稻作水炭運(yùn)籌下氮肥吸收轉(zhuǎn)運(yùn)與分配的15N示蹤分析

張作合 張忠學(xué)

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 綏化 152061；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

水稻是我國(guó)主要糧食作物，其產(chǎn)量約占糧食總產(chǎn)量的33.75%[1]。隨著人口的增加，到2030年，我國(guó)水稻產(chǎn)量需要增加20%左右，才能滿足國(guó)內(nèi)糧食需求[2]。目前，農(nóng)民習(xí)慣通過(guò)施入高量化學(xué)氮肥來(lái)增加作物產(chǎn)量，這使我國(guó)成為世界上最大的氮肥消費(fèi)國(guó)。2013年，中國(guó)的氮肥用量為3 360萬(wàn)t，占世界氮肥使用總量的33%[3]。氮肥投入過(guò)量及不合理施用使氮肥利用率下降，大量的氮素通過(guò)硝化與反硝化、淋溶和氨揮發(fā)等途徑損失[4]，導(dǎo)致肥料氮素浪費(fèi)。我國(guó)稻田氮肥利用率僅為30%左右[5]，遠(yuǎn)低于其他國(guó)家。通過(guò)運(yùn)籌管理方法提高氮肥的吸收利用率仍是目前水稻生產(chǎn)中最常用的方法，與氮肥運(yùn)籌和水氮運(yùn)籌管理措施相比，新型的水炭運(yùn)籌管理模式既解決了東北地區(qū)秸稈利用問(wèn)題，又提高了氮肥的利用率。水炭運(yùn)籌管理改善了稻田土壤通透性和土壤含氧量，使水稻根系活力增強(qiáng)，有助于水稻對(duì)氮素的吸收[6]，同時(shí)降低了土壤容重，提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量[7-8]，有利于土壤營(yíng)養(yǎng)的釋放和肥料養(yǎng)分的保留[9]。

應(yīng)用運(yùn)籌管理的方法研究水稻對(duì)氮肥吸收轉(zhuǎn)運(yùn)及分配的影響已成為研究熱點(diǎn)[10-13]。利用15N示蹤分析水稻對(duì)不同時(shí)期氮肥的吸收分配，發(fā)現(xiàn)控制灌溉模式下水稻的肥料氮素總吸收利用率為29.89%～36.12%，基肥、蘗肥、穗肥氮素吸收利用率分別為10.91%～15.36%、34.84%～36.90%、50.27%～63.54%[10]。適當(dāng)?shù)目刂乒喔?、合理的氮肥運(yùn)籌措施可以促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收及轉(zhuǎn)運(yùn)，而氮肥后移比例過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致水稻成熟期植株的莖鞘和葉片氮素轉(zhuǎn)運(yùn)總量降低，降幅達(dá)6.52%～17.02%[11]。氮素穗肥運(yùn)籌中倒四、倒二葉齡期等量追施，能夠促進(jìn)氮素累積與轉(zhuǎn)運(yùn)，從而提高氮肥利用率及產(chǎn)量[12]。合理的水氮運(yùn)籌管理有利于水稻各器官氮素的積累，增加水稻成熟期氮素的運(yùn)轉(zhuǎn)比例，提高對(duì)籽粒的轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率[13]。以上研究多集中在水稻對(duì)施用氮肥的吸收利用或轉(zhuǎn)運(yùn)單一方面的闡述，關(guān)于水稻對(duì)不同階段施用氮肥的吸收利用、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配整個(gè)過(guò)程的系統(tǒng)研究較少。

本文以常規(guī)淹灌作為對(duì)比，采用田間小區(qū)試驗(yàn)與15N示蹤微區(qū)結(jié)合的方法，對(duì)整體的氮肥利用率進(jìn)行細(xì)分，研究?jī)煞N灌溉模式不同水炭運(yùn)籌下水稻對(duì)基蘗和穗肥的吸收利用、積累和轉(zhuǎn)運(yùn)，以及水稻成熟期不同階段施用的氮肥在植株各器官的分配情況，以期為水炭運(yùn)籌管理在寒地黑土區(qū)稻田的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5月19日—9月21日，在黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)水稻灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于呼蘭河流域中上游，屬于寒地黑土區(qū)。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，第三積溫帶，全年無(wú)霜期128 d左右，多年平均降水量500～600 mm，平均氣溫2～3℃，平均日照時(shí)數(shù)為2 600 h，為黑龍江省典型的水稻生產(chǎn)區(qū)。

