（植物营养学专业论文）覆膜旱作条件下水稻氮素营养和土壤氮素转化的研究.pdf

摘要 本项研究j ：作分为两部分，第一部分首先利用盆栽试验研究了覆膜旱作条件下旌氨水平 和氮肥品种对水稻生长的影响，揭示覆膜旱作条件下水稻氮素营养的规律：其次在建立了 s n i f f l e 显微镜和质谱联机仪测定叶气界面气体交换的r ：作条件的基础上，初步探讨了氮素 形态对植物光合作刖过程中叶片表面四种气体( c o ：、h ：o 、0 2 和n o ) 交换的影响；第二部 分利j l i j 培养试验研究了植物提取物对土壤硝化过程的抑制作用以及不同碳氮供应条件下十 壤中铵态氮乖i 硝态氮的动态变化规律。 士要结论如f ： 盆就试验结果表明，覆膜旱作条件下，随着施氮量的增加，氮肥利率降低，施氮水平 的提高并没有显著提高作物的产量；在同一施氮水平一f 氮肥分三次施显著提高了作物的产 封，同时具有提高氮肥利用率的趋势；包膜肥料和硝化抑制剂的使川显著提高了氮肥利, q 4 率，但对水稻的产鼙影响不大。与常规淹水种植相比，覆膜早作后r 氮肥利, q 4 率提高了2 1 ， 水分利川效率提高了4 2 。 利心s n i f f l e 显微镜和质谱联机仪测定叶气界面气体浓度变化的试验结果表明s n i 用e 显微镜和质谱联机仪工作状态良好，能够用于测定叶片表面气体的变化规律；在距离玉米 n l 片表面气孔正上方2 0 m 处，供应硝态氮时叶片表面h 2 0 、o ：和c o ：的浓度明显低下 铵态氮处理，n o 浓度则显著高于铵态氮处理。 植物提取物g 9 3 具有明显的硝化抑制效果，其表现为g 9 3 处理十壤中铵态氮的含量 明显高了_ 常规尿素处理，而硝态氮的含量则低于尿素处理。秸秆的加入有利丁十壤中无机 氮的生物吲持，随着秸秆添加量的增加，土壤中无机氮含量降低。总之硝化抑制剂g 9 3 和 秸秆的添加能够有效地控制土壤中的氮素形态。广一一 关键词：水稻覆膜早作铵态氮硝态氮硝化抑制剂秸秆 a b s t r a c t 个w op o te x p e r i m e n t sc o v e r e dw i t hp l a s t i cf i l mw f r ec a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to f n i t r o g e na p p l i c a t i o na n dt y p e so n r i c ey i e l d ，r e l e v a n tp a r a m e t e r sa n dn i t r o g e nu p t a k e b ym e a n so f s n i f f l em i c r o s c o p ea n dm a s ss p e c t r o m e t e r ，t h eg a se x c h a n g ea b o v et h es t o m ao ft h el e a fa f f e c t e d b yn i t r o g e nf o r mw e r es t u d i e d i no r d e rt os u p p l yt h eb a s i cu n d e r s t a n d i n gf o rd e v e l o p i n gan e w f e r t i l i z e rf o rt h e g r o u n d c o v e rr i c e p r o d u c t i o ns y s t e m ( g c r p s ) ，t w oa d d i t i o n a l i n c u b a t i o n e x p e r i m e n t sc o n c e r n i n g a b o u tn i t r i f i c a t i o ni n h i b i t o r sa n d s t r a w n i t r o g e n i n t e r a c t i o nw e r e i n v e s t i g a t e d t h em a i nc o n c l u s i o n sf o i l o w e d ： c o m p a r e dw i t hn o r m a lf l o o d i n gc u l t i v a t i o n ，t h ey i e l do fr i c ed e c r e a s e du n d e rg c r p s ，b u t t h en i t r o g e nu s ee f f i c i e n c y ( n u e ) a n dw a t e ru s ee f f i c i e n c yi n c r e a s e d u n d e rg c r p s ，t h en u e d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fn i t r o g e na p p l i c a t i o n ，b u tn i