水炭运筹下稻田土壤氮素分布与盈亏15N示踪分析

张作合 张忠学 郑衍波 李铁成 韩 羽 赵文博

(1.东北农业大学水利与土木工程学院， 哈尔滨 150030； 2.绥化学院农业与水利工程学院， 绥化 152061；3.东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室， 哈尔滨 150030)

0 引言

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2018年5—9月在庆安国家灌溉试验重点站进行。该站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于黑龙江省庆安县和平灌区，属典型寒地黑土区。位于第三积温带，属寒温带大陆性季风气候，多年平均降水量为560 mm，平均水面蒸发量为750 mm，平均气温为2.9℃，平均日照时数为2 600 h，全年无霜期约为128 d，是黑龙江省典型的水稻种植区。2018年水稻本田生长期内试验区最高温度、最低温度和降雨量变化如图1所示。

图1 2018年水稻生长期气温和降雨量日变化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation in 2018

1.2 试验材料

采用辽宁金和福农业开发有限公司生产的水稻秸秆生物炭，在450℃高温无氧条件下裂解制备而成，每公顷稻草可转化颗粒形式(直径2 mm)的秸秆生物炭约2.5 t，pH值8.86，碳质量分数为42.72%，氮质量分数为1.26%，阳离子交换量(CEC)为44.7 cmol/kg，比表面积为81.85 m2/g。供试土壤为黑土型水稻土，耕层厚度为11.3 cm，犁底层厚度为10.5 cm，37.3%土壤粒径在0.02～2.0 mm之间、32.3%土壤粒径在0.002～0.02 mm之间、30.4%土壤粒径为0～0.002 mm，试验小区0～20 cm土层的土壤基本理化性质：pH值6.40，有机质质量比41.80 g/kg，全氮质量比1.51 g/kg，碱解氮质量比148.27 mg/kg，全磷质量比15.61 g/kg，速效磷质量比24.22 mg/kg，全钾质量比19.86 g/kg，速效钾质量比156.13 mg/kg。供试水稻品种为绥粳18，该品种已在研究区大面积推广种植，插秧密度为25万穴/hm2。

1.3 试验设计

试验采用生物炭施用量和灌溉模式2因素全面试验，秸秆生物炭施用量设置4个水平：B0(0 t/hm2)、B1(2.5 t/hm2)、B2(12.5 t/hm2)、B3(25 t/hm2)，两种水分管理模式(表1)分别为浅湿干灌溉模式(Dry-wet-shallow irrigation，D)和常规淹灌模式(Flooding irrigation，F)。当田面无水层后，水稻浅湿干灌溉模式各试验小区采用土壤水分测定仪(TPIME-PICO64/32型)测定土壤含水率，若土壤含水率低于或接近灌水下限时，开始灌水直至上限；当田面无水层时，常规淹灌模式各处理灌水至上限，同时记录灌水量。8个处理，每个处理3次重复，共计24个试验小区，采用随机区组排列，方形小区面积100 m2，各小区之间田埂向地下内嵌40 cm深的塑料板。秸秆生物炭在前一年水稻收获后施入，将生物炭翻耕于稻田土壤表层15 cm左右，并旋耕混匀；氮肥基肥、蘖肥、穗肥按5∶2∶3分施，纯氮施用量为110 kg/hm2(当地施氮水平)，基肥在泡田之前3～5 d深施，蘖肥和穗肥在田面无水层或水层较浅时撒施；K2O基肥、穗肥按1∶1分施，施用量为80 kg/hm2；P2O5作为基肥一次性施入，施用量为45 kg/hm2。供试肥料选用尿素(N质量分数为46.4%)、过磷酸钙(P2O5质量分数为12%)、硫酸钾(K2O质量分数为52%)，并计算实际施用量。2018年5月19日选择长势基本相同的水稻秧苗进行移栽，每穴定苗3株，并于9月21日收割。水稻生长期统一田间管理，同时严格控制病虫及草害。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth stage of rice field

注：θs为根层土壤饱和含水率。

在上述试验小区内设置15N示踪微区，稻田整地后立即在每个小区内预埋长2 m、宽2 m、高0.5 m的无底钢制矩形框，将微区埋30 cm深，施用丰度为10.22%15N标记尿素(上海化工研究院生产)。微区内设置单独小型排灌系统，水稻的种植模式、灌溉模式、肥料用量及秸秆生物炭施用量等田间管理与所在试验小区相同。

