水肥耦合对水稻生长土壤呼吸与无机氮的影响

郑恩楠 朱银浩 胡建宇 孟凡香 张 戈 徐天宇

(黑龙江大学水利电力学院， 哈尔滨 150080)

0 引言

21世纪以来，我国农田灌溉取得了有效进步，在农业增产中发挥了重要作用。但也面临着提高农业用水效率、控制农业用水总量等主要问题[1]。1990年以来，我国农业用水总量下降，粮食生产需求继续增加。“节水增产”矛盾突出。粮食生产和流通也由“南粮北运”向“北粮南运”转变。这种新格局严重扰乱了水资源的分布，加剧了北方缺水地区的水资源承载压力。部分地区不得不依靠超采地下水维持农业生产，致使地下水位大幅下降，出现大面积的地下水洼地[2-3]。如何在北方农业生产中实现水资源的可持续利用，已成为当前亟待解决的重要命题。东北黑土作为世界四大黑土带之一，是国家重要的商品粮和水稻生产供应基地[4-5]。但该地区同时也是缺水和气候变化影响最敏感的地区之一[6]。该地区水稻种植面积不断扩大，农业用水需求急剧上升[7]，供需矛盾日益突出[8-10]，导致井灌水稻种植增加，占区域农业用水量的70%以上[6，11，13-14]，地下水开采较为严重。

水稻作为主要粮食作物[15]，在今后几十年为了满足日益增长的粮食需求，每年需增加1.2%以上的水稻产量[16]，为了使产量最大化，氮肥的使用量增加，“愈多越好”不科学的施肥方式导致大量的氮素随着灌溉水进入土壤，造成严重面源污染[17]，而合理的水肥管理不但减少污染，且达到了增产效果。有研究指出，在节水灌溉条件下，水田施加复合微生物有机肥配施传统尿素可增产22.50%，同时改善水稻品质，达到节水调质的作用[18]。施加微生物有机肥代替20%的尿素，可以有效提高水稻的产量构成要素，相比于传统单施尿素增产2.72%，显著提高水稻各生育期细菌、放线菌和微生物总数量，降低真菌数量，并减小微生物群落结构变化[19]。50%的有机肥替代化肥处理，能够结合化肥和有机肥的优势，既能缓解前期土壤养分不足，又能保证养分供给的持续性和全面性[20]。张作合等[21]以水稻为研究对象，利用生物炭代替氮肥，表明合理的水炭调控对于氮素的积累量、吸收量以及产量有促进作用，对氮素总的积累量贡献率达到17.81%～20.60%，同时相比较不施加生物炭处理，施加生物炭处理不同时期的肥料利用率显著提高。王琳等[22]以硫包衣尿素为例，探索其在水稻种植上的最佳施用方式和施肥量，发现减量20%～40%的硫包衣尿素处理下的水稻产量与传统尿素全量施加处理下的水稻产量之间的差异不显著，每公顷可以减少氮肥施加量24.75 kg，充分发挥了硫包衣尿素的生态效益，有效地降低了化肥的施用量和农业的面源污染，增加了肥料利用效率和经济效益，起到节本增效的作用。因此合理的施加肥料对于提高作物产量、土壤理化性质的改善、土壤结构的改良以及调节土壤的通气状况和土壤的供肥能力有着重要作用。

腐植酸作为一种新型肥料，目前在水稻上的应用研究较少，特别是在黑土区，相比较其他肥料，腐植酸含植物生长所必需的16种元素及有益元素硅，且易被植物吸收利用。因此，本文进行水田不同灌水方式配施腐植酸的试验研究，分析不同灌水方式配施腐植酸对水稻收获后干物质转运、不同器官含碳量以及土壤呼吸和无机氮素的影响，以期为黑土区稻田灌水施肥提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验田位于黑龙江省绥化市庆安县国家灌溉重点试验站，是典型的寒地黑土区。多年平均降水量550 mm，平均水面蒸发量750 mm，平均气温为2.5℃，作物主要生长期为156～171 d，全年无霜期128 d，平均日照时数2 600 h。该区土壤类型为白浆土型水稻土，容重1.01 g/cm3，孔隙度61.8%。土壤基本理化性质为：有机质质量比41.8 g/kg、pH值6.45、全氮质量比1.72 g/kg、全磷质量比15.23 g/kg、全钾质量比20.11 g/kg、碱解氮质量比198.29 mg/kg、有效磷质量比36.22 mg/kg和速效钾质量比112.06 mg/kg。

