施氮水平对水稻产量、AMF侵染状况及根际土壤性状的影响

周德平,孙会峰,褚长彬,赵 峥,周 胜,吴淑杭

(上海市农业科学院生态环境保护研究所,上海201403;上海低碳农业工程技术研究中心,上海201415)

氮肥施用对保障水稻高产稳产有着至关重要的作用,但过量施用则会导致土壤酸化、病虫害加重、农业面源污染负荷增加等诸多负面效应[1-3]。在我国的一些主要粮食产区,常规措施下典型的一年两熟轮作体系氮肥年施用量高达600 kg∕hm2,但氮肥只有38%左右的作物利用率,相当一部分氮肥通过不同途径损失到环境中,造成了大气、水体和土壤环境质量的退化[4-5]。如何在保障水稻产量的基础上合理施用氮肥以兼顾粮田土壤保育和面源污染防控成为农业生产与科研关注的热点。

华东地区是我国重要的稻米产区,本试验利用上海市农业科学院庄行试验站的稻田长期定位试验基地,研究不同施氮水平下水稻‘沪旱61’的产量、根系AMF侵染状况、土壤理化性状、养分含量及微生物种群区系的差异,以明确其种植过程中最佳氮肥施用量并探寻相关土壤保育机制,为稻田氮肥管理和土壤生态保育的协调发展提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

田间长期定位试验点位于上海市低碳农业工程技术研究中心(121°23′E,30°53′N),该中心年均气温16℃,年均降水量约1 200 mm,黏壤土质,0—20 cm深度土壤pH为6.7左右。长期定位试验开始于2011年,设4个施氮水平处理:不施氮肥(N0)、施氮100 kg∕hm2(N100)、施氮200 kg∕hm2(N200)和施氮300 kg∕hm2(N300),每个处理3次重复,共12个试验小区,采用完全随机区组设计,小区面积均为56 m2(8 m×7 m),四周垂直埋入1.2 m防渗膜,小区之间设置宽30 cm的水泥田埂。试验地种植模式为稻麦轮作,各处理间除稻季施氮水平不同外,麦季施肥及其他管理措施均保持一致。

1.2 供试材料

试验所用N肥为尿素(N≥46.4%),P肥为过磷酸钙(P2O5≥12.0%),K肥为氯化钾(K2O≥60%)。麦季施肥量为N 225 kg∕hm2、P2O590 kg∕hm2、K2O 200 kg∕hm2。稻季N肥用量以基肥∶蘖肥∶穗肥=5∶3∶2的比例施用;P肥全部基施,用量为P2O5100 kg∕hm2;K肥用量以基肥∶穗肥=11∶14的比例施用,用量为K2O 225 kg∕hm2。

供试水稻品种为‘沪旱61’(沪审稻2016005),采用二段育秧和人工移栽法进行小区种植试验。2018年5月中旬开始育苗;6月中旬移栽,行株距为25 cm×20 cm,种植密度为20穴∕m2;10月31日收割。

1.3 样品采集与前处理

田间植株与土壤样品的采集于2018年9月26日水稻接近成熟时进行。采用对角线法每区选3穴,沿植株根系周围向下挖掘,尽量将整株植物根系及根围土壤挖出,装入干净塑料袋内,带回实验室进行根围土壤剥离、混匀、四分法留样后,取部分鲜样用于微生物分析,剩余部分摊晾、风干后用于AMF孢子计数[6]和土壤理化分析;水稻根系及时用流水清洗,选取新鲜、坚韧的根,用自来水清洗干净,吸干水分,剪成1 cm根段,然后用FAA固定,经透明、酸化、墨水醋染色后,制片观察[7]。

1.4 测定指标与方法

1.4.1 土壤理化性状

pH按水土比2.5∶1、EC值按水土比5∶1电位法测定;有机质含量测定采用重铬酸钾氧化法(外加热法);碱解氮含量测定采用碱解扩散法;速效P含量测定采用0.5 mol∕L NaHCO3浸提-钼锑抗比色法;速效K含量测定采用乙酸铵浸提-火焰光度法[8]。

