浮萍對(duì)不同氮肥用量下稻田水中氮含量動(dòng)態(tài)的影響

陳曉冬 郭 彬 劉俊麗 汪海燕 李凝玉 馬 潔 傅慶林 李 華,*

(1 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2 浙江大學(xué)原子核農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和浙江省核農(nóng)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058；3 浙江省水資源水電管理中心(浙江省水土保持監(jiān)測(cè)中心)，浙江 杭州 310009)

水稻田是南方地區(qū)主要的土地利用形式之一。為維持水稻的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，化學(xué)肥料如氮肥等被大量施用，但其當(dāng)季作物利用率較低，其中氮肥利用率僅為30%～35%[1]。過(guò)量的氮肥不僅會(huì)對(duì)土壤產(chǎn)生危害，也會(huì)通過(guò)淋失、徑流等方式進(jìn)入水體，造成水體污染[2-3]。田面水作為稻田土壤與大氣的中間介質(zhì)，其氮素濃度、生物多樣性、pH值及溫度等條件的變化直接影響著氮素的轉(zhuǎn)化過(guò)程，并對(duì)評(píng)估氮素流失潛能產(chǎn)生重要的影響[3-5]。

浮萍作為稻田、溝渠等水體中常見(jiàn)的一種單子葉漂浮植物，能夠富集水體中多種物質(zhì)，如氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，且具有繁殖速度快、吸收氮磷能力強(qiáng)等特點(diǎn)[6-7]。浮萍主要通過(guò)吸收水體中的氮轉(zhuǎn)化為自身結(jié)構(gòu)物質(zhì)、影響微生物分解利用等過(guò)程參與氮轉(zhuǎn)化[6, 8-9]，更多地被用于氮磷污染的水體治理與生態(tài)修復(fù)以及生物資源利用等領(lǐng)域[10-13]。與污水不同，稻田田面水氮素濃度因施肥、灌溉等農(nóng)業(yè)管理措施而呈現(xiàn)階段性的大幅度變化[14-16]，不同氮肥用量下浮萍對(duì)氮含量的動(dòng)態(tài)影響值得進(jìn)一步關(guān)注。

南方稻區(qū)的浮萍以青萍和紫萍為主[17]，大量繁殖的浮萍除本身吸收氮素外[18]，還可以影響水體硝化、反硝化反應(yīng)及氨揮發(fā)等主要氮素轉(zhuǎn)化過(guò)程[4, 7, 19]。目前浮萍對(duì)稻田田面水氮素轉(zhuǎn)化的研究較少，且多集中在單一浮萍。本研究通過(guò)盆栽試驗(yàn)，探究浮萍(青萍和紫萍)對(duì)不同氮肥用量下稻田水中氮[氨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、全氮]含量動(dòng)態(tài)的影響，以期為浮萍在優(yōu)化稻田氮素利用、減少稻田氮素流失等稻田優(yōu)化方法提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試浮萍為青萍(Lemmaminor)和紫萍(Spirodelapolyrrhiza)， 采自浙江省平湖市水稻試驗(yàn)田及周邊溝渠，取回后用自來(lái)水反復(fù)清洗干凈后用蒸餾水沖洗，放置在浮萍專(zhuān)用培養(yǎng)液中馴化培養(yǎng)[20]，待生物量大量擴(kuò)增后供試驗(yàn)用。

供試水稻品種為甬優(yōu)9，秧苗購(gòu)置于嘉興市水月灣農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理匯總。利用Origin軟件作圖。采用單因素方差分析進(jìn)行檢驗(yàn)，并采用Duncan法進(jìn)行處理間差異分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氮梯度下浮萍對(duì)田面水NH4+-N含量的影響

不同氮梯度下青萍對(duì)稻田田面水NH4+-N含量的影響如圖1-A所示，所有處理在0～40 d內(nèi)田面水NH4+-N含量均呈下降趨勢(shì)。初始田面水中NH4+-N的含量與施氮量成正比，以N360處理的NH4+-N含量最高，達(dá)到42.15 mg·L-1。N90和N180處理在0～20 d內(nèi)NH4+-N含量快速下降；N270和N360等高氮量處理的NH4+-N含量在0～20 d內(nèi)快速下降，但20～40 d內(nèi)下降速度有所緩和。在20～30 d內(nèi)，N270和N360高氮量處理的NH4+-N含量顯著高于N90和N180處理，至培養(yǎng)40 d時(shí)，各處理之間差異不顯著。

紫萍對(duì)不同施氮量下稻田田面水NH4+-N含量的影響與青萍一致(圖1-B)。施氮當(dāng)天NH4+-N含量達(dá)到峰值，其中N360處理含量最高，為38.64 mg·L-1， 各施氮處理依次為N360>N270>N180>N90>N0。在0～10 d內(nèi)，N360處理的NH4+-N含量下降速率最快。與青萍相比，相同施氮量下添加紫萍處理下田面水NH4+-N含量均低于青萍，表明紫萍對(duì)田面水NH4+-N的吸收量高于青萍。

注：不同小寫(xiě)字母表示施肥處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as follwing.圖1 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)對(duì)稻田田面水氨氮含量的影響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 不同氮梯度下浮萍對(duì)田面水NO3--N含量的影響

由圖2-A可知，除N0處理外，施氮處理的NO3--N含量均出現(xiàn)快速升高再下降的趨勢(shì)，并在第10天達(dá)到峰值，以N360處理最高，為14.4 mg·L-1。 培養(yǎng)0～20 d，不同氮添加量處理的NO3--N含量差異不顯著；培養(yǎng)40 d，N270和N360處理顯著高于其他低氮處理?？梢?jiàn)，添加青萍可以維持高氮輸入量下(270和360 kg N·hm-2)田面水的NO3--N含量。