1.2 試驗(yàn)材料

水稻秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)，在450℃高溫?zé)o氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可制成直徑2 mm顆粒形式的秸稈生物炭(去除灰分)約2.5 t，pH值8.86，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.72%，填充密度0.13 g/cm3，比表面積81.85 m2/g，總孔容積0.080 cm3/g，陽(yáng)離子交換量(CEC)為44.7 cmol/kg。供試土壤為黑土，在泡田之前，對(duì)試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm土層進(jìn)行5點(diǎn)對(duì)角取樣后混合，分析主要的土壤理化性質(zhì)，pH值6.40，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比41.80 g/kg，全氮質(zhì)量比1.51 g/kg，全磷質(zhì)量比15.61 g/kg，全鉀質(zhì)量比19.86 g/kg，堿解氮質(zhì)量比148.27 mg/kg，速效磷質(zhì)量比24.22 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比156.13 mg/kg。供試水稻品種為研究區(qū)大面積推廣種植的綏粳18，插秧密度為25穴/m2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用灌水方式和生物炭施用量2因素全面試驗(yàn)，設(shè)置淺濕干灌溉(Dry-wet-shallow irrigation,D)和常規(guī)淹灌(Flooding irrigation,F)兩種水分管理模式(表1)。水稻淺濕干灌溉模式各處理根據(jù)控制指標(biāo)來(lái)確定灌水時(shí)間和灌水定額，當(dāng)田面無(wú)水層后，每天08:00和18:00，用土壤水分測(cè)定儀(TPIME-PICO64/32型)分別測(cè)定各小區(qū)的土壤含水率，當(dāng)土壤含水率接近或低于灌水下限時(shí)，灌水至上限，并記錄各處理的灌水量；常規(guī)淹灌模式各處理的試驗(yàn)小區(qū)田面無(wú)水層時(shí)，人工灌水至上限。秸稈生物炭施用量設(shè)4個(gè)水平，即0 t/hm2(B1)、2.5 t/hm2(1年還田量，B2)、12.5 t/hm2(5年還田量，B3)、25 t/hm2(10年還田量，B4)。共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，方形小區(qū)面積100 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌40 cm深的塑料板。秸稈生物炭在泡田之前施入；按當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)施純氮110 kg/hm2，基肥、蘗肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施入量80 kg/hm2，基肥∶穗肥按1∶1分施；P2O5施入量45 kg/hm2，作為基肥一次性施入。供試肥料選擇尿素(含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%)、硫酸鉀(含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%)，并換算成實(shí)際化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，株距13.32 cm，行距30 cm，每穴3株，9月21日收獲。水稻生長(zhǎng)期注意田間管理，嚴(yán)格控制病蟲草害。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

注：淺濕干灌溉雨后蓄水深度上限值為50 mm，常規(guī)淹灌雨后蓄水深度上限值為100 mm，θs為根層土壤飽和含水率。

為明確水炭運(yùn)籌下水稻對(duì)3個(gè)階段施入氮肥的吸收利用、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配情況，在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置了15N示蹤微區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置1個(gè)微區(qū)，即同一處理下設(shè)置3個(gè)分處理：M1、M2、M3。各處理試驗(yàn)設(shè)置見表2，各分處理中僅M1的基肥、M2的蘗肥、M3的穗肥施用15N-尿素，其他施用未標(biāo)記的普通尿素。稻田整地后立即在每個(gè)小區(qū)內(nèi)埋設(shè)2 m×2 m×0.5 m的無(wú)底鋼板矩形框，將微區(qū)埋30 cm深至犁底層下，施用上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)豐度為10.22%的15N標(biāo)記尿素，深度與試驗(yàn)小區(qū)相同。微區(qū)內(nèi)設(shè)置單獨(dú)排灌系統(tǒng)，水稻的種植密度、肥料用量、生物炭施用量及灌水方式與所在的試驗(yàn)小區(qū)相同。

表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.2 Design of experimental treatments

注： *代表施用的是15N-尿素。

1.4 樣品的采集與測(cè)定

干物質(zhì)量及植株氮含量：在水稻開花期和成熟期測(cè)水稻干物質(zhì)及植株氮含量，從各微區(qū)內(nèi)外隨機(jī)選取具有代表性植株3穴，將水稻植株地上部分為莖鞘、葉、穗3部分，沖洗干凈后將樣品裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，放入干燥箱105℃殺青30 min，然后調(diào)至80℃干燥后，稱量不同部位的干物質(zhì)量。稱量后將樣品進(jìn)行粉碎處理，過(guò)80目篩后混勻，利用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(Seal Analytical GmbH，德國(guó))測(cè)定各部位全氮含量。

植株氮原子百分比：穩(wěn)定同位素測(cè)試在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，將密封保存的樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，采用同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，美國(guó))和元素分析儀(Flash 2000 HT型，美國(guó))聯(lián)用的方法測(cè)定開花期和成熟期水稻各器官和籽粒15N的豐度。

