楊文亭, 俞霞, 龍昌智, 朱樹偉, 魯美娟, 黃國勤, *

氮肥種類和油菜稈還田對水稻苗期碳氮累積的影響

楊文亭1, 2, 俞霞1, 2, 龍昌智1, 朱樹偉1, 魯美娟3, 黃國勤1, 2, *

1. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室, 南昌 330045 2.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)科學(xué)研究中心, 南昌 330045 3. 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)國土資源與環(huán)境學(xué)院, 南昌 330045

為探討不同氮肥種類和油菜稈還田對水稻苗期碳氮累積的影響, 設(shè)置了氮肥種類(尿素、碳酸氫銨和硫酸銨)和秸稈還田的雙因素的盆栽試驗, 測定了移栽后水稻苗期碳氮累積量和碳氮比。結(jié)果表明, 相比施用尿素, 硫酸銨顯著提高了水稻地上部氮素累積量, 顯著降低了不添加油菜秸稈條件下的水稻地上部和根碳氮比。添加油菜稈條件下, 施用硫酸銨較尿素顯著提高了播后57 d時水稻地上部和根部碳素累積量。相比不添加油菜稈, 油菜稈還田顯著抑制了播后57 d時水稻地上部和根氮吸收累積, 顯著增加了播后71 d時水稻根部氮碳素累積和57 d時碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻地上部和根部碳氮比。綜合來看, 稻油輪作系統(tǒng)中油菜稈還田時配施硫酸銨能更好的促進水稻苗期碳氮的吸收累積。研究結(jié)果為南方稻油輪作系統(tǒng)中氮素養(yǎng)分管理提供了一定的技術(shù)支持。

秸稈還田; 氮素; 水稻; 碳累積

0 前言

碳氮代謝不僅影響作物的生長發(fā)育, 而且還決定了產(chǎn)量的高低和品質(zhì)的優(yōu)劣[1]。施用氮肥是維持作物產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施之一。從1989年到2002年13年間, 氮肥施用量增加了84%, 糧食產(chǎn)量只提高了12%[2], 氮肥利用效率卻降低了7.5%[3], 大量氮素以地表徑流, 氨揮發(fā)、淋溶等形式流失, 進而帶來一系列如水體富營養(yǎng)化等生態(tài)環(huán)境問題[4]。添加有機物來調(diào)節(jié)氮素的固持和供應(yīng)是有效提高氮肥利用率的一項重要措施[5-6]。秸稈還田配施氮肥可以調(diào)控土壤氮素供應(yīng), 適宜的配施比例可以提高作物的氮素利用率、減少氮肥的損失[7-8]。秸稈還田還可以通過提高土壤中大粒徑微團聚體數(shù)目、增加土壤孔隙度和有機質(zhì)含量、降低土壤容重、優(yōu)化土壤有機質(zhì)性質(zhì)、提升水穩(wěn)定性來改善土壤結(jié)構(gòu)[9-10]。張電學(xué)等[11]發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施氮肥可調(diào)節(jié)其C/N, 能提高養(yǎng)分生物有效性, 使秸稈快速分解期及秸稈轉(zhuǎn)化過程中氮素凈釋放階段提前。

不同氮肥種類對秸稈降解和土壤養(yǎng)分的影響存在差異。姜寧寧等[12]研究表明添加玉米秸稈后能使銨態(tài)氮肥和酰胺態(tài)氮肥處理的N2O排放量明顯增加, 硝酸鈣肥處理的N2O排放量有所降低。席瑞澤等[13]研究表明, 施用尿素處理的稻田N2O排放速率大于硫酸銨處理。2017年我國油菜種植面積達665萬公頃[14], 稻油輪作模式是油菜種植優(yōu)勢區(qū)長江流域的主要種植模式, 秸稈還田是油菜稈綜合利用的主要途徑之一。外源氮的添加能夠促進土壤微生物活性, 提高秸稈降解速率[15], 更好的匹配下茬作物的氮素需求[16], 但關(guān)于油菜稈還田過程中, 添加不同氮肥種類影響后茬水稻碳氮累積的研究暫未見報道。為更合理的管理稻油輪作系統(tǒng)中的油菜稈還田, 本研究以水稻為研究對象, 通過盆栽試驗研究氮肥種類(尿素、碳酸氫銨和硫酸銨)和油菜稈還田對水稻苗期碳氮吸收累積量和碳氮比的影響, 試圖分析比較不同氮肥種類下水稻碳氮累積的能力差異, 為進一步優(yōu)化油菜稈還田下氮肥配施技術(shù)措施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

