氮肥种类和油菜秆还田对水稻苗期碳氮累积的影响

杨文亭, 俞霞, 龙昌智, 朱树伟, 鲁美娟, 黄国勤, *

氮肥种类和油菜秆还田对水稻苗期碳氮累积的影响

杨文亭1, 2, 俞霞1, 2, 龙昌智1, 朱树伟1, 鲁美娟3, 黄国勤1, 2, *

1. 江西农业大学作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室, 南昌 330045 2.江西农业大学生态科学研究中心, 南昌 330045 3. 江西农业大学国土资源与环境学院, 南昌 330045

为探讨不同氮肥种类和油菜秆还田对水稻苗期碳氮累积的影响, 设置了氮肥种类(尿素、碳酸氢铵和硫酸铵)和秸秆还田的双因素的盆栽试验, 测定了移栽后水稻苗期碳氮累积量和碳氮比。结果表明, 相比施用尿素, 硫酸铵显著提高了水稻地上部氮素累积量, 显著降低了不添加油菜秸秆条件下的水稻地上部和根碳氮比。添加油菜秆条件下, 施用硫酸铵较尿素显著提高了播后57 d时水稻地上部和根部碳素累积量。相比不添加油菜秆, 油菜秆还田显著抑制了播后57 d时水稻地上部和根氮吸收累积, 显著增加了播后71 d时水稻根部氮碳素累积和57 d时碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻地上部和根部碳氮比。综合来看, 稻油轮作系统中油菜秆还田时配施硫酸铵能更好的促进水稻苗期碳氮的吸收累积。研究结果为南方稻油轮作系统中氮素养分管理提供了一定的技术支持。

秸秆还田; 氮素; 水稻; 碳累积

0 前言

碳氮代谢不仅影响作物的生长发育, 而且还决定了产量的高低和品质的优劣[1]。施用氮肥是维持作物产量和品质的重要措施之一。从1989年到2002年13年间, 氮肥施用量增加了84%, 粮食产量只提高了12%[2], 氮肥利用效率却降低了7.5%[3], 大量氮素以地表径流, 氨挥发、淋溶等形式流失, 进而带来一系列如水体富营养化等生态环境问题[4]。添加有机物来调节氮素的固持和供应是有效提高氮肥利用率的一项重要措施[5-6]。秸秆还田配施氮肥可以调控土壤氮素供应, 适宜的配施比例可以提高作物的氮素利用率、减少氮肥的损失[7-8]。秸秆还田还可以通过提高土壤中大粒径微团聚体数目、增加土壤孔隙度和有机质含量、降低土壤容重、优化土壤有机质性质、提升水稳定性来改善土壤结构[9-10]。张电学等[11]发现秸秆还田配施氮肥可调节其C/N, 能提高养分生物有效性, 使秸秆快速分解期及秸秆转化过程中氮素净释放阶段提前。

不同氮肥种类对秸秆降解和土壤养分的影响存在差异。姜宁宁等[12]研究表明添加玉米秸秆后能使铵态氮肥和酰胺态氮肥处理的N2O排放量明显增加, 硝酸钙肥处理的N2O排放量有所降低。席瑞泽等[13]研究表明, 施用尿素处理的稻田N2O排放速率大于硫酸铵处理。2017年我国油菜种植面积达665万公顷[14], 稻油轮作模式是油菜种植优势区长江流域的主要种植模式, 秸秆还田是油菜秆综合利用的主要途径之一。外源氮的添加能够促进土壤微生物活性, 提高秸秆降解速率[15], 更好的匹配下茬作物的氮素需求[16], 但关于油菜秆还田过程中, 添加不同氮肥种类影响后茬水稻碳氮累积的研究暂未见报道。为更合理的管理稻油轮作系统中的油菜秆还田, 本研究以水稻为研究对象, 通过盆栽试验研究氮肥种类(尿素、碳酸氢铵和硫酸铵)和油菜秆还田对水稻苗期碳氮吸收累积量和碳氮比的影响, 试图分析比较不同氮肥种类下水稻碳氮累积的能力差异, 为进一步优化油菜秆还田下氮肥配施技术措施提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验概况