t r o g e na p p l i c a t i o nh a sn os i g n i f i c a n t e f f e c to nt h ey i e l do f r i c e s p l i ta p p l i c a t i o ni n c r e a s e dt h ey i e l do fr i c e ，w h i l ec o a t e df e r t i l i z e ra n d t h en i t r i f i c a t i o ni n h i b i t o rd i dn o t n u ei n c r e a s e dw i t ha p p l i c a t i o no ft h ec o a t e df e r t i l i z e ra n dt h e n i t r i f i c a t i o nj n h i b i t o r t h es n i f f l em i c r o s c o p ea n dm a s s s p e c t r o m e t e ri sag o o dt o o lt om e a s u r et h eg a se x c h a n g e a b o v et h es t o m ao f t h el e a f a tt h ed i s t a n c e ( 2 0 m ) a b o v es t o m a o f l e a f ，t h ew a t e r ，c a r b o no x i d e a n do x y g e nc o n c e n t r a t i o no f a m m o n i u mf e dm a i z ew a s h i g h e rt h a nn i t r a t ef e d ，w h i l en i t r i co x i d e c o n c e n t r a t i o nl o w e e p l a n te x t r a c t g 9 3 i n h i b i t e d r e m a r k a b l y t h en i t r i f i c a t i o n p r o c e s s ，r e s u l t i n g i n h i g h e r a m m o n i u m c o n c e n t r a t i o n ，w h i l e l o w e rn i t r a t ec o n c e n t r a t i o n i nt h es o i l t h ea m m o n i u m c o n c e n t r a t i o ni n c r e a s e dw i t ht h e a p p l i c a t i o na m o u n to fs t r a ww h i l et h en i t r a t ec o n c e n t r a t i o n d e c r e a s e d k e y w o r d s ：r i c e g r o u n dc o v e rr i c ep r o d u c t i o ns y s t e ma m m o n i u mn i t r a t e n i t r i f i c a t i o ni n h i b i t o rs t r a w t 中国农业人学硕卜学位论文2 0 0 2 1 文献综述和研究思路 1 1 文献综述 水稻地表覆盖早作技术是指在早地上覆盖地膜、纸膜、秸秆等覆盖物种植水稻， 全生育期一般不建立水层( 需水关键期灌水抗早即可) 的一种节水戡培技术。这一栽 培技术的戍_ l j ，对于提高水分利用率和肥料利用率，降低环境污染具有重要意义。 目前我国水稻生产仍以传统的淹水种植为主。这种种植方式，一方面在淹水嫌气 条件f 形成大鼙的c h 4 和n 2 0 等温室气体( n e u e ，1 9 9 3 ：s a s s 1 9 9 5 ) 。另一方面淹水种 植的耗水域惊人，水资源浪费严重。但是水稻具有半水生性特点，其生理需水姑t i 总 蛀的3 0 4 0 ，生态需水量却i l6 0 7 0 。冈此，在满足水稻生理需水量的前提r ，改 变水稻睦划淹水栽培方式，通过实行节水栽培措施，1 7 水和减少稻田c h 。和n ，o 释放 龄的潜力是十分巨大的。 我匡f 在7 0 年代曾开展过水稻地表覆盖早作的试验研究和部分推广1 作，但由丁当 时【：农业产品价格体系不合理，使得生产成本高，产量不稳定，以及当时人们对水资 源和环境保护的认识不够，朱能推广开。然而，最近的研究结果表明，改变水稻传统 淹水种植的方式，使得土壤含水繁约保持在田间最大持水量的7 0 - 9 0 ，可使稻田每年 每亩c h 。的释放量从2 4k 减少到1 3k g ，霄水5 0 一7 0 ，保持平产甚或增产( 梁永超等， 1 9 9 9 ) 。 众所周知，水稻是喜铵性作物。水田条件r 士壤中的氮素主要以铵态氮为主，然 而水稻地表覆盖早作后士壤中的氮素则以硝态氮为主。