1.4.2 水稻测产

每小区单独收割晒干后称重,留取稻谷样品烘干测实际含水率,计算不含水的绝对干重,然后按国家标准粳稻含水率14.5%折算成标准产量。

1.4.3 AMF侵染频度、侵染密度及孢子计数

丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)是最重要的植物共生菌之一,存在于超过80%以上的维管植物中,湿地环境中也普遍存在[9-10],与共生植物间存在着养分交换关系,可增加作物养分供给,增强抗逆性[11-13]。选取30条染色好的根段制片、镜检。据根段中AMF侵染强度分级标准0、<1%、<10%、<50%、>50%和>90%定义并记录每一根段,用以计算整个根系中AMF的侵染频度(F)和侵染密度(M)。根围土壤中AMF孢子利用三层湿筛分离后显微计数[14-15]。

侵染频度(F)=(侵染根段数∕全部根段数)×100%;

侵染密度(M)=(0.95×N5+0.70×N4+0.30×N3+0.05×N2+0.01×N1)∕镜检总根段数×100%。

其中0.95、0.70、0.30、0.05、0.01分别代表各级所占的权重,N5、N4、N3、N2、N1分别代表各级根段数之和。

1.4.4 土壤可培养微生物

采用梯度稀释平板培养法测定土壤细菌、放线菌、真菌及溶磷解钾微生物种群数量。所用培养基分别为牛肉膏蛋白胨琼脂培养基、改良高氏一号、PDA、蒙金娜有机磷、PKO无机磷和解钾培养基,具体配方见文献[16]。因细菌、放线菌和真菌种群数量差异呈数量级变化,为便于分析,将所得微生物数量[单位为cfu∕(g土)]记为A,取常用对数(lgA)后再作图。

1.4.5 土壤微生物代谢活性及多样性分析

利用Biolog-Eco系统进行土壤微生物的代谢活性和多样性分析,计算AWCD值(平均每孔光密度)、碳源利用种类(S)、Shannon指数和均匀度[17-19]。

1.5 数据分析

采用Excel 2010软件进行数据的整理、作图,使用SPSS 19.0统计软件对平均数用Duncan新复极差法进行多重比较和显著性检验(P<0.05)。多样性指数及聚类分析利用DPS 7.05软件的数学生态学和模糊聚类分析模块完成。

2 结果与分析

2.1 施氮水平对水稻产量与稻田土壤理化性状的影响

由表1可见,施用氮肥可显著影响水稻产量,但增产效应随施氮量增加逐渐减小。N100处理的水稻产量较N0处理增加47.1%,N200处理较N100处理增产13.2%,而N300处理较N200处理增产仅为2.6%。随施氮量增加,稻田土壤有机质含量增加,pH降低,土壤有效P和速效K含量逐渐减少。不同施氮水平下稻田土壤EC值差异不显著,N200和N300处理土壤碱解氮含量相对较高。

表1 施氮水平对水稻产量与土壤理化性状的影响Table 1 Effects of nitrogen application level on rice yields and soil physicochemical properties

2.2 施氮水平对水稻根系AMF侵染状况的影响

如图1所示,不同施氮水平处理间水稻‘沪旱61’根系AMF的侵染频度(F)差异较小,侵染频度最小的N200处理只比侵染频度最高的N0、N300处理低2%。氮磷钾三元素养分相对平衡度最高的N200处理的AMF侵染频度最低,其次为N100处理,不施氮肥的N0处理和施氮最多的N300处理的AMF侵染频度则相对较高。N0处理的AMF侵染密度(M)显著低于N100和N300处理,N300处理的AMF侵染密度最大(18%),其次为N100处理(16%),氮磷钾平衡施用的N200为施氮处理中AMF侵染密度最小者。N200处理的土壤AMF孢子数量也最少,数量最多的N100处理与其他处理间的差异达显著水平。由此可见,平衡施肥影响着水稻根系的AMF侵染状况,在氮磷钾养分配比不平衡时,AMF的侵染性能提高,以帮助水稻根系从土壤中吸取更多所需养分,成为水稻应对逆境的一种调节功能。但养分失衡过于严重时则不利于AMF对水稻根系的侵染,如无氮肥的N0处理AMF侵染性能较弱,其AMF侵染密度(M)仅为N300处理的44.4%,为N100处理的50%,为N200处理的57.1%。