本試驗于2017年在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)科技園試驗田(115°55′E, 28°46′N)中進行。該樣地屬于南亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候, 年平均溫度16.6 ℃, 日平均溫度≥10 ℃積溫達5532.6 ℃, 無霜期約為272 d, 年降水量為1790.9 mm。供試土壤采自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園水稻田耕作層(0—20 cm)土壤。于室外風(fēng)干后剔除可見的小石塊和植物根系, 磨細(xì)過2 mm篩備用。試驗前水稻土土壤理化性質(zhì)見表1。油菜秸稈為收獲油菜籽后的莖稈, 經(jīng)剪短后烘干粉碎備用。油菜稈氮含量6.66 g·kg-1, 碳含量400.33 g·kg-1。本試驗供試水稻品種為黃華占。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽試驗。3種氮肥分別為尿素(U, 含N 46.66%)、碳酸氫銨(C, 含N 21.21%)和硫酸銨(S, 含N 17.72%); 施氮水平為150 kg·hm-2。盆栽容器為圓柱型塑料盆, 其直徑=8 cm, 高=10 cm, 每盆裝混合土0.5 kg。根據(jù)水稻種植密度(25萬穴每公頃)[17], 平均到每兜為純氮0.6 g, 即每盆施純氮0.6 g, 尿素、碳酸氫銨和硫酸銨分別為1.28、2.83和3.39 g。油菜秸稈(Canola residue, C)選自江西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院油菜課題組試驗田, 根據(jù)油菜稈的每畝平均生物量, 以及表層土(0—20 cm)土重(烘干土), 烘干粉碎后的油菜稈按自然曬干后土重的1%添加并混勻。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計, 共6個處理, 分別是(1)尿素(U), (2)碳酸氫銨(C), (3)硫酸銨(S), (4)尿素+油菜稈(UC), (5)碳酸氫銨+油菜稈(CC), (6)硫酸銨+油菜稈(SC)。2017年5月28日在江西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園溫室將油菜稈按質(zhì)量比1%與土壤混勻, 分裝, 同時用育苗缽進行水稻播種, 6月12日進行秧苗移栽, 每盆移栽1株, 考慮到水稻苗期生物量小, 于7月10日進行第1次取樣, 7月24日第2次取樣, 8月7日第3次取樣, 即在水稻播后第43、57和71 d取樣。每個處理每次取重復(fù)4盆, 共設(shè)計96盆。

表1 土壤理化性狀

1.3 測定項目與方法

1.3.1 指標(biāo)的測定

以水稻播后第43、57、71 d為取樣時間, 采取破壞性取樣, 每個處理每次取4盆, 用烘箱將水稻植株在105 ℃殺青30 min, 再在85 ℃烘干至恒重, 用粉碎機粉碎后備測植株碳和氮。植株碳氮測定參考土壤農(nóng)化分析[18], 植株碳用重鉻酸鉀-濃硫酸-加熱法測定, 植株全氮用凱氏定氮法測定。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理, 用SPSS13.0統(tǒng)計軟件中的Duncan檢驗法進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮肥種類和油菜稈對水稻氮素吸收的影響

從圖1來看, 水稻氮素吸收在不同氮肥種類和油菜稈處理下均存在一定的差異。水稻播后43 d時, 無論添加油菜稈與否, 硫酸銨處理下的水稻地上部氮素累積量均顯著高于尿素處理下的。57 d時, 添加油菜稈條件下, 相比施用尿素, 硫酸銨處理的水稻地上部和根部氮素累積量均有顯著增加, 但碳酸氫銨處理的水稻地上部氮素累積量有顯著下降。不添加油菜稈條件下, 相比施用尿素, 硫酸銨處理顯著增加了水稻地上部氮素累積量。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著降低了水稻地上部氮素的吸收累積; 添加油菜稈顯著降低了尿素和碳酸氫銨處理下的水稻根氮素累積。71 d時, 不添加油菜稈時, 相比施用尿素, 碳酸氫銨和硫酸銨顯著增加了水稻地上部氮素累積; 添加油菜稈條件下, 硫酸銨較碳酸氫銨顯著增加了水稻地上部氮素累積。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著增加了尿素處理下的水稻地上部氮素累積量, 同時增加了尿素、碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻根氮素累積量。