地表覆盖早作条件下，十壤中 的硝态氮对水稻生长有何影响以及水稻氮素营养机理，是一个值得深入探讨的问题。 搞消这些机理对提高地物覆盖早作水稻的产鲑具有实际作刚。另外，水稻地表覆盖早 作后，后期追用氮肥会给实际操作带来很大的不便。为了简化农业生产措施，水稻地 表覆盖早作的肥料施用方式也将用一次性施肥方式代替传统的分次施肥方式。考虑剑 水稻前期偏好铵态氮，后期为硝态氮的特点，可在地表覆盖前施肥的同时施入一定鼍 的硝化抑制剂。已有不少文献报道，硝化抑制剂在一定条件下可抑制硝化作_ l j 达1 2 个月( a m b e r g e r ，1 9 8 6 ；l i n ，1 9 9 5 ) ，可使得水稻地表覆盖早作条件f ，在水稻生长初期 以铵态氮供应为主，后期则以硝态氮为主。这是简化水稻地表覆盖旱作氮肥施j l j 方式 的理论基础之所在。国内外，关于硝化抑制荆的研究1 作已有不少的报道，但其在地 表覆盖早作条件_ 卜的抑制效果和机理尚朱见报道，所以对这方面的研究对丁- 解决水稻 的施肥问题具有现实的意义。 1 1 1 水稻的氮素营养和生长特性 1 1 1 1 氮素形态对植物生长的影响 ! ：堕丝：望堕呈堡垒生! 查塑塑茎! ! 茎塑望堡鲞茎些塑堕壅 1 1 1 1 1 植物对n 0 3 - - n 或n h 4 + - n 的选择性 铵态氯和硝态氮是植物吸收无机氮的两种主要形态。研究表明，不同形态氯索列 植物生长的影响很人( r a v e n ，1 9 8 5 ；h u p p ea n dt u r p i n ，1 9 9 4 ) 。不酬植物种类对铵态氮 反应的敏感性也不同( b a r k e ra n dm i l l s ，1 9 8 0 ) 。有的植物( 如e r i c a c e a e ) 如果同时供 应铵态氮和硝态氮时生长虽好( e r r e b h ia n dw i l c o x ，1 9 9 0 ) ，而一些植物( 如水稻) 完 全适应铵态氮的供应( k o r c a k ，1 9 8 8 ) ，而且有些植物( 如黄瓜j i l 豌豆) 在硝态氮条1 ，l = r 生眭良好而对铵态氮敏感的植物，如果在供应铵态氮的同时，调节p h 值近中性的条 件f ，也能生长良好( m a y n a r d a n db a r k e r , 1 9 6 9 ) 。在适耕性好的十壤上，n o r - n 是矿 质氮的主要形态，大多数早地植物表现出喜硝的特性。但是在酸性较强的十壤上，硝 化作j 【1 常常受剑强烈的抑制，使得十壤中n h 。+ - n 多于n o3 - 一n 而成为主要的氮泺，在 这种生态系统f ，由丁j 植物适应了环境，表现出喜铵的特性，这己被许多试验结果所 证实( d i j k s h o o ra n dl s m u n a d j i ，1 9 7 2 ；h i d e oa n dy u k i o ，1 9 7 8 ；k o r c a k ，1 9 8 9 ；c l a u s s e na n d l e n z 1 9 9 5 ) 。 1 1 1 1 2n h 。+ n 和n o 、。一n 对植物光合作_ 【 ：i 的影响 氮素形态影响植物的光合作用主要通过影响a t p 和n a d p h 的产生米影响c o ，的 定。其主要表现在n t 片叶绿索含量、r u b p c a s e 的活性和含鬣、气孔导度、i 1 i 片问c o ， 的浓度等。研究表明，甘蔗在供应n h 4 + - n 虽然叶片变小，但单位干物重提高了，丌| 绿 素含量上升6 2 ，可溶性蛋白上升4 3 倍( t h e o d o r ea n dn o r m a n ，1 9 9 4 ) 。n i l 4 + - n 降低 了光合叶片的伸展，但是没有降低单位时间内的光合速率。但m a g a l h a e s 和w i l c o x ( 1 9 8 3 ) 认为由于叶面积的减少，单位植株c o ，的净交换速率和干物的生产降低了。 冈此，当供应n h 4 + - n 时，净光合的降低或增加取决丁植物的品种和所_ i j 营养液的d h 。 供麻n 0 3 - n 时，f 1 i 片中含有较高浓度的渗透调节物质，这可能是叶片迅速扩展的原闪。 叶片具有较高的光合速率可能与高的c o ，液相传导能力，高的r u b p c a s e 活性和p s i 和 p si i 活性以及其良好的协调作用( s h e l p ，1 9 8 7 ；t h e o d o r ea n dn o r m a ，1 9 9 5 ) 。n 0 3 - - n 的 还原需要还原力，叶片的光呼吸作用通过提供还原剂和硝酸还原具有密切联系。在供 应n o ，n 中生& 良好的植物，能够提高叶片的光呼吸速率、光呼吸速率与光合速率的 比值和硝酸还原酶活性。 氮素形态对光合作州的影响也与气孔导度有关。与供应n o r - n 相比，植物供席 n h 4 + - n 时，气孔导度和碳同位索的识别率提高了( hm 曲一1 e n s e na n ds c h j o e r r i n g ，1 9 9 7 ) 。 