胡繼杰，朱練峰，胡志華，鐘 楚,3，林育炯，張均華，曹小闖，Allen Bohr James，禹盛苗，金千瑜※

（1. 中國(guó)水稻研究所水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310006；2. 江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 331717；3. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070）

土壤增氧方式對(duì)其氮素轉(zhuǎn)化和水稻氮素利用及產(chǎn)量的影響

胡繼杰1，朱練峰1，胡志華2，鐘 楚1,3，林育炯1，張均華1，曹小闖1，Allen Bohr James1，禹盛苗1，金千瑜1※

（1. 中國(guó)水稻研究所水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310006；2. 江西省紅壤研究所/國(guó)家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 331717；3. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070）

以3種不同生態(tài)型水稻品種中浙優(yōu)1號(hào)（水稻）、IR45765-3B（深水稻）和中旱221（旱稻）為材料，比較研究了不同增氧方式（T1-增施過氧化鈣、T2-微納氣泡水增氧灌溉、T3-表土濕潤(rùn)灌溉和CK-淹水對(duì)照）下稻田土壤氮素轉(zhuǎn)化和水稻氮素吸收利用特性。結(jié)果表明：1）增氧處理明顯改善土壤氧化還原狀況，3種增氧方式下土壤氧化還原電位均高于CK。稻田增氧促進(jìn)土壤氮素硝化，在分蘗期和齊穗期T1、T2和T3的土壤硝化強(qiáng)度和脲酶活性均顯著高于CK，反硝化強(qiáng)度顯著低于CK。2）不同增氧處理對(duì)水稻氮素吸收的影響不同，在拔節(jié)期、齊穗期和完熟期3品種的植株氮素積累量均表現(xiàn)為T1、T2顯著高于CK，而T3顯著低于CK；在完熟期，T1處理下中浙優(yōu)1號(hào)、IR45765-3B和中旱221植株氮素積累量分別較CK增加了21.2%、13.2%和17.0%，而T2處理下3品種的植株氮素積累量分別較CK增加了14.3%、6.9%和9.1%。3）與CK相比，T1和T2顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)，氮素籽粒生產(chǎn)效率與CK無顯著差異，而T3顯著增加水稻氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和氮素籽粒生產(chǎn)效率?？梢姡┯眠^氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉能有效改善稻田土壤氧化還原狀況，不僅顯著提高水稻產(chǎn)量，而且顯著增強(qiáng)稻田氮的硝化而減少氮素?fù)p失，從而提高水稻氮素積累量和氮素收獲指數(shù)。

土壤；氮；酶；水稻；增氧方式；氮素轉(zhuǎn)化；土壤氧化還原電位；氮素利用率

0 引 言

水稻屬半水生作物，通常生長(zhǎng)于淹水環(huán)境，而水稻根系生長(zhǎng)需要大量氧氣，為了滿足根系對(duì)氧氣的需求，水稻自身會(huì)形成發(fā)達(dá)的通氣組織將氧氣輸送到地下部[1]。盡管如此，眾多研究仍表明，良好的土壤通氣狀況有利于水稻的生長(zhǎng)發(fā)育[2-4]。稻田長(zhǎng)期淹水易導(dǎo)致土壤缺氧，植物在低氧逆境下根系呼吸以無氧呼吸為主，能量嚴(yán)重不足[5]。水稻根際氧供應(yīng)不足導(dǎo)致地上部和根系生長(zhǎng)不良，生理代謝活性下降，養(yǎng)分吸收受阻，最終影響水稻的干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成[3,6-7]。低氧脅迫下植物氮代謝途徑發(fā)生改變，硝酸還原酶活性受到低氧誘導(dǎo)，但亞硝酸還原酶活性下降，導(dǎo)致NO2-積累而引起毒害[8]。此外，稻田低氧環(huán)境使得反硝化作用加劇，土壤微生物利用NO3-代替氧氣作為電子受體，在一系列反硝化酶作用下產(chǎn)生N2O和NO[9]。在厭氧或缺氧條件下還會(huì)發(fā)生厭氧氨氧化反應(yīng)，以亞硝酸為電子受體將氨氧化為氮?dú)猓∟H4++NO2-=N2+ 2H2O）[10]，造成嚴(yán)重的氮素流失。當(dāng)土壤含水量超過30%時(shí)，土壤反硝化速率急劇上升[11]。Rückauf等[12]研究也表明，淹水土壤中氮素轉(zhuǎn)化以反硝化作用為主，且N2排放量超過N2O。可見，改善稻田氧環(huán)境對(duì)于促進(jìn)水稻生長(zhǎng)和氮素利用均有重要意義。

