水炭運(yùn)籌下稻田土壤氮素分布與盈虧15N示蹤分析

張作合 張忠學(xué) 鄭衍波 李鐵成 韓 羽 趙文博

(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

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5—9月在慶安國(guó)家灌溉試驗(yàn)重點(diǎn)站進(jìn)行。該站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)，屬典型寒地黑土區(qū)。位于第三積溫帶，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為560 mm，平均水面蒸發(fā)量為750 mm，平均氣溫為2.9℃，平均日照時(shí)數(shù)為2 600 h，全年無霜期約為128 d，是黑龍江省典型的水稻種植區(qū)。2018年水稻本田生長(zhǎng)期內(nèi)試驗(yàn)區(qū)最高溫度、最低溫度和降雨量變化如圖1所示。

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

1.2 試驗(yàn)材料

采用遼寧金和福農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的水稻秸稈生物炭，在450℃高溫?zé)o氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可轉(zhuǎn)化顆粒形式(直徑2 mm)的秸稈生物炭約2.5 t，pH值8.86，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42.72%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.26%，陽(yáng)離子交換量(CEC)為44.7 cmol/kg，比表面積為81.85 m2/g。供試土壤為黑土型水稻土，耕層厚度為11.3 cm，犁底層厚度為10.5 cm，37.3%土壤粒徑在0.02～2.0 mm之間、32.3%土壤粒徑在0.002～0.02 mm之間、30.4%土壤粒徑為0～0.002 mm，試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm土層的土壤基本理化性質(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，堿解氮質(zhì)量比148.27 mg/kg，全磷質(zhì)量比15.61 g/kg，速效磷質(zhì)量比24.22 mg/kg，全鉀質(zhì)量比19.86 g/kg，速效鉀質(zhì)量比156.13 mg/kg。供試水稻品種為綏粳18，該品種已在研究區(qū)大面積推廣種植，插秧密度為25萬穴/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用生物炭施用量和灌溉模式2因素全面試驗(yàn)，秸稈生物炭施用量設(shè)置4個(gè)水平：B0(0 t/hm2)、B1(2.5 t/hm2)、B2(12.5 t/hm2)、B3(25 t/hm2)，兩種水分管理模式(表1)分別為淺濕干灌溉模式(Dry-wet-shallow irrigation，D)和常規(guī)淹灌模式(Flooding irrigation，F(xiàn))。當(dāng)田面無水層后，水稻淺濕干灌溉模式各試驗(yàn)小區(qū)采用土壤水分測(cè)定儀(TPIME-PICO64/32型)測(cè)定土壤含水率，若土壤含水率低于或接近灌水下限時(shí)，開始灌水直至上限；當(dāng)田面無水層時(shí)，常規(guī)淹灌模式各處理灌水至上限，同時(shí)記錄灌水量。8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共計(jì)24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，采用隨機(jī)區(qū)組排列，方形小區(qū)面積100 m2，各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌40 cm深的塑料板。秸稈生物炭在前一年水稻收獲后施入，將生物炭翻耕于稻田土壤表層15 cm左右，并旋耕混勻；氮肥基肥、蘗肥、穗肥按5∶2∶3分施，純氮施用量為110 kg/hm2(當(dāng)?shù)厥┑?，基肥在泡田之前3～5 d深施，蘗肥和穗肥在田面無水層或水層較淺時(shí)撒施；K2O基肥、穗肥按1∶1分施，施用量為80 kg/hm2；P2O5作為基肥一次性施入，施用量為45 kg/hm2。供試肥料選用尿素(N質(zhì)量分?jǐn)?shù)為46.4%)、過磷酸鈣(P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%)、硫酸鉀(K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%)，并計(jì)算實(shí)際施用量。2018年5月19日選擇長(zhǎng)勢(shì)基本相同的水稻秧苗進(jìn)行移栽，每穴定苗3株，并于9月21日收割。水稻生長(zhǎng)期統(tǒng)一田間管理，同時(shí)嚴(yán)格控制病蟲及草害。

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

注：θs為根層土壤飽和含水率。

在上述試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置15N示蹤微區(qū)，稻田整地后立即在每個(gè)小區(qū)內(nèi)預(yù)埋長(zhǎng)2 m、寬2 m、高0.5 m的無底鋼制矩形框，將微區(qū)埋30 cm深，施用豐度為10.22%15N標(biāo)記尿素(上?；ぱ芯吭荷a(chǎn))。微區(qū)內(nèi)設(shè)置單獨(dú)小型排灌系統(tǒng)，水稻的種植模式、灌溉模式、肥料用量及秸稈生物炭施用量等田間管理與所在試驗(yàn)小區(qū)相同。