1.2 试验设计

本试验设计3个灌水方式为主处理，如表1所示。控制灌溉(C)小区用TPIME-PICO64/32型土壤水分测定仪每天(07:00和18:00各测1次)测取土壤含水率，当土壤含水率低于或接近于灌水下限时，人工灌水至灌水上限，维持土壤含水率处于相应生育阶段的灌水上限和灌水下限之间。淹灌(F)和浅湿灌溉(W)在每天08:00前后通过预埋在田面的砖块和竖尺读取水层深度，确定是否需要灌水。

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

施肥处理为5个不同肥料配比，如表2所示。各小区磷肥(纯P2O5)45 kg/hm2，钾肥(纯K2O)80 kg/hm2。氮肥施肥比例按照基肥、蘖肥、穗肥为5∶3∶2分别施加，磷肥作为基肥一次施加，钾肥施肥比例按照基肥与8.5叶龄1∶1比例两次施加。试验各项农艺措施同大田，手工除草以避免杂草危害水稻生长发育，同时遵循当地传统方法进行水稻病虫害控制以保证水稻稳产。供试腐植酸肥由云南格瑞环保工程有限公司生产，有机质质量分数大于等于61.4%，总养分(氮磷钾)质量分数(以烘干基计)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%。含水率为2.51%，蛔虫卵死亡率大于等于95%，粪大肠杆菌数小于等于3.0%。含有大量植物所必需的碳、氢、氧、氮、磷、钾、钙、镁、硫、铁、锰、锌、硼、铜、氯、钼全部16种元素及有益元素硅。有害元素砷、汞、铅、镉、铬含量分别小于等于2.8%、0.01%、7.6%、0.1%、4.7%，远低于检测标准要求。

表2 施肥处理Tab.2 Treatment of fertilizer

试验共计15个处理，每个处理3次重复，随机区组排列，每个小区面积为100 m2(10 m×10 m)，小区四周同样种植水稻以加设保护行(为了减小边际效应的影响，在试验小区四周分别种植两行水稻作为保护行，在管理上与小区其他植株一样，只是不作为观察、测量和计产的对象)。水稻品种、育秧、移栽、植保及用药等技术措施以及田间管理条件相同。为减小侧向渗透对试验的影响，小区与小区之间采用隔渗处理，即小区四周用塑料板和水泥埂作为隔渗材料，埋入田间地表以下40 cm深。

1.3 指标观测

1.3.1水稻生长指标测定

分别于抽穗期和成熟期，各处理选取有代表性且长势一致水稻植株3穴，将各器官分离，120℃杀青30 min，80℃干燥至质量恒定。并计算茎叶干物质转运量、茎叶物质转运率、茎叶物质转运贡献率[23]。茎叶干物质转运量为抽穗期茎叶干质量与成熟期茎叶干质量之差，茎叶物质转运率(%)为抽穗期茎叶干质量与成熟期茎叶干质量之差占抽穗期茎叶干质量百分比，籽粒贡献率(%)为抽穗期茎叶干质量与成熟期茎叶干质量之差占成熟期稻谷干质量百分比。

1.3.2各器官碳含量测定

成熟期每个试验田分别选取具有代表性且长势一致水稻植株3穴，将其叶、茎鞘、穗分开，用去离子水冲洗干净，于干燥箱中120℃杀青30 min，80℃干燥至质量恒定，过80目筛后混合均匀，使用总有机碳分析仪(Elementarvario TOC)测定水稻各器官碳含量。

1.3.3土壤呼吸速率测定

在水稻生长期，选择晴朗少云天气，用LI-8100型开路式土壤碳通量测量系统(Li-Cor Inc.，Lincoln，NE，美国)进行田间土壤呼吸速率测定。于水稻返青期开始至乳熟期结束，每隔10 d左右测定1次，遇阴雨天气顺延1～2 d。每次测定时间为北京时间11:00—14:00，该时间段土壤呼吸速率测量值与日平均值基本一致。采用轮回测量方法，每次测量顺序均与第1次测量顺序相同，以避免由于测量时间差异而导致的试验结果误差。测定基座为内径20 cm的聚氯乙烯(Polyvinyl chloride，PVC)圈，嵌入土壤后露出土壤表面2 cm。每个试验小区内放置3根，整个生育期不移动。在每次测定的前1 d，去除基座内土壤表层的一切活体及掉落物，在整个观测过程中PVC圈埋设位置保持不变。为了减小安置测定基座对土壤系统的破坏，在测定基座安置24 h后进行第1次测定。

