不同土壤添加劑對太湖流域水稻產(chǎn)量及氮磷養(yǎng)分利用的影響

劉雅文，馬資厚，潘復(fù)燕，楊林章，薛利紅*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,農(nóng)業(yè)部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,南京 210014；2.南京林業(yè)大學(xué),南京 210037；3.中國科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008）

不同土壤添加劑對太湖流域水稻產(chǎn)量及氮磷養(yǎng)分利用的影響

劉雅文1，2，馬資厚1，潘復(fù)燕3，楊林章1，薛利紅1*

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,農(nóng)業(yè)部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點實驗室,南京 210014；2.南京林業(yè)大學(xué),南京 210037；3.中國科學(xué)院南京土壤研究所,南京 210008）

為探討土壤添加劑對太湖流域稻田面源污染的控制效果,選用生物炭、微生物菌肥和硝化抑制劑三種土壤添加劑作為供試材料,通過盆栽試驗研究其單獨施用及兩兩組合配施對水稻生長、產(chǎn)量、肥期田面水養(yǎng)分動態(tài)、養(yǎng)分吸收利用以及土壤肥力等的影響。研究結(jié)果表明.各添加劑處理均可保證水稻的正常生長,并表現(xiàn)出增產(chǎn)效果,生物炭添加處理、微生物菌肥與生物炭組合處理及生物炭與硝化抑制劑組合處理水稻產(chǎn)量分別較施肥對照處理提高了57.5%、66.1%和45.4%。各添加劑的施用對植株吸氮量的影響不顯著,僅微生物菌肥與生物炭組合處理顯著提高了氮回收效率,但是所有添加劑處理均顯著提高了氮肥農(nóng)學(xué)利用效率和生理效率,生物炭處理和微生物菌肥與生物炭組合處理效果最佳,各添加劑處理對水稻的磷素吸收利用沒有影響。微生物菌肥單施處理提高了水稻基肥期田面水氮濃度,而其他處理則表現(xiàn)為顯著降低,特別是與生物炭的組合處理；蘗肥期各處理對田面水氮濃度影響不大；穗肥期除生物碳與菌肥配施處理外,其他各添加劑處理均顯著提高了田面水氮濃度。添加劑處理還略微增加了基肥期和穗肥期的田面水總磷濃度,但差異不顯著。各添加劑處理對收獲后土壤肥力指標(biāo)沒有影響。綜合產(chǎn)量、氮肥吸收以及田面水氮磷流失風(fēng)險,微生物菌肥與生物炭組合處理可促進水稻生長,顯著提高水稻產(chǎn)量,有效降低水稻生育前期氮素流失風(fēng)險,縮短養(yǎng)分流失風(fēng)險期,并能維持土壤肥力,值得應(yīng)用于太湖流域稻田的面源污染控制上。

水稻；土壤添加劑；產(chǎn)量；氮肥利用率；田面水養(yǎng)分濃度

水稻是太湖流域主要的水田作物。與旱田不同,水田土壤含水率高,作物生長季節(jié)氣溫高,施肥后田面水養(yǎng)分迅速增加,使得養(yǎng)分流失風(fēng)險增加。目前太湖地區(qū)農(nóng)田面源污染治理的主要技術(shù)為源頭減量技術(shù),即通過有機替代或者肥料的優(yōu)化運籌來減少肥料的施用量［1］,肥料適量減施對作物產(chǎn)量影響不大,但過多的肥料減施可能會造成作物的減產(chǎn),要繼續(xù)減少養(yǎng)分的流失就必須進一步提高肥料利用率,土壤添加劑成為首選。

已有研究報道,生物炭具有巨大的比表面積和孔隙度,施入土壤后可改善土壤環(huán)境［5］,吸附養(yǎng)分離子,推遲養(yǎng)分淋溶時間,減少氮素損失［4］,并可增加作物產(chǎn)量［2-3］。鄭小龍等［6］發(fā)現(xiàn),水稻施肥時添加生物炭能夠適量吸附田面水中氮、磷等養(yǎng)分,降低養(yǎng)分流失風(fēng)險。硝化抑制劑通過抑制銨態(tài)氮的硝化作用來提高氮素的利用率［7-8］,顯著增加土壤礦質(zhì)氮含量,降低其他去向氮含量［9］,可作為緩釋肥料添加劑［10］。微生物菌肥是由一種或數(shù)種微生物細菌經(jīng)發(fā)酵而成的生物性肥料,具有無毒害無污染的特點［11］,稻田施用后可促進水稻根系發(fā)育,增產(chǎn)效果明顯［12］。崔曾杰等［13］將生物菌肥應(yīng)用于鹽堿地,發(fā)現(xiàn)增施生物菌肥促進了水稻株高,提高了水稻全生育期葉片葉綠素含量。但稻季施用菌肥后可否降低田面水養(yǎng)分含量,從而降低養(yǎng)分流失風(fēng)險還鮮見報道。

針對土壤添加劑應(yīng)用于農(nóng)田面源污染的研究大多集中于單一添加劑的施用,但單一添加劑施用后往往有得有失,而對于添加劑配施的效果目前研究較少。潘復(fù)燕等［14］研究了不同添加劑組合施用對小麥產(chǎn)量及氮素流失的影響,發(fā)現(xiàn)添加劑兩兩配施均可以促進小麥的地上部生物量和產(chǎn)量,并呈現(xiàn)降低氮磷流失的趨勢。不同添加劑組合施用在水稻上是否也能起到增產(chǎn)減排的作用尚未見報道。為此,本研究以太湖流域的稻田系統(tǒng)為研究對象,選擇生物炭、微生物菌肥和硝化抑制劑三種土壤添加劑,研究添加劑單施和兩兩配施對水稻生長、產(chǎn)量、肥期田面水養(yǎng)分動態(tài)和養(yǎng)分吸收利用以及土壤肥力等的影響,力求尋找集產(chǎn)量增加和氮磷損失減少于一身的最佳添加劑配施方案,為太湖面源污染控制提供應(yīng)用依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