稻田干濕交替灌溉、廂溝灌溉、畦溝灌溉等灌溉模式通過改變土壤水分與空氣的比例，有效增加了土壤的通氣性，改善水稻根際氧環(huán)境，具有很好的水稻增產(chǎn)效果[13-16]。但由于天氣、人工投入及其他因素限制，這些灌溉方式在大面積推廣應(yīng)用上難以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。有研究表明，直接施用“氧肥”（過氧化鈣、過氧化尿素等）或采用微納氣泡水增氧灌溉等方式可以有效改善稻田土壤氧氣狀況，提高水稻后期根系功能，延緩葉片衰老，促進(jìn)籽粒灌漿，從而增加產(chǎn)量[17-19]，而且與干濕交替灌溉等水分管理方式相比受天氣因素影響小，可操作性強(qiáng)，對(duì)改善稻田氧營(yíng)養(yǎng)更直接、有效。還有研究表明，營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)條件下，水稻根際充氧也能夠顯著提高水稻根系活力和植株氮代謝相關(guān)酶活性，對(duì)植株氮素吸收及氮素積累具有積極作用[20-21]。但這些研究多為水培環(huán)境下進(jìn)行，而且也主要關(guān)注于水稻氮素吸收利用，而對(duì)于不同稻田氧環(huán)境下的氮素轉(zhuǎn)化特性及不同類型水稻的氮素吸收研究較少。為此，本試驗(yàn)在頂部透明塑料膜擋雨的水泥池栽條件下，以不同生態(tài)類型水稻為材料，比較研究施用過氧化鈣、微納氣泡水增氧灌溉和表土濕潤(rùn)灌溉等不同增氧方式與淹水處理，對(duì)稻田氮素轉(zhuǎn)化、水稻氮素利用和產(chǎn)量的影響，以期為水稻增氧栽培技術(shù)應(yīng)用和提高水稻氮素利用效率提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于浙江省杭州市富陽區(qū)中國(guó)水稻研究所試驗(yàn)基地（30°05′N、119°56′E，海拔6.5 m），在頂部用透明塑料薄膜遮雨的水泥栽培池進(jìn)行。試驗(yàn)小區(qū)土壤為青紫泥土，質(zhì)地為壤質(zhì)黏土，肥力均勻，土壤有機(jī)質(zhì)含量為27.52 g/kg、全氮1.92 g/kg、堿解氮141 mg/kg、速效磷9.8 mg/kg、速效鉀96.75 mg/kg，pH值為6.8。

供試材料為中浙優(yōu)1號(hào)（水稻）、IR45765-3B（深水稻）和中旱 2 21（旱稻）。試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，主處理為追施過氧化鈣（T1）、微納氣泡水增氧灌溉（T2）、表土濕潤(rùn)灌溉（T3）和淹水對(duì)照（CK）4個(gè)不同根部氧調(diào)控處理，副處理為3個(gè)水稻供試品種。小區(qū)面積2.6 m2，3次重復(fù)。不同根部氧調(diào)控處理的具體方法為：T1、T2和CK除擱田期外，土表均保持8～10 cm灌溉水層，而且T1處理分別在移栽前（與基肥同施）、分蘗盛期、齊穗期和灌漿期按照1:1:1:1比例施入過氧化鈣，過氧化鈣總用量折合活性氧總量為16 kg/hm2，所用過氧化鈣（粉末狀）有效含量為60%；T2處理水稻全生育期使用經(jīng)過微納氣泡發(fā)生器（型號(hào)MBO75-ZS，上海亙輝水處理技術(shù)有限公司代理）進(jìn)行增氧處理的灌溉水灌溉；T3處理在水稻移栽-返青期保持8～10 cm水層，隨后待水自然落干，并一直保持土壤濕潤(rùn)但表土無水層。在T1處理施用過氧化鈣時(shí)，其他3個(gè)處理同時(shí)施用相同鈣量的氧化鈣。

3個(gè)水稻品種均于2015年5月21日播種，6月11日移栽，行株距均為15 cm×22.5 cm，中浙優(yōu)1號(hào)每穴插1粒谷苗，IR45765-3B和中旱221每穴2粒谷苗。各處理施N 180 kg/hm2，按5:3:2分為基肥、分蘗肥和穗肥3次施用；P2O590 kg/hm2，全部作基肥施用；K2O 150 kg/hm2按1:1分基肥、穗肥2次施用；本試驗(yàn)所用的肥料分別為尿素（N：46%），鈣鎂磷肥（P2O5：12%）和氯化鉀（K2O：60%）。病蟲草害及其他田間管理與當(dāng)?shù)匾话愀弋a(chǎn)田管理措施相同。