1.4 樣品的采集與測(cè)定

1.4.1植株氮含量及15N豐度

水稻成熟期測(cè)植株氮含量，從各小區(qū)和微區(qū)隨機(jī)選取3穴具有代表性水稻植株，用噴霧器及時(shí)沖洗干凈，切除根后將植株地上部分為莖鞘、葉、穗，并裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，干燥箱105℃殺青30 min，然后于80℃鼓風(fēng)條件下干燥至質(zhì)量恒定后，立即稱量各部位干物質(zhì)的質(zhì)量。稱量后將樣品用球磨機(jī)粉碎，過篩(80目)后混勻，采用消煮法(H2SO4-H2O2)及AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(Seal Analytical GmbH，德國(guó))測(cè)定植株各部位的全氮含量，并將剩余樣品裝袋密封保存，用于同位素測(cè)定。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，主要利用元素分析儀(Flash 2000 HT型，美國(guó))和同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，美國(guó))聯(lián)用的方法測(cè)定水稻收獲后不同器官的15N豐度。

不同水炭運(yùn)籌下水稻植株樣品中積累的氮素來自于15N-尿素百分比Ndff參照張忠學(xué)等[11]的公式計(jì)算，即

(1)

式中a——微區(qū)內(nèi)水稻植株樣品15N豐度，%

b——相同處理微區(qū)外水稻植株樣品的15N豐度，%

c——15N標(biāo)記尿素中15N的豐度，%

d——天然15N豐度標(biāo)準(zhǔn)值，為0.366 3%

水稻植株樣品中積累的氮素來自于土壤氮素的百分比為

Ndfs=1-Ndff

(2)

植株樣品中從土壤吸收的氮素量FNs(kg/hm2)為

FNs=NdfsDMNC

(3)

式中DM——水稻植株干物質(zhì)量，kg/hm2

NC——水稻植株含氮率，%

1.4.2土壤無機(jī)氮累積量

Nm=0.1HBDC

(4)

式中H——土層厚度，cm

BD——對(duì)應(yīng)土層土壤容重，g/cm3

C——對(duì)應(yīng)土層中無機(jī)氮質(zhì)量比，mg/kg

1.4.3殘留的肥料-15N中無機(jī)氮含量

本試驗(yàn)采用微擴(kuò)散法[13-14]制備不同處理土壤浸提液中無機(jī)氮的15N穩(wěn)定同位素比值樣品。并通過同位素質(zhì)譜儀和元素分析儀聯(lián)用的方法測(cè)定樣品中15N穩(wěn)定同位素的比值[15]。樣品制備過程中設(shè)置空白對(duì)照校正測(cè)定的結(jié)果，以確保測(cè)定的土壤樣品中無機(jī)氮的15N豐度更準(zhǔn)確。校正公式為

(5)

式中Es——校正后的樣品15N豐度，%

Em——實(shí)際測(cè)定的樣品15N豐度，%

Ms+b——樣品含氮量和空白對(duì)照含氮量的總和，μg

Eb——空白對(duì)照的15N豐度，%

Mb——空白對(duì)照的含氮量，μg

1.4.4土壤氮素激發(fā)率

土壤氮素激發(fā)率計(jì)算公式為

(6)

式中NPK——施氮處理來自土壤中氮量，kg/hm2

PK——不施氮處理植株總氮量，kg/hm2

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用WPS 2019、SPSS分析和處理數(shù)據(jù)，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 不同水炭運(yùn)籌對(duì)水稻成熟期土壤無機(jī)氮累積量的影響

圖2 不同處理水稻收獲后銨態(tài)氮在土壤中的分布Fig.2 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

圖3 不同處理水稻收獲后硝態(tài)氮在土壤中的分布Fig.3 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

2.2 不同水炭運(yùn)籌對(duì)土壤中無機(jī)氮形態(tài)肥料氮素累積量的影響

圖4 不同處理水稻收獲后銨態(tài)氮形態(tài)的肥料氮素在土壤中的分布Fig.4 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

圖5 不同處理水稻收獲后硝態(tài)氮形態(tài)的肥料氮素在土壤中的分布Fig.5 Distributions of in soil after rice harvest under different treatments

2.3 水炭運(yùn)籌下秸稈生物炭和肥料氮對(duì)土壤氮的激發(fā)效應(yīng)

通常情況下施加無機(jī)氮會(huì)對(duì)土壤氮素產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)[16-17]，這種激發(fā)效應(yīng)能夠反映土壤氮庫(kù)的盈虧及平衡狀況。由表2(表中數(shù)據(jù)為110 kg/hm2的氮肥與生物炭耦合產(chǎn)生的激發(fā)效應(yīng))可知，不同水炭運(yùn)籌下各處理均產(chǎn)生正向激發(fā)效應(yīng)，土壤氮素激發(fā)率在138%～165%范圍內(nèi)變化。兩種灌溉模式之間土壤的氮素激發(fā)率差異顯著(P<0.05)，當(dāng)秸稈生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，與常規(guī)淹灌相比，淺濕干灌溉模式在相同秸稈生物炭施用水平下較常規(guī)淹灌增加了2.98%、3.69%和5.22%，而施加25 t/hm2秸稈生物炭時(shí)，淺濕干灌溉模式較常規(guī)淹灌降低了4.21%；兩種灌溉模式的土壤氮素激發(fā)率不同處理之間差異均顯著(P<0.05)，且隨著秸稈生物炭施入量的增加而增大。