1.3.4土壤无机氮含量测定

水稻籽粒成熟期用土钻在田间进行采样，采样深度为水稻根层0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm的土壤，取出新鲜土样，装入泡沫保温箱内，放置冰袋保鲜，带回实验室冷冻贮存。测定方法：称取5 g待测土样加2 mol/L KCl溶液50 mL，25℃恒温振荡1 h后，过滤，滤液用AA3(Auto analyzer3)型流动分析仪测定土壤硝态氮和铵态氮含量。

1.4 数据分析

应用SPSS 20.0软件对数据进行整理，使用Original和WPS软件进行图表的绘制，并对数据进行Duncan显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同水肥处理对干物质转运的影响

不同水肥处理方式下，水稻茎叶干物质转运量如表3所示。抽穗后期不同灌水方式配施腐植酸肥影响了水稻的茎叶干物质转运量、转运率和籽粒贡献率。CT2、WT2和FT2处理的转运量、转运率和籽粒贡献率较小，比其他水肥处理减少了18.51%～55.56%、5.60%～32.61%和6.09%～38.59%，达到了显著水平(P<0.05)；而茎叶干物质的转运量、转运率和籽粒贡献率在3种不同灌水方式下T4和T5处理高于其他施肥处理，由大到小表现为T5、T4、T3、T1、T2，而T4和T5处理在3种灌水方式下也有所差异，但差异较小。综合水稻茎叶干物质转运量、转运率和籽粒贡献率3个指标来看，CT5、WT5和FT5处理下水稻抽穗后期茎叶干物质转运量以及籽粒贡献率比其他水肥处理具有显著优势。

2.2 不同水肥处理对各器官碳含量的影响

不同水肥处理方式不仅影响着水稻干物质的积累和转运，同时也影响水稻的固碳能力，水稻成熟期地上各器官碳含量如图1所示。不同水肥处理方式下成熟期水稻穗部碳含量显著高于叶和茎鞘(P<0.05)，茎鞘碳含量最低。3种灌水方式下，T2处理下各器官总碳含量均显著小于其他施肥处理(P<0.05)，其中T5处理最高，其叶、茎鞘和穗部碳含量分别为39.99%、36.78%和51.98%。相同施肥量下，淹灌和浅湿灌溉下水稻各器官碳含量之间差异不显著(P>0.05)，但均小于控制灌溉。综合灌水和施肥两因素来看，CT5处理下水稻各器官的含量碳最大，表明该处理水稻的固碳能力大于其他水肥处理方式。

表3 水稻茎叶干物质转运量、转运率和籽粒贡献率Tab.3 Stem and leaf transport capacity, transport rate and grain contribution rate of rice

2.3 不同水肥处理对稻田土壤呼吸速率的影响

不同水肥处理是改善田间作物生长和水土环境的重要手段和方式，同时也影响着土壤呼吸速率。不同水肥处理的土壤呼吸速率如图2所示。试验结果表明：不同水肥处理之间的土壤呼吸速率在水稻生育期变化规律一致，不同生育时期的土壤呼吸速率从返青期到乳熟期整体呈先升高后下降的变化趋势。水稻的生长初期和后期，在温度和土壤肥力较低的综合影响下，土壤呼吸速率较弱，而在生长旺盛时期，随着温度的升高和土壤肥力较强，土壤呼吸速率也较大。3种灌水方式下，在拔节期随着腐植酸施用量的增加，土壤的呼吸速率也逐渐升高，T5处理下土壤呼吸速率显著大于其他施肥处理(P<0.05)，相比较单一施加尿素，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；而控制灌溉条件下不同施肥处理的土壤呼吸速率大于淹灌和浅湿灌溉，主要由于控制灌溉表层土壤温度大于淹灌和浅湿灌溉，有利于土壤微生物的活动和土壤矿物质的化学反应，因此呼吸速率较大。