研究表明当供应菜豆n h 4 + - n 时，无论在高氧压还是低氧压条件下c o ：的同化速率、 气孔导度和胞问c 0 2 的浓度都高于供应n o f - n 处理，而且供应n h 4 + - n 时菜豆对o ：的 敏感性显著高丁供席n o n 处理( g r i o ，2 0 0 1 ) 。 氮素形态影响植物的光合作用，最终影响植物的生长发育。水稻偏爱n h 。十_ n ，覆 膜早作后，十壤中的氮索形态主要为n 0 3 - n ，在此条件f ，水稻对氮素形态的反鹰如 何，将是我们研究的内容之一。 中囝农业人学硕士学位论文，2 0 0 2 1 l 1 2 水稻的氮素营养特点 水稻是喜铵作物，人龉的研究j _ = 作也证实了水稻喜铵的这一特性( t e r a o e ta 1 ，1 9 4 0 ； t a n a k ae ta l ，1 9 5 9 ；a r i m a 1 9 7 0 ；m u h a m m a da n dk u m a z a w a ，1 9 7 4 ) 。在传统的淹水栽培 r ，水稻十中的氮以n h 4 * - n 为主，水稻吸收也主要是铵态氮。在铵利硝酸根两者同时 存在的溶液中，被切去根的水稻幼苗吸收铵比硝酸根快5 - 2 0 倍，完整水稻植株吸收铵 比吸收硝酸根也快( 罗宗雅，汤玉玮，1 9 6 3 ) 。从代谢能譬消耗来看，硝酸根代谢要比铵 代谢需要更多的能量，因为硝酸根必须还原成铵才能被植物利川( r a v e n ，1 9 8 5 ) 。 但是研究同时表明，水稻也能吸收n 0 3 - n ，尤其在水稻孕穗期和晒田以后，两种 无机氮同时存在时，水稻除吸收n h 4 + - n 外，也吸收n 0 3 - - n 。在水稻处于氮饥饿状况 时，稻根亦同时吸收铵盐和梢酸盐，其中吸收硝酸盐川于组成天门冬氨酸、谷氨酸和 丙氨酸及天门冬氨酰胺较多，而吸收铵盐则组成谷氨酰胺、天门冬氨酰胺及丙氨酸较 多( 罗宗雅，汤玉玮，1 9 6 3 ) 。它对硝态氮的吸收与其体内硝酸还原酶的活性有关。硝酸 还原酶是一种诱导酶，其活性火小取决于介质中硝态氮的浓度( r e d d y , 1 9 8 8 ) 。在一定 的浓度范围内，硝酸还原酶的活性与硝态氮的浓度呈正相关。水稻幼苗根内缺少硝酸 还原酶，只有在硝态氮溶液中经过一段时间的诱导才能逐步生成。因此，水稻生育初 期吸收硝态氮的速率较低，随着生长发育和体内硝酸还原酶活性的提高，吸收硝态氮 的速率逐渐加快( u h e le ta 1 ，1 9 8 9 ) 。业已证明，生育后期追施n o a - - n 比n h 4 + - n 更能 刺激水稻浮根的生长，提高水稻伤流液及叶中细胞分裂素的水平，进而提高稻叶中叶 绿素、可溶性蛋白质和核糖核酸含量，增加光合磷酸化活力和”c o ，同化速率，从而增 加稻谷产繁( 杨肖娥和孙羲，1 9 9 0 ) 。 1 1 1 3 不同形态氮肥对水稻产量影响 温伟松( 1 9 6 3 ) 用砂基培养方法的试验证明，铵态氨或硝态氮、铵态氮结合施用， 比单独施用硝态氮对水稻株高、青叶数、有效分蘖数、穗长、充实粒数、千粒数及谷 干比等的影响较好。单独施用硝态氮明显地有损水稻的生k 发育，表现株矮、有效分 蘖数少、穗短和粒少等。田间小区的试验也同样证明这一结果。水稻分蘖期施l ；j 铵态 氮有利于还原糖、氨基酸和蛋白质的合成，使分蘖生k 旺盛，分蘖数量迅速增加，而 硝态氮有利丁二淀粉积累。孕穗期配合施用铵态氮和硝态氮不但有利丁淀粉积累，还有 利于还原糖、氨基酸和蛋白质的合成，从而对水稻的产量产生良好的影响。 水田条什一f 士壤中的氮素主要以铵态氮为主，然而水稻覆膜早作后十壤中的氮素 则以硝态氮为土。如何解决在早作条什下水稻氮素营养问题，满足水稻不同生育划对 不同形态氮的需求问题对提高水稻的产鹫是一个关键问题。据报道硝化抑制剂可有效 地抑制铵态氮向硝态氮的转化，使施入的肥料氮在r 壤中较艮时间山以n h 4 + - n 的形式 存在，冈此在肥料中添加一定越的硝化抑制剂可能是解决这一问题的途径之。为此 研究地表覆盖早作条件f 硝化抑制剂的抑制效果和机理将是本项研究所芙注的内锌之 端芳：疆膜早作条件下水稻氯索， ：养和十壤氯素转化的圳究 1 1 2 硝化抑制剂对土壤氮素转化的影响 1 1 2 1 硝化抑制剂的种类 目前硝化抑制剂的种类主要有两大类，一类为人工合成的硝化抑制荆，主要包括 2 一氯6 ( 二氯甲基) ，吡啶( c p ) ，4 一氨基一1 、2 、4 三唑盐酸盐( a t c ) ，2 一氨基 一4 一氯一6 甲基嘧啶( a m ) ，舣氰胺( d c d ) ，硫脲( t u ) ，美福x 义( t m t d ) 等。 但是，它们中的人多数施入十壤后都不能最终完全降解，带有一定的毒性残留在土壤 中，当其进入生物阔后会在食物中积累，造成二次污染。一类为自然界中存在的或提 取具有抑制硝化微生物活性的天然物质，如根系分泌物，单宁等士壤有机物。天然存 在或提取物质由于无毒无其它副作用，不会造成二次污染的优点，因此被受人们研究 关注。g 2 是从植物中提取的纯天然物质，它的抑制效果如何，将是本论文第四章研究 主要内容。 1 1 2 2 硝化抑制剂的抑制机理及作用 硝化作用是微生物将铵氧化成为硝酸，并从中获得能量的过程。