產(chǎn)量：水稻成熟期進(jìn)行產(chǎn)量測(cè)算，各處理隨機(jī)選10穴水稻用于考種，干燥后用手持水分測(cè)試儀(John Deere, Moline IL，美國(guó))測(cè)定谷物水分，在含水率為14.5%時(shí)，分別測(cè)量有效穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量，并折算成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量。

氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站DZZ2型自動(dòng)氣象站(天津氣象儀器廠)自動(dòng)記錄(圖1)。

圖1 2018年水稻生長(zhǎng)期氣溫和降水量日變化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation in 2018

1.5 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)分析

不同水炭運(yùn)籌下水稻植株樣品中來(lái)自基肥的氮素百分比Ndff(b)、蘗肥的氮素百分比Ndff(t)、穗肥的氮素百分比Ndff(p)，計(jì)算公式為[10]

(1)

式中a——微區(qū)內(nèi)植株樣品15N豐度，%

b——相同處理小區(qū)內(nèi)的植株樣品15N豐度，%

c——15N標(biāo)記尿素中15N豐度，%

d——自然15N豐度標(biāo)準(zhǔn)值，為0.366 3%

植株氮素總積累量(kg/hm2)為

PNNA=DMNC

(2)

式中DM——植株干物質(zhì)量，kg/hm2

NC——植株含氮率，%

微區(qū)內(nèi)植株從基肥(b)、蘗肥(t)、穗肥(p)獲得的15N積累量(kg/hm2)為

N(b,t,p)=PNNANdff(b,t,p)

(3)

植株中來(lái)自氮肥的氮素總積累量(kg/hm2)為

PTN=N(b)+N(t)+N(p)

(4)

基肥(b)、蘗肥(t)、穗肥(p)及總氮肥(total)吸收利用率為

(5)

式中FNRE——氮肥吸收利用率，%

NF——各時(shí)期施氮量，kg/hm2

水稻植株樣品中來(lái)自肥料的氮素在莖鞘和葉片中積累后，向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)量(kg/hm2)為

PNT=SNF+LNF-(SNM+LNM)

(6)

式中SNF——植株開花期莖鞘中氮素含量，kg/hm2

LNF——植株開花期葉片中氮素含量，kg/hm2

SNM——植株成熟期莖鞘中氮素含量，kg/hm2

LNM——植株成熟期葉片中氮素含量，kg/hm2

氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率(%)為

(7)

氮轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率(%)為

(8)

式中GNM——植株成熟期籽粒氮素含量，kg/hm2

數(shù)據(jù)分析和處理采用WPS 2019、SPSS 13.0，用Duncan進(jìn)行處理間的多重比較，用WPS 2019和Origin 8.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水炭運(yùn)籌下水稻產(chǎn)量和成熟期氮素吸收積累量

由表3可知，水碳運(yùn)籌兩種灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率，但減少了每穗粒數(shù)。當(dāng)生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，水稻成熟期兩種灌溉模式之間的各產(chǎn)量構(gòu)成因素差異顯著(P<0.05)，與常規(guī)淹灌相比，淺濕干灌溉模式水稻在相同生物炭施用水平下有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量和結(jié)實(shí)率均較高；當(dāng)施加25 t/hm2生物炭時(shí)，常規(guī)淹灌模式的水稻產(chǎn)量構(gòu)成因素中千粒質(zhì)量較淺濕干灌溉模式增加。稻作淺濕干灌溉模式下生物炭

表3 生物炭施用量對(duì)產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響Tab.3 Effect of biochar application amount on yield and its components

注：同列不同小寫字母表示數(shù)據(jù)在P<0.05水平差異顯著，下同。

施加12.5 t/hm2和25 t/hm2較不施生物炭水稻產(chǎn)量增加了13.05%、3.32%，與常規(guī)淹灌相比，淺濕干灌溉模式水稻在相同生物炭施用水平(除25 t/hm2)下產(chǎn)量增加1.36%～6.13%。表明稻作淺濕干灌溉模式更有利于水稻產(chǎn)量的提高，同時(shí)能節(jié)約灌溉用水。