稻季盆栽試驗于2014年7月10日至10月25日在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室進行。溫室環(huán)境溫度為18～42℃,濕度為55%～70%。供試土壤為水稻土,取自太湖流域蘇州望亭鎮(zhèn)水稻田,基本理化性質(zhì).總氮1.89 g·kg-1,總磷0.55 g·kg-1,堿解氮212.5 mg·kg-1,有效磷19.5 mg·kg-1,速效鉀99.0 mg·kg-1,有機質(zhì)20.5 g·kg-1,pH 5.47。盆缽直徑30 cm,高50 cm,底部密封,防止漏水漏肥。每盆裝干土35 kg,栽種3穴,每穴3株,供試水稻品種為武運粳23號。稻季土壤添加劑選用微生物菌肥、生物炭和硝化抑制劑,試驗中添加劑施用采用單施和組合配施兩種方法,共設(shè)7個處理,分別為不施肥(NF）、施肥對照(SF）、施肥+微生物菌肥(FJ）、施肥+生物炭(FT）、施肥+微生物菌肥+生物炭(FJT）、施肥+硝化抑制劑(FX）、施肥+生物炭+硝化抑制劑(FTX）,每個處理3個重復(fù),共21盆。氮肥用量為1.413 g N·盆-1(相當(dāng)于200 kg N·hm-2）,選用尿素分3次施用,基肥、分蘗肥和穗肥的比例為3∶3∶4,基肥與表層(20 cm）土壤充分混勻,蘗肥、穗肥均用尿素配制成溶液進行澆灌。磷肥0.495 g·盆-1(相當(dāng)于70 kg P2O5·hm-2）,鉀肥0.495 g·盆-1(相當(dāng)于70 kg K2O· hm-2）,磷肥選用過磷酸鈣,鉀肥選用氯化鉀,全部與土壤混勻后基施。采用常規(guī)水分管理,即前期保持3～5 cm水層,中期落干烤田,灌漿后期保持淺水層。

微生物菌肥購買于上海綠樂生物科技有限公司,膠凍樣芽孢桿菌∶枯草芽孢桿菌=1∶9,有效活菌數(shù)為109個·g-1,施用量為0.01%(W/W）,即1.4 g·盆-1,在插秧前與20 cm表層土壤均勻混拌。生物炭為小麥秸稈炭,500℃缺氧燒制,比表面積7.65 m2·g-1,孔容0.01 cm3·g-1、孔徑5.05 nm,總氮含量0.22%,CEC為25.45 mol·kg-1,施用量為1%,即140 g·盆-1,在插秧前與20 cm表層土壤均勻混拌。硝化抑制劑購買于浙江奧復(fù)托化工有限公司,主要成分為2-氯-6-三氯甲基吡啶,試驗用量為施肥總氮的0.5%,即0.007 g·盆-1；并按基肥、分蘗肥和穗肥為3∶3∶4的比例和氮肥一起施用,施用時與氮肥一起配制成溶液進行澆施。肥料均在晚上施入,第2 d記為施肥后第1 d。

1.2 測定項目和分析方法

水稻關(guān)鍵生育期(分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期）非破壞性測定水稻株高、植被覆蓋指數(shù)(NDVI）以及葉綠素值(SPAD）,并破壞性取土壤樣品。株高采用直尺測量,測量3穴取平均值為該處理株高；SPAD值用日本產(chǎn)的葉綠素儀SPAD-502測定,測定每盆所有主莖的第一片全展葉,取平均值；NDVI值采用Trimble公司的GreenSeeker手持式光譜儀測定,保持離冠層高度0.5 m,每盆重復(fù)測定3次,取平均值。

田面水水樣分別在施肥后的第1、2、3、5、7 d采集,之后每隔5～7 d取一次樣。水樣經(jīng)Whatman中速雙圈定性濾紙過濾后用德國Bran+Luebbe公司生產(chǎn)的AA3流動分析儀測定總氮(TN）、銨態(tài)氮(NH+4-N）、硝態(tài)氮(NO-3-N）和總磷(TP）濃度。

在水稻關(guān)鍵生育期(分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期）和收獲后用直徑25 mm土鉆3點采集0～15 cm土層的土壤樣品,混合后約500 g裝入自封袋,帶回實驗室自然風(fēng)干。部分樣品研磨過20目篩后用堿解擴散法測定堿解態(tài)氮,碳酸氫鈉法測定有效磷含量。成熟期土樣部分樣品研磨過100目篩,采用開氏消煮-半自動凱氏定氮法測定土壤總氮含量、酸溶-鉬銻抗比色法測定全磷含量、水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定有機碳含量［15］。

水稻成熟后,沿地表進行收割,取其地上部分,稱取各處理生物量和每盆實際所得籽粒重量。植株和籽粒烘干粉碎過篩后,用H2SO4-H2O2消煮,半自動凱氏定氮儀測定總氮含量,鉬銻抗比色法測定總磷含量［15］,并計算每盆植物氮磷積累總量、氮肥恢復(fù)效率(REN）、氮肥農(nóng)學(xué)效率(AEN）、氮肥生理效率(PEN）、氮收獲指數(shù)(NHI）［14］。