2.4 不同水肥处理对稻田土壤铵态氮累积量的影响

对成熟期水稻土壤不同土层铵态氮累积量进行观测，结果如图3所示。不同水肥处理下的铵态氮累积量随着土层深度的增加逐渐降低，而随着腐植酸肥含量的增加不同施肥处理之间的铵态氮累积量逐渐增加，且0～20 cm土层之间差异显著(P<0.05)。施肥处理之间对比发现，0～20 cm土层铵态氮累积量在T5处理下取得最大值，且显著大于其他水肥处理(P<0.05)；T3、T4和T5施肥处理在20～40 cm和40～60 cm土层的铵态氮累积量之间差异不显著(P>0.05)，但显著大于T1和T2处理(P<0.05)。水分处理之间对比发现，淹灌和浅湿灌溉处理之间差异不显著(P>0.05)，控制灌溉条件下的0～20 cm土层的铵态氮累积量大于淹灌和浅湿灌溉，而20～40 cm和40～60 cm土层的铵态氮累积量小于淹灌和浅湿灌溉。

2.5 不同水肥处理对稻田土壤硝态氮累积量的影响

成熟期稻田土壤硝态氮累积量的变化与铵态氮累积量的变化规律有所差异，如图4所示。在20～40 cm土层的硝态氮累积量最大，其次是0～20 cm和40～60 cm。3种灌水方式下，随着腐植酸含量的增加0～20 cm土层的硝态氮累积量逐渐增加，而全面淹灌和浅湿灌溉在20～40 cm和40～60 cm土层的硝态氮累积量，呈下降趋势。施肥处理之间对比发现，在0～20 cm土层，3种灌水条件下均T5处理下累积量最高，而在20～40 cm和40～60 cm土层，控制灌溉下不同施肥处理之间的差异不显著(P>0.05)，而浅湿灌溉和淹灌下在T5处理累积量最低。水分处理之间对比发现，控制灌溉条件下0～20 cm土层的硝态氮累积量大于淹灌和浅湿灌溉(P<0.05)，而20～40 cm和40～60 cm土层的硝态氮累积量显著低于淹灌和浅湿灌溉(P<0.05)，主要原因在于硝态氮易淋失，淹灌和浅湿灌溉由于田间存在水层，导致硝态氮向土壤深层淋失量较大，而控制灌溉土壤水分较少，其硝态氮向土壤深层淋失量较小。

2.6 各指标之间的关系

将水稻各指标之间进行相关分析(表4)。硝态氮含量与各指标之间的相关性不显著(P>0.05)，水稻的干物质量、土壤呼吸速率、碳含量和铵态氮含量相互之间关系显著(P<0.05)，表明各指标之间相互关联相互影响。由于水稻是喜铵作物，土壤中的铵态氮能够被直接利用，而大部分硝态氮不能直接利用，需要转换成铵态氮才能被吸收，同时硝态氮淋容量较大，因此水稻直接利用量较少，所以相关性不大。而土壤呼吸速率的增大，促进了土壤与外界的气体交换，有利于水稻的生长，提高干物质的积累和碳含量的增加。

表4 各指标之间的相关系数Tab.4 Correlation coefficient of each index

3 讨论

3.1 对干物质转运和碳含量的影响

提高作物生长后期的干物质转运是提高作物籽粒干物质量的主要途径之一[24]，前人在水稻产量形成的转运上进行了较多研究，表明茎鞘中储存营养物质的运转和籽粒形成的贡献为 20%～40%[25]。本研究发现，3种灌水方式下腐植酸肥的施加量为1 500 kg时，茎叶物质的转运量、茎叶物质的转运率和茎叶物质的籽粒贡献率大于其他水肥处理，研究结果与姜佰文等[23]研究结果类似，表明施加腐植酸肥对于提高抽穗后期光合生产能力大于单一施加尿素处理。农田碳排放是大气二氧化碳的主要来源，因此减少农田的碳排放，增加其固碳能力是减少二氧化碳的主要途径[26]。目前，对于水稻的固碳能力尚不明确，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，当施肥量相同时，控制灌溉下的水稻不同器官的碳含量较大，这与曹凑贵等[27]的研究结果一致，原因在于控制灌溉条件下相比于淹灌和浅湿灌溉，稻田土壤的通透性较大，增大了土壤的气体交换，土壤的氧气增多，有利于水稻根系的呼吸，改善了水稻根系的生态环境，减弱了水稻根系的衰老速率，对于水稻后期生长起到了促进作用。灌水方式相同时，T5处理下不同器官的碳含量较大，而T2处理下不同器官的碳含量最小，表明合理的施肥方式对于提高水稻不同器官的碳含量具有促进作用，能够增加植物对碳的同化作用。