圖2 不同處理水稻成熟期地上部肥料-15N積累量、氮素總積累量、氮肥吸收利用率和肥料-15N對(duì)氮素總積累量的貢獻(xiàn)率Fig.2 Above-ground 15N and total N accumulation, nitrogen uptake and utilization efficiency and contribution rate of 15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由圖2(圖中不同小寫字母表示相同處理在P<0.05水平差異顯著，下同)可知，水炭運(yùn)籌下水稻植株中肥料-15N總積累量在32.49～44.62 kg/hm2范圍內(nèi)變化，氮素總積累量在182.42～216.56 kg/hm2范圍內(nèi)變化。當(dāng)生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，水稻成熟期兩種灌溉模式之間的肥料-15N積累量和氮素總積累量差異顯著(P<0.05)，與常規(guī)淹灌相比，淺濕干灌溉模式下水稻在3個(gè)生物炭施用水平(0、2.5、12.5 t/hm2)均具有較高的肥料-15N積累量和氮素總積累量，稻作淺濕干灌溉模式水稻肥料-15N積累量在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌分別提高了5.20%、9.88%、11.91%；氮素總積累量提高了4.25%、5.87%、9.30%，并且淺濕干灌溉模式下31.07%～40.56%的肥料氮素被水稻植株吸收利用，在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌提高了5.20%～11.91%；不同水炭運(yùn)籌下肥料-15N對(duì)氮素總積累量的貢獻(xiàn)率為17.81%～20.60%，且兩種灌溉模式下各處理之間肥料-15N對(duì)水稻植株氮素總積累量的貢獻(xiàn)率無(wú)顯著差異(P>0.05)。研究結(jié)果表明，當(dāng)生物炭施加量0～12.5 t/hm2時(shí)，稻作淺濕干灌溉模式對(duì)肥料氮素的吸收利用優(yōu)于常規(guī)淹灌，對(duì)水稻氮素的積累更有利；當(dāng)生物炭施加量為25 t/hm2時(shí)，稻作常規(guī)淹灌模式對(duì)肥料氮素的吸收利用優(yōu)于淺濕干灌溉，但二者差異不顯著(P>0.05)。

2.2 水炭運(yùn)籌下水稻成熟期植株對(duì)基肥、蘗肥、穗肥的吸收利用

圖3 不同處理水稻成熟期基肥-15N積累量、基肥-15N吸收利用率和基肥-15N對(duì)氮素總積累量的貢獻(xiàn)率Fig.3 Basal-15N accumulation, basal fertilizer-15N uptake and utilization, and contribution rate of basal-15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由圖3可知，水炭運(yùn)籌下僅基肥施用15N-尿素，水稻對(duì)基肥的吸收利用率為15.55%～23.31%。常規(guī)淹灌模式下基肥-15N積累量和水稻植株對(duì)基肥吸收利用率都隨著生物炭施入量的增加而增大，有17.11%～23.31%的基肥氮素被水稻植株吸收利用，淺濕干灌溉模式下水稻成熟期各處理的基肥-15N積累量約為8.55～11.25 kg/hm2，當(dāng)生物炭施加量為12.5 t/hm2和25 t/hm2時(shí)，僅有20.45%和19.56%的基肥被水稻植株吸收利用，不同灌溉模式比較發(fā)現(xiàn)，常規(guī)淹灌模式的稻作基肥吸收利用率較淺濕干灌溉模式平均增加10.37%，研究結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式水稻植株對(duì)基肥的利用率較低，施加一定量的生物炭能夠增加基肥-15N積累量和基肥吸收利用率，而施加25 t/hm2的生物炭對(duì)基肥-15N積累量和基肥吸收利用率會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。當(dāng)僅基肥施入15N-尿素時(shí)，水炭運(yùn)籌下基肥對(duì)水稻植株氮素總積累量貢獻(xiàn)率隨生物炭施入量增加而增大，稻作淺濕干灌溉模式下基肥對(duì)水稻氮素總積累量的貢獻(xiàn)率為4.59%～4.99%，低于常規(guī)淹灌模式，特別是在生物炭施加量為25 t/hm2時(shí)，常規(guī)淹灌模式基肥對(duì)水稻氮素總積累量的貢獻(xiàn)率較淺濕干灌溉高21.88%。

圖4 不同處理水稻成熟期蘗肥-15N積累量、蘗肥-15N吸收利用率和蘗肥-15N對(duì)氮素總積累量的貢獻(xiàn)率Fig.4 Tillering-15N accumulation, tillering fertilizer-15N uptake and utilization, and contribution rate of tillering-15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由圖4可知，水炭運(yùn)籌下僅蘗肥施用15N-尿素，水稻對(duì)蘗肥的吸收利用率為31.68%～44.91%。常規(guī)淹灌模式下水稻成熟期蘗肥-15N積累量和植株對(duì)蘗肥吸收利用率均隨著生物炭施入量的增加而增大。淺濕干灌溉模式施加12.5 t/hm2生物炭時(shí)，水稻植株蘗肥-15N積累量最大，為9.88 kg/hm2，施加25 t/hm2的生物炭對(duì)蘗肥-15N積累量會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。不同灌溉模式下水稻成熟期蘗肥-15N積累量差異顯著(P<0.05)，淺濕干灌溉模式下稻作蘗肥-15N積累量在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌分別提高了13.92%、18.12%、19.32%、2.08%，且淺濕干灌溉模式相同生物炭施用水平下水稻蘗肥-15N吸收利用率顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)，研究結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式有利于水稻植株對(duì)蘗肥氮素的吸收利用，適量的生物炭能夠增加蘗肥-15N積累量和植株對(duì)蘗肥吸收利用率。當(dāng)僅蘗肥施用15N-尿素時(shí)，水稻成熟期植株氮素總積累量中有3.89%～4.38%來(lái)源于蘗肥-15N，水炭運(yùn)籌下淺濕干灌溉模式蘗肥對(duì)水稻氮素總積累量的貢獻(xiàn)率高于常規(guī)淹灌模式，生物炭施用量對(duì)蘗肥貢獻(xiàn)率的影響不顯著(P>0.05)。