本试验于2017年在江西农业大学农业科技园试验田(115°55′E, 28°46′N)中进行。该样地属于南亚热带湿润季风气候, 年平均温度16.6 ℃, 日平均温度≥10 ℃积温达5532.6 ℃, 无霜期约为272 d, 年降水量为1790.9 mm。供试土壤采自江西农业大学科技园水稻田耕作层(0—20 cm)土壤。于室外风干后剔除可见的小石块和植物根系, 磨细过2 mm筛备用。试验前水稻土土壤理化性质见表1。油菜秸秆为收获油菜籽后的茎秆, 经剪短后烘干粉碎备用。油菜秆氮含量6.66 g·kg-1, 碳含量400.33 g·kg-1。本试验供试水稻品种为黄华占。

1.2 试验设计

试验采用盆栽试验。3种氮肥分别为尿素(U, 含N 46.66%)、碳酸氢铵(C, 含N 21.21%)和硫酸铵(S, 含N 17.72%); 施氮水平为150 kg·hm-2。盆栽容器为圆柱型塑料盆, 其直径=8 cm, 高=10 cm, 每盆装混合土0.5 kg。根据水稻种植密度(25万穴每公顷)[17], 平均到每兜为纯氮0.6 g, 即每盆施纯氮0.6 g, 尿素、碳酸氢铵和硫酸铵分别为1.28、2.83和3.39 g。油菜秸秆(Canola residue, C)选自江西农业大学农学院油菜课题组试验田, 根据油菜秆的每亩平均生物量, 以及表层土(0—20 cm)土重(烘干土), 烘干粉碎后的油菜秆按自然晒干后土重的1%添加并混匀。试验采用完全随机区组设计, 共6个处理, 分别是(1)尿素(U), (2)碳酸氢铵(C), (3)硫酸铵(S), (4)尿素+油菜秆(UC), (5)碳酸氢铵+油菜秆(CC), (6)硫酸铵+油菜秆(SC)。2017年5月28日在江西农业大学科技园温室将油菜秆按质量比1%与土壤混匀, 分装, 同时用育苗钵进行水稻播种, 6月12日进行秧苗移栽, 每盆移栽1株, 考虑到水稻苗期生物量小, 于7月10日进行第1次取样, 7月24日第2次取样, 8月7日第3次取样, 即在水稻播后第43、57和71 d取样。每个处理每次取重复4盆, 共设计96盆。

表1 土壤理化性状

1.3 测定项目与方法

1.3.1 指标的测定

以水稻播后第43、57、71 d为取样时间, 采取破坏性取样, 每个处理每次取4盆, 用烘箱将水稻植株在105 ℃杀青30 min, 再在85 ℃烘干至恒重, 用粉碎机粉碎后备测植株碳和氮。植株碳氮测定参考土壤农化分析[18], 植株碳用重铬酸钾-浓硫酸-加热法测定, 植株全氮用凯氏定氮法测定。

1.3.2 数据处理

用Excel 2003进行数据处理, 用SPSS13.0统计软件中的Duncan检验法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 氮肥种类和油菜秆对水稻氮素吸收的影响

从图1来看, 水稻氮素吸收在不同氮肥种类和油菜秆处理下均存在一定的差异。水稻播后43 d时, 无论添加油菜秆与否, 硫酸铵处理下的水稻地上部氮素累积量均显著高于尿素处理下的。57 d时, 添加油菜秆条件下, 相比施用尿素, 硫酸铵处理的水稻地上部和根部氮素累积量均有显著增加, 但碳酸氢铵处理的水稻地上部氮素累积量有显著下降。不添加油菜秆条件下, 相比施用尿素, 硫酸铵处理显著增加了水稻地上部氮素累积量。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著降低了水稻地上部氮素的吸收累积; 添加油菜秆显著降低了尿素和碳酸氢铵处理下的水稻根氮素累积。71 d时, 不添加油菜秆时, 相比施用尿素, 碳酸氢铵和硫酸铵显著增加了水稻地上部氮素累积; 添加油菜秆条件下, 硫酸铵较碳酸氢铵显著增加了水稻地上部氮素累积。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著增加了尿素处理下的水稻地上部氮素累积量, 同时增加了尿素、碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻根氮素累积量。

