收肥料氮与稻株总吸氮量变化规律相似.分蘖期,W1和W2稻株吸收肥料氮量明显高于W0,分别是W0的4.29倍和2.45倍;齐穗期,稻株吸收肥料氮量W0较分蘖盛期有显著增加,是分蘖期的1.57倍,W1和W2吸氮量没有显著变化,明显高于W0,分别是W0模式2.56倍、1.43倍;成熟期,各处理模式的稻株肥料氮吸收量均大幅度下降,从齐穗期到成熟期,W1下降最多,降幅达到63.9%,W2次之,降幅为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没有显著差异.

2.4 土壤氮和肥料氮的淋失量差异

不同灌溉模式下土壤氮和肥料氮淋失量差异如图4所示.

图4 不同灌溉模式下土壤氮和肥料氮淋失量差异

从图4a可以看出:W0的氮素淋失量显著高于W1和W2,W1和W2的肥料氮淋失总量比W0分别减少了52.0%,43.0%.W0的肥料氮淋失总量为25.0 g·hm-2,占NO3--N总淋失量的92.6%,占施入氮量的1.04%,W1的肥料氮淋失总量为12.0 g·hm-2,占NO3--N总淋失的92.3%,占施入氮量的0.50%,W2的肥料氮淋失总量为14.3 g·hm-2,占NO3--N总淋失的95.6%,占施入氮量的0.60%.从图4b可以看出:W1和W2的稻田土壤总氮量均较原始土壤有所增加,增加幅度为14.0%,而W0模式稻田土壤总氮量基本未发生改变.究其原因,这与节水增效模式减少了土壤氮库的淋溶和挥发损失、提高了肥料氮利用率有关.同时,W1和W2的肥料氮在土壤中的残留率均少于W0,降低幅度为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的作物对肥料氮的吸收率为33.1%,而W1和W2的分别为42.3%和47.3%，W1和W2氮肥利用率分别提高了9.2%和14.2%.

3 结 论

1) 在对比试验基础上,系统研究了不同灌溉模式下稻田氮素分布及运移规律、挥发及淋失规律及氮素在水稻植株中的分布特征,运用N15示踪技术,在不同灌溉模式下对肥料氮在植物-土壤-大气连续体(SPAC)中迁移转换进行了研究.结果表明:节水灌溉模式最有利于抑制稻田氮素淋容损失,可以减少NH3挥发排放量,显著提高水稻植株吸氮量.

2) 节水灌溉模式通过降低渗漏量及NO3--N浓度来减少NO3--N渗漏淋失量,2种节水灌溉模式W1与W2 的NO3--N渗漏损失差异不显著,不同灌溉模式对肥料氮淋失的抑制效果为W1接近W2,好于W0.

3) 在施肥量相同时,节水灌溉模式(W1,W2)NH3挥发总量显著小于常规灌溉(W0),同时降低肥料NH3挥发量在总NH3挥发中所占的比例.

4) 不同灌溉模式稻株吸氮量从大到小的顺序为W1,W2,W0,全生育期,W0稻株吸收肥料氮量占总吸氮量的范围为51.0%～58.0%,W1为40.0%～69.7%,W2为50.5%～58.7%.

5) 节水灌溉模式(W1,W2)稻田土壤总氮含量均较原始土壤有所增加,增加幅度为14.0%,常规灌溉W0的稻田土壤总氮量基本未发生改变.同时,W1和W2的肥料氮在土壤中的残留率均少于W0模式,降低幅度为14.6%.W0的作物对肥料氮的吸收率为33.1%,W1和W2分别为42.3%和47.3%.