浮萍对不同氮肥用量下稻田水中氮含量动态的影响

陈晓冬 郭 彬 刘俊丽 汪海燕 李凝玉 马 洁 傅庆林 李 华,*

(1 浙江省农业科学院环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2 浙江大学原子核农业科学研究所/农业农村部和浙江省核农学重点实验室，浙江 杭州 310058；3 浙江省水资源水电管理中心(浙江省水土保持监测中心)，浙江 杭州 310009)

水稻田是南方地区主要的土地利用形式之一。为维持水稻的高产、稳产，化学肥料如氮肥等被大量施用，但其当季作物利用率较低，其中氮肥利用率仅为30%～35%[1]。过量的氮肥不仅会对土壤产生危害，也会通过淋失、径流等方式进入水体，造成水体污染[2-3]。田面水作为稻田土壤与大气的中间介质，其氮素浓度、生物多样性、pH值及温度等条件的变化直接影响着氮素的转化过程，并对评估氮素流失潜能产生重要的影响[3-5]。

浮萍作为稻田、沟渠等水体中常见的一种单子叶漂浮植物，能够富集水体中多种物质，如氮、磷等营养物质，且具有繁殖速度快、吸收氮磷能力强等特点[6-7]。浮萍主要通过吸收水体中的氮转化为自身结构物质、影响微生物分解利用等过程参与氮转化[6, 8-9]，更多地被用于氮磷污染的水体治理与生态修复以及生物资源利用等领域[10-13]。与污水不同，稻田田面水氮素浓度因施肥、灌溉等农业管理措施而呈现阶段性的大幅度变化[14-16]，不同氮肥用量下浮萍对氮含量的动态影响值得进一步关注。

南方稻区的浮萍以青萍和紫萍为主[17]，大量繁殖的浮萍除本身吸收氮素外[18]，还可以影响水体硝化、反硝化反应及氨挥发等主要氮素转化过程[4, 7, 19]。目前浮萍对稻田田面水氮素转化的研究较少，且多集中在单一浮萍。本研究通过盆栽试验，探究浮萍(青萍和紫萍)对不同氮肥用量下稻田水中氮[氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、全氮]含量动态的影响，以期为浮萍在优化稻田氮素利用、减少稻田氮素流失等稻田优化方法提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试浮萍为青萍(Lemmaminor)和紫萍(Spirodelapolyrrhiza)， 采自浙江省平湖市水稻试验田及周边沟渠，取回后用自来水反复清洗干净后用蒸馏水冲洗，放置在浮萍专用培养液中驯化培养[20]，待生物量大量扩增后供试验用。

供试水稻品种为甬优9，秧苗购置于嘉兴市水月湾农业科技有限公司。

1.2 试验设计

1.3 测定项目与方法

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0软件对数据进行初步整理汇总。利用Origin软件作图。采用单因素方差分析进行检验，并采用Duncan法进行处理间差异分析。

2 结果与分析

2.1 不同氮梯度下浮萍对田面水NH4+-N含量的影响

不同氮梯度下青萍对稻田田面水NH4+-N含量的影响如图1-A所示，所有处理在0～40 d内田面水NH4+-N含量均呈下降趋势。初始田面水中NH4+-N的含量与施氮量成正比，以N360处理的NH4+-N含量最高，达到42.15 mg·L-1。N90和N180处理在0～20 d内NH4+-N含量快速下降；N270和N360等高氮量处理的NH4+-N含量在0～20 d内快速下降，但20～40 d内下降速度有所缓和。在20～30 d内，N270和N360高氮量处理的NH4+-N含量显著高于N90和N180处理，至培养40 d时，各处理之间差异不显著。

紫萍对不同施氮量下稻田田面水NH4+-N含量的影响与青萍一致(图1-B)。施氮当天NH4+-N含量达到峰值，其中N360处理含量最高，为38.64 mg·L-1， 各施氮处理依次为N360>N270>N180>N90>N0。在0～10 d内，N360处理的NH4+-N含量下降速率最快。与青萍相比，相同施氮量下添加紫萍处理下田面水NH4+-N含量均低于青萍，表明紫萍对田面水NH4+-N的吸收量高于青萍。

注：不同小写字母表示施肥处理间差异显著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as follwing.图1 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)对稻田田面水氨氮含量的影响Fig.1 Influence of duck weed on the NH4+-N concentration in the surface water of paddy field under nitrogen gradient(A: Lemma minor, B: Spirodela polyrrhiza)

2.2 不同氮梯度下浮萍对田面水NO3--N含量的影响

由图2-A可知，除N0处理外，施氮处理的NO3--N含量均出现快速升高再下降的趋势，并在第10天达到峰值，以N360处理最高，为14.4 mg·L-1。 培养0～20 d，不同氮添加量处理的NO3--N含量差异不显著；培养40 d，N270和N360处理显著高于其他低氮处理。可见，添加青萍可以维持高氮输入量下(270和360 kg N·hm-2)田面水的NO3--N含量。