从双因素方差分析结果来看(表2), 氮肥种类和油菜秆均显著影响了苗期水稻氮素累积。油菜秆的添加抑制了43 d时水稻根和57 d时水稻地上部和根的氮素吸收累积, 但促进了71 d时水稻的氮素吸收, 特别是水稻根的氮素累积。

2.2 氮肥种类和油菜秆对水稻碳素累积的影响

从图2来看, 水稻播后43 d时, 相比施用尿素, 添加油菜秆条件下, 硫酸铵处理显著增加了水稻地上部碳素累积量; 不添加油菜秆时, 硫酸铵和碳酸氢铵处理均显著增加了水稻地上部碳素累积量, 碳酸氢铵处理还增加了水稻根的碳素累积量。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著增加了尿素和硫酸铵处理下水稻地上部碳素的累积。57 d时, 添加油菜秆时, 相比施用尿素, 硫酸铵处理显著增加了水稻地上部和根部碳素累积量, 但碳酸氢铵处理显著降低了水稻地上部碳素累积量; 不添加油菜秆时, 相比施用尿素, 碳酸氢铵处理显著降低了水稻碳素累积, 硫酸氢铵和硫酸铵处理显著降低了水稻根的碳累积量。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆均显著降低了尿素处理下的水稻碳素的累积, 也显著降低了碳酸氢铵处理水稻地上部碳素累积。71 d时, 相比施用尿素, 添加油菜秆时, 碳酸氢铵和硫酸铵处理显著提高了水稻根碳素累积量; 不添加油菜秆时, 碳酸氢铵和硫酸铵处理显著降低了水稻根碳素累积量。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 硫酸铵处理显著增加了水稻地上部碳素累积量, 碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻根碳素累积量也有显著增加。

图1 水稻氮素累积量

Figure 1 Nitrogen accumulation in rice

表2 水稻氮素累积量的双因素方差分析

注:*表示显著差异(<0.05), **表示极显著差异(<0.01), 下同。

从双因素方差分析结果来看(表3), 油菜秆还田显著影响了水稻地上部碳素累积量, 氮肥种类显著影响了43和57 d时水稻碳素累积, 油菜秆对71 d时的水稻根碳素累积也有显著影响。油菜秆的添加抑制了57 d时尿素和碳酸氢铵处理下水稻碳素的累积, 促进了硫酸铵处理下水稻碳素的累积。油菜秆的添加明显促进了71 d时碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻碳素累积。

图2 水稻碳素累积量

Figure 2 Carbon accumulation in rice

表3 水稻碳素累积量的双因素方差分析

2.3 氮肥种类和油菜秆对水稻碳氮比的影响

从图3来看, 水稻地上部碳氮比在水稻不同生育期有增加的趋势。水稻播后43 d时, 无论添加油菜秆与否, 碳酸氢铵处理的水稻地上部碳氮比均显著高于尿素和硫酸铵处理下的。不添加油菜秆时, 相比施用尿素, 硫酸铵处理显著降低了的水稻地上部碳氮比。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著增加了碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻地上部碳氮比。57 d时, 添加油菜秆条件下, 碳酸氢铵处理下的水稻地上部碳氮比显著高于硫酸铵处理下的。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著增加了碳酸氢铵处理下水稻地上部碳氮比。71 d时, 不添加油菜秆时, 相比施用尿素, 碳酸氢铵和硫酸铵处理显著降低了水稻地上部碳氮比。相同氮肥种类下, 油菜秆的添加没有显著影响水稻地上部碳氮比, 但碳酸氢铵和硫酸铵处理下的碳氮比有增加趋势。