它有两个连续而 不同的阶段所构成，第一阶段是由亚硝酸细菌将n h 4 + - n 氧化n o ：- n ，第二阶段是由 硝酸细菌将n 0 2 - - n 氧化成n 0 3 - n 。这两个阶段是由硝化和亚硝化细菌参与下完成的。 硝化抑制剂主要抑制第一阶段n h 4 + - n 向n 0 2 - - n 的转化，使施入的肥料氮在较k 时间 内以n h 4 + - n 的形式存在。冈此能够减少土壤硝态氮的淋洗及反硝化脱氮作t l j 产生的损 失，提高肥料的利用率( h e n d r i c k s o ne t a l ，1 9 7 8 ；t o u c h t o ne ta 1 ，1 9 7 9 ；y e o m a n se ta l 1 9 9 2 ； s c h r o d e re ta l ，1 9 9 3 ) 。 j u m a 和p a u l ( 1 9 8 3 ) 认为硝化抑制剂对氮肥利用率的贡献，除了降低将n h 4 - n 通过n 0 3 - - n 而产生的损失外，还能够增加氮肥的微生物固定，减少氮肥的其他损失途 径。冈为微生物在同化氮素时，常对n h 4 + - n 表现出一定的偏好。一般认为士壤微生物 对n h 4 + - n 的吸收利用能力高于n 0 3 - n ( r e c o u se ta 1 ，1 9 9 0 ) 。微生物j 捌持的肥料氮在 以后的矿化中能够逐渐释放出来，供作物利用。土壤中氮的矿化和i 削持的相对强弱受 多种网素的影响，特别是能源物质的种类和数量。秸秆作为一种碳氮比较高的物质， 加入土壤会强烈地刺激微生物的生长，表现为土壤微生物态氮迅速增加。秸秆和硝 化抑制剂的配合施用对于土壤中氮素的转化具有重要意义。 1 1 3 秸秆对土壤中氮素转化的影响 1 1 3 1 秸秆对土壤中氮素的固持与矿化的影响 植物吸收利用的主要氮源是无机氮。植物能够吸收小分子的有机氮化合物如氨基 酸等，但水溶性氨基酸的数量很低。因此土壤有机氮的生物转化过程羊强度决定了土壤 的供氮能力。有机氮的矿化是指蛋白质、氨基糖、核酸等有机氮化合物分解并释放无 中固农业人学坝：卜学位论立，2 0 0 2 机形态氮的过程。氮的生物蚓持是指土壤生物吸收和同化无机氮的过程。矿化和生物 i 嗣持是同时发生、方向相反的两个过程，其相对强弱主要受能源物质，即有机碳种类 和数蜮的影响。十壤中氮素的转化是在微生物的参与f 进行的，因此微生物的数彗和 种类决定氮素转化的方向和强度。秸秆施入土壤后，为十壤中微生物提供了人量的能 源和碳源，在适宜的温度和湿度条件f ，会强烈地刺激微生物的生睦，表现为十壤微 生物态氮迅速增加。m a r y ( 1 9 9 6 ) 研究表明，在不施氮肥的条件f ，麦秸还田苗为8 0 0 0 妇h m ，微生物崮持的氮索为3 9 4 4nk g h m 。，在配施氮肥时，微生物同持的氮素 增加一倍以上，为8 2 1 0 8k g h m 。沈其荣( 1 9 9 4 ) 研究有机无机肥料配合施川对滨 海盐十十壤微生物态氮龄和十壤供氮特征的影响中发现，在大麦生长季节中，无肥区 十壤微生物态氮的数鼙明显减少，到大麦收获时，_ 十壤微生物态氮比种植前减少了 5 1 ：在施肥处理中，士壤微生物态氮数量则明显增加，其中单施化肥和有机肥处理 中，十壤微生物态氮数最低于有机无机肥料配合施用的处理。b o n d e ( 1 9 8 8 ) 的k 期培 养实验结果表明，施肥后尤其是施用作物秸秆和厩肥后，明显地增加了士壤微生物态 氮的数量，并在以后的矿化试验中证实，矿化累积氮中来自十壤微生物态氮的数量t | _ 6 7 7 8 ，说明土壤微生物态氮是土壤氮素矿化的重要组成部分。 秸秆分解过程中对十壤微生物态氮数量的影响决定丁秸秆本身含氮量和碳氢比 ( s m i t he ta 1 ，1 9 9 0 ) 通常，作物秸秆的碳氮比值较大，一般在6 0 1 0 0 ：1 。微生物在分 解植物秸秆时，需要从十壤中吸收一定数量的氮素来营养自身，势必会造成与植物争 氮现象的发生。以一种秸秆含碳量为4 0 ，每分解1 0 0 份时，细菌、真菌和放线菌就 分别需要同化0 4 0 8 ，1 2 1 6 ，1 2 - 2 4 份氮素。当秸秆中的含氮最低丁分解微生物同 化作用对氮素的要求比率时，在秸秆分解过程中不仅不会释放出无机氮，反而还会从 十壤中吸收同化无机态氮，即发生了士壤微生物的生物净吲持；秸秆的含氮量越低， 即碳氮比越大，微生物同持的十壤氮素也就越多。因此，在农业生产中进行秸秆还田 时，往往通过施用矿质氮肥米补充氮素，调节碳氮比。 l _ 1 3 2 秸秆和肥料配旌对肥料利用率的影响 肥料利用率低的问题一直是农业生产中的重要问题。尿素作为农业生产中施心的 土要氮肥品种之一，施入早地后，会很快水解并转化为铵态氮，进一步转化为硝态氮。 这一过程在一周之l _ | = l 就会迅速完成。硝态氮在土壤中易发生淋失和反硝化脱氮作用， 导致氮肥损失，降低了氮肥利用率( h u b e re ta 1 ，1 9 7 7 ) 。但尿素和秸秆配合施用，在一 定程度上可以提高肥料的利用率。