1.2 項(xiàng)目測(cè)定與方法

1.2.1 氧化還原電位

土壤氧化還原電位（Eh）采用InLab Redox白金氧化還原電極（上海梅特勒-托利多公司）進(jìn)行測(cè)定。分別在各水稻品種移栽后1 d、分蘗期、拔節(jié)期、齊穗期、乳熟期、蠟熟期和完熟期上午08:00-12:00，以梅花式取樣法選取各小區(qū)中心區(qū)域 5 個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，取平均值。每次將電極探頭直接插到植株根部周圍8～9 cm土壤深度，然后橫移1～2 cm，再向下深入1 cm，保證探頭與土壤完全接觸，待顯示屏讀數(shù)穩(wěn)定后保存數(shù)據(jù)。測(cè)定時(shí)均為晴好天氣。

1.2.2 土壤脲酶活性、硝化及反硝化強(qiáng)度

土壤樣品分別于各水稻品種分蘗期、齊穗期和蠟熟期上午08:00－11:00采集，采用5點(diǎn)取土法，用土鉆緊貼并沿水稻莖稈方向在水稻根部周圍取0～10 cm土壤樣品約1 kg，密封并送回實(shí)驗(yàn)室4 ℃冷藏保存，3～4 d內(nèi)測(cè)定完畢。采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定土壤脲酶活性[22]；采用懸浮液培養(yǎng)法表征土壤硝化強(qiáng)度[23]；采用厭氧泥漿培養(yǎng)法表征土壤反硝化強(qiáng)度[24]。

1.2.3 干物質(zhì)量及植株氮

分別于拔節(jié)期、齊穗期和成熟期按各處理每穴平均莖蘗數(shù)取代表性植株5穴，將所取水稻植株分為莖、葉、穗3部分，于烘箱經(jīng)105 ℃殺青30 min，80 ℃下烘干至恒重后稱量不同部位的干物質(zhì)量。稱重后的樣品混勻粉碎，采用H2SO4-H2O2消化，以半微量凱氏定氮法測(cè)定植株全氮含量[22]。

1.2.4 測(cè)產(chǎn)

成熟期調(diào)查有效穗數(shù)，每處理取代表性 5 穴，風(fēng)干后考種；各小區(qū)除掉2行邊行，全部收獲曬干后稱產(chǎn)量，同時(shí)用谷物水分測(cè)定儀（型號(hào)為 K ett PM-8188，日本三久股份有限公司）測(cè)定稻谷含水量，并按13.5%（秈稻）標(biāo)準(zhǔn)含水量來折算產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

氮素積累量=某時(shí)期地上部干物質(zhì)量×含氮量；

氮素總積累量=成熟期地上部干物質(zhì)量×含氮量；氮素階段積累量=后一時(shí)期氮素積累量－前一時(shí)期氮素積累量；

氮素籽粒生產(chǎn)效率=籽粒產(chǎn)量/氮素總積累量；

氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率=地上部干物質(zhì)量/氮素總積累量；

氮素收獲指數(shù)=籽粒氮素累積量/氮素總積累量；

收獲指數(shù)=籽粒產(chǎn)量/生物產(chǎn)量。

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用SPSS 12.0.1數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行處理間顯著性檢驗(yàn)，顯著水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同增氧方式下稻田土壤氧化還原電位

氧化還原電位（Eh）可間接反映稻田土壤的通氣狀況。由圖1可以看出，隨生育期推進(jìn)，土壤Eh總體呈先降后升趨勢(shì)，且均為負(fù)值，說明稻田處于還原狀態(tài)。從移栽期到分蘗期，由于稻田開始淹水，各處理Eh下降幅度最大，T1、T2、T3和CK分別平均降低54.8、49.7、46.9和87.2 mV；從分蘗期到乳熟期各處理Eh下降速率趨于平緩，3個(gè)水稻品種T1、T2、T3和CK分別維持在-127.2～-68.5 mV、-149.7～-75.3 mV、-144.0～-77.3 mV和-206.1～-128.4 mV；至蠟熟、完熟期，由于稻田排干表土水分，各處理Eh均有所回升。所有測(cè)定時(shí)期，3種增氧處理Eh均高于CK，在拔節(jié)期差異顯著（P＜0.05）。全生育期，3種增氧處理間無顯著差異（P＞0.05）?？梢?，與淹水灌溉相比，不同增氧方式均有利于改善土壤通氣狀況，提高土壤Eh。