图3 水稻地上部碳氮比

Figure 3 C/N ratios of rice aboveground

从图4来看, 水稻根碳氮比在水稻不同生育期有增加的趋势。水稻播后43 d时, 相比施用尿素, 不添加油菜秆条件下, 硫酸铵处理显著降低了水稻根碳氮比; 添加油菜秆时, 碳酸氢铵和硫酸铵均显著增加了水稻根碳氮比, 但硫酸铵处理下的水稻根碳氮比显著低于碳酸氢铵处理下的。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著增加了碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻根碳氮比。57 d时, 相比施用尿素, 不添加油菜秆时, 碳酸氢铵和硫酸铵显著降低了水稻根碳氮比; 添加油菜秆时, 三种氮肥种类对水稻根碳氮比无显著影响。相同氮肥种类下, 相比不添加油菜秆, 添加油菜秆显著增加了碳酸氢铵和硫酸铵处理下水稻根碳氮比。71 d时, 相比施用尿素, 不添加油菜秆条件下, 硫酸铵显著降低了水稻根碳氮比。相同氮肥种类下, 油菜秆的添加没有显著影响水稻根碳氮比。

图4 水稻根碳氮比

Figure 4 C/N ratios of rice root

3 讨论

水稻对氮素的吸收利用是影响产量的一个重要因素[19], 合理的施肥是保证水稻高产的有效措施。农作物秸秆还田对保持土壤肥力, 提高土壤碳、氮储量具有重要作用[20]。徐国伟等[19]研究表明, 在稻麦轮作系统中利用小麦秸秆还田与氮肥(尿素)结合能有效促进水稻对氮素的吸收利用。本研究结果表明, 油菜秆还田降低了57 d时水稻地上部和根部的氮素吸收累积, 增加了71 d时水稻根部氮素累积。油菜秆还田抑制了57 d时水稻氮素吸收累积, 可能原因是油菜秆还田腐解释放的大量有机酸、H2S、Fe2+、Mn2+等抑制了水稻的生长[21], 在小麦秸秆还田过程中也存在类似情况[22]。由于夏季高温, 还田后的秸秆很快发酵分解, 随着水稻生育进程递进, 秸秆还田开始对水稻生长产生促进作用, 提高水稻光合效率和根系活力。有研究报道, 油菜秆还田后, 水稻根系及分蘖在试验前期(移栽后19 d之前)生长较缓慢, 试验后期(移栽后19 d之后)表现出快速增长[23]。水稻秸秆还田后对晚稻也有类似的结果[24]。

本研究结果表明, 施用硫酸铵处理较尿素显著提高了水稻苗期地上部氮素累积量, 但对根部氮素累积无显著影响。产生这一结果的主要原因可能是不同氮肥的施用影响了土壤氮素养分的存在形式和比例, 硫酸铵的施用较尿素显著提高了土壤碱解氮和铵态氮含量。同时尿素的施用促进了稻田土壤氧化亚氮的排放[13]。

Osaki等[25]研究表明, 在植株生长过程中碳的同化与植株体内氮的累积存在相关性, 并且碳、氮平衡对叶片光合作用及维持较高的光合速率具有重要作用。不同施肥处理下玉米植株碳储量与玉米产量和土壤有机碳积累呈显著的指数和极显著的线性关系[26]。本试验研究结果表明, 添加油菜秆条件下, 施用硫酸铵较尿素显著提高了57 d时水稻地上部和根部碳素累积量。硫酸铵的施用可能促进了油菜秆早期的腐解和养分释放[27], 促进了水稻的生长。尹春梅等[28]研究表明, 在氮素充足的情况下, 每单位氮素能够吸收同化更多的碳, 从而增加植株生物量及碳在体内的积累[29]。低量有机肥结合化肥配施能有效促进碳素在水稻植株体内的分配[30]。油菜秆还田抑制了尿素和碳酸氢铵处理下43和57d时的水稻碳素累积量, 产生这一结果的可能是是油菜秆还田腐解释放的大量有机酸、H2S、Fe2+、Mn2+等抑制了水稻根系的生长[21]。