秸秆由于碳氮比较高，施入十壤，会刺激十壤微生 物的生妖，引发土壤微生物对施入肥料氯的吲定，这样就减少了十壤无机氮的损火 ( j e n k i n s o ne ta 1 ，1 9 8 5 ) 。秋季施入氮肥和秸秆，可以使氮肥损失率从6 0 f 降至4 7 ， 有利丁氮肥利川率的提高( p o w l s o ne ta 1 ，1 9 8 5 ) 。另外研究表明，秸秆还田数苗与十壤 氮索的净矿化域之间最极显斯的负相关，而与氮素的净生物蚓定鼙之阃譬极显并的止 相关，这对氮肥利刚率会产生负效应( 朱培立，黄东迈，1 9 9 4 ) 。秸秆还田后，在分解 6j 瑞芳：覆膜早作条件下水稻氯素r t 养和十壤氮素转化的删究 切期可i 州定部分矿质氮，通过配施氮肥可促进作物生长，提高氮肥利_ l i 率。h i r o s e ( 1 9 7 3 ) 盆栽实验结果表明，在控制条件f 添加秸秆后，出现明显的十壤微生物与植物争氮现 象，士壤有效氮被人鼙j 酬持，导致作物吸氨量和氮肥利用率的降低，然而m a r y ( 1 9 9 6 ) 应h - ，n 示踪技术研究田间条仲卜氮肥添加稿秆后，发现氮肥利用率并未下降，反而 有所上升。 秸秆和硝化抑制剂对十壤氮素形态的调控为解决水稻覆膜早作施肥问题提供了一 条可能途径。同时，覆膜旱作条件下水稻的氮素营养机理和施肥技术的研究将为水稻 覆膜早作下水稻生产提供一定的理论和技术支持。因此加强这两方面的研究将促进我 国水稻覆膜早作技术的推广和应用。 中国农业大学硕i ：学位论文，2 0 0 2 1 2 研究思路 1 2 1 问题的提出 众所周知，水稻是喜铵性作物。水田条件下士壤中的氮素主要以铵态氮为主，然 而水稻地表覆盖早作后七壤中的氮素则以硝态氮为主。由此提出的问题之一是如何解 决水稻偏爱铵态氮的问题；问题之二是覆膜旱作条件下，后期追肥变得困难，田间试 验结果业已表明一次性施入速效氮肥会造成水稻生氏后期缺氮，那么一次性施入缓释 肥是否能够解决水稻覆膜旱作后期缺氮的问题是本研究工作关注的第二个焦点问题。 针对上述两个核心问题，首先利用盆栽试验研究了施氮水平和氮肥品种对覆膜早 作条件r 水稻生长和氮素吸收的影响( 第二、三章) ，以期揭示覆膜早作条件f 水稻氯 素营养的规律，为解决水稻的施肥问题提供理论依据：其次为了更深入地了解氮素形态 对水稻生长的影响，在建立了用s n i f f l e 显微镜和质谱联机议测定叶气界面气体交换的 工作条件的基础上，初步探索了氮素形态对植物光合作用过程中o l 气界面四种气体 ( c o ：、h ：o 、o ：和n o ) 交换的影响( 第四章) ；最后研究了天然提取物g g 对十壤氯素 转化的影响( 第五章) 以及不同碳氮供应条件下土壤中铵态氮和硝态氮的动态变化规 律( 第六章) ，期望通过调控土壤中铵态氮和硝态氮的变化，为解决覆膜旱作条件r 水 稻的施肥问题提供依据。 8瑞芳：覆膜早作条件下水稻氮崇7 ￥养和十壤氮索转化的研究 1 2 2 技术路线 本项研究的技术路线见幽l _ l 。 图1 - 1 本项研究的技术路线 f i g 1 - 1t h ed e s i g no f t h ee x p e r i m e n t 中固农业大学硕i ：学位论文2 0 0 2 9 2 覆膜旱作条件t s n g 匝氨水平对水稻氮素吸收和产量的 影响 2 1 前言 水稻是世界上主要的粮食作物，它对世界各地粮食生产极为重要。目前世界水稻 的生产仍然以传统的淹水种植方式为主。传统的淹水种植不但耗水量惊人，每公顷耗 水量( 毛) 13 5 6 7 5 万立方米，水资源严重浪费( 徐国郎等，1 9 9 0 ) ，同时，这种种植 方式在淹水的条件下会形成大量能够导致温室效应的气体，如c h 。、n 2 0 等( n e v e ， 1 9 9 3 ：s a s s 1 9 9 5 ) 。国内外众多研究表明水稻对环境具有很强的适应性。水稻具有、r 水 生性特点，其生理需水量【- 总量3 0 一4 0 ，生态需水量却占6 0 7 0 。因此，在满足水 稻生理需水量的前提下，改变水稻长期淹水栽培方式，通过实行节水栽培措施，节水 和减少稻田c h 。和n ，o 释放量的潜力是十分巨人的。最近的研究结果表明，改变水稻 传统淹水种植的方式，使得土壤含水量约保持在田间最大持水量的7 0 9 0 ，可使稻田 每年每亩c h 。的释放量从2 4k 减少到1 3k ，节水5 0 7 0 ，保持平产甚至有所增产( 梁 永超等，1 9 9 9 ) 。 地表覆膜早作改变了水稻生长的微区环境，生长环境的改变必然影响水稻生长和 水稻对养分的吸收，从而影响水稻的产量。水稻是喜肥作物，每生产1 0 0 k g 稻谷需要 吸收氮1 8 2 5k g 、磷0 , 9 1 2k g 、钾2 1 3 | 3k g ( 王一凡，周毓珩，2 0 0 0 ) ，因此必须通 过施肥才能满足水稻生长发育的要求。水稻生育过程中对氮肥的反应最为敏感，氮肥 的直接施用关系到水稻生k 发育的好坏，产量的高低。在覆膜旱作条件f ，如何止确 施用氮肥，确定氮肥的适宜施用量是保证水稻高产的关键问题。