氮肥恢復(fù)效率=(施氮處理氮累積量-不施氮處理氮累積量）/施氮量×100%

氮肥農(nóng)學(xué)效率=(施氮處理籽粒質(zhì)量-不施氮處理籽粒質(zhì)量）/施氮量

氮肥生理效率=(施氮處理籽粒質(zhì)量-不施氮處理籽粒質(zhì)量）/(施氮處理氮積累總量-不施氮處理氮積累總量）

氮收獲指數(shù)=籽粒氮積累總量/植株氮積累總量× 100%

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel對數(shù)據(jù)進行計算和繪圖,應(yīng)用SPSS對數(shù)據(jù)進行方差分析(P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤添加劑對水稻生長的影響

隨著水稻的生長,添加劑對株高的影響逐漸顯現(xiàn),分蘗期差異不顯著,拔節(jié)期以后,FT、FJT和FTX處理均顯著高于SF處理,拔節(jié)期增幅分別為13.1%、11.4%和12.1%(圖1）。不同土壤添加劑處理下的葉片SPAD在抽穗期才表現(xiàn)出顯著差異,FJ、FT、FJT和FTX處理顯著高于SF處理；灌漿期時,僅FJ處理略高于對照SF處理,其余處理均降低了葉片的SPAD值。NDVI是水稻生物量和LAI的綜合反映,體現(xiàn)了植被覆蓋度。從圖1看出,NDVI隨水稻生育期的推進逐漸增加,隨后略有降低。添加劑處理在分蘗期、拔節(jié)期和灌漿期與SF處理無顯著差異,但促進了抽穗期水稻NDVI的增加,FJ、FT、FJT和FX處理均達到顯著水平,分別較SF處理提高了13.3%、10.0%、13.3%和10.0%。

2.2 土壤添加劑對不同肥期水稻田面水養(yǎng)分動態(tài)的影響

2.2.1 總氮

所有處理田面水總氮濃度在施入基肥后均呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(圖2）。施基肥后,除FJ處理明顯提高了田面水總氮濃度外,其他添加劑的施用均顯著降低了田面水總氮濃度,FJT處理降幅最大(81.0%～89.9%）,其次分別是FTX(65.9%～81.6%）、FT(43.8%～61%）和FX(24.9%～53.9%）,其中FJT和FTX處理田面水總氮濃度與不施氮肥處理基本相當(dāng)。由此可見,添加劑的配施產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),對總氮的降低效果優(yōu)于添加劑的單施,其中FJT處理效果最佳,顯著降低了氮素流失的風(fēng)險,FTX處理次之。

圖1 不同生育期水稻生長指標(biāo)Figure 1 Rice growth indices at different stages

蘗肥施入后第1 d,田面水總氮濃度可高達140 mg·L-1,第2 d出現(xiàn)急劇下降,總氮濃度降低到40 mg·L-1以下,隨后緩慢下降,施肥后第7 d,總氮濃度降至8 mg·L-1左右。添加劑對蘗肥期田面水總氮濃度的影響與基肥期明顯不同.蘗肥施用當(dāng)天,除了FJ處理降低了田面水總氮濃度,其余處理均顯著增加；蘗肥施用后第2 d,FJ、FT和FJT表現(xiàn)為顯著低于SF處理,降幅分別為38.1%、65.4%和56.9%；之后,各添加劑處理與SF處理之間沒有顯著差異。

穗肥施用后各處理總氮濃度變化和蘗肥一致,在一周內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢。穗肥后第1 d和第2 d,所有添加劑處理總氮濃度均顯著高于SF處理,僅FJT處理在第1 d表現(xiàn)不顯著；之后,FJ處理總氮濃度仍顯著高出SF處理82.8%,其他處理與SF處理差異不顯著。由此可見,各添加劑處理增加了穗肥期總氮的流失風(fēng)險。

圖2 3次施肥后稻田田面水TN的動態(tài)變化Figure 2 Change of TN concentration in surface water after fertilization

2.2.2 總磷

圖3顯示,施入基肥后前5 d,田面水總磷濃度變化在0.15～0.42 mg·L-1之間,第7 d出現(xiàn)明顯下降,降低至0.01～0.05 mg·L-1之間。添加劑的施用對田面水總磷濃度的影響小于對氮素濃度的影響,除FJ處理在第1、5 d以及FT和FTX處理第5 d顯著高出SF處理外,其他均與SF處理沒有顯著差異。蘗肥施用后一周內(nèi)田面水總磷濃度變化整體較小,在0.15～0.34 mg·L-1之間,第7 d略有增加。添加劑處理略微降低了田面水總磷濃度,但所有添加劑處理與對照之間均無顯著差異。穗肥施用后田面水總磷濃度呈上升趨勢,由第1 d的0.192 mg·L-1增加到第7 d的0.239 mg·L-1。各處理之間在穗肥后第3 d開始表現(xiàn)出顯著差異,FTX處理在穗肥后第3 d顯著高出SF處理；FJ、FT、FJT和FTX 4個處理總磷濃度在穗肥后第5 d和第7 d顯著高出SF處理,但與不施氮肥處理之間差異不顯著。與不施氮肥處理比較,氮肥的施用降低了穗肥期田面水總磷濃度,添加劑的施用則促進了土壤中磷的釋放,增加了總磷流失的風(fēng)險。

圖3 3次施肥后稻田田面水TP的動態(tài)變化Figure 3 Change of TP concentration in surface water after fertilization