由圖5可知，水炭運(yùn)籌下僅穗肥施用15N-尿素，有48.82%～71.18%的穗肥氮素被水稻植株吸收利用，常規(guī)淹灌模式下水稻成熟期穗肥-15N積累量隨著生物炭施入量的增加而增大，稻作淺濕干灌溉模式下生物炭施用量由0 t/hm2增加到12.5 t/hm2時(shí)，水稻成熟期穗肥-15N積累量從17.69 kg/hm2增加到23.49 kg/hm2，穗肥-15N的吸收利用率由53.61%增加到71.18%，不同灌溉模式之間穗肥吸收利用率和穗肥-15N積累量差異均顯著(P<0.05)，淺濕干灌溉模式水稻成熟期穗肥-15N吸收利用率在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌分別提高了9.81%、15.82%、17.86%、2.99%。當(dāng)僅蘗肥施用15N-尿素時(shí)，水稻成熟期植株氮素總積累量中有8.83%～10.85%來(lái)源于穗肥-15N，當(dāng)生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，水炭運(yùn)籌下穗肥對(duì)水稻植株氮素總積累量貢獻(xiàn)率隨生物炭施入量增加而增大，且淺濕干灌溉模式下穗肥對(duì)水稻氮素總積累量的貢獻(xiàn)率顯著高于常規(guī)淹灌模式。

2.3 水炭運(yùn)籌下水稻植株積累的基肥、蘗肥和穗肥氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)

圖5 不同處理水稻成熟期穗肥-15N積累量、穗肥-15N吸收利用率和穗肥-15N對(duì)氮素總積累量的貢獻(xiàn)率Fig.5 Panicle-15N accumulation, panicle fertilizer-15N uptake and utilization, and contribution rate of panicle-15N to total nitrogen accumulation at mature stage under different treatments

由表4可知，水炭運(yùn)籌下水稻成熟期籽粒中氮素僅有16.68%～22.06%來(lái)自于花前莖鞘和葉片積累的肥料氮素，其中穗肥-15N向籽粒中的轉(zhuǎn)運(yùn)率最高，基肥-15N最低，基肥和蘗肥氮的吸收主要用于莖鞘、葉片和根等營(yíng)養(yǎng)器官的建成。水稻花前莖鞘和葉片積累的基肥-15N有3.12～4.85 kg/hm2轉(zhuǎn)移到籽粒中，與淺濕干灌溉模式相比，在相同生物炭施用量水平下常規(guī)淹灌模式的基肥-15N的轉(zhuǎn)運(yùn)量較高，稻作基肥-15N的轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率都隨著生物炭施入量的增加而增大，有52.00%～77.84%的基肥氮素轉(zhuǎn)移到籽粒中，但對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率僅為3.53%～4.71%。水稻成熟期有2.71～4.94 kg/hm2花前莖鞘和葉片積累的蘗肥-15N轉(zhuǎn)移到籽粒中，當(dāng)生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，稻作蘗肥-15N的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率都隨著生物炭施入量的增加而增大，在相同生物炭施用量水平下淺濕干灌溉模式優(yōu)于常規(guī)淹灌模式，雖然轉(zhuǎn)運(yùn)率高于基肥-15N，但對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率也僅為3.22%～4.38%，施加25 t/hm2的生物炭會(huì)產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。水稻花前莖鞘和葉片積累的穗肥-15N有8.16～14.63 kg/hm2轉(zhuǎn)移到籽粒中，稻作穗肥-15N的轉(zhuǎn)運(yùn)率和轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率都隨著生物炭施入量的增加而增大，在相同生物炭施用量水平下淺濕干灌溉模式優(yōu)于常規(guī)淹灌模式，穗肥-15N的轉(zhuǎn)運(yùn)率高于基肥和蘗肥，對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率為9.69%～13.25%。研究結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式更有利于肥料氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)，施加一定量的生物炭能夠促進(jìn)水稻開花前莖鞘和葉片中積累的氮素向籽粒中轉(zhuǎn)運(yùn)。

表4 水稻成熟期基肥-15N、蘗肥-15N和穗肥-15N的轉(zhuǎn)運(yùn)量、轉(zhuǎn)運(yùn)率及對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率Tab.4 Translocation, transport rate and contribution rate of basal-15N, tillering-15N and panicle-15N of rice at mature stage