紫萍处理下田面水NO3--N含量对氮梯度的响应与青萍较为一致(图2-B)。0～10 d内，除N0处理外，各施氮处理间NO3--N含量差异不显著，30～40 d内，N360处理显著高于其他处理。相比青萍，20～40 d内，紫萍处理下田面水NO3--N含量较低，表明紫萍对田面水NO3--N吸收量高于青萍。

图2 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)对稻田田面水硝氮含量的影响Fig.2 Influence of duckweed on NO3--N concentration in the surface water of paddy field under nitrogen gradient (A: Lemma minor, B: Spirodela polyrrhiza)

2.3 不同氮梯度下浮萍对稻田田面水全氮含量的影响

田面水全氮含量与施氮量呈显著正相关关系(青萍R2=0.64，P<0.05，紫萍R2=0.45，P<0.05)，田面水全氮含量总体随着施氮量的升高而升高，且在施肥当天达到峰值，随后缓慢降低(图3)。N360处理青萍和紫萍田面水全氮含量分别达到227和260 mg·L-1。青萍与紫萍在不同氮梯度下田面水全氮含量动态变化趋势一致，在高氮(270和360 kg N·hm-2)输入下，0～20 d内，同一施氮水平下，添加青萍的田面水全氮含量总体低于添加紫萍。值得注意的是，在高氮(270和360 kg N·hm-2)输入下，培养20～40 d期间，添加青萍的田面水全氮含量呈现先增加后降低的趋势。

图3 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)对稻田田面水全氮含量的影响Fig.3 Influence of duckweed on total N concentration in the surface water of paddy field under nitrogen gradient (A: Lemma minor, B: Spirodela polyrrhiza)

3 讨论

研究发现不同氮肥用量下2种浮萍放养对稻田田面水NH4+-N含量的影响趋势一致，且田面水NH4+-N含量随施氮量的增加而增加，但紫萍放养田面水的NH4+-N含量低于青萍。尿素施入后短时间内会快速水解成NH4+-N，所以初始阶段田面水中NH4+-N含量与施氮量成正比[4-5]。培养0～10 d内，水稻及浮萍吸收同化NH4+-N以及NH4+-N发生硝化反应转化为NO3--N[22]，导致NH4+-N含量急速下降。李华等[4]研究也指出稻田田面水加入浮萍可明显提高尿素的水解速度。此外，浮萍可以通过释放次生代谢物等，为微生物生存提供适宜环境[23]，且微生物可吸附在浮萍下叶面和根部形成微生物膜，进一步吸附田面水NH4+-N[24-25]。NH4+-N含量在高氮量输入(360 kg N·hm-2)处理的下降速率最快，表明高氮量输入下，浮萍对NH4+-N吸收和转化速率提高，这与侍远[26]的研究结果较为一致。同时，与青萍相比，同一氮梯度下紫萍NH4+-N含量均低于青萍，表明添加紫萍更有利于减少稻田氮素的径流损失，且该效果在高氮量输入下尤为明显，这可能是紫萍叶片较厚，叶面积较大以及多根的特性导致的[17]。

不同氮肥用量下，2种浮萍对稻田田面水NO3--N含量影响趋势较为一致，且高氮用量处理添加紫萍的NO3--N含量较添加青萍低。施肥培养0～10 d内，NO3--N含量均升高且各施氮处理间差异不显著。这是因为水体中NH4+-N发生硝化反应转化为NO3--N[27]。之后NO3--N含量在培养10～40 d时下降，当田面水中NH4+-N含量不足时，浮萍会吸收NO3--N来满足自身生长需求，所以NO3--N含量在培养10 d后出现下降趋势，这与李阳等[8]的研究结果一致。但高氮输入下(360 kg N·hm-2)，浮萍培养30～40 d时田面水NO3--N含量缓慢上升，可能由浮萍后期释氮及降解作用导致[28]。相比青萍，紫萍在降低田面水NO3--N含量方面效果更佳，表现在对于高氮施用量处理下田面水的NO3--N吸收量较大。这可能是由于在以NO3--N作为氮源时，紫萍的生长未受到高浓度氮的抑制，且紫萍可以将进入体内多余部分的NO3--N储存在液泡中[29]。

青萍与紫萍对不同氮梯度下田面水全氮含量动态变化的影响趋势一致，整个培养期低氮处理下呈现逐渐降低的趋势。但在高氮(270和360 kg N·hm-2)输入下，培养后期(20～40 d)全氮含量呈先升高后降低的趋势，这个波动可能是由于田面水中氨硝比降低(0～20 d均值为88，20～40 d均值为0.75)不利于浮萍的生长，导致浮萍腐解[25, 30]，向水中释放一定量的氮素，使全氮含量有所上升。另一方面，高氮输入下，浮萍将大量氮素吸收在体内，当浮萍内氮素浓度高于其与田面水浓度的平衡值时，会进一步造成浮萍腐解进而向田面水中释放氮素[4]。此外，高氮输入下，浮萍根系的酸性分泌物能够通过抑制微生物的反硝化作用，降低氮素的损失[25-26]。

4 结论