表2 土壤氮的激發(fā)率Tab.2 Soil nitrogen excitation effect %

注：同列不同小寫字母表示不同處理在P<0.05水平差異顯著，下同。

2.4 不同水炭運(yùn)籌下水稻對(duì)土壤氮素利用及產(chǎn)量的影響

圖6 不同處理水稻地上部植株從土壤中吸收的氮素量及對(duì)氮素總累積量的貢獻(xiàn)率Fig.6 Nitrogen uptake from soil and its contribution to total nitrogen accumulation by rice aboveground plants under different treatments

由圖6可知，不同水炭運(yùn)籌下水稻植株從土壤中吸收的氮素占總吸氮量的79.40%～82.19%，各處理水稻植株從土壤中吸收的氮素均顯著高于吸收的肥料氮素(P<0.05)。當(dāng)秸稈生物炭施加量在0～12.5t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式水稻植株從土壤中吸收的氮素量均隨秸稈生物炭施用量的增加而增大，淺濕干灌溉模式下施加2.5、12.5、25 t/hm2秸稈生物炭處理植株從土壤中吸收的氮素量較不施加秸稈生物炭處理分別提高1.25%、10.23%和6.99%。水稻植株從土壤吸收的氮素量在相同秸稈生物炭施用水平下兩種灌溉模式之間的差異顯著(P<0.05)，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻植株從土壤中吸收的氮素量較常規(guī)淹灌分別提高4.04%、4.99%、8.64%和1.03%，研究結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式植株對(duì)土壤氮素的吸收優(yōu)于常規(guī)淹灌。

由表3可知，水稻成熟期土壤氮素在植株各器官的分布差異較大，兩種灌溉模式不同秸稈生物炭施用水平下植株地上部各器官中土壤氮素的累積量由大到小依次為穗、莖鞘、葉，當(dāng)秸稈生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式土壤氮素在葉片、莖鞘和穗中的累積量均隨著秸稈生物炭施用量的增加而增大，而施加25 t/hm2秸稈生物炭會(huì)對(duì)淺濕干灌溉模式土壤氮素在穗中的累積產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。淺濕干灌溉模式土壤氮素累積量的9.79%～13.96%分布在植株葉片中；15.71%～20.03%分布在植株莖鞘中；66.00%～74.50%分布在植株穗部。常規(guī)淹灌模式土壤氮素累積量的12.10%～15.73%分布在植株葉片中；17.10%～18.86%分布在植株莖鞘中；65.87%～68.82%分布在植株穗部。當(dāng)施加秸稈生物炭量在0～12.5 t/hm2時(shí)，淺濕干灌溉模式下相同秸稈生物炭施用量水稻植株在葉片和莖鞘中的土壤氮素累積量低于常規(guī)淹灌，而在穗中的土壤氮素累積量顯著高于常規(guī)淹灌(P<0.05)。淺濕干灌溉模式各處理較常規(guī)淹灌不施加生物炭水稻產(chǎn)量分別增加了1.36%、2.37%、14.59%和4.73%。綜合考慮寒地黑土區(qū)土壤氮庫(kù)盈虧平衡，淺濕干灌溉模式施加12.5 t/hm2秸稈生物炭的水炭運(yùn)籌模式最優(yōu)。

表3 水稻成熟期各器官中土壤氮素的累積量及產(chǎn)量Tab.3 Accumulation of soil nitrogen in organs and yield of rice at maturity kg/hm2

3 討論

表4 收獲后土壤氮素盈虧量Tab.4 Budget of soil N after harvest kg/hm2

4 結(jié)論

(3)兩種灌溉模式各處理水稻植株對(duì)土壤氮素吸收均產(chǎn)生正的激發(fā)效應(yīng)，兩種灌溉模式之間土壤的氮素激發(fā)率差異顯著(P<0.05)，淺濕干灌溉模式的激發(fā)效果更明顯。不同水炭運(yùn)籌下，水稻植株從土壤中吸收的氮素占總吸氮量的79.40%～82.19%，相同秸稈生物炭施用水平下，淺濕干灌溉模式水稻植株從土壤中吸收的氮素量比常規(guī)淹灌提高了1.03%～8.64%。淺濕干灌溉模式土壤氮素積累量的9.79%～13.96%分布在植株葉片，15.71%～20.03%分布在植株莖鞘，66.00%～74.50%分布在植株穗部。淺濕干灌溉模式各處理較常規(guī)淹灌不施加生物炭水稻產(chǎn)量分別增加了1.36%、2.37%、14.59%和4.73%。

(4)綜合考慮寒地黑土區(qū)土壤氮庫(kù)盈虧平衡，淺濕干灌溉模式施加12.5 t/hm2秸稈生物炭的水炭運(yùn)籌模式最優(yōu)。