2.3 施氮水平对水稻根际土壤可培养微生物数量与区系结构的影响

根际土壤微生物的种类和数量直接影响土壤的生物化学活性及养分组成和转化,其区系组成与植物根系生长发育和土壤健康状况密切相关,影响着植物的生长[20]。由图2可见,与N0处理相比,N100和N300处理水稻根际土壤细菌、真菌、放线菌和可培养微生物总数均有所增加,细菌数量分别为N0处理的1.46倍和1.73倍,真菌数量分别为N0处理的2.69倍和1.20倍,放线菌数量分别为N0处理的1.50倍和1.64倍,可培养微生物总数分别为N0处理的1.48倍和1.70倍。N200处理土壤细菌、放线菌和可培养微生物总数也呈增加趋势,分别为N0处理的1.52倍、1.33倍和1.45倍;真菌数量减少,约为N0处理的81%。可见,氮肥施用可刺激水稻根际土壤微生物增殖,根际土壤细菌和放线菌数量会随施氮水平的增加而显著增加。

图2 施氮水平对水稻根际土壤可培养微生物数量的影响Fig.2 Effects of nitrogen application level on the number of culturable microorganisms in rice rhizosphere soil

如图3所示,与N0处理相比,N100处理的土壤细菌种群比例减少约1%,放线菌种群比例变化不明显,真菌种群上升约0.4%;N200与N300处理的细菌种群比例分别上升3%和1%,放线菌种群比例分别减少3%和2%,真菌种群比例分别减少0.3%和0.2%。A∕F、B∕F是土壤微生物区系结构的两个重要特征指标,放线菌中有许多能分泌抗生素的生防菌,对作物土传病害有一定的防控效应,而真菌种群变化往往与土传真菌病害密切相关。在3个施氮水平中,N200处理的土壤细菌种群比例(B∕T)最高、真菌种群比例(F∕T)最低、放线菌和真菌比(A∕F)与细菌与真菌比(B∕F)均最高,更利于土壤微生物群落结构的稳定与健康[21-22]。

图3 施氮水平对水稻根际土壤可培养微生物区系结构的影响Fig.3 Effects of nitrogen application level on culturable microorganisms structure in rice rhizosphere soil

2.4 施氮水平对水稻根际土壤微生物代谢功能及生物多样性的影响

如图4所示,不同施氮水平下‘沪旱61’根际土壤微生物碳源代谢的AWCD值差异不明显。N300处理的AWCD在延滞期、对数期和稳定期始终低于其他处理,N200处理的碳源综合代谢能力虽然在前期弱于N100处理,但在对数后期和稳定期赶超并稳定高于N100处理。以上结果表明:N200处理的水稻根际土壤微生物的碳源综合代谢能力最强,N300处理最弱。

图4 施氮水平对水稻根际土壤微生物AWCD值的影响Fig.4 Effects of nitrogen application level on AWCD value of rice rhizosphere soil microorganism

取Biolog-Eco微平板培养124 h的数据,分析不同施氮水平间根际土壤微生物碳源代谢多样性指数的差异(表2),并对各处理间31种所试碳源代谢特征谱进行聚类分析(图5)。由表2可见,施氮水平对水稻根际土壤微生物碳源代谢多样性无显著影响。N200处理的碳源代谢种类、Shannon指数及均匀度均最高;N100处理的Shannon指数及均匀度均最低;N300处理的碳源代谢种类最少,Shannon指数和均匀度低于N200处理,高于N0和N100处理。碳源代谢特征聚类分析结果显示:N200处理的碳源代谢特征与其他施氮处理间差异较大,自成一支;N300处理与N0处理间碳源代谢谱相似度较高。由此可见,N200处理的根际土壤微生物的碳源代谢多样性高于N100和N300处理,养分较为均衡,更利于维护稻田土壤微生物种群的物种多样性。

表2 不同施氮水平下水稻根际微生物代谢多样性指数差异Table 2 Metabolic diversities of rice rhizosphere soil microorganisms under different nitrogen application levels

图5 基于Biolog-Eco系统的碳源代谢特征聚类Fig.5 Clustering of carbon source metabolism characteristics based on Biolog-Eco system

2.5 施氮水平与水稻根际土壤理化性状及微生态因子间的相关性分析

水稻产量、土壤有机质含量、碱解氮含量、细菌数量、放线菌数量及AMF侵染密度均与氮肥施用量呈不同程度的正相关,其中以细菌数量对氮肥施用量的响应最敏感(r=0.945),其次为土壤有机质含量(r=0.939)和水稻产量(r=0.923);土壤pH、有效P和速效K含量均与氮肥施用量呈显著负相关,其中pH对氮肥施用量的响应最敏感(r=-0.984*),其次为有效P(r=-0.979*)和速效K(r=-0.952*)。