從雙因素方差分析結(jié)果來看(表2), 氮肥種類和油菜稈均顯著影響了苗期水稻氮素累積。油菜稈的添加抑制了43 d時水稻根和57 d時水稻地上部和根的氮素吸收累積, 但促進了71 d時水稻的氮素吸收, 特別是水稻根的氮素累積。

2.2 氮肥種類和油菜稈對水稻碳素累積的影響

從圖2來看, 水稻播后43 d時, 相比施用尿素, 添加油菜稈條件下, 硫酸銨處理顯著增加了水稻地上部碳素累積量; 不添加油菜稈時, 硫酸銨和碳酸氫銨處理均顯著增加了水稻地上部碳素累積量, 碳酸氫銨處理還增加了水稻根的碳素累積量。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著增加了尿素和硫酸銨處理下水稻地上部碳素的累積。57 d時, 添加油菜稈時, 相比施用尿素, 硫酸銨處理顯著增加了水稻地上部和根部碳素累積量, 但碳酸氫銨處理顯著降低了水稻地上部碳素累積量; 不添加油菜稈時, 相比施用尿素, 碳酸氫銨處理顯著降低了水稻碳素累積, 硫酸氫銨和硫酸銨處理顯著降低了水稻根的碳累積量。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈均顯著降低了尿素處理下的水稻碳素的累積, 也顯著降低了碳酸氫銨處理水稻地上部碳素累積。71 d時, 相比施用尿素, 添加油菜稈時, 碳酸氫銨和硫酸銨處理顯著提高了水稻根碳素累積量; 不添加油菜稈時, 碳酸氫銨和硫酸銨處理顯著降低了水稻根碳素累積量。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 硫酸銨處理顯著增加了水稻地上部碳素累積量, 碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻根碳素累積量也有顯著增加。

圖1 水稻氮素累積量

Figure 1 Nitrogen accumulation in rice

表2 水稻氮素累積量的雙因素方差分析

注:*表示顯著差異(<0.05), **表示極顯著差異(<0.01), 下同。

從雙因素方差分析結(jié)果來看(表3), 油菜稈還田顯著影響了水稻地上部碳素累積量, 氮肥種類顯著影響了43和57 d時水稻碳素累積, 油菜稈對71 d時的水稻根碳素累積也有顯著影響。油菜稈的添加抑制了57 d時尿素和碳酸氫銨處理下水稻碳素的累積, 促進了硫酸銨處理下水稻碳素的累積。油菜稈的添加明顯促進了71 d時碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻碳素累積。

圖2 水稻碳素累積量

Figure 2 Carbon accumulation in rice

表3 水稻碳素累積量的雙因素方差分析

2.3 氮肥種類和油菜稈對水稻碳氮比的影響

從圖3來看, 水稻地上部碳氮比在水稻不同生育期有增加的趨勢。水稻播后43 d時, 無論添加油菜稈與否, 碳酸氫銨處理的水稻地上部碳氮比均顯著高于尿素和硫酸銨處理下的。不添加油菜稈時, 相比施用尿素, 硫酸銨處理顯著降低了的水稻地上部碳氮比。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著增加了碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻地上部碳氮比。57 d時, 添加油菜稈條件下, 碳酸氫銨處理下的水稻地上部碳氮比顯著高于硫酸銨處理下的。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著增加了碳酸氫銨處理下水稻地上部碳氮比。71 d時, 不添加油菜稈時, 相比施用尿素, 碳酸氫銨和硫酸銨處理顯著降低了水稻地上部碳氮比。相同氮肥種類下, 油菜稈的添加沒有顯著影響水稻地上部碳氮比, 但碳酸氫銨和硫酸銨處理下的碳氮比有增加趨勢。