植物体内的碳氮比可以体现植物的营养利用效率, 是植物生命过程的重要维持者和调节者[31], 同时也是枯枝落叶分解速率的调节因素之一, 因此对研究植物的生长和在精细农业领域中的应用都具有重要作用。本试验研究结果表明, 不添加油菜秆下, 相比施用尿素, 施用硫酸铵显著降低了水稻植株碳氮比。相比不添加油菜秆, 油菜秆的添加提高了57 d时碳酸氢铵和硫酸铵处理下的水稻植株碳氮比。这可能是由于油菜秆还田抑制了尿素和碳酸氢铵处理下的水稻生长, 因油菜秆还田腐解释放的大量有机酸、H2S、Fe2+、Mn2+等抑制了水稻的生长[21], 从而减少了水稻氮素吸收累积量。有研究表明, 相比单施尿素, 稻油轮作系统中, 40%缓控释肥+60%尿素显著增加了水稻氮素累积[32]。目前的结果是在盆栽可控条件下取得, 要运用到大田生产实际中还有待于进一步研究和完善。

4 结论

油菜秆还田条件下, 配施硫酸铵较尿素有利于提高水稻苗期地上部氮素累积量, 促进水稻碳素的累积, 同时减缓油菜秆还田早期对水稻碳氮累积的抑制作用。

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Effects of nitrogen fertilizer types and canola straw returning on carbon and nitrogen accumulation in rice seedlings

YANG Wenting1, 2, YU Xia1, 2, LONG Changzhi1, ZHU Shuwei1, LU-Meijuan3, HUANG Guoqin1, 2,

1. Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China 2. Center for Ecological Science Research, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China 3.College of Territorial Resources and Environmental, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China

The present study aimed to investigate the effects of nitrogen fertilizer types alone or combined with canola straw returning on the carbon and nitrogen accumulation of rice seedlings.A pot experiment involed in nitrogen fertilizers (urea, ammonium bicarbonate and ammonium sulfate) and straw returning was conducted to determine the carbon and nitrogen accumulation amount and C/N ratio of rice seedlings. The results showed that, compared to urea, ammonium sulfate application significantly increased the nitrogen accumulation in the rice shoot,but significantly reduced the shoot and root C/N ratio of rice in the absence of canola straw.In the presence of canola straw, the application of ammonium sulfate significantly increased the carbon accumulation in the shoot and root of rice at 57 days after seeding (DAS) relative to the urea application. Compared with the sole application of same nitrogen types, additional canola straw incorporation significantly inhibited the accumulation of nitrogen in rice at 57 DAS, but significantly increased nitrogen and carbon accumulations in rice roots at 71 DAS and C/N ratio of rice at 57 DAS when ammonium bicarbonate and ammonium sulfate were applied. In a conlusion, canola residue incorporation combined with the application of ammonium sulphate could better promote the rice carbon and nitrogen accumulation in the rice-canola rotation system. The results could provide certain technical supports for nitrogen management under the rice-canola rotation system in south China.

straw returning; nitrogen;a; carbon accumulation

杨文亭, 俞霞, 龙昌智, 等. 氮肥种类和油菜秆还田对水稻苗期碳氮累积的影响[J]. 生态科学, 2022, 41(3): 117–123.

YANG Wenting, YU Xia, LONG Changzhi, et al. Effect of nitrogen fertilizer types and canola straw returning on carbon and nitrogen accumulation in rice seedlings[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 117–123.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.013

S181

A

1008-8873(2022)03-117-07

2020-04-11;

2020-07-08

江西省博士后科研择优资助项目(2015KY42); 国家自然科学基金(31360108)

杨文亭(1984—), 男, 助理研究员, 主要从事作物碳氮高效利用研究, E-mail: wtyang@jxau.edu.cn

黄国勤, 男, 教授, 主要从事作物栽培、耕作制度、农田生态环境研究, E-mail: hgqjxes@ sina.com