有关水作条件下水稻 对氮素养分的吸收与氮肥的合理施用等方面已有较深入的研究( 黄继茂，1 9 8 6 ；朱兆良 等1 9 8 8 ；m u k h e d e ea n dm a n d a l ，1 9 9 4 ) ，但目前对覆膜条件下水稻对氮素养分的吸收、 氮肥的最佳施用量和氮肥的利用率等方面的研究较少，因此搞清这些机理对提高地膜 覆盖早作条件下水稻的产量，养分利用率均具有重要的理论意义利实践指导作川。 为此，本试验通过盆栽试验，旨在探讨覆膜早作条件f ，不同施氮水平对水稻氨 素营养和产量性状的影响，以期为覆膜早作水稻的氮肥合理施用提供理论依据。 2 2 材料与方法 采川盆就试验方法，t2 0 0 0 年5 月1 6 日至1 0 月6 日在中国农业人学科学i 司温室 进行。供试水稻品种为北方地区主就常规稻“越富”。十壤采白t - j l 京海淀区尔北旺乡 阳北旺人队水稻地。试验殴5 个处理重复3 ( 重复) 4 ( 取样) = 1 2 次，试验处 理分别： 瑞芳：树膜早f 1 | 条件下水稻氮素f 养和十壤氢豢转化的究 t l = 0 n m g k g t 2 = 1 0 0 n m g k g t 3 = 2 0 0 n m g k g t 4 = 3 0 0 n m g k g t 5 = 2 0 0 n m g k g 覆膜早作 覆膜早作 覆膜早作 覆膜早作 常规淹水种植 各处理施磷肥1 3 3m g k g p 2 0 5 和2 0 0m g k g k 2 0 钾肥作基肥，其中磷肥为磷酸 - 二氢钾，钾肥为硫酸钾，氮肥为尿素。试验开始时，土壤先过5m m 的筛，然后将称蚶 的肥料按试验处理要求与十l 壤混匀，用瓦氏盆装土，每盆装土8k g 。开始时水稻种子 直播于盆中，每盆3 穴，每穴7 粒。各处理都覆膜，水稻出苗长至4 一心时，覆膜 早作处理所覆膜打孔3 个，刚铁丝圈固定，使苗子从膜孔鼯出，间曲，定苗后每穴3 株。揭去常规淹水种植所覆的膜，使稻苗露出，开始灌水，保持水层2 3c m 。覆膜旱 作处理保持晟大田间持水蠼的8 0 9 0 ，用t d r ( e a s y t e s tf q m m t s ) 监测浇水。 试验进行期间，记录每天的温度，各处理每次的灌水繁。采取破坏性取样，分别 在播种后3 7 天( 3 7d a s ，分蘖期) 、6 3 天( 拔节期) 、1 0 9 天( 孕穗期) 、1 5 4 天( 成 熟期) 取地上部植株样，称取干鲜重。同时测量各生育期的株高，记录分蘖期间的分 蘖数。黄熟期后收取水稻获得产量并进行考种。考种项目包括株高、株数每穴、穗数 株、穗长、穗粒数、不育粒数、可育率和千粒重。 分析时，植株样用蒸馏水洗净，擦干称鲜重，然后在1 0 5 c 杀青3 0 分钟，6 0 。c 下 烘干，称干重；将样品粉碎后用h ：s 0 4 - h ：0 2 方法消煮，最后川连续流动分析仪 f t r a a c s 2 0 0 0 ) 测定植物全氮。试验所得数据均用s a s ( w o r d6 2 ) 统计检验。 2 3 结果 2 3 1 不同施氮水平和种植方式对水稻干物质积累和产量的影响 2 3 1 1 对干物质积累的影响 幽2 1 给出了覆膜早作条件f 不同旌氮水平对水稻干物质积累的影响。不同氮水 平处理t 1 、t 2 、t 3 、t 4 在分蘖期( 3 7d a s ) 至孕穗期( 1 0 9d a s ) 干物质积累量差 异不显著，但随着作物生长期的延氏，干物质逐渐积累，特别在拔节期( 3 7 d a s ) 后， 干物质迅速积累。在成熟收获期( 1 5 4d a s ) ，t 2 、t 3 、t 4 之间的干物质累积差异不 显著，但都高于t l 。淹水种植的t 5 与覆膜早作处理t 3 在分蘖期至孕穗期物质累积差 异不显著，在收获划t 5 处理明显火于”处理。 ! 里查些查堂堡圭兰垡堡兰：! ! ! ! 坚 一t l 一t 2 生k 天数d a ya f t e rs o w i n g l 兰】2 - i 不同施氮水平对水稻地上部十物质累积的影响 f i g2 - 1d r yw e i g h to f r i c es h o o tu n d e r d i f f e r e n tn a p p l i c a t i o n t i ：0 n m g k 一覆膜；t 2 ：1 0 0 n m g k 菩1 覆膜；t 3 ：2 0 0 n m g k 一覆膜 t 4 ：3 0 0 n m g k 乎1 覆膜；t 5 ：2 0 0 n m g k g 。1 淹水 2 3 1 2 对产量与产量构成的影响 如表2 1 所示，不同施氨水平之间，与t 1 相比，t 3 、t 4 处理产量随着施氮量的 增加，有增加的趋势，但差异并不显著，他处理产量有所降低，但差异也不明显。t 1 的 株高明显低于t 3 ，t 4 处理，但穗数、穗粒数和可育率没有明显著异。不同种植方式之 间淹水种植t 5 处理的产量显著高于覆膜早作的t 3 处理。t 5 的株高、穗数、干粒重高 丁t 3 ，两者之间的粒数、可育率没有显著差异。 