圖1 不同增氧方式土壤氧化還原電位動(dòng)態(tài)Fig.1 Dynamics of redox potential of soil under different aeration methods

2.2 不同增氧方式對(duì)稻田土壤硝化、反硝化強(qiáng)度和脲酶活性的影響

不同增氧方式顯著影響土壤硝化強(qiáng)度（圖2）。3個(gè)水稻品種土壤硝化強(qiáng)度均隨生育進(jìn)程逐漸下降，在分蘗期和齊穗期，增氧處理硝化強(qiáng)度均大于或顯著大于CK，各增氧處理間則差異不顯著（P＞0.05），隨著生育進(jìn)程的推進(jìn)，增氧處理與對(duì)照之間硝化強(qiáng)度的差異逐漸減小。分蘗期3個(gè)水稻品種T1、T2和T3硝化強(qiáng)度分別是CK的1.37、1.33和1.41倍（P＜0.05），齊穗期分別是CK的1.22、1.19和1.25倍（P＜0.05）。蠟熟期，不同處理間的差異不顯著（P＞0.05）。

不同時(shí)期3個(gè)品種的土壤反硝化強(qiáng)度變化不大（圖3）。與土壤硝化強(qiáng)度的趨勢(shì)相反，在分蘗期和齊穗期，除了T2處理下中旱221土壤反硝化強(qiáng)度與CK差異不顯著（P＞0.05），3個(gè)增氧方式下3品種的土壤反硝化強(qiáng)度均顯著低于CK（P＜0.05）。不同增氧處理間比較，僅僅分蘗期T3處理中浙優(yōu)1號(hào)稻田土壤反硝化強(qiáng)度顯著低于T2（P＜0.05），其他時(shí)期不同處理間差異不顯著（P＞0.05）。蠟熟期，不同處理間的差異不顯著（P＞0.05）。

不同處理間土壤脲酶活性與硝化強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相似（圖4）。分蘗期和齊穗期，增氧處理稻田土壤脲酶活性均顯著高于CK（P＜0.05）。其中分蘗期3個(gè)水稻品種T1、T2和T3的土壤脲酶活性分別是CK的1.50、1.43和1.36倍（P＜0.05），齊穗期分別是CK的1.39、1.32和1.38倍（P＜0.05），不同增氧處理間無顯著差異（P＞0.05）。蠟熟期，不同處理間的差異不顯著（P＞0.05）。

圖2 不同增氧方式土壤硝化強(qiáng)度的差異Fig.2 Difference in nitrification intensity of soil under different aeration methods

圖3 不同增氧方式土壤反硝化強(qiáng)度的差異Fig.3 Difference in denitrification intensity of soil under different aeration methods

圖4 不同增氧方式土壤脲酶活性的差異Fig.4 Difference in urease activity of soil under different aeration methods

2.3 不同增氧方式下水稻植株氮素積累量差異

不同增氧方式下水稻主要生育期的氮素積累量表現(xiàn)不同（表1）。3個(gè)水稻品種在拔節(jié)期、齊穗期和完熟期氮素積累量在不同處理間變化趨勢(shì)基本一致：T1＞T2＞CK＞T3，而且隨生育進(jìn)程推進(jìn)，不同處理間水稻氮素積累量差異增大。其中，T1、T3和CK間差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）；T2處理在品種間表現(xiàn)不同，中浙優(yōu)1號(hào)和中旱221各生育期T2均顯著高于CK（P＜0.05），而IR45765-3B拔節(jié)和齊穗期T2與CK無顯著差異（P＞0.05），完熟期T2顯著高于CK（P＜0.05），表明同樣條件下，T1較T2更有利于提高IR45765-3B氮素積累量。完熟期，T1處理下中浙優(yōu)1號(hào)、IR45765-3B和中旱221植株氮素積累量分別較CK高21.2%、13.2%和17.0%（P＜0.05），T2處理下3品種分別較CK增加了14.3%、6.9%和9.1%（P＜0.05），而T3處理下3品種植株則分別較CK低11.5%、13.4%和13.4%（P＜0.05）。