2.4 水炭運(yùn)籌下水稻成熟期基肥、蘗肥和穗肥氮素在器官中的分配

由表5可見，水稻成熟期基肥-15N在植株各器官的分布差異較大，常規(guī)淹灌模式下基肥-15N在莖鞘、葉片和穗中積累量隨著生物炭施用水平的增加而增大，淺濕干灌溉模式下莖鞘和葉片中基肥-15N積累量與常規(guī)淹灌模式表現(xiàn)一致，而穗中基肥-15N累積量在生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)規(guī)律相同。淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下稻作基肥-15N積累量的20.60%～26.47%分布在植株莖鞘中；12.14%～14.79%的基肥-15N分布在植株葉片中；58.74%～67.23%的基肥-15N分布在植株穗部，與淺濕干灌溉模式相比，常規(guī)淹灌模式水稻各器官基肥-15N的積累量偏高。水稻成熟期蘗肥-15N在植株各器官的分布差異顯著(P<0.05)，淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下稻作蘗肥-15N積累量的19.28%～28.53%分布在植株莖鞘中；10.47%～12.78%的蘗肥-15N分布在植株葉片中；58.69%～70.07%的蘗肥-15N分布在植株穗部，當(dāng)生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時(shí)，淺濕干灌溉模式下相同生物炭施用量水稻植株各器官的蘗肥-15N積累量顯著高于常規(guī)淹灌。水稻成熟期植株中穗肥-15N在各器官的分布差異同樣顯著(P<0.05)，淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下稻作穗肥-15N積累量的10.30%～16.01%分布在植株莖鞘中；8.35%～11.43%分布在植株葉片中，72.56%～81.35%分布在植株穗部，稻作淺濕干灌溉模式水稻葉片和穗中的穗肥-15N積累量顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)。

表5 水稻成熟期各器官基肥-15N、蘗肥-15N和穗肥-15N積累量

Tab.5 Basal-15N，tillering-15N and panicle-15N accumulation in aboveground parts at maturity stagekg/hm2

灌溉模式處理基肥-15N蘗肥-15N穗肥-15N莖鞘葉片穗莖鞘葉片穗莖鞘葉片穗DB11.76g1.04e5.75e1.55e0.83d5.56c1.82e1.48f14.39e淺濕干灌溉DB21.84f1.09e5.99d1.60e0.88c5.80b2.00d1.59e15.45cDB32.67d1.50c7.08b2.32b1.15a6.41a2.90b2.34b18.24aDB42.85c1.59c6.32b2.66a1.19a5.48c3.48a2.48a15.76bFB12.05e1.22d6.15d1.55e0.80d4.62e2.21c1.28g12.62f常規(guī)淹灌FB22.07e1.23d6.23c1.56e0.80d4.62e2.25c1.31g12.88fFB32.94b1.75b7.17b1.88d1.06b5.33d3.07b1.91d14.95dFB43.24a1.94a7.64a2.09c1.24a5.82b3.30a2.11c15.67b

2.5 不同階段施用氮肥的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配相關(guān)性分析

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明(表6)，F(xiàn)NRE(total)與FNRE(t)(R=0.956，P<0.01)、FNRE(p)(R=0.980，P<0.01)、PNRT(t)(R=0.893，P<0.01)和PNRT(p)(R=0.876，P<0.01)呈極顯著正相關(guān)，F(xiàn)NRE(total)與FNRE(b)(R=0.804，P<0.05)和PNRT(b)(R=0.822，P<0.05)呈顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)相關(guān)性不顯著(P>0.05)。FNRE(b)與PNRT(b)、FNRE(t)與PNRT(t)、FNRE(p)與PNRT(p)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，F(xiàn)NRE(p)和PNRT(p)與t-15N(p)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表6 不同階段施用氮肥的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配相關(guān)系數(shù)Tab.6 Correlation coefficient of nitrogen uptake, transport and distribution in different stages of application

注：*為0.05水平顯著；** 為0.01水平極顯著。PNRT(b)、PNRT(t)、PNRT(p)分別代表水稻植株基肥、蘗肥、穗肥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率；t-15N(b)、t-15N(t)、t-15N(p)分別代表水稻成熟期穗中基肥、蘗肥、蘗肥氮素積累量占植株氮素總積累量的百分比。