2.3 土壤添加劑對水稻地上部生物量和產(chǎn)量的影響

2.3.1 地上部生物量

添加劑的施用對成熟期水稻地上部生物量的影響因添加劑的種類不同而有所差異(表1）。除微生物菌肥單施較SF處理略降低了水稻地上部生物量外,其他添加劑的施用均提高了水稻地上部生物量,其中FJT處理達到顯著水平。生物炭和菌劑配施表現(xiàn)出了較好的正協(xié)同效應(yīng),地上部生物量分別高出FT和FJ處理6.8%和29.6%；而生物炭與硝化抑制劑配施(FTX處理）因產(chǎn)生輕微的中和效應(yīng),生物量居于FT和FX處理之間,且無顯著差異。

2.3.2 產(chǎn)量及其構(gòu)成因子

添加劑的施用均提高了水稻產(chǎn)量,但各處理產(chǎn)量提高的內(nèi)在因素不盡相同。與SF處理相比,FJ處理提高了水稻有效穗數(shù)(10.8%）和千粒重(3.5%）,產(chǎn)量提高了14.0%,但差異不顯著；FX處理顯著提高了千粒重,最終產(chǎn)量提高了24.8%,未達到顯著水平。FT處理顯著提高水稻產(chǎn)量57.5%,原因在于生物炭顯著提高了水稻的有效穗數(shù)(21.5%）、穗粒數(shù)(21.6%）和千粒重(6.6%）。微生物菌肥和生物炭配施產(chǎn)生正協(xié)同效應(yīng),顯著提高了有效穗數(shù)(21.5%）、穗粒數(shù)(25.3%）和千粒重(7.6%）,從而使FJT處理產(chǎn)量最高,比SF處理顯著提高了66.1%。生物炭和硝化抑制劑配施則產(chǎn)生了一定的中和效應(yīng),對有效穗數(shù)沒有影響,顯著提高了穗粒數(shù)和千粒重,使得FTX處理產(chǎn)量較SF處理顯著提高了45.4%,但仍低于FT處理。這表明,生物炭的單施以及與其他添加劑的配施均顯著提高了水稻的產(chǎn)量,盡管這種提高作用與水稻的穗粒數(shù)和千粒重顯著提高有關(guān),但FT、FJT、FTX三種處理之間并沒有顯著的差異性。

2.4 土壤添加劑對養(yǎng)分吸收利用的影響

2.4.1 氮素吸收利用

添加劑的施用對水稻植株和籽粒氮含量的影響不大(表2）,除FTX的植株氮含量顯著降低及FJ處理的水稻籽粒氮含量顯著提高外,其余表現(xiàn)均不顯著。因此,添加劑的施用對植株吸氮量的影響也不顯著。而添加劑的施用提高了水稻產(chǎn)量,所以各處理的AEN和NHI均高于SF處理,其中,FJ、FT、FJT和FTX達到顯著水平。FJT處理植株吸氮量最高,因此REN也最高,顯著高于SF對照。添加劑的施用顯著提高了PEN,其中FT和FTX處理分別是SF處理的4.52、6.16倍。

2.4.2 磷素吸收利用

氮肥的施用顯著促進了水稻對磷的吸收,但添加劑的施用對磷素吸收利用沒有顯著影響(表3）。與SF處理相比,所有添加劑處理均略微降低了水稻植株磷含量,FJ、FT、FX和FTX處理稍微提高了水稻籽粒中磷的含量,但均未達到顯著水平。水稻植株吸磷量除FJ處理略降低外,其他處理均顯現(xiàn)出增加的趨勢,但差異不顯著,與添加劑對地上部生物量的影響一致。

2.5 土壤添加劑對水稻不同生育期土壤養(yǎng)分動態(tài)的影響

2.5.1 土壤堿解氮

土壤堿解氮含量在水稻整個生育期變化不大,分蘗期最高,拔節(jié)期明顯降低,抽穗期和灌漿期略有回升。添加劑對水稻各生育期土壤堿解氮含量大小的影響略有不同。分蘗期,FJ和FX處理略微提高了土壤中堿解氮的含量,其他三種處理均降低了土壤中堿解氮的含量；拔節(jié)期,FT處理土壤堿解氮含量顯著低于SF處理,其他處理差異不顯著；抽穗期和灌漿期時,所有處理之間差異均不顯著(圖4）。

表3 不同處理下的植株和籽粒磷含量及植株磷吸收Table 3 Plant and grain phosphorus content,plant phosphorus uptake under different treatments

表1 不同處理對水稻地上部生物量和產(chǎn)量及其構(gòu)成因子的影響Table 1 Effects of different treatments on rice aboveground biomass,yield and yield components

表2 氮素吸收利用相關(guān)指標(biāo)Table 2 Related indicators of nitrogen uptake and utilization

2.5.2 土壤有效磷

圖4 水稻不同生育期土壤堿解氮含量Figure 4 The soil alkali-hydrolyzable nitrogen content at different stages

與堿解氮含量的變化規(guī)律正好相反,土壤有效磷含量在拔節(jié)期最高,分蘗期、抽穗期和灌漿期含量基本相當(dāng),各處理趨勢一致。各添加劑處理對土壤有效磷的影響僅在拔節(jié)期差異顯著,FT處理顯著提高了土壤中有效磷含量53.0%,FX處理降低了土壤有效磷含量,但未達到顯著水平(圖5）。

2.6 土壤添加劑對水稻收獲后土壤養(yǎng)分的影響

圖5 水稻不同生育期土壤有效磷含量Figure 5 The soil available phosphorus content at different stages