不同增氧處理下水稻不同生育階段植株氮素積累量不同（表1）。播種期至拔節(jié)期3品種的植株氮積累量在所有生育階段最高，占全生育期43.8%～51.4%，拔節(jié)期至齊穗期不同處理下品種間氮積累量差異較大，中浙優(yōu)1號(hào)、IR45765-3B和中旱221氮素貢獻(xiàn)比例平均分別為40.6%、36.9%和29.2%，齊穗期至完熟期水稻氮素積累量占總積累量比例最小，為14.3%～22.5%。不同處理下3品種的氮素積累量均表現(xiàn)為T1＞T2＞CK＞T3，但在不同生育階段處理間差異不同，在播種期至拔節(jié)期T1、T2處理間差異不大，但均顯著高于CK（P＜0.05），而T3處理顯著低于CK（P＜0.05）。在拔節(jié)期至齊穗期3品種T1處理均顯著高于CK（P＜0.05），IR45765-3B和中浙優(yōu)1號(hào)T3與CK差異顯著（P＜0.05）。齊穗期至完熟期T1處理顯著高于CK（P＜0.05），IR45765-3B和中旱221 T3處理與CK差異顯著（P＜0.05）。

表1 不同增氧方式水稻植株氮素積累量的差異Table 1 Difference in N accumulation of rice under different aeration methods

2.4 不同增氧方式對(duì)水稻干物質(zhì)生產(chǎn)、產(chǎn)量和氮素利用效率的影響

由表2可以看出，3品種不同處理間水稻植株干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量表現(xiàn)一致，均表現(xiàn)為T1處理高于T2處理，其次CK，而T3處理最低，其中產(chǎn)量處理間差異顯著（P＜0.05）。3個(gè)水稻品種 T 1、T2植株干物質(zhì)量分別較CK高11.7%～17.0%和3.3%～10.1%（P＜0.05）；而3個(gè)水稻品種T1、T2處理的籽粒產(chǎn)量分別較CK高18.2%～22.4%和8.8%～13.9%（P＜0.05），T3則較CK低5.9%～8.2%（P＜0.05）。T1、T2處理下中浙優(yōu) 1 號(hào)的干物質(zhì)量和籽粒產(chǎn)量較CK增幅最大，其次為IR45765-3B，中旱221增幅最小。T1和T2處理顯著提高中浙優(yōu)1號(hào)和IR45765-3B的收獲指數(shù)（P＜0.05），但T3下2品種的收獲指數(shù)顯著降低（P＜0.05）；而對(duì)中旱221而言，所有增氧處理均顯著提高收獲指數(shù)（P＜0.05）。

不同增氧方式3個(gè)水稻品種氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和氮素籽粒生產(chǎn)效率均以T3最高，并顯著高于其他處理（P＜0.05），而T1、T2氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和氮素籽粒生產(chǎn)效率間與CK無顯著差異（P＞0.05）。T1和T2處理下中浙優(yōu)1號(hào)氮收獲指數(shù)與CK無顯著差異（P＞0.05），但I(xiàn)R45765-3B和中旱221氮收獲指數(shù)均顯著高于CK（P＜0.05），T3處理下中浙優(yōu)1號(hào)和IR45765-3B氮收獲指數(shù)均顯著小于CK（P＜0.05），而中旱221氮收獲指數(shù)則顯著高于CK（P＜0.05）。

表2 不同增氧方式水稻植株氮素利用效率和干物質(zhì)生產(chǎn)的差異Table 2 Difference in N use efficiency and dry matter accumulation of rice under different aeration methods

3 討 論

3.1 增氧方式對(duì)土壤氧化還原電位和水稻產(chǎn)量的影響

土壤氧化還原電位與土壤通氣狀況密切相關(guān)。本試驗(yàn)中 3 種土壤增氧方式均提高了稻田土壤全生育期氧化還原電位。但不同增氧方式的增氧機(jī)理不同，增氧效果也不同。過氧化鈣是一種堿性化合物，與水反應(yīng)緩慢釋放氧氣，單次施用7～12 d內(nèi)能夠維持水體溶氧量較高水平，同時(shí)還可以釋放熱量提高土壤溫度，過氧化鈣改良潛育化稻田也有相關(guān)報(bào)道[25-26]。微納氣泡水增氧處理后灌溉水溶氧量顯著上升，并能保持4～5 d[17]，持續(xù)時(shí)間較過氧化鈣處理相對(duì)較短。表土濕潤(rùn)灌溉通過減少田間含水量提高土壤通氣性。本試驗(yàn)的結(jié)果也表明（圖 1），與對(duì)照相比，同一品種不同測(cè)定時(shí)期，3種增氧處理均提高土壤氧氣含量，表現(xiàn)為土壤氧化還原電位提高。稻田土壤含氧量除受到土壤理化性質(zhì)和外界供氧條件的影響外，水稻自身也通過通氣組織，將氧氣釋放到根際土壤中形成“氧化圈”[27]，且不同生態(tài)型水稻品種通氣組織發(fā)育與根系泌氧能力不同[28]，導(dǎo)致品種間根際土壤含氧量和氧化還原電位存在差異。李奕林[29]研究發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)水稻品種具有較為發(fā)達(dá)的根系，通氣組織發(fā)育更加完善，根系徑向泌氧量和根孔隙度也顯著高于低產(chǎn)品種。本試驗(yàn)中，相同處理下不同品種稻田土壤氧化還原電位差異可能也與品種根系自身的泌氧能力有關(guān)。