1.4 样品的采集与测定

1.4.1植株氮含量及15N丰度

水稻成熟期测植株氮含量，从各小区和微区随机选取3穴具有代表性水稻植株，用喷雾器及时冲洗干净，切除根后将植株地上部分为茎鞘、叶、穗，并装袋带回实验室，干燥箱105℃杀青30 min，然后于80℃鼓风条件下干燥至质量恒定后，立即称量各部位干物质的质量。称量后将样品用球磨机粉碎，过筛(80目)后混匀，采用消煮法(H2SO4-H2O2)及AA3型连续流动分析仪(Seal Analytical GmbH，德国)测定植株各部位的全氮含量，并将剩余样品装袋密封保存，用于同位素测定。稳定同位素测试在东北农业大学农业农村部农业水资源高效利用重点实验室完成，主要利用元素分析仪(Flash 2000 HT型，美国)和同位素质谱仪(DELTA V Advantage，美国)联用的方法测定水稻收获后不同器官的15N丰度。

不同水炭运筹下水稻植株样品中积累的氮素来自于15N-尿素百分比Ndff参照张忠学等[11]的公式计算，即

(1)

式中a——微区内水稻植株样品15N丰度，%

b——相同处理微区外水稻植株样品的15N丰度，%

c——15N标记尿素中15N的丰度，%

d——天然15N丰度标准值，为0.366 3%

水稻植株样品中积累的氮素来自于土壤氮素的百分比为

Ndfs=1-Ndff

(2)

植株样品中从土壤吸收的氮素量FNs(kg/hm2)为

FNs=NdfsDMNC

(3)

式中DM——水稻植株干物质量，kg/hm2

NC——水稻植株含氮率，%

1.4.2土壤无机氮累积量

Nm=0.1HBDC

(4)

式中H——土层厚度，cm

BD——对应土层土壤容重，g/cm3

C——对应土层中无机氮质量比，mg/kg

1.4.3残留的肥料-15N中无机氮含量

本试验采用微扩散法[13-14]制备不同处理土壤浸提液中无机氮的15N稳定同位素比值样品。并通过同位素质谱仪和元素分析仪联用的方法测定样品中15N稳定同位素的比值[15]。样品制备过程中设置空白对照校正测定的结果，以确保测定的土壤样品中无机氮的15N丰度更准确。校正公式为

(5)

式中Es——校正后的样品15N丰度，%

Em——实际测定的样品15N丰度，%

Ms+b——样品含氮量和空白对照含氮量的总和，μg

Eb——空白对照的15N丰度，%

Mb——空白对照的含氮量，μg

1.4.4土壤氮素激发率

土壤氮素激发率计算公式为

(6)

式中NPK——施氮处理来自土壤中氮量，kg/hm2

PK——不施氮处理植株总氮量，kg/hm2

1.5 数据统计分析

采用WPS 2019、SPSS分析和处理数据，用Duncan进行处理间的多重比较，用WPS 2019和Origin 8.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同水炭运筹对水稻成熟期土壤无机氮累积量的影响

图2 不同处理水稻收获后铵态氮在土壤中的分布Fig.2 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

图3 不同处理水稻收获后硝态氮在土壤中的分布Fig.3 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

2.2 不同水炭运筹对土壤中无机氮形态肥料氮素累积量的影响

图4 不同处理水稻收获后铵态氮形态的肥料氮素在土壤中的分布Fig.4 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

图5 不同处理水稻收获后硝态氮形态的肥料氮素在土壤中的分布Fig.5 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

2.3 水炭运筹下秸秆生物炭和肥料氮对土壤氮的激发效应

通常情况下施加无机氮会对土壤氮素产生激发效应[16-17]，这种激发效应能够反映土壤氮库的盈亏及平衡状况。由表2(表中数据为110 kg/hm2的氮肥与生物炭耦合产生的激发效应)可知，不同水炭运筹下各处理均产生正向激发效应，土壤氮素激发率在138%～165%范围内变化。两种灌溉模式之间土壤的氮素激发率差异显著(P<0.05)，当秸秆生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，与常规淹灌相比，浅湿干灌溉模式在相同秸秆生物炭施用水平下较常规淹灌增加了2.98%、3.69%和5.22%，而施加25 t/hm2秸秆生物炭时，浅湿干灌溉模式较常规淹灌降低了4.21%；两种灌溉模式的土壤氮素激发率不同处理之间差异均显著(P<0.05)，且随着秸秆生物炭施入量的增加而增大。