3 讨论

氮肥施用对水稻增产效果显著,但随施氮量的增加,氮肥的农学效率和偏生产力呈逐渐下降的趋势,地上部氮肥回收率在施氮量200 kg∕hm2时达到峰值[3]。苏荣瑞等[23]在江汉平原单季稻上的研究显示:210 kg∕hm2施氮量能保证水稻高产且温室气体排放量较低,可实现低碳高产的水稻生产。本研究显示:氮肥施用对水稻增产至关重要,施氮水平与水稻产量呈正相关(r=0.923),在0—200 kg∕hm2范围内,增施氮肥可显著促进水稻增产,但超过200 kg∕hm2后,增产效应不再显著,与前人研究结果一致。土壤pH与施氮水平呈显著负相关,r值为-0.984*。在8年定位研究期间,N300处理的土壤pH较N0降低了0.6,较N100处理降低了0.4,较N200处理降低了0.1,可见合理施用氮肥能在一定程度上减缓耕地土壤酸化进程。时亚南[24]对稻田土壤微生物的动态监测发现:微生物生物量碳和土壤总氮之间呈正相关,氮肥是影响微生物生物量碳的主导因素。本研究表明,氮肥施用可刺激水稻根际土壤可培养微生物增殖。在0—300 kg∕hm2时,增施氮肥可促进水稻根际土壤细菌和放线菌种群增殖,施氮水平与细菌、放线菌数量均呈正相关,r值分别为0.945和0.820。但200 kg∕hm2施氮量处理的水稻根际土壤细菌种群比例(B∕T)最高、真菌种群比例(F∕T)最低、放线菌和真菌比(A∕F)与细菌和真菌比(B∕F)均最高,碳源综合代谢能力最强,生物多样性更为丰富,对土壤微生态系统的平衡稳定更为有利。

AMF是一类寄生在植物根系内的真菌,分布广泛,能够在土壤结构和肥力条件贫瘠的逆境下通过其侵染根系形成的庞大菌丝网络提高植物对土壤矿质养分的吸收[25]。有研究表明,在氮素含量受限的土壤中植物会较大比例地利用来自菌根的氮素[26]。张淑娟[27]研究表明:丛枝菌根的应用在保证水稻经济产量的基础上实现了稻田氮磷投入量和流失量的双重削减,具有显著的经济效益和环境效益。本研究表明:在施氮量0—300 kg∕hm2时,AMF侵染状况对施氮水平的响应无明显规律性,对氮磷钾三元素平衡施用的响应则较为明显。在氮磷钾养分配比不平衡时,AMF的侵染性能提高,以帮助根系从土壤中吸取更多所需养分,成为作物应对逆境的一种调节功能,试验中低氮(N100)和高氮(N300)处理的AMF侵染频度、侵染密度和孢子数均高于N200处理。但养分失衡过于严重时则不利于AMF对水稻根系的侵染,如无氮肥(N0)处理的AMF侵染性能较弱,其AMF侵染密度(M)仅为N300处理的44.4%,为N100处理的50%,为N200处理的57.1%。养分平衡度相对较高时,AMF对水稻根系的侵染减弱,试验中氮磷钾三元素相对平衡的N200处理AMF侵染频度最低,孢子数最少,侵染密度也是施氮处理中的最低者。

4 结论

在上海地区稻-麦轮作模式下单季粳稻的种植过程中,200 kg∕hm2施氮量可以保障水稻‘沪旱61’的高产稳产,此时水稻根际土壤细菌种群比例(B∕T)最高、真菌种群比例(F∕T)最低、A∕F与B∕F值均最高,碳源综合代谢能力最强,生物多样性更为丰富,对土壤微生态系统的平衡稳定更为有利;与300 kg∕hm2施氮量处理相比,可减缓耕作土壤的酸化进程,利于耕地保育。即使氮肥稍微亏缺,土著AMF对水稻根系的侵染会增强,以帮助植株从土壤中转化和吸收养分。因此,从绿色可持续发展农业的角度出发,上海及长三角地区稻-麦轮作模式下单季粳稻‘沪旱61’的施氮量应以200 kg∕hm2左右为宜。