本研究還表明，不同增氧方式顯著影響水稻生長(zhǎng)和產(chǎn)量。增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉均顯著提高水稻產(chǎn)量，且增施過氧化鈣處理水稻產(chǎn)量增幅更大，這與朱練峰等[17-18]研究結(jié)果一致。但表土濕潤(rùn)灌溉處理水稻產(chǎn)量顯著低于對(duì)照，可能是因?yàn)楸硗翝駶?rùn)灌溉處理雖通過控水增大了土壤與空氣接觸面積，提高了土壤通氣性，同時(shí)也加劇了水稻的水、氣供需矛盾，從而使得水稻生長(zhǎng)受到影響。彭玉等[30-32]研究也表明，水稻旱管理和表土濕潤(rùn)處理，降低了水稻光合速率和干物質(zhì)積累量，最終降低水稻產(chǎn)量?？梢?，改善稻田土壤氧環(huán)境應(yīng)以滿足水稻水分需求為前提，否則會(huì)導(dǎo)致水稻生長(zhǎng)遭受水分限制而減產(chǎn)。

3.2 稻田增氧與土壤氮素轉(zhuǎn)化

稻田土壤中氨揮發(fā)和反硝化是造成氮肥損失的主要原因，提高水稻氮肥利用率并減少氮素流失對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響一直是研究熱點(diǎn)[33-34]。Ke等[35]研究證明氧氣分布對(duì)稻田微生物群落結(jié)構(gòu)具有導(dǎo)向作用，且溶解氧濃度上升顯著提高土壤硝化細(xì)菌豐度和活性。通過增氧處理，稻田NO、N2O釋放量均有減緩，其中NO僅為無氧環(huán)境的1%[36]，這可能會(huì)使更多的NO3-留于土壤中供植物吸收。Fujii等[37]研究也發(fā)現(xiàn)在溶解氧濃度極低的土壤中，硝化微生物豐度較低，硝化作用幾乎停止，由于缺乏氧氣，土壤中的銨鹽既沒被氧化成硝酸鹽也未被水稻根系吸收[38]。本研究結(jié)果顯示，在3種增氧處理下，3個(gè)水稻品種分蘗期和齊穗期土壤硝化強(qiáng)度顯著提高，這可能是由于土壤中氧氣含量上升使得氧化還原電位升高（圖1），有利于更多好氧硝化微生物參與硝化過程，從而提高硝化強(qiáng)度（圖 2）。而且，增氧處理下土壤氧化性提高，厭氧微生物活性受到抑制，反硝化強(qiáng)度均有所下降，從而有效減少了硝態(tài)氮經(jīng)反硝化作用發(fā)生氣態(tài)氮損失。何起利等[39]研究表明氧化還原電位會(huì)對(duì)微生物群落分布產(chǎn)生影響。本試驗(yàn)中氧氣供給（氧化還原狀況）是影響土壤硝化、反硝化作用的主控因素，3種增氧方式下土壤氧化還原電位無顯著差異，這可能使得增氧處理間與硝化、反硝化過程相關(guān)的微生物數(shù)量差異較小，而微生物是驅(qū)動(dòng)土壤氮素轉(zhuǎn)化的引擎，導(dǎo)致不同增氧方式下土壤硝化、反硝化強(qiáng)度無明顯差異。此外，本試驗(yàn)結(jié)果為取土樣測(cè)定所得，并不能完全反映土壤實(shí)際硝化、反硝化強(qiáng)度，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

肖新等[40]研究表明與淹水灌溉相比，控制灌溉能顯著提高土壤脲酶活性。本研究也表明，增氧處理具有提高脲酶活性的作用，其中分蘗期和齊穗期各增氧處理脲酶活性均顯著高于淹水灌溉，除溶解氧濃度上升提高土壤微生物活性外，由于前期肥料施用比例較大，底物充足，可能也會(huì)刺激微生物分解尿素致脲酶活性上升明顯。脲酶活性上升也有利于尿素水解，提高土壤中銨鹽濃度，為硝化作用提供充足底物，持續(xù)為水稻提供無機(jī)氮素。綜上，稻田增氧可促使稻田全生育期保持穩(wěn)定的氮素水平，供水稻高效吸收，降低氮素?fù)p失。