表2 土壤氮的激发率Tab.2 Soil nitrogen excitation effect %

注：同列不同小写字母表示不同处理在P<0.05水平差异显著，下同。

2.4 不同水炭运筹下水稻对土壤氮素利用及产量的影响

图6 不同处理水稻地上部植株从土壤中吸收的氮素量及对氮素总累积量的贡献率Fig.6 Nitrogen uptake from soil and its contribution to total nitrogen accumulation by rice aboveground plants under different treatments

由图6可知，不同水炭运筹下水稻植株从土壤中吸收的氮素占总吸氮量的79.40%～82.19%，各处理水稻植株从土壤中吸收的氮素均显著高于吸收的肥料氮素(P<0.05)。当秸秆生物炭施加量在0～12.5t/hm2时，两种灌溉模式水稻植株从土壤中吸收的氮素量均随秸秆生物炭施用量的增加而增大，浅湿干灌溉模式下施加2.5、12.5、25 t/hm2秸秆生物炭处理植株从土壤中吸收的氮素量较不施加秸秆生物炭处理分别提高1.25%、10.23%和6.99%。水稻植株从土壤吸收的氮素量在相同秸秆生物炭施用水平下两种灌溉模式之间的差异显著(P<0.05)，相同秸秆生物炭施用水平下浅湿干灌溉模式水稻植株从土壤中吸收的氮素量较常规淹灌分别提高4.04%、4.99%、8.64%和1.03%，研究结果表明，浅湿干灌溉模式植株对土壤氮素的吸收优于常规淹灌。

由表3可知，水稻成熟期土壤氮素在植株各器官的分布差异较大，两种灌溉模式不同秸秆生物炭施用水平下植株地上部各器官中土壤氮素的累积量由大到小依次为穗、茎鞘、叶，当秸秆生物炭施加量在0～12.5 t/hm2时，两种灌溉模式土壤氮素在叶片、茎鞘和穗中的累积量均随着秸秆生物炭施用量的增加而增大，而施加25 t/hm2秸秆生物炭会对浅湿干灌溉模式土壤氮素在穗中的累积产生负效应。浅湿干灌溉模式土壤氮素累积量的9.79%～13.96%分布在植株叶片中；15.71%～20.03%分布在植株茎鞘中；66.00%～74.50%分布在植株穗部。常规淹灌模式土壤氮素累积量的12.10%～15.73%分布在植株叶片中；17.10%～18.86%分布在植株茎鞘中；65.87%～68.82%分布在植株穗部。当施加秸秆生物炭量在0～12.5 t/hm2时，浅湿干灌溉模式下相同秸秆生物炭施用量水稻植株在叶片和茎鞘中的土壤氮素累积量低于常规淹灌，而在穗中的土壤氮素累积量显著高于常规淹灌(P<0.05)。浅湿干灌溉模式各处理较常规淹灌不施加生物炭水稻产量分别增加了1.36%、2.37%、14.59%和4.73%。综合考虑寒地黑土区土壤氮库盈亏平衡，浅湿干灌溉模式施加12.5 t/hm2秸秆生物炭的水炭运筹模式最优。

表3 水稻成熟期各器官中土壤氮素的累积量及产量Tab.3 Accumulation of soil nitrogen in organs and yield of rice at maturity kg/hm2

3 讨论

表4 收获后土壤氮素盈亏量Tab.4 Budget of soil N after harvest kg/hm2

4 结论

(3)两种灌溉模式各处理水稻植株对土壤氮素吸收均产生正的激发效应，两种灌溉模式之间土壤的氮素激发率差异显著(P<0.05)，浅湿干灌溉模式的激发效果更明显。不同水炭运筹下，水稻植株从土壤中吸收的氮素占总吸氮量的79.40%～82.19%，相同秸秆生物炭施用水平下，浅湿干灌溉模式水稻植株从土壤中吸收的氮素量比常规淹灌提高了1.03%～8.64%。浅湿干灌溉模式土壤氮素积累量的9.79%～13.96%分布在植株叶片，15.71%～20.03%分布在植株茎鞘，66.00%～74.50%分布在植株穗部。浅湿干灌溉模式各处理较常规淹灌不施加生物炭水稻产量分别增加了1.36%、2.37%、14.59%和4.73%。

(4)综合考虑寒地黑土区土壤氮库盈亏平衡，浅湿干灌溉模式施加12.5 t/hm2秸秆生物炭的水炭运筹模式最优。