表4 水稻收獲后各處理土壤養(yǎng)分狀況Table 4 Soil nutrient status of treatments after harvest

土壤添加劑施用后,為驗證其是否耗竭土壤本身的肥力,是否具有可持續(xù)性,對水稻收獲后的土壤養(yǎng)分狀況進一步進行了比較。結(jié)果表明(表4）,FT處理顯著提高了土壤pH,總磷、有效磷和堿解氮含量也有所增加,其他處理與SF處理間差異均不顯著。不同添加劑處理之間表現(xiàn)各異,FTX較FT處理顯著降低了pH,FX處理增加了堿解氮和總磷,FTX處理土壤有機質(zhì)最高,顯著高于FJ和FX處理,土壤有效磷含量則以FJT處理為最高。

3 討論

添加劑的施用均可保證水稻的正常生長,FT、FJT和FTX三種處理水稻株高顯著提高。除FJ處理外,其他處理的地上部生物量均呈現(xiàn)增加趨勢,所有添加劑處理均呈現(xiàn)增產(chǎn)效果。FT、FJT和FTX處理水稻產(chǎn)量分別較SF處理顯著提高57.5%、66.1%和45.4%,與前人研究結(jié)果［16-19］一致。此外,生物炭單施及與其他添加劑配施均顯著提高了水稻的穗粒數(shù)和千粒重,亦與以往研究結(jié)果［20］一致,可能與生物炭對酸性土壤的改良作用和對養(yǎng)分的固持有關(guān)。生物炭巨大的表面積為養(yǎng)分的吸收固定提供了場所,可作為肥料緩釋載體,延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放。微生物菌肥的施用能夠促進水稻各生育期對肥料的吸收和利用,達到增產(chǎn)的效果,與前人結(jié)果［21-22］一致。

本試驗中,FJ處理顯著提高了水稻籽粒氮含量,促進了氮素向籽粒的運輸,可能是因為菌肥其肥效期長,使水稻生長后期根部活力仍然較旺盛,有利于籽粒的后熟［13］。FTX處理雖然顯著提高了NHI和PEN,但其植株氮含量顯著低于SF處理,說明這兩種添加劑配施時,阻礙了水稻對土壤中氮素的吸收,而FT和FX處理即生物炭和硝化抑制劑單施時,與SF處理無顯著差異。

肥料的施用顯著提高了蘗肥期和穗肥期7 d內(nèi)田面水中總氮的濃度,第1 d時總氮濃度最高,隨后迅速下降,最后趨于平穩(wěn),再次證實了前人研究［23-24］得出的“施肥后一周是氮素流失的風(fēng)險期”這一結(jié)論。添加劑施用后,除了FJ處理,其他處理基肥期田面水總氮濃度均顯著降低,表明這些添加劑處理可以減少基肥期氮素流失風(fēng)險。微生物菌肥的施用則提高了基肥田面水中氮素濃度,增加了氮素流失的風(fēng)險,延長了氮素流失風(fēng)險期。這主要是因為微生物菌肥中活的微生物能促進土壤氮素的轉(zhuǎn)化,提高土壤中無機氮含量,從而使田面水中的氮濃度也有所增加［25］。但基肥期菌肥與生物炭組合配施時,田面水氮素濃度顯著降低,則可能是因為生物炭表面豐富的官能團和較大的比表面積,吸附了土壤中的養(yǎng)分離子［26］。生物炭處理略微提高了蘗肥和穗肥期田面水氮素含量,增加了氮素流失的風(fēng)險,與鄭小龍等［6］的結(jié)果不一致,可能是肥料施用的方式不同所致。本研究中蘗肥和穗肥采用水溶解后澆灌的方式,肥料全部溶解在田面水中,而生物炭則是在插秧前均勻混合在表層土壤中,并不能有效接觸到田面水中的養(yǎng)分；此外,生物炭在基肥期已吸附大量養(yǎng)分,這部分養(yǎng)分也會隨著水稻的生長而被緩慢釋放出,從而導(dǎo)致田面水中氮素濃度有所增加。硝化抑制劑添加處理以及生物炭與硝化抑制劑配施處理均顯著降低了基肥期田面水總氮濃度,也證實了俞巧剛等［18］的研究結(jié)果；但蘗肥初期田面水氮素濃度有所提高,可能由于基肥期累積的大量銨態(tài)氮對硝化抑制劑的作用產(chǎn)生抑制,生物炭對養(yǎng)分的吸附提高了土壤中氮素的含量,降低了氮素從水體向土體的轉(zhuǎn)移,從而使得田面水氮素濃度提高。添加劑對磷素的流失風(fēng)險沒有顯著影響,則與磷肥的性質(zhì)和磷肥一次性基施有關(guān)。穗肥施用后稻田田面水磷濃度出現(xiàn)了持續(xù)增加,主要是因為穗肥施用是在水稻曬田后進行,施肥前進行了覆水,而水田土壤淹水后土壤磷有效性會顯著增加［27］。

菌肥的施用提升了土壤養(yǎng)分含量及養(yǎng)分的有效性［28］。本試驗中,微生物菌肥的施用提高了水稻生長期堿解氮含量,略降低了有效磷含量,對水稻收獲后的土壤養(yǎng)分沒有顯著影響,可能與試驗土壤理化性質(zhì)有關(guān)。生物炭的施用提高了土壤堿解氮含量和有效磷含量,可能與生物炭本身帶入一定量的氮磷有關(guān)［29］；此外生物炭對土壤中養(yǎng)分的固持與再釋放作用,能夠協(xié)調(diào)土壤養(yǎng)分供應(yīng)與水稻養(yǎng)分需求之間的關(guān)系,提高養(yǎng)分利用率,保持土壤肥力,也與前人研究結(jié)果［20,30-32］一致。生物炭與菌肥共同施用發(fā)生了正協(xié)同作用,有利于水稻生長季和收獲后土壤有效養(yǎng)分含量的提高,為下一季作物的生長提供養(yǎng)分。由于本研究采用的是盆栽試驗,相關(guān)結(jié)論在推廣應(yīng)用前還有待進一步在田間驗證。