3.3 增氧方式下水稻氮素吸收及利用

氮素是水稻需求量最大的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，但由于氮肥的過量施用，造成氮素利用率嚴(yán)重下降，中國(guó)稻田氮肥利用率僅為28.3%[41]。根系是水稻從土壤中獲取氮素的重要器官，已有研究表明，提高根際氧濃度能夠提高水稻根系活力和吸收面積，促進(jìn)根系形態(tài)建成。此外，提高根際氧濃度還提高了植物硝酸還原酶、谷氨酰胺合成酶等氮代謝酶生理活性，葉片光合氮素利用率增加，促進(jìn)水稻對(duì)氮素的吸收和同化[20,42]。本研究表明，增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉處理下 3 個(gè)水稻品種在拔節(jié)、齊穗和完熟期以及各階段氮素積累量均顯著高于淹水對(duì)照，而表土濕潤(rùn)灌溉在播種-拔節(jié)和拔節(jié)-齊穗2個(gè)階段氮素積累量均低于對(duì)照。可見，增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉在提高稻田氧濃度的同時(shí)也有效提高了水稻對(duì)氮素的吸收和積累，朱練峰等[17]研究也表明，增氧灌溉能夠增強(qiáng)水稻生育后期根系功能、延緩葉片衰老，進(jìn)一步促進(jìn)植株氮素積累。表土濕潤(rùn)灌溉可能由于水稻前期受水分限制的影響，成熟期氮素積累量仍顯著低于淹水對(duì)照[30]，陳星等[31]研究結(jié)果也表明表土濕潤(rùn)灌溉下水稻地上部氮素積累量和氮素利用效率均顯著低于淹水處理。

胡志華等[21]研究表明，適當(dāng)提高根際氧濃度能夠顯著提高水稻的收獲指數(shù)、氮素收獲指數(shù)和氮轉(zhuǎn)運(yùn)效率。本試驗(yàn)結(jié)果表明，增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉增氧處理下水稻植株干物質(zhì)量與籽粒產(chǎn)量均顯著高于淹水處理，氮收獲指數(shù)（NHI）和收獲指數(shù)（HI）也均有所提高，說明提高稻田溶氧量不僅能夠促進(jìn)植株干物質(zhì)積累，更有利于碳水化合物和氮素向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)。表土濕潤(rùn)灌溉處理下，可能是由于水稻遭受水分脅迫，中浙優(yōu)1號(hào)和 I R45765-3B上述指標(biāo)均下降明顯，但中旱221的NHI和HI并未下降，可能與旱稻自身耐旱能力較強(qiáng)有關(guān)。另外，表土濕潤(rùn)灌溉的氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和氮素籽粒生產(chǎn)效率均顯著高于增氧處理和淹水對(duì)照，因?yàn)樗痔澣睂?dǎo)致氮吸收總量下降幅度高于干物質(zhì)和產(chǎn)量下降幅度，說明水分脅迫不利于水稻產(chǎn)量形成和氮素吸收；水分供應(yīng)充足時(shí)，增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉在促進(jìn)水稻氮素吸收的同時(shí)，也有利于干物質(zhì)積累和產(chǎn)量提高。

4 結(jié) 論

1）增施過氧化鈣、微納氣泡水增氧灌溉和表土濕潤(rùn)灌溉提高了稻田土壤氧化還原電位，改善了土壤氧環(huán)境；增氧處理下，水稻分蘗期和齊穗期土壤硝化強(qiáng)度和脲酶活性顯著高于淹水處理，促進(jìn)了土壤中無機(jī)氮的硝化，降低了土壤氮素的反硝化損失，有利于水稻對(duì)氮素的吸收與利用。

2）增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉處理顯著提高水稻籽粒產(chǎn)量、收獲指數(shù)和氮素積累量；表土濕潤(rùn)灌溉處理水稻氮素干物質(zhì)生產(chǎn)效率和氮素籽粒生產(chǎn)效率均顯著高于對(duì)照，但氮素積累量和籽粒產(chǎn)量均顯著下降。

3）3種增氧方式中，增施過氧化鈣和微納氣泡水增氧灌溉既能提高水稻產(chǎn)量、促進(jìn)氮素的吸收，也能減少氮素流失，有利于水稻高產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