圖3 水稻地上部碳氮比

Figure 3 C/N ratios of rice aboveground

從圖4來看, 水稻根碳氮比在水稻不同生育期有增加的趨勢。水稻播后43 d時, 相比施用尿素, 不添加油菜稈條件下, 硫酸銨處理顯著降低了水稻根碳氮比; 添加油菜稈時, 碳酸氫銨和硫酸銨均顯著增加了水稻根碳氮比, 但硫酸銨處理下的水稻根碳氮比顯著低于碳酸氫銨處理下的。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著增加了碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻根碳氮比。57 d時, 相比施用尿素, 不添加油菜稈時, 碳酸氫銨和硫酸銨顯著降低了水稻根碳氮比; 添加油菜稈時, 三種氮肥種類對水稻根碳氮比無顯著影響。相同氮肥種類下, 相比不添加油菜稈, 添加油菜稈顯著增加了碳酸氫銨和硫酸銨處理下水稻根碳氮比。71 d時, 相比施用尿素, 不添加油菜稈條件下, 硫酸銨顯著降低了水稻根碳氮比。相同氮肥種類下, 油菜稈的添加沒有顯著影響水稻根碳氮比。

圖4 水稻根碳氮比

Figure 4 C/N ratios of rice root

3 討論

水稻對氮素的吸收利用是影響產(chǎn)量的一個重要因素[19], 合理的施肥是保證水稻高產(chǎn)的有效措施。農(nóng)作物秸稈還田對保持土壤肥力, 提高土壤碳、氮儲量具有重要作用[20]。徐國偉等[19]研究表明, 在稻麥輪作系統(tǒng)中利用小麥秸稈還田與氮肥(尿素)結(jié)合能有效促進水稻對氮素的吸收利用。本研究結(jié)果表明, 油菜稈還田降低了57 d時水稻地上部和根部的氮素吸收累積, 增加了71 d時水稻根部氮素累積。油菜稈還田抑制了57 d時水稻氮素吸收累積, 可能原因是油菜稈還田腐解釋放的大量有機酸、H2S、Fe2+、Mn2+等抑制了水稻的生長[21], 在小麥秸稈還田過程中也存在類似情況[22]。由于夏季高溫, 還田后的秸稈很快發(fā)酵分解, 隨著水稻生育進程遞進, 秸稈還田開始對水稻生長產(chǎn)生促進作用, 提高水稻光合效率和根系活力。有研究報道, 油菜稈還田后, 水稻根系及分蘗在試驗前期(移栽后19 d之前)生長較緩慢, 試驗后期(移栽后19 d之后)表現(xiàn)出快速增長[23]。水稻秸稈還田后對晚稻也有類似的結(jié)果[24]。

本研究結(jié)果表明, 施用硫酸銨處理較尿素顯著提高了水稻苗期地上部氮素累積量, 但對根部氮素累積無顯著影響。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因可能是不同氮肥的施用影響了土壤氮素養(yǎng)分的存在形式和比例, 硫酸銨的施用較尿素顯著提高了土壤堿解氮和銨態(tài)氮含量。同時尿素的施用促進了稻田土壤氧化亞氮的排放[13]。

Osaki等[25]研究表明, 在植株生長過程中碳的同化與植株體內(nèi)氮的累積存在相關(guān)性, 并且碳、氮平衡對葉片光合作用及維持較高的光合速率具有重要作用。不同施肥處理下玉米植株碳儲量與玉米產(chǎn)量和土壤有機碳積累呈顯著的指數(shù)和極顯著的線性關(guān)系[26]。本試驗研究結(jié)果表明, 添加油菜稈條件下, 施用硫酸銨較尿素顯著提高了57 d時水稻地上部和根部碳素累積量。硫酸銨的施用可能促進了油菜稈早期的腐解和養(yǎng)分釋放[27], 促進了水稻的生長。尹春梅等[28]研究表明, 在氮素充足的情況下, 每單位氮素能夠吸收同化更多的碳, 從而增加植株生物量及碳在體內(nèi)的積累[29]。低量有機肥結(jié)合化肥配施能有效促進碳素在水稻植株體內(nèi)的分配[30]。油菜稈還田抑制了尿素和碳酸氫銨處理下43和57d時的水稻碳素累積量, 產(chǎn)生這一結(jié)果的可能是是油菜稈還田腐解釋放的大量有機酸、H2S、Fe2+、Mn2+等抑制了水稻根系的生長[21]。