表2 - 1 不同施氨水平对水稻产量及其产量构成的影响 t a b l e2 - 1t h ee f f e c to f n i t r o g e na p p l i c a t i o no ny i e l da n dy i e l dc o m p o s i t i o no fr i c e + t i ：0 n m g k g “覆膜；t 2 ：1 0 0 n m g k 一覆膜；t 3 ：2 0 0 n m g o g 。覆膜f 4 ：3 0 0 nm g k 覆膜：t 5 ：2 0 0 n m g k g 。淹水 处理之间比较，l s d 检验小m 字母表乐在p o0 5 水、卜差异! i l l 善，相，母表“i 差异小 【l ! i ：! 以 下 1lll0 o2 o 0 o o 0 0 0 0 6 2 8 4 2 2 i l 一若乱一羔磐ub凸 制+ 瑞芳：覆膜早 乍条l q - f 水稻氮素汁养和十壤氮索转化的研究 2 3 2 对水稻地上部氮素吸收和氮肥利用率的影响 2 3 2 1 对吸氮量的影响 由表2 - 2 可以看山，在捅种币3 7 犬分蘖期和6 3 大拔仃期，不同氮水平t l 、t 2 、 t 3 、t 4 处理之间水稻地上部累积吸氯苗著异不显著。在孕穗期，与t 1 相比，t 2 、t 3 、 t 4 处理水稻植株内的吸氮量显著增加。但t 2 、t 3 、t 4 之间随着施氮量的提高，筹异 并不显蔷。收获期植株累计吸氮总量t 2 、t 3 、t 4 显著高于t 1 ，t 3 、t 4 高丁t 2 ，但 两者之间无显著著异。收获期籽粒中的吸氮量的变化趋势与吸氮总餐相同，稍秆中的 吸氢譬t 2 、t 3 、t 4 显著高了二t 1 ，但三者之间差异不明显( 图2 3 ) 。 表2 - 2 小蚓施氮水平下再生育期水稻地l 二郝的岽积吸氮量 t a b l e2 - 2na c c u m u l a t i o ni nr i c eu n d e rd i f f e r e n tn a p p l i c a t i o n + t l ：0 n m g k 一覆膜；t 2 ：| q o n m g k 菩覆膜；t 3 ：2 0 0 n t r i g - k 9 1 覆膜； t 4 ：3 0 0 n m g 垤。覆膜；t 5 ：2 0 0 n m g k 9 1 淹水 “d a s ：d a y a l l e rs o w i n g ，播种后天数，以下刚 + 此处理瓦氏盆破裂未分析数据：采取破坏性取样，不影响其它数据的准确忭 著异。 t 1t 2t 3t 4t 5 处理t r e a t m e n t 图2 - 2 收获期秸秆和籽粒中的累积吸氮量 f i g 2 。2n a c c u m u l a t i o ni ns t r a wa n dg r a i nu n d e rd i f f e r e n tn a p p l i c a t i o n t i ：0 i 4 m g k 一疆膜；t 2 ：1 0 0 n m g k 百覆膜：t 3 ：2 0 0 n m g k g 覆膜 t 4 ：3 0 0 n m g k g 。覆膜；t 5 ：2 0 0 n m g k g _ 1 淹水 中固农业人学倾j j 学位论文，2 0 0 2 2 3 2 2 对秸秆与籽粒中氯含量的 收获j f i 】水稻籽粒和秸 秆中的氮含始如图2 - 3 。 就施氮水平而言，t 2 、t 3 、 t 4 籽粒和秸秆中的氮含 量明显高于t 1 ，t 2 、t 3 、 t 4 之间随着施氮鼙的增 加，秸秆和籽粒中的氮含 量增加，但著异不显著。 从种植方式来看，t 5 籽 粒中氮含量明显低 丁_ t 3 ， 秸秆中的氮含最具有相同 趋势。 2 3 2 3 对氮肥利用率的影 响 如图2 - 4 所示，不同 氮水平下，t 2 、t 3 、t 4 随着施氮量的增加，氮肥 利用率逐渐降低。常规淹 水栽培的t 5 处理氮肥的 利_ i j 率低于覆膜早作处理 t 3 。 t lt 2t 3t 4t 5 处理t r e a t m e n t 圈2 - 3 收获期水稻籽粒年兀秸秆中的氮含量 f i g2 - 3n c o n t e n ti ng r a i na n ds t r a wu n d e rd i f f e r e n tn a p p l i c a t i o n 喜 薹茎 芝 t 2t 3t 4t 5 图2 4 不同施氮水平对氮肥利用牢的影响 f i g2 - 4n i t r o g e nu s ee f f i c i e n c yu n d e r d i f f e r e n tn a p p l i c a t i o n t i ：0 n m go k g 。覆膜：t 2 ：1 0 0 n m g k g - 1 覆膜：t 3 ：2 0 0 n m g k g 覆膜：t 4 ：3 0 0 n m g k g 。覆膜：t 5 ：2 0 0 n m g k g “淹水 2 3 3 水稻生育期间的灌水量和产量反应 从图2 - 5 看出，覆膜早作后，灌水量大火减少。t 5 的灌水量约为t 3 的2 倍。水 分利用效率覆膜处理的显著高丁淹水处理。因此，水稻覆膜旱作具有显著的1 ，水效应。 荡搦峨囱舅啊扇囫豳柑树勿缓勿羚臻卫 o 6 2 8 4 0 2