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Effects of soil aeration methods on soil nitrogen transformation,rice nitrogen utilization and yield

Hu Jijie1,Zhu Lianfeng1,Hu Zhihua2,Zhong Chu1,3,Lin Yujiong1,Zhang Junhua1,Cao Xiaochuang1,Allen Bohr James1,Yu Shengmiao1,Jin Qianyu1※
(1. State Key Laboratory of Rice Biology,China National Rice Research Institute,Hangzhou 310006,China;2. Jiangxi Institute of Red Soil/National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement,Nanchang 331717,China;3. College of Plant Science and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Rice(Oryza sativa L.) is the main grain crops in China,and it has a very important strategic significance in the development of grain production and agriculture. Oxygen is an important environmental factor in paddy field ecosystem,which can affect the plant nitrogen metabolism and soil nitrogen transformation,and often plays a limiting role in rice growth and development. An experiment was conducted to reveal the effects of aeration methods on soil redox potential,nitrogen transformation in soil and nitrogen utilization of rice with Zhongzheyou 1(lowland rice),IR45765-3B(deep-water rice) and Zhonghan 221(upland rice) as materials in China National Rice Research Institute located at Hangzhou City,Zhejiang Province,China. There were four treatments,calcium peroxide application(T1),micro-bubble aerated water irrigation(T2),topsoil moist irrigation(T3) and water-logging(control CK). Split plot design was used with different aeration treatments as the main plots and cultivars as the sub-plots. The plots area was 2.6 m2and repeated 3 times randomized complete block design. The results showed that the aeration methods significantly improved soil redox potential(Eh). Soil redox potential under the condition of the three aeration methods was higher than that of control. Oxygen enrichment in paddy field promoted the nitrification of soil nitrogen. The soil nitrification intensity and urease activity of T1,T2,and T3 were significantly higher than that of CK at tillering stage and full heading stage. In contrast,the denitrification intensity of T1,T2,and T3 were remarkably lower than that of CK. The oxygen enrichment treatments could affect the uptake of rice nitrogen differently. N accumulation amounts of the three rice cultivars were considerably higher in T1 and T2 than in CK at jointing,full heading and full ripe stage,while it was substantially lower than that of CK in T3. At full ripe stage,total N accumulation amounts of Zhongzheyou 1,IR45765-3B and Zhonghan 221were increased by 21.2%,13.2% and 17.0%,respectively,in T1 as compared with control,and increased by 14.3%,6.9% and 9.1%,respectively,in T2. However,it was 11.5%,13.4% and 13.4%,respectively,lower than that of control in T3,with considerable differences between treatments(P＜0.05). Compared with control,the grain yield and harvest index of T1 and T2 were greatly increased. But their nitrogen grain production efficiency had no significant difference compared with CK. However,nitrogen biomass production efficiency and nitrogen grain production efficiency in T3 were considerably higher than that in control. Different aeration methods resulted in the differences of N harvest index among cultivars. The results indicated that application of calcium peroxide and micro-bubble aerated water irrigation effectively improved the redox state of paddy soil. They not only increased rice yield significantly,but also strengthened soil nitrification. Therefore,it reduced nitrogen loss,in turn increased N accumulation and N harvest index of rice. Based on the results,the application of calcium peroxide as complementary fertilizer and micro-bubble aerated water irrigation are able to reduce the loss of nitrogen and increase the utilization rate of nitrogen in rice,which is beneficial for the high yield and sustainable development of rice.

soils;nitrogen;enzymes;rice;aeration methods;nitrogen transformation;soil redox potential;nitrogen use efficiency

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A

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Hu Jijie,Zhu Lianfeng,Hu Zhihua,Zhong Chu,Lin Yujiong,Zhang Junhua,Cao Xiaochuang,Allen Bohr James,Yu Shengmiao,Jin Qianyu. Effects of soil aeration methods on soil nitrogen transformation,rice nitrogen utilization and yield[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):167－174.(in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.023 http://www.tcsae.org

2016-07-05

2016-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（30900880，31270035）；浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016C02050-3）

胡繼杰，作物栽培學(xué)與耕作學(xué)專業(yè)。杭州 中國(guó)水稻研究所國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，310006。Email：hujijie0201@163.com。

※通信作者：金千瑜，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事水稻生理生態(tài)和高產(chǎn)栽培技術(shù)研究。杭州 中國(guó)水稻研究所水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，310006。Email：jinqy@mail.hz.zj.cn。