3 討論

大量試驗(yàn)研究[10,14-19]表明，應(yīng)用節(jié)水灌溉技術(shù)和施加生物炭能夠提高氮肥吸收利用率，但這些研究?jī)H從單一因素來(lái)闡述水稻生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)氮肥整體的利用情況。本文主要從水炭運(yùn)籌的角度來(lái)研究水稻對(duì)不同階段氮肥的吸收利用情況，應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，研究?jī)煞N灌溉模式下稻作基肥、蘗肥和穗肥氮素在植株中的積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配。研究結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式水稻成熟期肥料對(duì)地上部氮素總積累量的貢獻(xiàn)率為17.97%～20.60%，水稻對(duì)基肥、蘗肥和穗肥的吸收利用率分別為15.55%～20.45%、36.09%～44.91%、53.61%～71.18%，不同階段施用的氮肥吸收利用率均高于張忠學(xué)等[10]研究結(jié)果。通常情況下，水稻對(duì)基肥的吸收利用率低于10%[20-21]，導(dǎo)致基肥氮素在稻田土壤中大量殘留，為此專家學(xué)者提出了減少水稻前期基肥的施用量，增加后期穗肥用量的方法，來(lái)減少水稻生育期內(nèi)肥料氮素的損失[22]，但這種方法可能會(huì)因減少水稻的分蘗數(shù)[23]而影響產(chǎn)量，而水炭運(yùn)籌方法能夠在不改變肥料施用比例的情況下有效地解決該問(wèn)題。另外，淺濕干灌溉模式水稻植株對(duì)基肥氮素的吸收利用率要低于常規(guī)淹灌，這主要是因?yàn)闇\濕干灌溉模式增加了NH3揮發(fā)損失[24]，且抑制水稻的前期生長(zhǎng)。當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，淺濕干灌溉模式水稻植株對(duì)蘗肥和穗肥的吸收利用率均高于常規(guī)淹灌，相同生物炭施用水平下分別提高了13.92%～19.32%和9.81%～17.86%，這是由于節(jié)水灌溉模式有利于水稻根系的生長(zhǎng)發(fā)育[25]，對(duì)后期水稻生長(zhǎng)的補(bǔ)償效應(yīng)顯著，促進(jìn)后期水稻對(duì)氮肥的吸收利用[26]。生物炭施入稻田土壤后會(huì)對(duì)土壤容重、孔隙度和CEC[8-9]等產(chǎn)生直接影響。黑色的生物炭有明顯的吸熱屬性，施用后可以提高土壤溫度[17]，減輕東北地區(qū)早春低溫冷害，為根系生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造有利條件；OGUNTUNDE等[27]研究發(fā)現(xiàn)，生物炭能夠降低土壤容重和增加土壤總孔隙率，從而提高土壤的通氣和透水性，為根系生理結(jié)構(gòu)及形態(tài)發(fā)育提供良好的生態(tài)環(huán)境，有利于根系的深扎和伸展[25]；生物炭施入還能增加土壤微生物數(shù)量和改善微生物群落結(jié)構(gòu)，微生物活動(dòng)的增強(qiáng)能夠改善根際生長(zhǎng)環(huán)境，有利于促進(jìn)根系生長(zhǎng)[28]。綜合來(lái)看，施加適量的生物炭利于水稻根系的生長(zhǎng)發(fā)育，促進(jìn)了水稻對(duì)氮肥的吸收利用。此外，生物炭具有豐富的官能團(tuán)和巨大的比表面積，施入土壤后提高了CEC[29]，減少了硝態(tài)氮的淋溶，提高了氮肥吸收利用率[18-19]。而LIU等[30]研究結(jié)果表明，生物炭的施加能減少氮淋溶，但增加NH3揮發(fā)，施加量超過(guò)40 t/hm2將增加氮損失。不同灌溉模式引起氮損失的生物炭施用量閾值不同，本試驗(yàn)中淺濕干灌溉模式生物炭施用量的閾值在12.5～25 t/hm2之間，而常規(guī)淹灌在25 t/hm2以上，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定生物炭施加量。過(guò)量生物炭使土壤碳氮比增加，使有機(jī)物的分解速度減慢，土壤微生物無(wú)法從有機(jī)質(zhì)的分解中獲得足夠的氮，開始消耗土壤中的有效氮(以肥料為主)[31]，降低了土壤提供的養(yǎng)分含量[32]，不利于水稻對(duì)肥料的吸收和利用。綜合來(lái)看，在提高氮肥利用率方面，節(jié)水灌溉較常規(guī)淹灌更具優(yōu)勢(shì)。因此，節(jié)水灌溉下合理的水炭運(yùn)籌模式可以提高氮肥的吸收利用率，減少肥料氮素在土壤中的殘留[33]。