4 結(jié)論

(1）添加劑的施用均促進了水稻的生長,提高了水稻產(chǎn)量和氮肥利用率,對磷素的吸收沒有影響,生物炭單施以及與其他添加劑的配施增產(chǎn)效果最好。

(2）FJ處理提高了水稻基肥期田面水氮素濃度,增加了氮素的流失風(fēng)險；其他處理均顯著降低了基肥期田面水氮素濃度,FJT和FTX處理降幅最大。各添加劑的施用均提高了蘗肥和穗肥施用初期田面水氮素濃度,有可能增加生育中后期氮素徑流的損失風(fēng)險。添加劑的施用對田面水中磷濃度的影響不大。

(3）添加劑的施用均提高了水稻生長季土壤pH和氮磷的有效含量,但對水稻收獲后土壤養(yǎng)分含量沒有顯著影響。

(4）綜合來看,FJT處理可促進水稻生長,提高水稻產(chǎn)量45.8%,有效降低水稻生育前期氮素流失風(fēng)險,縮短養(yǎng)分流失風(fēng)險期,并能維持土壤肥力,在所有處理中表現(xiàn)最佳,值得應(yīng)用于太湖流域稻田的面源污染控制。

［1］薛利紅,楊林章,施衛(wèi)明,等.農(nóng)村面源污染治理的“4R”理論與工程實踐——源頭減量技術(shù)［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,32(5）.881-888.

XUE Li-hong,YANG Lin-zhang,SHI Wei-ming,et al.Reduce-Retain-Reuse-Restore technology for controlling the agricultural nonpoint pollution in countryside in China.Source reduction technology［J］.Journal of Agro-Environment Science,2013,32(5）.881-888.

［2］Asai H,Samson B K,Stephan H M,et al.Biochar amendment techniques for upland rice production in Northern Laos.Soil physical properties,leaf SPAD and grain yield［J］.Field Crops Research,2009,111 (1）.81-84.

［3］陳心想.生物炭對土壤性質(zhì)、作物產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的影響［D］.楊凌.西北農(nóng)林科技大學(xué),2014.

CHEN Xin-xiang.Effects of biochar amendment on soil properties,corp yieldandnutrientuptake［D］.Yangling.NorthwestA&FUniversity,2014.

［4］Mukherjee A,Zimmerman A R.Organic carbon and nutrient release from a range of laboratory-produced biochars and biochar-soil mixtures［J］.Geoderma,2013,193.122-130.

［5］Peng X,Ye L L,Wang C H,et al.Temperature-and duration-dependent rice straw-derived biochar.Characteristics and its effects on soil properties of an Ultisol in Southern China［J］.Soil&Tillage Research, 2011,112(2）.159-166.

［6］鄭小龍,吳家森,陳裴裴,等.生物質(zhì)炭與不同肥料配施對水稻田面水養(yǎng)分流失風(fēng)險的影響［J］.水土保持學(xué)報,2014,28(1）.221-226.

ZHENG Xiao-long,WU Jia-sen,CHEN Pei-pei,et al.Effects of different nitrogen and biomass carbon fertilization on nutrient loss risk in field surface water［J］.Journal of Soil and Water Conservation,2014,28 (1）.221-226.

［7］張苗苗,沈菊培,賀紀(jì)正,等.硝化抑制劑的微生物抑制機理及其應(yīng)用［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2014,33(11）.2077-2083.

ZHANG Miao-miao,SHEN Ju-pei,HE Ji-zheng,et al.Microbial mechanisms of nitrification inhibitors and their application［J］.Journal of Agro-Environment Science,2014,33(11）.2077-2083.

［8］孫海軍,閔炬,施衛(wèi)明,等.硝化抑制劑施用對水稻產(chǎn)量與氨揮發(fā)的影響［J］.土壤,2015,47(6）.1027-1033.

SUN Hai-jun,MIN Ju,SHI Wei-ming,et al.Effects of nitrification inhibitor on rice production and ammonia volatilization in paddy rice field［J］.Soils,2015,47(6）.1027-1033.

［9］寧建鳳,崔理華,艾紹英,等.兩種硝化抑制劑對土壤氮轉(zhuǎn)化的影響［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(4）.144-151.

NING Jian-feng,CUI Li-hua,AI Shao-ying,et al.Effects of two nitrification inhibitors on transformations of nitrogen in soil［J］.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(4）.144-151.

［10］王斌,萬運帆,郭晨,等.控釋尿素、穩(wěn)定性尿素和配施菌劑尿素提高雙季稻產(chǎn)量和氮素利用率的效應(yīng)比較［J］.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2015,21(5）.1104-1112.

WANG Bin,WAN Yun-fan,GUO Chen,et al.A comparison of the effects of controlled release urea,stable urea and microorganisms increasing double rice yield and nitrogen use efficiency［J］.Journal of Plant Nutrition and Fertilizer,2015,21(5）.1104-1112.

［11］吳建峰,林先貴.我國微生物肥料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.土壤, 2002,34(2）.68-73.

WU Jian-feng,LIN Xian-gui.Research status and development trend of microbial fertilizer in China［J］.Soils,2002,34(2）.68-73.

［12］邱獻錕,趙基洪,初秀成,等.健晨·微生物菌肥對水稻生長發(fā)育的影響［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2015(4）.217-217.