紫萍處理下田面水NO3--N含量對(duì)氮梯度的響應(yīng)與青萍較為一致(圖2-B)。0～10 d內(nèi)，除N0處理外，各施氮處理間NO3--N含量差異不顯著，30～40 d內(nèi)，N360處理顯著高于其他處理。相比青萍，20～40 d內(nèi)，紫萍處理下田面水NO3--N含量較低，表明紫萍對(duì)田面水NO3--N吸收量高于青萍。

圖2 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)對(duì)稻田田面水硝氮含量的影響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 不同氮梯度下浮萍對(duì)稻田田面水全氮含量的影響

田面水全氮含量與施氮量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(青萍R2=0.64，P<0.05，紫萍R2=0.45，P<0.05)，田面水全氮含量總體隨著施氮量的升高而升高，且在施肥當(dāng)天達(dá)到峰值，隨后緩慢降低(圖3)。N360處理青萍和紫萍田面水全氮含量分別達(dá)到227和260 mg·L-1。青萍與紫萍在不同氮梯度下田面水全氮含量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)一致，在高氮(270和360 kg N·hm-2)輸入下，0～20 d內(nèi)，同一施氮水平下，添加青萍的田面水全氮含量總體低于添加紫萍。值得注意的是，在高氮(270和360 kg N·hm-2)輸入下，培養(yǎng)20～40 d期間，添加青萍的田面水全氮含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。

圖3 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)對(duì)稻田田面水全氮含量的影響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 討論

研究發(fā)現(xiàn)不同氮肥用量下2種浮萍放養(yǎng)對(duì)稻田田面水NH4+-N含量的影響趨勢(shì)一致，且田面水NH4+-N含量隨施氮量的增加而增加，但紫萍放養(yǎng)田面水的NH4+-N含量低于青萍。尿素施入后短時(shí)間內(nèi)會(huì)快速水解成NH4+-N，所以初始階段田面水中NH4+-N含量與施氮量成正比[4-5]。培養(yǎng)0～10 d內(nèi)，水稻及浮萍吸收同化NH4+-N以及NH4+-N發(fā)生硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N[22]，導(dǎo)致NH4+-N含量急速下降。李華等[4]研究也指出稻田田面水加入浮萍可明顯提高尿素的水解速度。此外，浮萍可以通過(guò)釋放次生代謝物等，為微生物生存提供適宜環(huán)境[23]，且微生物可吸附在浮萍下葉面和根部形成微生物膜，進(jìn)一步吸附田面水NH4+-N[24-25]。NH4+-N含量在高氮量輸入(360 kg N·hm-2)處理的下降速率最快，表明高氮量輸入下，浮萍對(duì)NH4+-N吸收和轉(zhuǎn)化速率提高，這與侍遠(yuǎn)[26]的研究結(jié)果較為一致。同時(shí)，與青萍相比，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減少稻田氮素的徑流損失，且該效果在高氮量輸入下尤為明顯，這可能是紫萍葉片較厚，葉面積較大以及多根的特性導(dǎo)致的[17]。

不同氮肥用量下，2種浮萍對(duì)稻田田面水NO3--N含量影響趨勢(shì)較為一致，且高氮用量處理添加紫萍的NO3--N含量較添加青萍低。施肥培養(yǎng)0～10 d內(nèi)，NO3--N含量均升高且各施氮處理間差異不顯著。這是因?yàn)樗w中NH4+-N發(fā)生硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為NO3--N[27]。之后NO3--N含量在培養(yǎng)10～40 d時(shí)下降，當(dāng)田面水中NH4+-N含量不足時(shí)，浮萍會(huì)吸收NO3--N來(lái)滿(mǎn)足自身生長(zhǎng)需求，所以NO3--N含量在培養(yǎng)10 d后出現(xiàn)下降趨勢(shì)，這與李陽(yáng)等[8]的研究結(jié)果一致。但高氮輸入下(360 kg N·hm-2)，浮萍培養(yǎng)30～40 d時(shí)田面水NO3--N含量緩慢上升，可能由浮萍后期釋氮及降解作用導(dǎo)致[28]。相比青萍，紫萍在降低田面水NO3--N含量方面效果更佳，表現(xiàn)在對(duì)于高氮施用量處理下田面水的NO3--N吸收量較大。這可能是由于在以NO3--N作為氮源時(shí)，紫萍的生長(zhǎng)未受到高濃度氮的抑制，且紫萍可以將進(jìn)入體內(nèi)多余部分的NO3--N儲(chǔ)存在液泡中[29]。

青萍與紫萍對(duì)不同氮梯度下田面水全氮含量動(dòng)態(tài)變化的影響趨勢(shì)一致，整個(gè)培養(yǎng)期低氮處理下呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。但在高氮(270和360 kg N·hm-2)輸入下，培養(yǎng)后期(20～40 d)全氮含量呈先升高后降低的趨勢(shì)，這個(gè)波動(dòng)可能是由于田面水中氨硝比降低(0～20 d均值為88，20～40 d均值為0.75)不利于浮萍的生長(zhǎng)，導(dǎo)致浮萍腐解[25, 30]，向水中釋放一定量的氮素，使全氮含量有所上升。另一方面，高氮輸入下，浮萍將大量氮素吸收在體內(nèi)，當(dāng)浮萍內(nèi)氮素濃度高于其與田面水濃度的平衡值時(shí)，會(huì)進(jìn)一步造成浮萍腐解進(jìn)而向田面水中釋放氮素[4]。此外，高氮輸入下，浮萍根系的酸性分泌物能夠通過(guò)抑制微生物的反硝化作用，降低氮素的損失[25-26]。

4 結(jié)論