本文相關(guān)性分析結(jié)果表明，水炭運(yùn)籌模式下水稻蘗肥和穗肥吸收利用率與肥料總氮素吸收利用率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而基蘗穗肥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率又與相應(yīng)的吸收利用率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。因此，分析水稻氮素轉(zhuǎn)運(yùn)和分配過(guò)程對(duì)研究不同階段施加的氮肥吸收利用率十分重要。水稻籽粒氮素主要依靠營(yíng)養(yǎng)器官中氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)，水炭運(yùn)籌下水稻成熟期籽粒氮素中有16.68%～22.06%是來(lái)自于花前莖鞘和葉片積累的肥料氮素，且不同階段氮肥的轉(zhuǎn)運(yùn)情況也不同，與莖鞘和葉片中積累的基肥-15N和蘗肥-15N相比，穗肥-15N更容易向穗部轉(zhuǎn)運(yùn)[34]，隨著肥料-15N向籽粒中轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致葉片、莖鞘中的肥料-15N分配減少，而籽粒中肥料-15N的分配增加[35]。比較水稻成熟期植株不同部位積累的基肥-15N、蘗肥-15N和穗肥-15N的分配情況，發(fā)現(xiàn)穗肥-15N在穗中分布最多。氮素在莖葉、鞘等營(yíng)養(yǎng)器官中的累積和再分配，可以反映植株各個(gè)部位的代謝狀況以及生長(zhǎng)中的變化，影響水稻產(chǎn)量[35]。在提高肥料氮素轉(zhuǎn)運(yùn)方面，節(jié)水灌溉模式優(yōu)于常規(guī)淹灌，施加適量的生物炭可以提高各階段施用的肥料氮素轉(zhuǎn)運(yùn)率及轉(zhuǎn)運(yùn)貢獻(xiàn)率，有利于增加肥料氮素在穗中的分配，而過(guò)量生物炭則會(huì)使成熟期葉片及莖鞘中肥料氮素滯留量顯著增加，而穗部的積累量不再顯著增加[36-37]。總的來(lái)說(shuō)，水炭運(yùn)籌下氮素的累積、轉(zhuǎn)運(yùn)和分配過(guò)程較為復(fù)雜，需要長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究。

在東北寒地黑土區(qū)稻田中應(yīng)用水炭運(yùn)籌管理可以培肥土壤、提高水氮利用率和產(chǎn)量。本試驗(yàn)采用15N示蹤技術(shù)研究了當(dāng)?shù)氐蕳l件下水炭運(yùn)籌對(duì)氮素吸收利用、積累、轉(zhuǎn)運(yùn)及分配的影響，但考慮多方面因素，水炭運(yùn)籌管理的長(zhǎng)期效應(yīng)還有待進(jìn)一步驗(yàn)證，并對(duì)基于土壤-作物系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制、作用機(jī)制等科學(xué)問(wèn)題系統(tǒng)研究和深入探討。

4 結(jié)論

(1)水炭運(yùn)籌兩種灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的有效穗數(shù)、千粒質(zhì)量、結(jié)實(shí)率，但減少了每穗粒數(shù)。當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，淺濕干灌溉模式水稻在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌產(chǎn)量增加1.36%～6.13%，稻作肥料-15N吸收利用率在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌分別提高了5.20%、9.88%、11.91%，氮素總積累量提高了4.25%、5.87%、9.30%。

(2)水稻對(duì)基肥、蘗肥和穗肥的吸收利用率分別為15.55%～23.31%、31.68%～44.91%、48.82%～71.18%。常規(guī)淹灌模式下水稻對(duì)基肥-15N吸收利用率隨著生物炭施用量的增加而增大，有17.11%～23.31%的基肥氮素被水稻植株吸收利用，高于淺濕干灌溉模式；淺濕干灌溉模式在相同生物炭施用水平下，水稻蘗肥-15N吸收利用率顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)，提高了2.08%～19.32%；當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，水稻成熟期穗肥-15N吸收利用率隨著生物炭施加量增加而增大，淺濕干灌溉模式下水稻成熟期穗肥-15N吸收利用率在相同生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌提高了2.99%～17.86%。

(3)水炭運(yùn)籌下水稻成熟期籽粒中氮素僅有16.68%～22.06%來(lái)自于花前莖鞘和葉片積累的肥料氮素，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，稻作基肥-15N、蘗肥-15N和穗肥-15N轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率都隨著生物炭施入量的增加而增大，分別為3.53%～4.71%、3.22%～4.38%、9.69%～13.25%。水炭運(yùn)籌下水稻成熟期不同階段施加的肥料氮素在植株各器官的積累量由大到小均為穗、莖鞘、葉片，施加一定量的生物炭有利于增加穗部肥料氮素的分配。

(4)相關(guān)性分析結(jié)果表明，水炭運(yùn)籌模式下稻作肥料總氮素吸收利用率與蘗穗肥吸收利用率和蘗穗肥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與基肥的吸收利用率和基肥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；不同階段施用氮肥的吸收利用率與相應(yīng)的氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；穗肥吸收利用率和穗肥氮素轉(zhuǎn)運(yùn)對(duì)籽粒的貢獻(xiàn)率與水稻成熟期穗中穗肥積累量占植株氮素總積累量的百分比呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。