QIU Xian-kun,ZHAO Ji-hong,CHU Xiu-cheng,et al.Effects of Jianchen microbial fertilizer on rice growth［J］.Modern Agricultural Science and Technology,2015(4）.217-217.

［13］崔曾杰,耿艷秋,范麗麗,等.生物菌肥對鹽堿地水稻生長發(fā)育及產(chǎn)量的影響［J］.吉林農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,38(5）.32-35.

CUI Ceng-jie,GENG Yan-qiu,FAN Li-li,et al.Effects of bacterial manure on the growth and yield of rice growing insaline-alkali land［J］.Journal of Jilin Agricultural Sciences,2013,38(5）.32-35.

［14］潘復(fù)燕,薛利紅,盧萍,等.不同土壤添加劑對太湖流域小麥產(chǎn)量及氮磷養(yǎng)分流失的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(5）.928-936.

PAN Fu-yan,XUE Li-hong,LU Ping,et al.Effects of different soil additives on wheat yield and nitrogen and phosphorus loss in Tai Lake region［J］.Journal of Agro-Environment Science,2015,34(5）.928-936.

［15］魯如坤.土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法［M］.北京.中國農(nóng)業(yè)科技出版社, 2000.

LU Ru-kun.Analytical methods of soil agricultural chemistry［M］.Beijing.China Agriculture Scientech Press,2000.

［16］李文軍,夏永秋,楊曉云,等.施氮和肥料添加劑對水稻產(chǎn)量、氮素吸收轉(zhuǎn)運及利用的影響［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2011,22(9）.2331-2336.

LI Wen-jun,XIA Yong-qiu,YANG Xiao-yun,et al.Effects of applying nitrogen fertilizer and fertilizer additive on rice yield and rice plant nitrogen uptake,translocation,and utilization［J］.Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(9）.2331-2336.

［17］張偉明,孟軍,王嘉宇,等.生物炭對水稻根系形態(tài)與生理特性及產(chǎn)量的影響［J］.作物學(xué)報,2013,39(8）.1445-1451.

ZHANG Wei-ming,MENG Jun,WANG Jia-yu,et al.Effect of biochar on root morphological and physiological characteristics and yield in rice［J］.ActaAgronomicaSinica,2013,39(8）.1445-1451.

［18］俞巧鋼,陳英旭.DMPP對稻田田面水氮素轉(zhuǎn)化及流失潛能的影響［J］.中國環(huán)境科學(xué),2010,30(9）.1274-1280.

YU Qiao-gang,CHEN Ying-xu.Influences of nitrification inhibitor 3, 4-dimethylpyrazole phosphate on nitrogen transformation and potential runoff loss in rice fields［J］.China Environmental Science,2010,30 (9）.1274-1280.

［19］Dong D,Feng Q,Mcgrouther K,et al.Effects of biochar amendment on rice growth and nitrogen retention in a waterlogged paddy field［J］.Journal of Soils&Sediments,2015,15(1）.153-162.

［20］Devereux R C,Sturrock C J,Mooney S J.The effects of biochar on soil physical properties and winter wheat growth［J］.Earth&Environmental Science Transactions of the Royal Society of Edinburgh,2013,103 (1）.13-18.

［21］梁運江,許廣波,鄭哲,等.生物菌肥對水稻營養(yǎng)特性及增產(chǎn)效果的初步研究［J］.土壤通報,2001,32(2）.88-89.

LIANG Yun-jiang,XU Guang-bo,ZHENG Zhe,et al.Preliminary study of bacterial manure on nutritional characteristics and yield on rice［J］.Chinese Journal of Soil Science,2001,32(2）.88-89.

［22］蓋學(xué)峰,梁桂德,陳剛.平安福生物菌肥在水稻上應(yīng)用效果［J］.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè),2011(7）.14.

GAI Xue-feng,LIANG Gui-de,CHEN Gang.Effects of Pinganfu bacterial manure on rice［J］.ModernizingAgriculture,2011(7）.14.

［23］鄭小龍,吳家森,陳裴裴,等.不同施肥與生物質(zhì)炭配施對水稻田面水氮磷流失及產(chǎn)量的影響［J］.水土保持學(xué)報,2013,27(4）.39-43.

ZHENG Xiao-long,WU Jia-sen,CHEN Pei-pei,et al.Effects of reducing nitrogen and biomass carbon fertilization on loss of nitrogen and phosphorus in surface water of paddy field and grain production［J］.Journal of Soil and Water Conservation,2013,27(4）.39-43.

［24］趙冬,顏廷梅,喬俊,等.稻季田面水不同形態(tài)氮素變化及氮肥減量研究［J］.生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2011,20(4）.743-749.

ZHAO Dong,YAN Ting-mei,QIAO Jun,et al.Change of different nitrogen forms in surface water of rice field and reduction of nitrogen fertilizer application in rice season［J］.Ecology and Environmental Sciences,2011,20(4）.743-749.

［25］Foster E J,Hansen N,Wallenstein M,et al.Biochar and manure amendments impact soil nutrients and microbial enzymatic activities in a semi-arid irrigated maize cropping system［J］.Agriculture Ecosystems&Environment,2016,233.404-414.

［26］苗微.生物炭陳化對土壤養(yǎng)分和水稻生長的影響［D］.沈陽.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué),2014.

MIAO Wei.Ageing effect of biochar on soil nutrients and growth of rice［D］.Shenyang.Shenyang Agricultural University,2014.

［27］高超,張?zhí)伊?吳蔚東.不同利用方式下農(nóng)田土壤對磷的吸持與解吸特征［J］.環(huán)境科學(xué),2001,22(4）.67-71.