3.2 对土壤呼吸速率的影响

土壤呼吸包括植物根系呼吸、土壤微生物呼吸和土壤矿化物化学反应3部分组成，较好的土壤呼吸速率对于田间气体交换有着积极作用。本研究发现，随着生育期的进行土壤呼吸速率表现为先增加后下降的变化趋势，在拔节期的呼吸速率达到最大值，原因在于拔节期温度较高，土壤的微生物活动较旺盛，根系较发达[28]，矿物质的化学反应较强，导致土壤呼吸速率较大，而生长前期和后期温度较低，植物各根系衰老，因此土壤的呼吸速率较低。3种灌水方式处理之间对比发现，控制灌溉下土壤的呼吸速率大于淹灌和浅湿灌溉，原因在于土壤的呼吸速率与土壤表层0～5 cm的温度具有显著的指数关系[29]，而控制灌溉条件下表层0～5 cm的土壤温度较大，有利于土壤的呼吸速率。不同施肥处理之间对比发现，施加腐植酸肥处理的土壤呼吸速率均大于单一施加尿素处理的土壤呼吸速率，且随着腐植酸肥的增加，土壤呼吸速率也逐渐增大，由大到小表现为T5、T4、T3、T2、T1。腐植酸肥相比较其他肥料能够较好地改善土壤理化特性，从而提高土壤的透气性，同时也易于活化土壤中的养分，使农作物易于吸收，增强作物营养和根系发育，提高土壤中矿物质的分解速率，因此土壤呼吸速率相比较单一施加尿素较大，而且随着腐植酸肥的增加逐渐增加。

3.3 对土壤无机氮含量的影响

土壤中的无机氮大多以铵态氮和销态氮形式存在，而不同施肥处理对于调节和改善土壤氮素形态起着重要作用。本试验研究表明，施加腐植酸肥土壤的铵态氮含量波动较大，特别是表层土壤，显著大于单一施加尿素处理，这可能是因为土壤中施加腐植酸肥，使土壤中的矿物分解较快，导致土壤铵态氮含量较高[30]，而硝态氮含量的变化与铵态氮有所差异，主要是硝态氮淋失较大，所以0～20 cm土层的硝态氮含量小于20～40 cm土层的硝态氮含量。但从20～40 cm处土壤硝态氮的含量来看，随着腐植酸肥的增加，硝态氮含量下降，说明施加腐植酸肥减弱了土壤硝态氮的淋失量。不同水分处理之间，0～20 cm处铵态氮和硝态氮含量控制灌溉大于淹灌和浅湿灌溉，这是由于控制灌溉相比较淹灌和浅湿灌溉增加了土壤的通气性，使土壤脲酶活性增强，从而提高了铵态氮和硝态氮含量[31]，同时由于控制灌溉下的田面无水层，使硝态氮向深层土壤淋失量显著降低，所以上层含量较大。因此在进行稻田管理时应选择合理水肥运筹方式。

4 结论

(1)不同水肥处理下，CT5、FT5和WT5处理水稻抽穗后期茎叶干物质转运量较优，而不同器官的碳含量穗部最高，茎鞘碳含量最低。施肥处理之间，随着腐植酸含量的增加，T5处理各器官的碳含量较大，而水分处理之间，淹灌和浅湿灌溉处理之间差异不显著，但小于控制灌溉。

(2)不同水肥处理下，水稻不同生育期的土壤呼吸速率在拔节期出现最大值，不同灌溉方式下，控制灌溉下的土壤呼吸速率大于淹灌和浅湿灌溉，而不同施肥处理下，土壤呼吸速率随着腐植酸含量的增加而增加，在拔节期，T5处理显著大于其他施肥处理。

(3)不同水肥处理下，土壤铵态氮累积量随着腐植酸肥的增加逐渐增加，且大于单一施加尿素处理，而3种灌水处理之间对比发现，控制灌溉下的0～20 cm土层铵态氮累积量大于淹灌和浅湿灌溉；硝态氮含量在20～40 cm土层显著高于其他土层，0～20 cm土层硝态氮含量在T4、T5处理下较大，而20～40 cm和40～60 cm土层下T1处理较大。

(4)综上分析，在CT5、FT5和WT5处理下，水稻的干物质转运量大于其他处理，而地上干物质的固碳能力和土壤呼吸以及无机氮含量的变化均在CT5处理较优。因此，控制灌溉下施加1 500 kg/hm2的腐植酸肥(CT5处理)为最佳水肥处理。