植物體內(nèi)的碳氮比可以體現(xiàn)植物的營養(yǎng)利用效率, 是植物生命過程的重要維持者和調(diào)節(jié)者[31], 同時也是枯枝落葉分解速率的調(diào)節(jié)因素之一, 因此對研究植物的生長和在精細(xì)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用都具有重要作用。本試驗研究結(jié)果表明, 不添加油菜稈下, 相比施用尿素, 施用硫酸銨顯著降低了水稻植株碳氮比。相比不添加油菜稈, 油菜稈的添加提高了57 d時碳酸氫銨和硫酸銨處理下的水稻植株碳氮比。這可能是由于油菜稈還田抑制了尿素和碳酸氫銨處理下的水稻生長, 因油菜稈還田腐解釋放的大量有機酸、H2S、Fe2+、Mn2+等抑制了水稻的生長[21], 從而減少了水稻氮素吸收累積量。有研究表明, 相比單施尿素, 稻油輪作系統(tǒng)中, 40%緩控釋肥+60%尿素顯著增加了水稻氮素累積[32]。目前的結(jié)果是在盆栽可控條件下取得, 要運用到大田生產(chǎn)實際中還有待于進一步研究和完善。

4 結(jié)論

油菜稈還田條件下, 配施硫酸銨較尿素有利于提高水稻苗期地上部氮素累積量, 促進水稻碳素的累積, 同時減緩油菜稈還田早期對水稻碳氮累積的抑制作用。

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Effects of nitrogen fertilizer types and canola straw returning on carbon and nitrogen accumulation in rice seedlings

YANG Wenting1, 2, YU Xia1, 2, LONG Changzhi1, ZHU Shuwei1, LU-Meijuan3, HUANG Guoqin1, 2,

1. Key Laboratory of Crop Physiology, Ecology and Genetic Breeding, Ministry of Education, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China 2. Center for Ecological Science Research, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China 3.College of Territorial Resources and Environmental, Jiangxi Agricultural University, Nanchang 330045, China

The present study aimed to investigate the effects of nitrogen fertilizer types alone or combined with canola straw returning on the carbon and nitrogen accumulation of rice seedlings.A pot experiment involed in nitrogen fertilizers (urea, ammonium bicarbonate and ammonium sulfate) and straw returning was conducted to determine the carbon and nitrogen accumulation amount and C/N ratio of rice seedlings. The results showed that, compared to urea, ammonium sulfate application significantly increased the nitrogen accumulation in the rice shoot,but significantly reduced the shoot and root C/N ratio of rice in the absence of canola straw.In the presence of canola straw, the application of ammonium sulfate significantly increased the carbon accumulation in the shoot and root of rice at 57 days after seeding (DAS) relative to the urea application. Compared with the sole application of same nitrogen types, additional canola straw incorporation significantly inhibited the accumulation of nitrogen in rice at 57 DAS, but significantly increased nitrogen and carbon accumulations in rice roots at 71 DAS and C/N ratio of rice at 57 DAS when ammonium bicarbonate and ammonium sulfate were applied. In a conlusion, canola residue incorporation combined with the application of ammonium sulphate could better promote the rice carbon and nitrogen accumulation in the rice-canola rotation system. The results could provide certain technical supports for nitrogen management under the rice-canola rotation system in south China.

straw returning; nitrogen;a; carbon accumulation

楊文亭, 俞霞, 龍昌智, 等. 氮肥種類和油菜稈還田對水稻苗期碳氮累積的影響[J]. 生態(tài)科學(xué), 2022, 41(3): 117–123.

YANG Wenting, YU Xia, LONG Changzhi, et al. Effect of nitrogen fertilizer types and canola straw returning on carbon and nitrogen accumulation in rice seedlings[J]. Ecological Science, 2022, 41(3): 117–123.

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.03.013

S181

A

1008-8873(2022)03-117-07

2020-04-11;

2020-07-08

江西省博士后科研擇優(yōu)資助項目(2015KY42); 國家自然科學(xué)基金(31360108)

楊文亭(1984—), 男, 助理研究員, 主要從事作物碳氮高效利用研究, E-mail: wtyang@jxau.edu.cn

黃國勤, 男, 教授, 主要從事作物栽培、耕作制度、農(nóng)田生態(tài)環(huán)境研究, E-mail: hgqjxes@ sina.com