GAO Chao,ZHANG Tao-lin,WU Wei-dong.Phosphorus sorption and desorption of agricultural soils under different land uses［J］.Environmental Science,2001,22(4）.67-71.

［28］Zhao J,Ni T,Li J,et al.Effects of organic-inorganic compound fertilizer with reduced chemical fertilizer application on crop yields,soil biological activity and bacterial community structure in a rice-wheat cropping system［J］.Applied Soil Ecology,2016,99.1-12.

［29］劉青松,趙麗芳.熱解溫度對生物炭表面性質(zhì)及釋放氮磷的影響［J］.農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境學(xué)報,2016,33(2）.164-169.

LIU Qing-song,ZHAO Li-fang.Effects of biochar pyrolysis temperature on its surface characteristics and nitrogen and phosphorus release［J］.Journal of Agricultural Resources and Environment,2016,33(2）. 164-169.

［30］張祥,王典,姜存?zhèn)},等.生物炭對我國南方紅壤和黃棕壤理化性質(zhì)的影響［J］.中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2013,21(8）.979-984.

ZHANG Xiang,WANG Dian,JIANG Cun-cang,et al.Effect of biochar on physicochemical properties of red and yellow brown soils in the South China Region［J］.Chinese Journal of Eco-Agriculture,2013,21 (8）.979-984.

［31］Masulili A,Utomo W H,Syechfani M S.Rice husk biochar for rice based cropping system in acid soil.1.The characteristics of rice husk biochar and its influence on the properties of acid sulfate soils and rice growth in West Kalimantan,Indonesia［J］.Journal of Agricultural Science,2010,2(1）.39-47.

［32］才吉卓瑪,翟麗梅,習(xí)斌,等.生物炭對不同類型土壤中Olsen-P和CaCl2-P的影響［J］.土壤通報,2014,45(1）.163-168. CAI Ji-zhuoma,ZHAI Li-mei,XI Bin,et al.Effect of boichar on Olsen-P and CaCl2-P in different types of soil［J］.Chinese Journal of Soil Science,2014,45(1）.163-168.

Effects of different soil additives on rice yield and utilization of nitrogen and phosphorus in the Tai Lake region

LIU Ya-wen1,2,MA Zi-hou1,PAN Fu-yan3,YANG Lin-zhang1,XUE Li-hong1*
(1.Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Key Lab of Agri-environment in Downstream of Yangtze Plain,Ministry of Agriculture,Nanjing 210014,China;2.Nanjing Forestry University,Nanjing 210037,China;3.Institute of Soil Science,Chinese Academy of Sciences,Nanjing 210008,China）

Agricultural nonpoint source pollution has been one of the main causes of water eutrophication in the Tai Lake region.Biochar, microbial agents,and nitrification inhibitors,individually or in combination,were added to the paddy soil in this study in order to evaluate the effect of different soil additives on paddy nonpoint pollution control.The effects on rice growth and yield,N and P uptake by rice,N and P concentration in surface water,and soil nutrient status after harvest were investigated.The results showed that all the soil additives ensured rice growth and promoted yield,with biochar,biochar combined with microbial agents,or nitrification inhibitors significantly increas-ing rice yield by 57.5%,66.1%,and 45.4%,respectively,compared with the treatment without soil additive.The biochar combined with microbial agents treatment significantly increased the plant N uptake and N recovery efficiency,but all the treatments with additives significantly improved the agronomy efficiency and physiological efficiency of N,with the biochar treatment and the biochar and microbial agent combination treatment performing the best.Compared to the treatment without additives,the treatment with microbial agents increased the total N concentration in surface water,whereas other treatments,especially the treatment combining biochar with other additives,significantly decreased the total N concentration in surface water for the basal fertilizer stage.At the panicle fertilizer stage,all treatments with additives, except the combination treatment of biochar and microbial agents,obviously increased the N concentration of surface water.The total P concentration of surface water increased slightly at the basal and panicle fertilizer stages,but the difference was not significant when compared with the treatment without additives.No significant difference was observed in the soil fertility between the treatments with and without soil additives.For comprehensive consideration of yield,nitrogen use efficiency,and nutrient loss risk of surface water,the treatment combining microbial agents with biochar was best for maintaining the high paddy yield and reducing nutrient loss risk during the early fertilization period of the paddy.Therefore,this combination treatment is promising for controlling nonpoint source pollution in the Tai Lake region.

paddy;soil additive;yield;nitrogen use efficiency;nutrient concentration in surface water

X592

A

1672-2043(2017）07-1395-11

10.11654/jaes.2016-1674

劉雅文,馬資厚,潘復(fù)燕,等.不同土壤添加劑對太湖流域水稻產(chǎn)量及氮磷養(yǎng)分利用的影響［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2017,36(7）.1395-1405.

LIU Ya-wen,MA Zi-hou,PAN Fu-yan,et al.Effects of different soil additives on rice yield and utilization of nitrogen and phosphorus in the Tai Lake region［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1395-1405.

2016-12-29

劉雅文(1992—）,女,安徽阜陽人,碩士研究生,從事環(huán)境生態(tài)學(xué)研究。E-mail:zigubuxia@yeah.net

*通信作者：薛利紅E-mail:njxuelihong@gmail.com

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)）科研專項(201503106）；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0801101）；江蘇省自主創(chuàng)新項目(CX(15）1004）

Project supported：SpecialFundforAgro-ScientificResearchinthePublicInterest(201503106）；TheNationalResearchProgramofChina(2016YFD0801101）; The Jiangsu Agriculture Science and Technology Innovation Fund(CX(15）1004）